باستخدام تقنيات من الرياضيات، تمكن العلماء من صياغة تفسير لكيفية ظهور الجاذبية من خلال مبدأ التصوير المجسم، بطريقة أكثر دقة مما تم القيام به سابقاً.
كيف يمكن توحيد نظرية الجاذبية لآينشتاين مع ميكانيك الكم؟ إنه تحد يمكن أن يعطينا رؤى عميقة لظواهر مثل الثقوب السوداء وولادة الكون. يعرض هذا المقال الذي كتبه باحثون من جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في الولايات المتحدة الأمريكية، نتائج تلقي ضوءاً جديداً على التحديات المهمة في فهم الجاذبية الكمية.
يتمثل التحدي الكبير في الفيزياء النظرية الحديثة في العثور على "نظرية موحدة" يمكنها وصف جميع قوانين الطبيعة في إطار واحد - ربط نظرية النسبية العامة لآينشتاين، التي تصف الكون على نطاق واسع، وميكانيك الكم، والتي تصف عالمنا على المستوى الذري.
كما يوضح دانيال بيرسون، الأستاذ في قسم العلوم الرياضية في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا: "نحن نسعى جاهدين لفهم قوانين الطبيعة واللغة التي كُتبت بها وهي الرياضيات. عندما نبحث عن إجابات لأسئلة في الفيزياء، غالباً ما يقودنا ذلك إلى اكتشافات جديدة في الرياضيات أيضاً. هذا التفاعل واضح بشكل خاص في البحث عن الجاذبية الكمومية - حيث يكون من الصعب للغاية إجراء تجارب".
وتعتبر الثقوب السوداء مثالاً على ظاهرة تتطلب هذا النوع من الوصف الموحد؛ حيث يتشكل الثقب الأسود عندما يتمدد نجم ثقيل بدرجة كبيرة لينهار تحت تأثير قوة جاذبيته، بحيث تتركز كل كتلته في حجم صغير للغاية. علماً أن الوصف الميكانيكي الكمومي للثقوب السوداء لا يزال في مهده، ولكنه يتضمن رياضيات متقدمة بشكل مذهل.
أنموذج مبسط للجاذبية الكمومية
يقول روبرت بيرمان، الأستاذ في قسم العلوم الرياضية في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا: "يتمثل التحدي في وصف كيفية نشوء الجاذبية كظاهرة "ناشئة". تماماً كما يحدث مع الظواهر اليومية - مثل تدفق السائل - من الحركات الفوضوية للقطرات، نريد وصف كيفية ظهور الجاذبية من ميكانيك الكم".
في مقال نُشر مؤخراً في مجلة Nature Communications، أظهر كل من دانيال بيرسون وروبرت بيرمان وتريستان كولينز من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في الولايات المتحدة، كيف تنبثق الجاذبية من نظام ميكانيكي كمومي خاص، في أنموذج مبسط للجاذبية الكمومية يسمى مبدأ التصوير المجسم.
يوضح روبرت بيرمان: "باستخدام تقنيات من الرياضيات التي بحثت عنها مقدماً، تمكنا من صياغة تفسير لكيفية ظهور الجاذبية من خلال مبدأ التصوير المجسم، بطريقة أكثر دقة مما تم القيام به سابقاً".
تموج الطاقة المظلمة
قد تقدم المقالة الجديدة أيضاً نظرة جديدة للطاقة المظلمة الغامضة. في نظرية النسبية العامة لآينشتاين، توصف الجاذبية بأنها ظاهرة هندسية. يمكن للأشياء الثقيلة أن تثني الشكل الهندسي للكون، تماماً كما يتقوس السرير المصنوع حديثاً تحت وزن الشخص. لكن وفقاً لنظرية آينشتاين، حتى "حالة الفراغ" - لها بنية هندسية غنية. إذا كان بإمكانك تكبير هذا الفراغ والنظر إليه على المستوى المجهري، فسترى تموجات أو تقلبات ميكانيكية كمومية، تُعرف باسم الطاقة المظلمة. هذا الشكل الغامض من الطاقة هو المسؤول، من منظور أوسع، عن التوسع المتسارع للكون.
وقد يؤدي هذا العمل الجديد إلى رؤى جديدة حول كيفية وسبب نشوء هذه التموجات الميكروسكوبية الكمومية، بالإضافة إلى العلاقة بين نظرية آينشتاين للجاذبية وميكانيك الكم، وهو الأمر الذي استعصى على العلماء لعقود.
يقول دانيال بيرسون: "تفتح هذه النتائج إمكانية اختبار جوانب أخرى من مبدأ التصوير المجسم مثل الوصف المجهري للثقوب السوداء. ونأمل أيضاً أن نكون قادرين على استخدام هذه الروابط الجديدة في المستقبل لافتتاح أرضية جديدة في الرياضيات".
----