تبدو الأبعاد المتعددة وكأنها خيال علمي، لكن النظريات الفيزيائية المبتكرة تتطلب منا أن ننظر إلى ما هو واضح ونعيد التفكير في عدد الأبعاد في الكون. هل من الممكن بناء تجربة تختبر ذلك؟
ربما سمعت عن موجات الجاذبية من قبل. وهي موجات تنتشر عبر الزمكان وتنشأ نتيجة (على سبيل المثال) لاصطدام الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية. إن اكتشاف LIGO الشهير لم يكن فقط لاكتشاف وتأكيد نظرية الجاذبية لأينشتاين. بفضل موجات الجاذبية، تمكن العلماء أخيرًا من اختبار النظريات التي لم نحلم أبدًا حتى الآن بأن نتمكن من تأكيدها أو دحضها.
إحدى النظريات التي طالما حلم الباحثون باختبارها لسنوات، تتعلق بعدد الأبعاد في كوننا. تم العثور على مفتاح فحص هذه الفرضية في آي شيم في تحليل موجات الجاذبية في أغسطس من العام الماضي. دار نجمان نيوترونيان حول بعضهما البعض واندمجا. وفي لحظة الاندماج، تم إطلاق طاقة هائلة، بعضها تفرق على شكل موجات جاذبية والبعض الآخر على شكل إشعاعات. وعلى عكس الثقوب السوداء المندمجة، فإن اندماج النجوم النيوترونية ينتج عنه إشعاعات هائلة يمكن اكتشافها باستخدام التلسكوبات المتقدمة. وبفضل وميض الضوء هذا، حدد العلماء مسافة النجوم النيوترونية من الأرض، وبمساعدة هذه المعلومات توصلوا إلى بعض الاستنتاجات بعيدة المدى.
كيف يبدو العالم متعدد الأبعاد؟
لقد اعتدنا على عالم ثلاثي الأبعاد مع بعد إضافي للزمن، لكن الأبعاد الإضافية قد توفر تفسيرا لاختلافات القوة بين الجاذبية والقوى الأخرى في الطبيعة وربما أيضا لطبيعة الطاقة المظلمة. لفهم كيفية تشابك الأبعاد وموجات الجاذبية بالضبط، دعونا نبدأ بتخيل نقطة من الضوء تنتشر عبر الفضاء. لنفترض أنه في أي لحظة، ينتشر الضوء في جميع الاتجاهات بالتساوي. لذلك، إذا قمنا بتشغيل وإطفاء الضوء النقطي، فإن غلافًا كرويًا من الضوء سوف ينتشر في الفضاء وينمو. ومن مبدأ حفظ الطاقة، فإن الطاقة الموجودة على القشرة بأكملها محفوظة. ونظرًا لأن الغلاف ينمو بمرور الوقت، فإن كمية الطاقة لكل مساحة مقطع عرضي ستنخفض. أي أننا إذا وضعنا تلسكوبين على مسافة ما من بعضهما البعض، فإن التلسكوب الأبعد عن بؤرة الضوء سوف يلاحظ شدة ضوء أضعف. كم أضعف؟ ضعيف بالنسبة لمساحة القشرة الخفيفة.
السؤال هو ما حجم هذه المنطقة؟ تختلف مساحة القشرة لكل بُعد. في البعدين تكون مساحة الصدفة بمثابة نصف القطر، وفي الأبعاد الثلاثة تكون نصف القطر مربعًا وهكذا (كقاعدة عامة، الشدة تتناسب عكسيًا مع المسافة إلى أس البعد ناقص واحد). ولأننا نقيس انخفاضًا في شدة الضوء يتناسب عكسيًا مع مربع المسافة، فيمكننا القول إن الضوء يتحرك في فضاء ثلاثي الأبعاد.
ولكن ماذا عن الجاذبية؟ حسنًا، تم وصف الجاذبية أيضًا بنفس الطريقة. تتناسب معادلة أينشتاين بشكل جيد مع الكون ثلاثي الأبعاد. وعلى الرغم من جمال معادلات الجاذبية، فإن الفيزيائيين غير راضين عن الصورة العامة. القوة ضعيفة بشكل لا يصدق وليس لها وصف مرضي في الطاقات العالية. وكحل تم طرح نظريات تضيف أبعادا مكانية إضافية بحيث تنتشر فيها قوة الجاذبية أيضا، بينما القوى الأخرى تنتشر في ثلاثة أبعاد فقط. تسمح هذه الحقيقة لقوة الجاذبية بأن تكون أضعف وبطاقات عالية بما يكفي لرؤية تأثير الأبعاد الإضافية على قوة موجات الجاذبية.
في نظرية الأوتار، على سبيل المثال، تعتبر الأبعاد الإضافية أمرًا شائعًا. فأين هم؟ تقول إحدى الفرضيات أن الأبعاد صغيرة جدًا ومطوية بحيث لا يمكننا الوصول إليها تجريبيًا. وتعتقد فرضية أخرى أن مساحات إضافية منتشرة في الأغشية بالقرب من المساحات المادية الثلاثة "العادية". إن مثل هذه الأغشية لها صلة وثيقة بسر قوة الجاذبية. يمكننا أيضًا أن نشير بإيجاز إلى أن الأبعاد الإضافية يمكن أن توفر تفسيرًا مثيرًا للاهتمام للطاقة المظلمة أيضًا. في بعض النظريات يتحرك توسع الكون نحو الأبعاد الإضافية ومن وجهة نظرنا يبدو أن الكون يتسارع في حين أنه في الحقيقة ليس كذلك.
إذن ما الذي تم تلقيه في النهاية؟ هل نعيش في عالم متعدد الأبعاد؟ هل تتناقص قوة موجات الجاذبية بشكل أسرع من مربع المسافة؟ حسنًا، تُظهر البيانات الواردة من برج الأسد وبرج العذراء أننا نعيش في عالم ثلاثي الأبعاد. ربما يبدو الأمر مخيبا للآمال بعض الشيء، فبعد كل شيء، يبدو اكتشاف أبعاد إضافية أكثر روعة، ولكن إمكانية اختبار مثل هذه النظريات هي بالتأكيد ضرورية للغاية. ومن المهم أن نلاحظ أن نظرية الأوتار لم يتم استبعادها بعد، لأن الأبعاد المدمجة لا تزال ممكنة.
ويستند المقال إلى دراسة نشرت في شهر يوليو الماضي من قبل مجموعة من الباحثين الأمريكيين. إلى هذه المادة.
تعليقات 3
المقالة العلمية تعطي 3 اتجاهات يمكنك من خلالها التفكير في تطبيقها لحسم جدل مفتوح في الفيزياء.
إحداها هي نظرية الأوتار مقابل نظرية كل شيء لأنطوني غاريت ليزي. من الممكن التفكير في إجراء تجربة في سيرن.
إن الكون الذي في متناولنا هو بالضرورة ثلاثي الأبعاد، ولكن ليس من المؤكد أن الكون الذي في متناولنا هو كل ما هو موجود.
لا تزال نظرية الأوتار مجرد رياضيات. من الواضح تمامًا أنها ستبقى كذلك ولن تتمكن من وصف الفيزياء دون تحقيق إنجاز كبير، ومن ثم ربما لن يتم تسميتها بنفس الاسم على أي حال.
إن حالة فهم الفيزياء اليوم هي أن هناك ثلاثة أبعاد مكانية فقط. من الممكن بناء نظريات لا نهاية لها تحتوي على أبعاد أكثر (بالإضافة إلى نظرية الأوتار)، لكن إذا فشلت في ربط النظرية بقياس فيزيائي، فإنها تظل مجرد نظرية رياضية.