نجم جديد في سماء الفيزياء: خوان مالديسانا من الأرجنتين

بعد سنوات من الجفاف النسبي، يبدو أن العالم العلمي اكتشف نجما جديدا: خوان مالديسينا، أستاذ الفيزياء من جامعة هارفارد البالغ من العمر 32 عاما، يوضح كيف أن الواقع الذي نعيش فيه قد يحتوي على أبعاد "مطوية" لا يمكننا تمييزها

بيشيم عزجد

يعتبر البروفسور خوان مالديسانا المولود في الأرجنتين والذي يعتبر حاليا أعظم الواعدين في الفيزياء النظرية للجسيمات الأولية للمادة، هو أيضا من استطاع العودة ووضع أقدام الفيزياء النظرية على أرض الواقع . تمكن مالدسينا من الارتقاء بنظرية الأوتار إلى مستويات عالية نالت إعجاب زملائه. وجاءت معظم شهرته عندما أظهر -بحسابات تفصيلية- كيف يمكن لنظرية الأوتار أن تحتوي على ظواهر تحدث في كوننا.

مثل السياسيين الذين يأملون في توحيد القوى، ورجال الأعمال النقابيين الذين يدعون إلى توحيد الصفوف، ورجال الأعمال الذين يحلمون بدمج الشركات، يسعى الفيزيائيون أيضًا إلى إظهار أن العالم مبني بشكل أساسي من نوع واحد من الجسيمات التي تعمل بينها قوة واحدة فقط. لإلقاء نظرة سريعة على عالم الأحلام البسيط والمتناسق والجمالي هذا، يبحثون، فوق وتحت الأرض، عن طرق مختلفة للتعمق في تعقيدات المادة. وعندما تواجههم التكنولوجيا بحدودها المزعجة، يعود الفيزيائيون إلى الأساسيات: الورقة، قلم الرصاص، الفكر. وإذا تعذر الحصول على دليل "في الأفق"، فسوف يكتفون بالدليل الظرفي. لكن حتى مثل هذه الأدلة ليس من السهل الحصول عليها. إنها مباراة صعبة ضد خصم (هاتيفا) يتمتع بميزة حاسمة على أرضه، ولكن هنا وهناك تتمكن قواتنا أيضًا من استخلاص أفكار أصلية مشجعة.

لكن في بعض الأحيان يكون من الصعب جدًا استيعاب هذه الأفكار. على سبيل المثال، في عام 1985، انتشرت شائعة في معهد الدراسات المتقدمة في برينستون حول "محاضرة ثورية" كان من المقرر أن يلقيها الفيزيائي الشاب إد ويتن. وهكذا، عندما صعد ويتن إلى منصة المحاضرات، اكتشف قاعة كاملة أمامه. وكان من بين الحضور فيزيائيون ذوو أسماء عالمية، وبعضهم حائز على جائزة نوبل. حبس الجميع أنفاسهم عندما تمكن ويتن، بحيل رياضية مذهلة، من تبرير حجج اثنين من الفيزيائيين اللذين لم يحظيا بالكثير من الدعاية حتى ذلك الحين، وهما مايكل جرين وجون شوارتز، حول خصائص نظرية الأوتار. نجحت "بركة الطريق" لوتن في تجديد أيام هذه التوراة التي كانت حتى ذلك الحين تعتبر فاشلة، ولكن كما علق الفيزيائي فريمان دايسون في كتابه "اللامتناهي في كل الاتجاهات": "غادر الجميع الغرفة بشعور معين". الحزن وسألوا أنفسهم ما هو "الوتر الفائق" في الواقع، وما إذا كانت هناك علاقة بين هذا المفهوم الغامض والواقع المادي للعالم الذي نعيش فيه."

في الواقع، وُلدت الأوتار الفائقة من مأزق نشأ من التجارب التي أظهرت وجود العديد من جسيمات الهادرونات في الطبيعة (مثل البروتون والنيوترون). بالنسبة لأولئك الذين يتطلعون إلى رؤية عالم من جسيم واحد وقوة واحدة، فمن الواضح أن هذا وضع لا يطاق. وقد أدى موقف مماثل سابقًا إلى افتراض وجود جسيمات أولية وأصغر حجمًا تشكل البروتونات والنيوترونات (الكواركات). هكذا ولد "النموذج القياسي" بشكل أو بآخر، وهو النظرية الأكثر قبولًا واستنادًا حتى الآن إلى بنية المادة، والذي يقسم جزيئات المادة إلى عدة "عائلات" ويصف أربع قوى: الجاذبية، و"القوة". القوة الملونة"، القوة الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة (الأخيرتان تنبعان في الواقع من قوة قديمة وأكثر أساسية تسمى "القوة الكهربائية الضعيفة").

وزادت النجاحات في صياغة النموذج القياسي من الشهية الهائلة لدى الفيزيائيين، الذين بدأوا يعتقدون أن الواقع المادي الذي نعرفه ليس أكثر من تناظر مكسور تكمن جذوره في حالة أساسية أكثر تناسقا، حيث يبدو الكون متماثلا من النظرة الأولى. كل وجهة نظر ينظر إليها منها، بحيث لا يوجد في الواقع فرق كبير بين الجسيمات المختلفة وليس بين القوى المؤثرة عليها. وكما يقول أحد اليهود المتدينين في صلاة مينشا يوم السبت: أنت واحد واسمك واحد. أي أن كل الفروق المادية في الكون، وكل الجسيمات التي نعرفها اليوم، هي في الواقع مظاهر ومنتجات "عنصر بدائي" واحد؛ وجميع القوى العاملة في الطبيعة ليست سوى جوانب مختلفة لنفس القوة البدائية، والتي يمكن أن تبدو من وجهات نظر مختلفة مثل الجاذبية، أو القوة الضعيفة، أو القوة الكهربائية الضعيفة. تماماً مثل الفيل الذي يحاول مجموعة من المكفوفين وصفه من خلال ملمس أطرافه المختلفة.

ويختلف هذا "العنصر البدائي"، المسمى "الخيط"، عن جميع الجسيمات التي عرفناها حتى الآن بعدة طرق. أولا، أنها أصغر. يقول فريمان دايسون أن الخيط أصغر من الذرة كنسبة الذرة الواحدة إلى النظام الشمسي. ثانياً، جميع الجسيمات "العادية" هي (من وجهة نظر الفيزيائيين) "نقاط" بالمعنى الهندسي للكلمة. يعني بلا أبعاد ليس لها طول ولا عرض ولا عمق. تنتج الطبيعة المادية لهذه الجسيمات عن عمليات "التلبية" التي يتم فيها تغليف الجسيمات في مجالات مختلفة وتلتصق بجزيئات أخرى. وفي المقابل فإن الوتر، حسب أوصاف أصحابه، له بنية مميزة وبُعد واحد (الطول). وهو غير قادر على التواجد إلا في الأنظمة ذات الطاقة العالية جدًا، مثل تلك التي كانت موجودة في الأجزاء الأولى من الثانية بعد الانفجار الكبير، وبما أنه من غير المرجح أن نتمكن من إعادة إنتاج ظروف هذا النظام على الأرض ويبدو أنه في المستقبل المنظور سيكون من الصعب جدًا علينا إثبات وجود الأوتار.

ووفقاً لهذا المفهوم، فإن جميع جزيئات المادة التي يتكون منها الكون تنشأ نتيجة اهتزاز الأوتار عند أدنى رنين لها، عندما تتحرك وتتجمع وتنفصل وتندفع عبر الزمكان. وبعبارة أخرى: الواقع المادي هو "الموسيقى" التي تعزفها الأوتار. يمكن أن يكون الوتر مغلقًا (حلقيًا) أو مفتوحًا (مستقيمًا أو ملفوفًا)، وعندما يتحرك في الزمكان، فإنه "يفتح" ورقة ويفرض عليها قيودًا مختلفة.

كل شيء جيد وجيد، إلا أن محاولات تفسير تعدد الجسيمات الهادرونية باستخدام نظرية الأوتار باءت بالفشل، وتم التخلي عنها. على الرغم من أن إحدى سمات هذه النظرية تبدو جذابة بشكل خاص: في الأنظمة ذات الطاقات المنخفضة نسبيًا، تتمتع الأوتار بخصائص كانت تعتبر حتى ذلك الوقت "خاصية" لجسيم واحد فقط من المفترض أن يحمل قوة الجاذبية: الجرافيتون ( والتي لم تتم ملاحظتها بشكل مباشر بعد)؛ من ناحية أخرى، يبدو أنها تعاني من "مرض عضال" لا يسمح لها بالبقاء لفترة طويلة في عالمنا.

عند هذه النقطة، جاء شوارتز وغرين وأظهرا أنه على الرغم من كل شيء، فإن لهذه النظرية "الحق في الوجود في عالمنا". كما ذكر ويتن، أعطى هذه النتائج "الموافقة الرسمية"، وبالتالي فإن نظرية الأوتار، التي فشلت في محاولتها تفسير تعدد وخصائص جسيمات الهادرون، "قفزت إلى مستوى أعلى" وقدمت وصفًا مقنعًا إلى حد ما لـ القوة المراوغة في الطبيعة، الجاذبية، وفقًا للنظرية النسبية العامة لأينشتاين.

هذه الرؤية المثيرة طغت عليها سحابتان. إحداهما نظرية التناظر الفائق، والتي بموجبها لا يمكن للأوتار أن توجد وتتحرك إلا في عالم يوجد فيه العديد من الجسيمات التي لم يتم اكتشافها بعد، والأخرى تنبع من حسابات يمكن بموجبها أن توجد نظرية الأوتار وتصف الواقع بشكل صحيح فقط. في الكون الذي له 26 بعدا. اتضح لاحقًا أنه إذا قمت بدمج السلسلة في التناظر الفائق (مما أدى إلى ظهور لقب "الأوتار الفائقة")، فإن عدد الأبعاد ينخفض ​​من 26 إلى 10.
كيف يمكن لنظرية تتحدث عن كون ذي عشرة أبعاد أن تصف الواقع رباعي الأبعاد لحياتنا؟ فهل من الممكن أن يكون هناك في الواقع أبعاد أكثر مما نراه؟ يُظهر الفيزيائيون الذين يدرسون نظرية الأوتار في حساباتهم أن مثل هذا الموقف ممكن تمامًا، فقط إذا كنا على استعداد لافتراض أنه إلى جانب الأبعاد الأربعة المعروفة (والتي يمكن اعتبار كل منها كخط من أجل التجريد) هناك ستة أبعاد أخرى الأبعاد "مطوية". وبحسب هذه الحسابات، فإذا كان قطر «طي» هذه الأبعاد الإضافية صغيراً جداً، فإن وجودها لن يتعارض مع صورة الواقع المادي كما تظهر لنا. لفهم ما هي "الأبعاد المطوية"، يمكنك التفكير في نملة على أنبوب يبلغ قطره، على سبيل المثال، نصف متر. إذا سارت على طول الأنبوب فسوف تلاحظ بُعدًا واحدًا من عالمها: الطول. فإذا دارت حول قطره، ستعود إلى المكان الذي انطلقت منه في رحلتها وتلاحظ بعداً آخر مختلفاً. لكن، إذا كان قطر الأنبوب صغيرًا جدًا، أصغر بكثير من حجم النملة نفسها، فلن تتمكن من المشي عليه ولن تلاحظه. يقدم الفيزيائيون الذين يدرسون نظرية الأوتار صورة للواقع توجد فيها ستة أبعاد "مطوية" و"منكمشة" إلى حد أننا لا نستطيع تمييزها. بمعنى آخر، إذا كانت هذه النظرية صحيحة، فإن عالمنا، في بعض النواحي، ضيق مثل عالم النملة.

بتشجيع من هذه الحسابات، بدأ الفيزيائيون في محاولة إظهار كيف يمكن إنشاء صورة للواقع تتناسب مع "النموذج القياسي"، أي العالم الذي نعيش فيه، داخل إطار (أو بشكل أكثر دقة، على الهوامش) من الأوتار نظرية. وكانت النتيجة الحتمية لهذا النشاط ظهور العديد من نظريات الأوتار، مما خلق شعورا لدى الفيزيائيين بأنهم يبتعدون عن الهدف (كون واحد، وجسيم واحد، وقوة واحدة، ونظرية واحدة تصف كل ذلك). في إحدى المحاولات لإظهار كيف يمكن أن توجد "أشياء" واقعية أو شبه واقعية في إطار نظرية الأوتار، أظهر الفيزيائي الإيراني كومرون فافا والفيزيائي اليهودي آندي سترومينغر (كلاهما من جامعة هارفارد) كيف يمكن لنظرية أوتار معينة أن تسمح بوجود وجود ثقوب سوداء خاصة (وهي غير موجودة في الكون الذي نعيش فيه). حجة ضيقة إلى حد ما.

عند هذه النقطة دخل البروفيسور مالدسانا إلى الساحة. ولد عام 1968 في بوينس آيرس. كان والده مهندسًا، وعندما كان طفلاً كان يعتقد أنه سيصبح مهندسًا أيضًا عندما يكبر. يتذكر قائلا: "لم أكن أعرف شيئا عن الفيزياء حينها". في عام 1992، بعد حصوله على درجتي البكالوريوس والماجستير في الأرجنتين، هبط النجم الشاب في جامعة برينستون وفي عام 96 حصل على الدكتوراه. بالفعل في أطروحته للدكتوراه، التي أشرف عليها كورت كالان، تمكن مالدسينا من الخروج من الكون المجهول لفابا وسترومينجر وإظهار كيف يمكن لنظرية الأوتار أن تسمح بوجود ثقوب سوداء "حقيقية".

"إنه أفضل طالب دكتوراه في مجموعته وفي جميع المجموعات التي سبقته"، هذا ما ذكره مشرفه في جامعة برينستون، كورت كالان، في استمارة التقييم التي طُلب منه تعبئتها. وبعد وقت قصير، ولم يتجاوز الثلاثين من عمره، تم قبوله كأستاذ في جامعة هارفارد، حيث لا يزال يخدم حتى اليوم. لقد مرت سنتان فقط منذ ذلك الحين، وتمكن مالدسينا من الارتقاء بنظرية الأوتار إلى مستويات عالية أثارت إعجاب زملائه. وجاءت معظم شهرته عندما أظهر -بعملية حسابية مفصلة- كيف يمكن لنظرية الأوتار أن تحتوي على ظواهر تحدث في الكون الذي نعيش فيه. كاستمرار طبيعي لعمله في الدكتوراه، اختار مالدسانا ظاهرة تسمى "التصوير المجسم"، والتي تتجلى بالقرب من الثقوب السوداء. هذه الظاهرة، التي وصفها لأول مرة البروفيسور جاكوب بيكنشتاين من الجامعة العبرية، تتجلى في ضغط المعلومات ثلاثية الأبعاد (الحجم) في سطح ثنائي الأبعاد.

ذهب مالدسانا إلى أبعد من ذلك وأظهر طريقتين يمكن من خلالهما وجود "التصوير المجسم" في إطار نظرية الأوتار. الخيار الأول يقوم على كون خاص يتضمن عشرة أبعاد، خمسة منها أبعاد "مطوية" بحيث لا نستطيع تمييزها، وخمسة أبعاد "كبيرة" (مثل الأبعاد الثلاثة للمكان والزمان التي نعرفها). بمعنى آخر، قد يوجد في بيئتنا المباشرة بُعدًا "كبيرًا" آخر، ينتظر أن نكتشفه. الخيار الثاني أكثر روعة. فهو يصف كونًا رباعي الأبعاد توجد فيه الجاذبية معًا ونظرية تشبه إلى حد كبير نظرية قوة اللون، والتي من خلالها تمكن الفيزيائيون في عالمنا من تفسير تعدد الجسيمات الهادرونية وصياغة نظرية النموذج القياسي. وهكذا تغلق دائرة الحبكة التي تذكرنا بقصة رامبو الذي يعود إلى ساحات القتال في فيتنام لإغلاق بعض الأمور المفتوحة. نظرية الأوتار التي فشلت في بداية رحلتها في تفسير تعدد جسيمات الهادرون في عالمنا، وبسبب فشلها ألقيت من النافذة، بفضل مالديسينا، عادت إلى مركز الساحة العلمية وأظهرت ذلك في نهايتها هي أساس الحل الذي تم التوصل إليه لمشكلة تعدد الهادرونات في الماضي (نظرية قوة اللون)، ولكن بعد ذلك لم نتمكن من اكتشاف هذا الارتباط.

حصل مالدسانا على العديد من الجوائز والمنح العالمية لهذا العمل، بما في ذلك منحة ماك آرثر المرموقة (يسميها الفيزيائيون "منحة العبقرية")، وحصل مؤخرًا على جائزة ساكلر من جامعة تل أبيب مع مايكل دوجلاس من جامعة روتجرز. سبق أن قام الفيزيائيون في المؤتمرات العلمية بتأليف أغنية مديح تكريما له على أنغام الأغنية البرازيلية "ماكارينا"، ثم تنافسوا فيما بينهم في العروض الموسيقية اللفظية فوق منصة المحاضر. كلمات هذه الضربة العلمية كتبها البروفيسور جيفري هارفي من جامعة شيكاغو. ويقول البروفيسور إليعازر رابينوفيتش من الجامعة العبرية، الذي ساهمت مجموعته البحثية ببعض الأفكار حول خصائص "الغموض" في نظريات الأوتار، إن الفيزيائيين الذين شاركوا في مؤتمر علمي في سانتا باربرا غنوا كلمات هارفي بأمانة، عندما أنشدت الجوقة "آه من أكارنا" يستبدلون بـ "آه من الديسانا" بينما تدوس أقدامهم على أرضية قاعة التجمع فيما يبدو أنه يشبه الرقص إلى حد ما. ويبدو من كل هذا أن العالم العلمي قد اكتسب، بعد سنوات قليلة من الجفاف النسبي، نجمًا جديدًا، وهو على سبيل التغيير شاب، يتمتع بصحة جيدة، بل وغني نسبيًا.

ولكن هل كل ما نراه حقًا ليس أكثر من "موسيقى" للأوتار؟ هل نقترب من قاع برميل أسرار الطبيعة؟ هل سنكون قادرين على فهم حقيقة ما يتكون منه كل شيء؟ مالدسانا، الانطوائي، الهادئ، يلتزم بالأخلاق المتواضعة، رغم أنه من الواضح أنه يعرف قيمته الخاصة: "للإجابة على هذه الأسئلة، سيستغرق الأمر 20 عاما على الأقل وربما حتى 30 عاما"، كما يقول. "لدينا مؤشرات جيدة إلى حد ما على أننا نسير على الطريق الصحيح. لكن ربما لا."
{ظهر في صحيفة هآرتس بتاريخ 23/6/2000}