علوم والذكاء الاصطناعي

هل هي حدث فريد أم متكرر إلى مالانهاية؟ ماذا قبل وماذا بعد البغ بانغ؟

صراع النسبية العامة وميكانيكا الكموم الكوانتوم وما بعدهما، هل سنصل يوماً لنظرية كل شيء، وهل نعيش في كون متعدد؟ (النماذج المختلفة لأكوان متعددة) وهل نعيش في محاكاة حاسوبية، كون "ماتريكس"؟

أ‌- الثقوب السوداء والنجوم المدمجة الأخرى:

من بين أشهر تنبؤات النسبية العامة الثقوب السوداء، وهي أجسام فيزيائية فلكية يقال إنها مضغوطة لدرجة أنه حتى الضوء لا يستطيع الهروب من مجال جاذبيتها إلى ما دون حد معين. قبل المضي قدمًا في وصفهم وتاريخهم، يجب التأكيد على أنه لا ينبغي الخلط بين مصطلح "مضغوط" ومصطلح "كثيف". في الواقع، الكثافة هي كمية يتم الحصول عليها عن طريق حساب النسبة بين الكتلة والحجم، بينما الاكتناز هو النسبة بين الكتلة ونصف القطر. وبالتالي، يمكن أن يكون الجسم أو النجم كثيفًا جدًا، ولكن ليس مضغوطًا جدًا، ولكن القيمة المرتبطة بهذه الخاصية الأخيرة هي التي تجعل من الممكن حقًا الحكم على ما إذا كان ينبغي للمرء أن يأخذ في الاعتبار النظرية النسبية للجاذبية لوصفها. يمكن فهم هذه النقطة الدقيقة من خلال العودة إلى أقدم أثر لمفهوم الثقب الأسود (المصطلح مهما كان أكثر حداثة، انظر إلى أبعد من ذلك)، أي للانعكاسات، التي يرجع تاريخها إلى عام 1784، للقس البريطاني جون ميشيل.

كان ميشيل من أوائل الذين فكروا في عواقب التأثير المحتمل للجاذبية على الضوء، واقترحوا أن جسيمات الضوء يمكن أيضًا أن تنجذب إلى جسم ضخم، مثل أي جسيم آخر. بدءًا من هذه الفرضية، يستنتج أنه كلما زاد حجم الجسم، زادت الحاجة إلى سرعة أكبر للهروب منه، ويجب أن تكون النجوم الأكثر ضخامة غير مرئية، ولا يمكن للضوء الذي ينبعث منها أن يفلت من جاذبيتها (في بالمصطلحات الحديثة، يقال إن "سرعة الإطلاق" أكبر من سرعة الضوء). كان اقتراح ميشيل متقدمًا جدًا عن وقته، وبدا أنه غير ذي صلة تمامًا بأعضاء الجمعية الملكية. لذلك ظلت أفكاره منسية من قبل الجميع، باستثناء دي لابلاس الذي قدم اقتراحًا مشابهًا بعد سنوات قليلة في معرضه لنظام العالم. وُلد مفهوم الثقب الأسود، تحت اسم "النجم المسدود"، ومع ذلك، لكي يصبح مشهورًا ومعترفًا به، يجب أن يولد مرة أخرى، في القرن العشرين، بشكل معدّل قليلاً وينتج عن النسبية العامة.

ولكن قبل أن نتطرق بدقة إلى النسبية العامة، من المثير للاهتمام أن نتعمق قليلاً في التفكير النيوتوني لميشيل والذي يعطي، بشكل مثير للاهتمام، تنبؤات مشابهة جدًا لتلك الخاصة بدراسة الثقوب السوداء في إطار النسبية العامة. وبالتالي، إذا سعينا إلى تقدير نصف القطر الذي يجب أن يمتلكه نجم كتلته M حتى الضوء المنبعث على سطحه، في إطار نظرية نيوتن، فإننا نجد قيمة تتناسب مع الكتلة M، ومنذ القرن العشرين أطلق عليه اسم "Schwarzschild radius»، Rs ، سمي على اسم الألماني كارل شفارزشيلد Karl Schwarzschild. نحن لدينا:

روبية = 2 C M / ²G  السماء والفضاء Rs = 2 G M / c²

حيث G هو ثابت نيوتن، وc سرعة الضوء في الفراغ وM كتلة الجسم.

في الكون ، ظل الغاز يسخن لعشرة مليارات سنة على الأقل

قام الباحثون بقياس متوسط درجة حرارة الغاز الكوني قبل 10 مليارات سنة ، وقارنوها بمتوسط درجة حرارة الغاز اليوم. الائتمان: Buddy_Nath / Pixabay

درس علماء الفلك مؤخرًا كيف تغير متوسط درجة حرارة الغاز في الكون خلال العشرة مليارات سنة الماضية. ويظهر أن هذا قد زاد بشكل كبير خلال هذه الفترة. إنها تقترب من مليوني درجة مئوية اليوم.

إن مراقبة السماء تشبه إلى حد ما السفر عبر الزمن. هذا لأنه، بافتراض أن الضوء ينتقل بسرعة محددة، إذا كان الجسم على بعد عشر سنوات ضوئية، فإننا نراه كما كان قبل عشر سنوات. بالامتداد، إذا قام الفلكيون بفحص جسم يقع على بعد عشرة مليارات سنة ضوئية، فإنهم يقومون بفحص الجسم كما كان خلال فترة شباب الكون. على سبيل المثال، في دراسة حديثة، شرع فريق من جامعة ولاية أوهايو في قياس تطور درجة حرارة الغاز الموجود في الكون على مدار ما يقرب من عشرة مليارات سنة كونية. وتبين أنه كان أكثر وأكثر سخونة. للقيام بذلك، اعتمد الباحثون على بيانات من مهمة بلانك ومسح سلون الرقمي للسماء لتحديد عدة جيوب من الغاز. ثم قاموا بتحليل الانزياح الأحمر لضوءهم. في الواقع، بينما يسافر هذا الضوء مثل هذه المسافات الهائلة، تتمدد أطوال موجاتها مع توسع الكون، مما يؤدي إلى جذب المزيد من اللون الأحمر. بشكل ملموس، فإن قياس الانزياح الأحمر لجيوب الغاز هذه يجعل من الممكن تحديد مدى تواجدها.

ثم اختار علماء الفلك تلك التي يبلغ عمرها عشرة مليارات سنة، ثم البنى الأصغر سنًا. أخيرًا، سعوا لتقدير درجة حرارة هذه الغازات وفقًا لضوءها. اتضح أن متوسط درجة حرارة الغاز "الحديث" كان يقترب من مليوني درجة مئوية، أي أكثر بعشر مرات من حرارة الغاز قبل عشرة مليارات سنة. هذه الزيادة في درجات الحرارة ليست مفاجئة. عندما تحولت البنية الكبيرة للكون إلى مجرات وعناقيد وحشود وأكداس مجرّية، ارتفعت درجة حرارة الغاز بشكل طبيعي. وسيستمر هذا الاحترار أيضًا في المستقبل.

لاحظ أيضًا أن هذه الدراسة ركزت على متوسط درجة حرارة الغاز بالقرب من الأجسام وبالتالي لا تستنتج أن الكون آخذ في الاحترار ككل. في الواقع، متوسط درجة حرارة الكون أبرد بكثير ويقدر بحوالي -270.4 درجة مئوية، أو أعلى بقليل من الصفر المطلق.

الاستنتاج الذي ينبثق من هذا الحساب (والذي كان استنتاج ميشيل) هو أنه إذا كان لنجم ذي كتلة معينة نصف قطر أقل من نصف قطر شوارزشيلد الذي يتوافق مع كتلته، فلا ينبغي حتى للضوء أن يترك محيطه. قهو مغلق. من الناحية العملية، ما يجعل من الممكن تقرير ما إذا كان هذا الشرط مستوفيًا هو النسبة بين نصف قطر شوارزشيلد للجسم ونصف قطره، والتي تسمى معلمة الانضغاط، والتي تتناسب مع النسبة بين كتلتها ونصف قطرها. ومع ذلك، اتضح أن نفس الحالة ظهرت في النسبية العامة في عام 1916، مع ذلك، دون أن تكون فكرة ميشيل مرتبطة مبدئيًا بـ "حل شفارزشيلد". solution de Schwarzschild".

أعلاه، توضيح لمفهوم "سرعة الإطلاق" في حالة الأرض. بالنظر إلى جسم تم إلقاؤه من نقطة انطلاق تقع على مسافة معينة من مركز جسم ضخم، فهناك حد أدنى للسرعة يجب توفيره للجسم إذا كان المرء لا يريده أن يسقط. يبقى في مدار بيضاوي الشكل. أدناه، توضيح للمبدأ نفسه، ولكن في حالة الضوء (انقر للتكبير). النجم العادي ليس ضخمًا بما يكفي للتأثير بشكل كبير على مسار الضوء الذي ينبعث منه. من ناحية أخرى، يعمل النجم المضغوط (أو قلب النجم الهائل المنهار) بطريقة ملحوظة على مسار الضوء الذي ينبعث منه، والحالة القصوى هي الثقب الأسود الذي يذهب إلى حد احتجاز الضوء. المصدر J.N. Imamura.

وهكذا، بدأ إحياء مفهوم النجم المغلق بعد أشهر قليلة من نشر أينشتاين لمعادلات النسبية العامة، عندما اكتشف شفارزشيلد، في مكان ما على الجبهة الروسية، أول حل دقيق معروف لهذه المعادلات. يصف هذا الحل، في فراغ، مجال الجاذبية الكروي المحيط بجسم كتلته M، ويطبق على حالة مجال الجاذبية المحيط r للشمس 2، جعل من الممكن إجراء الحساب الدقيق لانحراف الضوء، وهو الحساب الذي قام به أينشتاين فقط بطريقة تقريبية، ومع ذلك حصل على النتيجة الصحيحة. بالإضافة إلى ذلك، وجد هانز ريسنر بعد بضعة أشهر تعميمًا لهذا الحل على الحالة التي يحمل فيها جسم الكتلة M أيضًا شحنة كهربائية Q، وهو محلول أعاد نوردستروم اكتشافه بعد فترة وجيزة بشكل مستقل. حل Reissner-Nordström هذا، والذي يعكس وجوده حقيقة أن الطاقة الكهرومغناطيسية المرتبطة بالشحنة الكهربائية توفر مصدرًا إضافيًا لانحناء الزمكان، لم يلاحظه أحد تقريبًا، حتى لو أدى بشكل طبيعي إلى "الثقب الأسود" Reissner-Nordström black ". في الواقع، في ذلك الوقت، كان انتباه الناس يتركز بشكل كبير على خصائص معينة لحل شفارزشيلدScharzschild، من بينها حقيقة أنه بالنسبة لأي جسم من الكتلة M، توجد قيمة للتنسيق الشعاعي الذي يكون المعامل، ومن أجله يتم إلغاء "المؤقت" للمقياس 3 بينما يصبح المعامل "الشعاعي البحت" لانهائيًا. نتحدث عن ظهور "التفرد" في المقياس، وهي ظاهرة تحدث عندما يصبح الإحداثي الشعاعي مساويًا لنصف قطر شفارزشيلد المرتبط بمصدر الكتلة M للمجال.

تمت ملاحظة هذه التفاصيل بسرعة من قبل كل من Schwarzschild نفسه وأينشتاين، وتركت الناس في حيرة من أمرهم، ومع ذلك، ادعى البعض أن المشكلة لم تكن مهمة، لأن قيمة نصف قطر Schwarzschild كانت منخفضة للغاية بالنسبة لـ النجوم المعروفة ثم كان منطقهم أن يقولوا إنه في جميع الحالات المادية، فإن الكرة التي يصبح فيها المقياس مفردًا تقع جيدًا داخل الجسم (الأرض أو الشمس أو أي نجم آخر)، لكن مقياس شفارزشيلد لم يعد ينطبق لأنه صالح فقط في الفراغ. تم الدفاع عن هذه الحجة أيضًا من خلال حقيقة أن المقياس يصبح أيضًا منفردًا في الأصل (عندما يتلاشى الإحداثي الشعاعي)، وهو ما يشبه ما يحدث في الجاذبية النيوتونية، حيث لا يمثل هذا أي مشكلة. في الواقع، حتى لو كان المجال النيوتوني الذي تم إنشاؤه بواسطة كتلة نقطية غير محدود حيث تكون الكتلة (في الأصل)، يمكن مع ذلك استخدام الحل الرياضياتي لوصف مجال الجاذبية الذي أنشأته الكواكب حيث يكون صالحًا: في الفراغ، خارجها. أما داخل الكواكب، فالحل مختلف ولا يتباعد. باتباع هذا الخط الفكري، يمكن للمرء أن يقول إن الوضع في النسبية العامة يجب أن يكون هو نفسه، وأن مشاكل التفردات أو الفرادات في مقياس شفارزشيلد تظل رياضياتية بحتة دون أن يكون لها أدنى تأثير مادي.

ومع ذلك، فإن هذه الفكرة لا ترضي الآخرين، لسبب وجيه، الذين كان التفرُّد على سطح نصف القطر الذي يساوي نصف قطر شفارزشيلد يخلق مشكلة مختلفة تمامًا عن التفرد في الأصل. حتى لو كان بإمكان المرء أن يشك بشكل معقول في وجود كتل نقطية، فلا شيء يمكن بداهة أن يستبعد وجود نجوم أشعة أصغر من أشعة شفارزشيلد. على العكس من ذلك، اكتشفنا في عام 1862 أول "قزم أبيض" (سيريوس ب)، وهو نجم له كتلة مماثلة لنجم الشمس، ولكن لمعانه ودرجة حرارته يشير إلى أن حجمه كان أصغر بكثير، وقطره يقارن بالأرض. الأمر الأكثر إزعاجًا، كان مع ظهور فيزياء الكموم، أوضح الفيزيائي البريطاني RH Fowler في عام 1926 أنه على عكس النجوم العادية، لم تكن الأقزام البيضاء مقاومة للجاذبية بفضل انبعاث الطاقة الكهرومغناطيسية، ولكن بفضل "ضغط تنكس الإلكترونات"، وهو تأثير كمومي بحت. ومع ذلك، في عام 1930، اكتشف الفيزيائي الهندي سوبراهمانيان شاندراسيخار، اعتمادًا على هذه النتيجة، أن الأقزام البيضاء اعترفت بأقصى كتلة (سميت منذ ذلك الحين باسم "كتلة شاندراسيخار") والتي اضطروا للانهيار بعدها، مما ترك مساحة خالية لأجسام أكثر إحكاما. من بين هؤلاء، سرعان ما تم "اختراع" النجوم النيوترونية، ويرجع الفضل في ذلك بشكل أساسي إلى اكتشاف النيوترون في عام 1932 بواسطة الفيزيائي الإنجليزي جيمس تشادويك. وهكذا، تنبأ الفيزيائي الروسي ليف لانداو "بالنجوم النيوترونية" بشكل مستقل، ولكن أيضًا توقعه الأمريكي والتر بادي والألماني فريتز زويكي، اللذان كتب في نهاية عام 1933 في ملخص مؤتمر تنبؤهما المشهور جدًا "مع اتفاقنا جميعًا ولكن احتياطيًا، فإننا نقدم وجهة النظر القائلة بأن المستعرات الأعظم تمثل التحولات من النجوم العادية إلى "نجوم نيوترونات"، والتي تتكون في مراحلها النهائية من نيوترونات معبأة بشكل مغلق للغاية. " (ترجمة ذلك تعني: "مع الاحتياطات اللازمة، طرحنا الفرضية التي بموجبها تشهد المستعرات الأعظم على تحول النجوم العادية إلى" نجوم نيوترونية "، تتكون هذه، في حالتها النهائية، من نيوترونات مضغوط للغاية. "). رسم توضيحي للأحجام النسبية لعملاق أحمر، الشمس (الشمس)، قزم أبيض (قزم أبيض) ونجم نيوتروني (نجم نيوتروني). المصدر تلسكوب برادفورد الروبوتي.

نصف قطر Schwarzschild والاكتناز لمختلف الأجسام الفيزيائية الفلكية

كائن أرض شمس أبيض قزم نجم نيوتروني

الكتلة (بالكتل الشمسية) 0.000003 1 تقريبًا 1 1 إلى 3

نصف القطر (كم) 6،400،700،000 تقريبًا

10000 حوالي 10

الكثافة (جم سم -3) 5 11101014

سرعة التحرير (كم / ثانية) 11.3620 5000 250.000

نصف قطر شوارزشيلد 8 مم 3 كم 10 كم 6 كم

الانضغاط 10-10 0.000 001 0.000 1 0.2

  ب- تفرد الأحداث وأفقها

فكرة باد Baade وزفيكي Zwicky التي بموجبها انهيار جاذبية النجوم الضخمة في نهاية حياتها يمكن أن يعطي أجسامًا مضغوطة للغاية من الواضح أنه تم تبنيها لاعتماد وجود أجسام ذات نصف قطر أقل من نصف قطرشفارزشيلد Schwarzschild. لكن هذا لم يكن كافيًا لمفهوم الثقب الأسود لفرض نفسه بسرعة، بعد معارضة إدينغتون، الذي كان مؤثرًا جدًا في المجال النسبي، وقد نجح بالفعل في تأخير قبوله بشكل كبير. على سبيل المثال، حقيقة أن التفرد الموجود على سطح Schwarzschild هو مجرد قطعة أثرية رياضياتية تم إثباتها منذ عام 1921 من قبل العديد من الأشخاص، بما في ذلك الفرنسي بول بجنيف، والإنجليزي أوليفر لودج وإدينغتون نفسه... هذه، بالإضافة إلى لوميتر Lemaître في عام 1934، وجدت في أشكال أخرى، حل شفارزشيلد Schwarzschild، الأشكال التي لم يعد فيها أي تفرد في مجال Schwarzschild ، كما لاحظ بانليفيه Painlevé ولودوغ Lodge ولوميتر Lemaître ، ولكن ليس إدينغتون الذي استمر بالتالي في رفض هذه الأشياء "الغريبة" بالنسبة له.

Rayon de Schwarzschild et compacité pour divers objets astrophysiques

Objet Terre Soleil Naine blanche Etoile à neutron

Masse (en masses solaires) 0,000 003 1 environ 1 1 à 3

Rayon (km) 6 400 700 000 environ

10 000 environ 10

Densité (g.cm-3) 5 1 107 1014

Vitesse de libération (km/s) 11.3 620 5 000 250 000

Rayon de Schwarzchild 8 mm 3 km 10 km 6 km

Compacité 10-10 0,000 001 0,000 1 0,2

ولكن قبل المضي قدمًا في هذا الوصف التاريخي، ربما يكون من الضروري شرح سبب تمكن العديد من الأشخاص من الحصول على حل شفارزشيلد مرة أخرى، بأشكال لم تعد تقدم أي تفرد على سطح نصف القطر Rs. وهذا يستدعي بالفعل بعض جوانب النسبية العامة التي لم تتطور بشكل متعمد في الفقرات السابقة. وبالتالي، فقد قيل إن المبدأ المعمم للنسبية يعني أن عنصر الطول المحلي ds² يجب أن يظل كما هو في جميع التغييرات في الإحداثيات، وليس فقط تحولات لورنتز. هذا يعني أن جميع أنظمة الإحداثيات الممكنة ممكنة، مع وجود القيود التي تسمح، محليًا، بكتابة المقياس في شكل Minkowski، وهو النسخ الرياضي لمبدأ التكافؤ: محليًا، يمكننا دائمًا إيجاد نظام إحداثيات يكون فيه الزمكان مسطحًا. ومع ذلك، فإن نظام الإحداثيات الذي يفي بهذا الشرط ليس فريدًا على الإطلاق، وليس بالضرورة صالحًا لوصف كل الزمكان، والذي يجب مقارنته بالموضوع الذي تم تناوله أثناء الوصف المختصر لـ مفهوم الانحناء الجوهري، التمثيل على خريطة مسطحة للكرة الأرضية. بالطريقة نفسها التي لا يمكن أن تمثل بها جميع الخرائط الجغرافية سطح الأرض بالكامل، لا تستطيع جميع أنظمة الإحداثيات (التي تُعد "خرائط رياضياتية") وصف زمكان معين ككل. بتعبير أدق، يمكن فهم القياس بسهولة إذا تأملنا في تمثيل القطب الشمالي والقطب الجنوبي في معظم الخرائط الأرضية: هذه النقاط "تمت التضحية بها" وتنتشر مثل الأجزاء المستقيمة ... 

تمثيلان (خرائط) للأرض وفقًا لإسقاطات مختلفة: أعلاه، تمثيل مركاتور وتحته، الإسقاط الأسطواني لميلر. يتوافق هذان الإسقاطان مع خيارين لإحداثيات مختلفة لرسم خرائط لسطح الأرض (حتى لو كان من الواضح أن خطوط الطول والخطوط العريضة تتطابق في كل منهما). هذه ليست مسطحة، هاتان البطاقتان غير كاملتين. وبالتالي، فإن إسقاط مركاتور يمثل الزوايا بشكل واقعي (مفيد في التنقل)، لكن المسافات مشوهة خارج خط الاستواء. يحترم الإسقاط الأسطواني لميلر، من جانبه، المقاييس السطحية، بينما يكون مخلصًا في تمثيل الزوايا فقط على طول خط الاستواء. علاوة على ذلك، تعتمد هاتان الخريطتان على اختيار طرح القطبين من التمثيل. المصدر P. Dana، The Geographer's Craft، Dept. قسم الجغرافيا، جامعة. كولورادو.

الاستنتاج الذي يمكن استخلاصه من كل هذا هو أنه في النسبية العامة (وهذا الاستنتاج ينطبق أيضًا بشكل عام على إطار الهندسة في الفضاء المنحني)، يمكن للمرء استخدام أي نظام إحداثي لوصف الفضاء- مع الزمن، ولكن يجب أن يكون المرء حذرًا للغاية عند محاولة العثور على معلومات مادية حول هذا الزمكان. ليس بالضرورة أن تمتلك أنظمة التنسيق "واقعًا ماديًا"، بل إن معظمها يحتوي على واحد فقط محليًا، حيث توجد الملاحظات يمكنها بسهولة "محو" الانحناء. في نظام إحداثيات معين، المتغير "t" ليس بالضرورة زمنًا: يمكننا أن نؤكد أنه زمن فقط إذا تمكنا من العثور على مراقب مادي لديه الزمن المناسب الذي نسميه لذلك "تنسيق الزمن". وعندما يكون هذا الزمن هو حقًا زمن المراقب، الذي يكون بعيدًا عن النقطة المكانية المدروسة، فإن الزمن بالتأكيد يجعل من الممكن وصف ما يدركه هذا المراقب عن بعد، ولكن على الإطلاق لا يقول ما قد "يختبره" مراقب آخر. سيكون موجودًا في النقطة المكانية المعنية. بشكل عام، الكائن الزمكان "الهندسي" فقط له "واقع فيزيائي"، وليس كل المعلومات الموجودة في أنظمة الإحداثيات التي يمكن استخدامها لوصفه: في بعض الأنظمة، يبدو أن الظواهر التي تحدث غير موجودة. وليس لها وجود ملموس، مثل انتشار أقطاب الأرض.

وبالتالي، فإن ما تم إثباته منذ 1920-1930 من قبل Painlevé وLodge وLemaître، هو أن مجال Schwarzschild لم يكن مكانًا أصبح فيه الزمكان متفرداً، حتى لو كان كذلك. هناك شيء غريب حقًا يحدث هناك. في الواقع، أظهر الجميع وفهموا أن مجال شفارزشيلد هو ما يسمى الآن "أفق الحدث"، أي سطح لا يمكن عبوره إلا في اتجاه واحد. يأتي السبب الذي يجعل المقياس الموصوف في إحداثيات شفوارزشيلد يقدم تفردًا في الأفق من حقيقة أن نظام الإحداثيات هذا مناسب للمراقبين الذين يبقون على مسافة ثابتة من هذا الأفق، على سبيل المثال عند اللانهاية. ومع ذلك، كلما اقتربت من الأفق، أصبح من الصعب أن تظل ثابتًا فيما يتعلق به، بل إنه مستحيل، بحكم التعريف، حيث هو. إذا اعتبرنا مراقبًا له نظام الإحداثيات الذي اكتشفه شفارزشيلد صالحًا، ومن ثم فهو في حالة راحة فيما يتعلق بالأفق، فإنه يلاحظ العديد من الظواهر غير البديهية. على سبيل المثال، عند مشاهدة مراقب آخر يسقط بحرية في الثقب الأسود، يراه يقترب ببطء أكثر فأكثر من الأفق، بينما يصبح أقل سطوعًا، وأكثر فأكثر إحمراراً وأكثر فأكثر وأكثر امتداداً. يأتي التأثيرين الأولين من التمدد الزمني الناتج عن الانحناء القوي للزمكان الناتج عن الثقب الأسود، ويرتبط الثاني بحقيقة أن عددًا أقل من الفوتونات يصل إلى اللانهاية لكل "وحدة زمنية- تنسيق "، حتى إذا استمر المصدر (= المراقب الساقط) في إصدار أكبر عدد ممكن في" الثانية المقاسة بالقرب من الأفق ". والثالث هو مثال على تأثير أينشتاين، وهو الانزياح الأحمر للضوء المنبعث في مكان يكون فيه مجال الجاذبية أقوى تجاه مكان يكون فيه أضعف. أخيرًا، يرتبط التمدد بتأثير المد والجزر، ويأتي من الطبيعة غير المنتظمة لحقل الجاذبية. نلاحظ أيضًا أن تأثير المد والجزر بالقرب من الأفق يكون أكثر وضوحًا كلما كان الثقب الأسود أصغر. والنتيجة الإجمالية لكل هذا هي أن المراقبين الذين يظلون بعيدين بلا حدود عن الثقب الأسود لن يروا الراصد الساقط يمر عبر الأفق، ولكن الأخير، بمجرد "قربه" من الأفق، سيصبح غير مرئي بالنسبة لهم. وقت قصير جدًا (نظهر أن شدة الضوء تتناقص بشكل كبير). بالإضافة إلى ذلك، اعتمادًا على زمنه، فإن هذا الراصد الذي يسقط في الحفرة سيعبر الأفق في فترة زمنية محدودة، ويعتمد ما إذا كان سينجو في المقام الأول على قوة تأثيرات المد والجزر وبالتالي على كتلة الثقب الأسود. على أي حال، سينتهي به المطاف سريعًا بمقابلة التفرد "المركزي" الذي تم توضيح وضعه "المادي" (في إطار النسبية العامة) بواسطة هوكينغ وبنروز خلال السبعينيات، وهي منطقة لن ينجو فيها أحد لأنها منطقة من الزمكان حيث يصبح الانحناء "لانهائيًا" 6. إن وجود هذا التفرد الداخلي، والذي يمكن أن يختفي في إطار الوصف الكمومي للجاذبية، يوضح حدود النسبية العامة بينما يثير، مع ذلك، صعوبات أكثر عمقًا من اللانهايات التي تظهر في الفيزياء النيوتونية للكتلة النقطية. في الواقع، لا ينبغي تصورها بداهة على أنها نوع من نقطة في الفضاء حيث تتركز المادة التي تسقط في الثقب الأسود، ولكن بدلاً من ذلك كنوع من اللحظة التي يتوقف فيها مفهوم الزمكان عن الوجود. 'منطقي. على سبيل المثال، من الممكن تمامًا أن يلتقي جسيمان عبر أفق ثقب أسود بالتفرد في نفس اللحظة ولكن في أماكن مختلفة.  

يمكن ملاحظة بعض التأثيرات التي تم وصفها للتو هنا في الأشكال التالية. يمثل أولهما الزمكان (مع بُعد واحد للفضاء وآخر للوقت للتبسيط) بالقرب من أفق الثقب الأسود، وفقًا لمراقب Schwarzschild ، أي الذي يظل ثابتًا بالنسبة إلى الأفق. الخطوط التي تتوافق، من الخارج، مع الفضاء في لحظة معينة لهذا المراقب، أفقية وأرجوانية. على العكس من ذلك، فإن الخطوط الرأسية هي من جانبها المنحنيات التي تحافظ على نفس قيمة الإحداثي "الشعاعي" وبالتالي تصف، خارج الثقب الأسود، موقعًا معينًا لهذا المراقب الذي يبقى على مسافة ثابتة من الأفق.، والذي يظهر كخط أحمر رأسي. من ناحية أخرى، يتم تمثيل خطوط الكون باللون الأصفر من الجسيمات ذات الكتل الصفرية والتي تحدد بالتالي سطح المخاريط الضوئية (تقترب من الثقب الأسود أو تبتعد عنه). يظهر وجود التفرد في الأفق في "تكاثف" هذه الخطوط من الكون التي تصبح، بالقرب من الأفق، عمودية أكثر فأكثر، ولا تعبرها أبدًا، بل تأتي من الخارج، هذا وهو ما يفسر أن المراقب البعيد لا يرى أبدًا ضوءًا يدخل الثقب الأسود. علاوة على ذلك، فإن حقيقة أن إحداثيات Schwarzschild لا تتكيف مع كل الزمكان تظهر أيضًا في وجود خطوط كون جديدة للفوتونات داخل الثقب الأسود المنفصلة عن الخطوط الخارجية (جميعها يبدو أن لديه إحساس عكسي بالوقت). بمجرد عبور الأفق، تصبح الأمور أكثر تعقيدًا لأن المنحنيات الرأسية، على سبيل المثال، تصف المساحة الداخلية للثقب الأسود في "لحظة معينة" ولم تعد موضعًا في جميع الأوقات، وهو ما يؤكد فقط أن الإحداثيات فقدت معناها. على سبيل المثال، التفرد المركزي هو المحور السماوي في أقصى اليسار ولكن، كما رأينا من قبل، لا ينبغي تخيله كنقطة في الفضاء.

هذه المشاكل غائبة عن الشكل الثاني، الذي يمثل نفس الزمكان، لكن يُرى وفقًا لمراقب مثل إيدنغتون وفينكلشتاين Eddington-Finkelstein7. مثل هذا المراقب يقطع الفضاء بنفس طريقة شفارزشيلد (نلاحظ نفس المنحنيات الرأسية السماوي والأحمر والأزرق)، ولكن يتم تحديد زمنه بحيث يظل ماديًا، حتى بعد الأفق الماضي. تظهر هذه الخاصية في حقيقة أنه في هذا الشكل الثاني، تظل خطوط الكون التي تحدد مخاريط الضوء الداخل إلى الثقب الأسود متجهة عند 45 درجة (لأن الوحدات تجعل سرعة الضوء تساوي 1)، حتى داخل الثقب الأسود. مع إحداثيات Schwarzschild، كان هذا هو الحال فقط في الخارج، بعيدًا عن الأفق. بالإضافة إلى ذلك، فإن حقيقة أن أفق الثقب الأسود هو بالفعل "أفق حدث"، وهو سطح لا يمكن عبوره إلا في اتجاه واحد، ينبع من حقيقة أن مخاريط الضوء الخارجة (البرتقالية) أصبحت أكثر فأكثر عموديًا، تلك الموجودة داخل الثقب الأسود تنجذب نحو التفرد المركزي بنفس الطريقة مثل الأقماع الداخلة. أخيرًا، يساعد الشكل الثالث (المتحرك) في إنشاء اتصال بين هذين النظامين الإحداثيين، حيث يتم تشويه الخطوط ذات زمن شفارزشيلد الثابت ببطء لتفقد أفقيتها وتأخذ الشكل الذي تمتلكه في نظام الإحداثيات إدينغتون فينكلشتاين. بطريقة ما، يصف نظام إحداثيات Schwarzschild الزمكان فقط كما يراه المراقبون الذين يظلون بعيدًا ولا يدركون الجزء الداخلي من الثقب الأسود، بينما يرتبط Eddington-Finkelstein للمراقبين الذين يعبرون الأفق وبالتالي يستكشفون الداخل جزئيًا.

هندسة شفارزشيلد Schwarzschild للزمكان (تم تقليلها إلى بُعد مكاني واحد) موضحة في إحداثيات Schwarzschild وإحداثيات Eddington-Finkelstein. هذا الأخير يجعل من الممكن إبراز حقيقة أن الأفق ليس سطحًا تتباعد فيه الهندسة، ولكنه فقط "أفق الحدث"، وهو سطح لا يمكن عبوره إلا في اتجاه واحد. انظر النص لمزيد من التفاصيل. المصدر أ. هاميلتون.

ج- نحو اكتشاف الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية:

ومع ذلك، قبل أن يتم الأخذ بالاعتبار مثل هذه "التحليلات" في الواقع، واستحق "الثقوب السوداء" الاسم الذي صاغه لها الفيزيائي الأمريكي جون ويلر في عام 1967، كان لا يزال يتعين على مفهوم الثقب الأسود الانتظار حتى تمت دراسة فكرة الانهيار الثقالي التي اقترحها Baade وZwicky بشكل أفضل وأن إدينغتون توقف عن النضال ضد قبول الأجسام الفيزيائية الفلكية المدمجة. كانت إحدى الخطوات المهمة في هذا الاتجاه، في عام 1939، أول حساب نسبي لانهيار الجاذبية لمجال مائع من الغبار (= سائل بدون ضغط) قام به الأمريكان روبرت أوبنهايمر وهارتلاند سنايدر. بنمذجة انهيار نجم، أظهروا أنه في هذا النموذج، أدى الانهيار إلى ظهور أفق حدث يقطع الجزء الداخلي لبقية الكون. ولكن بسبب " الثقب الأسود، وفقًا لمراقب Schwarzschild، أي الذي يظل ثابتًا بالنسبة إلى الأفق. الخطوط التي تتوافق، من الخارج، مع الفضاء في لحظة معينة لهذا المراقب، أفقية وأرجوانية. على العكس من ذلك، فإن الخطوط الرأسية هي من جانبها المنحنيات التي تحافظ على نفس قيمة الإحداثي "الشعاعي" وبالتالي تصف، خارج الثقب الأسود، موقعًا معينًا لهذا المراقب الذي يبقى على مسافة ثابتة من الأفق.، والذي يظهر كخط أحمر رأسي. من ناحية أخرى، يتم تمثيل خطوط الكون باللون الأصفر من الجسيمات ذات الكتل الصفرية والتي تحدد بالتالي سطح المخاريط الضوئية (تقترب من الثقب الأسود أو تبتعد عنه). يظهر وجود التفرد في الأفق في "تكاثف" هذه الخطوط من الكون التي تصبح، بالقرب من الأفق، عمودية أكثر فأكثر، ولا تعبره أبدًا، بل تأتي من الخارج، هذا وهو ما يفسر أن المراقب البعيد لا يرى أبدًا ضوءًا يدخل الثقب الأسود. علاوة على ذلك، فإن حقيقة أن إحداثيات شفارزشيلد Schwarzschild لا تتكيف مع كل الزمكان وتظهر أيضًا في وجود خطوط كون جديدة للفوتونات داخل الثقب الأسود المنفصلة عن الخطوط الخارجية (جميعها يبدو أن لديها إحساس عكسي بالوقت). بمجرد عبور الأفق، تصبح الأمور أكثر تعقيدًا لأن المنحنيات الرأسية، على سبيل المثال، تصف المساحة الداخلية للثقب الأسود في "لحظة معينة" ولم تعد موضعًا في جميع الأوقات، وهو ما يؤكد فقط أن الإحداثيات فقدت معناها. على سبيل المثال، التفرد المركزي هو المحور السماوي في أقصى اليسار ولكن، كما رأينا من قبل، لا ينبغي تخيله كنقطة في الفضاء.

هذه المشاكل غائبة عن الشكل الثاني، الذي يمثل نفس الزمكان، لكن يُرى وفقًا لمراقب من Eddington-Finkelstein7. مثل هذا المراقب يقطع الفضاء بنفس طريقة شفارزشيلد (نلاحظ نفس المنحنيات الرأسية السماوي والأحمر والأزرق)، ولكن يتم تحديد وقته بحيث يظل ماديًا، حتى بعد الأفق الماضي. تظهر هذه الخاصية في حقيقة أنه في هذا الشكل الثاني، تظل خطوط الكون التي تحدد مخاريط الضوء الداخل إلى الثقب الأسود متجهة عند 45 درجة (لأن الوحدات تجعل سرعة الضوء تساوي 1)، حتى داخل الثقب الأسود. مع إحداثيات شفارزشيلد Schwarzschild ، كان هذا هو الحال فقط في الخارج ، بعيدًا عن الأفق. بالإضافة إلى ذلك، فإن حقيقة أن أفق الثقب الأسود هو بالفعل "أفق حدث"، وهو سطح لا يمكن عبوره إلا في اتجاه واحد، ينبع من حقيقة أن مخاريط الضوء الخارجة (البرتقالية) أصبحت أكثر فأكثر عموديًا، تلك الموجودة داخل الثقب الأسود تنجذب نحو التفرد المركزي بنفس الطريقة مثل الأقماع الداخلة. أخيرًا، يساعد الشكل الثالث (المتحرك) في إنشاء اتصال بين هذين النظامين الإحداثيين، حيث يتم تشويه الخطوط ذات زمن شفارزشيلد الثابت ببطء لتفقد أفقيتها وتأخذ الشكل الذي تمتلكه في نظام الإحداثيات إدينغتون فينكلشتاين. بطريقة ما، يصف نظام إحداثيات Schwarzschild الزمكان فقط كما يراه المراقبون الذين يظلون بعيدًا ولا يدركون الجزء الداخلي من الثقب الأسود، بينما يرتبط Eddington-Finkelstein للمراقبين الذين يعبرون الأفق وبالتالي يستكشفون الداخل جزئيًا.

هندسة شفارزشيلد Schwarzschild للزمكان (تم تقليلها إلى بُعد مكاني واحد) موضحة في إحداثيات Schwarzschild وإحداثيات Eddington-Finkelstein. هذا الأخير يجعل من الممكن إبراز حقيقة أن الأفق ليس سطحًا تتباعد فيه الهندسة، ولكنه فقط "أفق الحدث"، وهو سطح لا يمكن عبوره إلا في اتجاه واحد. انظر النص لمزيد من التفاصيل. المصدر أ. هاميلتون.

ج- نحو اكتشاف الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية

ومع ذلك، قبل أن يتم اعتبار مثل هذه "التحليلات" في الواقع، واستحقاق "الثقوب السوداء" الاسم الذي صاغه لها الفيزيائي الأمريكي جون ويلر في عام 1967، كان لا يزال يتعين على مفهوم الثقب الأسود الانتظار حتى تمت دراسة فكرة الانهيار الثقالي التي اقترحها Baade وZwicky بشكل أفضل وأن إدينغجتون توقف عن النضال ضد قبول الأجسام الفيزيائية الفلكية المدمجة. كانت إحدى الخطوات المهمة في هذا الاتجاه، في عام 1939، أول حساب نسبي لانهيار الجاذبية لمجال مائع من الغبار (= سائل بدون ضغط) قام به الأمريكان روبرت أوبنهايمر وهارتلاند سنايدر. بنمذجة انهيار نجم، أظهروا أنه في هذا النموذج، أدى الانهيار إلى ظهور أفق حدث يقطع الجزء الداخلي لبقية الكون. ولكن بسبب " اختيار "إهمال الضغط، كانت هذه النتيجة في ذلك الوقت غير مقنعة، ويعتقد معظم الفيزيائيين (بما في ذلك أوبنهايمر) أن الضغط يمكن أن يغير النتيجة. مع الحرب، تم استدعاء المجتمع العلمي إلى مختلف المهن الأخرى، ولم تعد مسألة وجود النجوم المنهارة إلى جدول الأعمال حتى حوالي عام 1955، عندما قرر الفيزيائيون المسؤولون عن النمذجة العددية لآلية القنابل الهيدروجينية، في الاتحاد السوفيتي كما في الولايات المتحدة، استخدام "ألعابهم الجديدة" لنمذجة الانهيار الجاذبي لنجم بشكل واقعي. بهذه الطريقة، أوضح جون ويلر (الولايات المتحدة الأمريكية) وياكوف زيلدوفيتش (اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية) أن إدينجتون (توفي عام 1944) كان خاطئًا وأن قدم نموذج أوبنهايمر وسنايدر التنبؤ الصحيح، على الرغم من بساطته الشديدة. بدءًا من هذه الفترة (أواخر الخمسينيات وأوائل الستينيات)، كان تاريخ الثقوب السوداء وتاريخ الفيزياء الفلكية النسبية iste "في وقت واحد بسبب العديد من الاكتشافات النظرية والرصدية. 

شكل توضيحي لظهور أفق الحدث (سطحه أسطوانة رمادية) وتفرد (مركزي، أسود) أثناء انهيار نجم. في نقاط مختلفة من الزمكان (بعدين للفضاء وواحد للوقت) يتم تمثيل مخاريط الضوء. نلاحظ أنه كلما اقتربوا من الأفق، زاد ميلهم، وهذا يترجم حقيقة أنه حتى الضوء (الذي ينتقل على طول المخاريط) لا يمكنه الهروب من الثقب الأسود. المصدر جي بي لومينيت.

فيما يتعلق بالنجوم النيوترونية، جاء الاهتمام المتجدد من اكتشاف أول "نجم نابض" في عام 1967 من قبل البريطانية جوسلين بيل، طالبة أنتوني هيويش (التي حصلت وحدها على جائزة نوبل لهذا الاكتشاف). في الواقع، بعد أيام قليلة من نشر ملاحظة بيل وهويش ، اقترح كل من الأمريكيين تي. جولد والإيطالي إف.باسيني بشكل مستقل تفسير الإشارة النابضة على أنها انبعاث السنكروترون الناتج عن الجسيمات المشحونة. طاقات عالية تنتشر على طول خطوط المجال للغلاف المغناطيسي لنجم نيوتروني دوار. على الرغم من وجود نماذج أخرى في البداية، تم اختيار هذا النموذج الرائد بسرعة والتحقق من صحته. والسبب هو أنه بعد الملاحظة الأولى لنجم نابض بولسار Pulsar، حاول العديد من علماء الفلك العثور على آخرين، وبالتالي، في نهاية عام 1968، كان هناك عشرين نجمًا معروفًا بالفعل. ومع ذلك، فإن نموذج المنارة تنبأ بتأثيرات مختلفة 8 تم التحقق منها جميعًا قبل عام 1970. مع تحسن تقنيات المراقبة، أصبح من المعروف اليوم أكثر من 2000، وهذا الرقم يتزايد باستمرار. النجوم النيوترونية هي أجسام كثيفة للغاية ومضغوطة تتحلل فيها النوى الذرية، والأمل الحالي هو جعلها "مختبرات" لدراسة المادة بكثافات وطاقات عالية جدًا، ويرجع الفضل في ذلك جزئيًا إلى موجات الجاذبية التي ينبعثونها (انظر أدناه).

 توضيح لمبدأ النجم النابض، وهو نجم نيوتروني ممغنط في الدوران. نلاحظ خطوط المجالات المغناطيسية التي تنتقل عبرها الإلكترونات، ويكون انبعاث الإشعاع الكهرومغناطيسي باتجاه القطبين. مصدر وكالة ناسا.

بالنسبة للثقوب السوداء، كان أحد الأحداث / النتائج الرئيسية الأولى في دراستهم هو اكتشاف النيوزيلندي روي كير لتعميم حل شفارزشيلد للحالة التي تدور فيها الكتلة M بزخم زاوي J ثابت، اكتشاف مزين بإثبات أن هذا الحل له أيضًا تفرد داخلي 9. ومع ذلك، في حل كير، يكون الأخير حلقيًا ويمكن تجنبه من خلال دخول مراقب إلى الثقب الأسود النظري. ومع ذلك، فإن هذه الخصائص ليست ذات صلة بالثقب الأسود الحقيقي لأن الجزء الداخلي من الحل الرياضياتي لكير غير مستقر، مما يعني أن المرء يتجاهل إلى حد كبير ما يحدث وراء أفق ثقب أسود مادي دوار، على الرغم من وجود سبب وجيه للاعتقاد بأن التفرد، كما هو الحال في ثقب شفارزشيلد الأسود، هو "لحظة" وليس "مكان".

بعد اكتشاف كير بفترة وجيزة، أظهر البريطانيان روجر بنروز وستيفن هوكينغ بطريقة عامة وصارمة أن الانهيار الجاذبي للنجم يؤدي حتمًا إلى ظهور التفرد، بمجرد أن يصبح نصف قطره أصغر. من نصف قطرها Schwarzschild. وهكذا، فإن حالة هذا التفرد الداخلي، الذي لا يزال وصفه بعيدًا عن الفيزياء الحالية، يختلف تمامًا عن حالة تفرد الأفق: لا يمكن أن يختفي بفضل تغيير بسيط في الإحداثيات ويوجد "حقًا". تشير النظرية التي أوضحها بنروز وهوكينغ إلى أنه بالإضافة إلى كونها حاضرة بشكل لا يمكن إصلاحه في المعادلات، فإن هذا التفرد لا مفر منه أيضًا أثناء انهيار الحالة. الزيتية والمادية. ومع ذلك، يجب أن يكون هذا التأكيد مقيدًا بحقيقة أن إثباتهم يتم في إطار النسبية العامة. وبالتالي، فمن المحتمل جدًا أن تقوم التأثيرات الكمومية بتعديل هذا الاستنتاج، دون حرمان "الثقب الأسود" من واقعه المادي، الذي يعتمد قبل كل شيء على أفقه.

جاءت الخطوة التالية في فهم الثقوب السوداء تحديدًا من دراسة الآفاق المحتملة، مع عمل الكندي فيرنر إسرائيل، والأسترالي براندون كارتر، والبريطاني ديفيد روبنسون، وهوكينغ. أحضر كل منهم عنصر (أو أكثر) من عناصر الإثبات إلى النظرية التي لخصها ويلر في هذه الكلمات القليلة "الثقب الأسود أقرع أو ليس له شعر" (في نفس الوقت تقريبًا عندما أطلق التعبير "الثقب الأسود"). تنص نتيجتهما على أنه بغض النظر عن تاريخه السابق، لا يمكن وصف الثقب الأسود إلا بثلاث معاملات، كتلته، شحنته الكهربائية، والزخم الزاوي (مرة أخرى: في ظل النسبية العامة) وفقًا لهذه النظرية، لا يوجد أي أثر للخصائص الأخرى التي تصف الكائن قبل أن ينهار في ثقب أسود (العدد الإجمالي للجسيمات على سبيل المثال). بالإضافة إلى ذلك، أظهر هوكينغ في نفس الوقت تقريبًا أن مساحة أفق الثقب الأسود يمكن أن تنمو فقط، مما دفع الفيزيائي الإسرائيلي جاكوب بيكنشتاين إلى افتراض أن هذه المنطقة كانت مقياسًا لكونتروبيا الثقوب السوداء، وبالتالي تحديد ولادة الديناميكا الحرارية للثقب الأسود. لقد أخذ المجتمع بأسره هذا الجزء الآخر من فيزياء الثقوب السوداء على محمل الجد عندما أظهر هوكينغ في عام 1974 أن الثقوب السوداء لها بالفعل درجة حرارة وبالتالي فهي ليست سوداء تمامًا. باستخدام نظرية المجال الكمومي في سياق الزمكان المنحني، أظهر للتو أن التقلبات الكمومية في الفراغ بالقرب من الأفق تؤدي بالفعل إلى انبعاث "إشعاع هوكينغ". ومع ذلك، فإن هذه النتيجة هي في الحد الحالي بين ما تم تحديده وما يبقى تخمينيًا (أحد تنبؤاته هو وجود ثقوب سوداء صغيرة ذات أعمار قصيرة جدًا والتي يمكن أن تتشكل في LHC (مصادم الهادرونات الكبير)، أو في مصادمات الجسيمات الأخرى، ولكن دون التسبب في نهاية العالم كما يخشى البعض)، حتى أن البعض يزعم أن مظاهرة هوكينغ تستند إلى افتراضات لا تزال غير مؤكدة. وبالتالي، لن يتم استكشاف هذا الموضوع بشكل أكبر، فالملاحظات المحتملة للثقوب السوداء هي موضوع أقل تخمينًا ولكنه مثير للاهتمام.

توضيح لمبدأ إشعاع هوكينغ للثقوب السوداء. على اليسار، تذبذب الفراغ في منطقة ذات مجال جاذبية ضعيف يدوم فقط لحظة وجيزة. على اليمين، نفس التذبذب بالقرب من أفق ثقب أسود ينتج عنه هروب جسيم من الطاقة الإيجابية، مما يعطي الانطباع بأن الثقب الأسود يفقد الكتلة ويشع. المصدر J. Turner.

في الواقع، حدثت ثورة في فيزياء الثقوب السوداء أيضًا في السنوات 1960-1970، من وجهة نظر المراقبة، وذلك بفضل ظهور "علم الفلك الراديوي"، الذي ولد من التطورات التقنية الهامة التي حدثت خلال الحرب العالمية الثانية.. وهكذا، فإن مراقبة السماء لم تبدأ فقط في الجزء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي، ولكن أيضًا في الأطوال الموجية الأخرى، ولا سيما موجات الراديو. تم اكتشاف نوعين من المصادر بسرعة، بعضها موجود في المستوى المجري، والبعض الآخر أكثر تشتتًا، على ما يبدو. كان يعتقد بطبيعة الحال أن مصادر هذه الفئة الثانية كانت خارج المجرة، وهو ما تأكد عندما أتاح تحسين التلسكوبات الراديوية ربط هذه المصادر بالمجرات التي يمكن ملاحظتها. ومع ذلك، بحلول عام 1962، أصبحت دقة القياسات (راجع دقة الهوائي المستخدم في عام 1964 من قبل Penzias وWilson) كافية لإثبات أن بعض هذه المصادر الموزعة بشكل متناحي ومتناظر لا تتوافق مع أي مجرة معروفة، وعلى العكس من ذلك، يمكن أن ترتبط بأشياء لا يمكن تمييزها تقريبًا عن النجوم. ومع ذلك، فإن قدرة النجوم على إصدار إشعاعات راديوية بمثل هذه الشدة يبدو أمرًا لا يمكن تصوره، وهو لغز تضاعف عندما درس المرء أطياف هذه "الكوازارات" (تقلص "المصدر الراديوي شبه الفلكي")، والتي لا تشبه أطياف لا يوجد نوع معروف من النجوم ولا يتوافق مع خطوط الذرات المعتادة. أو على الأقل، هذا ما كنا نعتقده لبضعة أشهر، قبل أن يدرك عالم الفيزياء الفلكية الهولندي مارتن شميدت أن الأطياف تتوافق جيدًا مع العناصر المعروفة، لكنها تحولت بشدة نحو اللون الأحمر، مما يعني أن المصادر كانت تقع على مسافات كونية. لذلك يجب أن تكون الآلية التي تنتج هذا الإشعاع قوية للغاية، وعلى الرغم من التفاصيل لا يزال التفسير المعترف به حاليًا غير مفهوم بشكل كامل، وقد جاء من البريطاني دونالد ليندن بيل. اقترح هذا في عام 1968 أن الكوازارات (وغيرها من "المجرات النشطة") يمكن أن تكون أثرًا لوجود ثقوب سوداء فائقة الكتلة في مركز هذه المجرات البعيدة لها كتل تساوي عدة ملايين مرة كتلة الشمس. بتعبير أدق، الفكرة هي أنه من الواضح أن الإشعاع لا ينبعث مباشرة من هذه الثقوب السوداء الهائلة، ولكن عن طريق المادة الموجودة حولها، في شكل "أقراص تراكمية"، "طموح" هذا تحول المادة بواسطة الثقب الأسود طاقة الجاذبية لهذه الأقراص إلى طاقة حرارية منبعثة على شكل إشعاع.

في الصورة أعلاه، صور لأشباه النجوم التقطت بواسطة تلسكوب هابل الفضائي، بعض هذه الصور تظهر اصطدام المجرات. أدناه، رسم توضيحي لطرد الجسيمات عالية الطاقة، إلى جانب رسم تخطيطي لـ "المبدأ الفيزيائي" وراء وجود مثل هذه النفاثات. مصدر وكالة ناسا.

بالإضافة إلى ذلك، في عام 1960 حدثت أيضًا أول ملاحظات فيزيائية فلكية لمصادر الإشعاع X. في البداية، كانت مسألة التلسكوبات المرسلة في البالونات أو الصواريخ، حتى عام 1970، تم طرحها. القمر الصناعي أوهورو الذي يدور حوله. بفضله، تم اكتشاف العديد من مصادر X، بما في ذلك أول مرشح ثقب أسود نجمي، Cygnus X1، الذي أظهر طيفه اختلافات مفاجئة في شدته، مما يعني أنه كان صغيرًا من الناحية المكانية. وبسرعة، ارتبط هذا المصدر X بعملاق أحمر HDE 226868 والذي، لعدم القدرة على أن يكون هو نفسه المصدر X، كان عليه أن يشكل مع هذا النظام نظامًا ثنائيًا. تم تأكيد ذلك من خلال الملاحظات الطيفية، والتي سمحت، بعد بضع سنوات، بإعادة بناء ديناميكيات النظام واستنتاج كتل هذين الجسمين. في عام 1986، تم الإعلان عن أن Cygnus X1 تبلغ كتلتها حوالي 10 كتل شمسية، وهي أكبر بكثير من أن تكون نجمًا نيوترونيًا. منذ ذلك الوقت، تم دعم الفرضية القائلة بأن Cygnus X1 عبارة عن ثقب أسود من خلال العديد من وسائل المراقبة والأقمار الصناعية X، بما في ذلك Chandra وXMM-Newton، مع وجود العديد من الثقوب السوداء المرشحة للنجوم. وهكذا، بالنسبة لعلماء الفيزياء الفلكية، لم يعد هناك اليوم ظل للشك في وجود الثقوب السوداء، حتى لو كان من الواضح أن رصدهم المباشر كان شبه مستحيل بحكم التعريف. من بين أشهر الثقوب السوداء، يظهر أيضًا الثقب الأسود الهائل الموجود في مركز مجرتنا، مصدر الراديو القوي Sagittarius A *، والذي ظهر لأول مرة أن كتلته تساوي عدة ملايين من الكتلة. الخلايا الشمسية، ومؤخرًا (في أكتوبر 2002) أن الحجم الذي تشغله هذه الكتل صغير جدًا بحيث لا يتوافق مع تفسيرات أخرى غير تلك الخاصة بجسم نصف قطره أقل من نصف قطر شفارزشيلد، وهو ثقب أسود هائل. كما ذكرنا سابقًا، من المحتمل أن يسمح قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا، من خلال التجارب Event Horizon Observer أو GRAVITY، بمراقبة حي Sagittarius A * قريبًا. ومع ذلك، هناك ملاحظة أخرى منتظرة بفارغ الصبر ولا ينبغي أن تكون طويلة أيضًا، وهي إشعاع الجاذبية. 

رسم توضيحي لمبدأ انبعاث الأشعة السينية في نظام ثنائي يكون أحد أعضائه مضغوطًا بينما الآخر نجم عملاق (نظام HDE 226868 / Cygnus X1 على سبيل المثال). المادة الممزقة من النجم تلتف حول الثقب الأسود وقبل أن تختفي فيه، تسخن بواسطة تسارع الجاذبية، تنبعث منها أشعة سينية، مصدر وكالة ناسا.

1 - خارج زمكان مينكوفسكي، والذي من الواضح أنه حل لمعادلات أينشتاين في الفراغ، وهذا يعني "في غياب المادة أو الطاقة لثني الزمكان".

2 - ولكن أيضًا حول الأرض إذا بقينا في مسافات يكون فيها تأثير الشمس أضعف بكثير من تأثير الأرض.

3 - إن بيانات "حل معادلات أينشتاين" ليست سوى بيانات موتر زخم الطاقة الذي يصف توزيع المادة وتلك الخاصة بالمقياس المقابل. وبالتالي، في الفراغ، تكون بيانات المقياس فقط (لكن موتر Ricci المرتبط هو صفر بحيث يكون حلًا لمعادلات أينشتاين).

4 - نسمع أحيانًا أن لانداو كانت لديه فكرة النجوم النيوترونية في نفس مساء الإعلان عن اكتشاف النيوترون، لكن الدراسات الحديثة تظهر أن الواقع سيكون أكثر إثارة للدهشة مما يبدو أنه مجرد خرافة مبنية على ذكريات سيئة: كان من الممكن أن يخطر ببال لانداو فكرة حتى قبل اكتشاف النيوترون.

5 - ومع ذلك، هناك فرق بين حالة الأرض وحالة زمكان شفارزشيلد وهو أنه لوصف الأرض بالكامل، من الضروري NT خريطتان على الأقل، في حين توجد أنظمة إحداثيات (= خرائط) والتي، إذا أهملنا الإحداثيات الزاوية، تصف زمكان شفارزشيلد بالكامل (أو حتى بالنسبة للبعض مساحة أكبر. التي يعتبر زمكان شفارزشيلد جزءًا منها فقط).

6 - حقيقة أن الانحناء يصبح لانهائيًا في هذه المرحلة من الفضاء، يترجم ببساطة أن النسبية العامة فشلت، مثل الجاذبية النيوتونية، في وصف الأجسام النقطية حقًا. مثل هذا الوصف، الخالي من التناقضات، من المحتمل أن يأتي من الوصف الكمومي للجاذبية.

7- الفيزيائي الأمريكي ديفيد فينكلشتاين هو الذي أشاع في عام 1958 نظام الإحداثيات الذي اكتشفه إدينغجتون في البداية بينما أظهر أنه جعل من الممكن أيضًا وصف الجزء الداخلي من ثقب شفارزشيلد الأسود.

8- التنبؤات الثلاثة الرئيسية هي:

- زمن التباطؤ النموذجي الناتج عن الكبح المغناطيسي.

- الارتباط بين النجوم النابضة وبقايا المستعر الأعظم، وفي عام 1968 تم اكتشاف نجم نابض في مركز سديم السرطان، من بقايا سوبر نوفا 1054 الذي لاحظه الصينيون، وكذلك في فيلا؛

- فترات دوران منخفضة مثل تلك الخاصة بالسرطان أو فيلا، على التوالي 33 و89 مللي ثانية.

9 - حل "الثقب الأسود الدوار" يختلف عن الحل الذي اكتشفه شفارزشيلد بسبب طبيعة الدوران التي لا تمحى، على عكس الزخم. حقيقة أن هذا الأخير يمكن محوه عن طريق تغيير مناسب في الإحداثيات يوضح كيف أن "الكتلة النسبية"، والتي تختلف باختلاف السرعة، ليست مفهوماً مفيداً للغاية في النسبية العامة: انحناء الفضاء - ينتج الزمن الذي يقضيه نظام هائل عن كتلته السكونية وليس من كتلته النسبية.

أ- التنبؤ بموجات الجاذبية:

 منذ عام 1916، أي بعد عام واحد فقط من بيان معادلات النسبية العامة، أدرك أينشتاين أن طابعها "القطعي" جعل من الممكن إيجاد، بالتقريب الخطي، حل في الفراغ يصف انتشار الموجة. كان من الواضح أن هذا الاستنتاج كان متوقعًا في إطار نظرية ديناميكية للجاذبية، ولهذا السبب تحدث بوانكاريه عن "موجات الجاذبية" منذ عام 1907، حتى لو لم ينجح حقًا في صياغة نظرية نسبية الجاذبية. ومع ذلك، في سياق النسبية العامة، فإن مشكلة وجود موجات الجاذبية أكثر تعقيدًا مما تبدو عليه. في الواقع، بعد إمكانية "محو محلي" أو محليًا" لانحناء الزمكان عن طريق تغيير الإحداثيات، يمكن للمرء أن يشك بحق في الطبيعة الفيزيائية للموجات التي وجدها أينشتاين. اتخذت هذه الخطوة خطوة أخرى في عام 1918، حيث أظهرت أن انبعاث هذه الموجات من مصدر في "حركة بطيئة" يتوافق حقًا مع فقدان طاقة هذا النظام نفسه، لكنه لم يكن كافيًا. هذا العرض، الضروري لإثبات أن موجات الزمكان مادية وليست تأثيرات بسيطة مرتبطة باختيار سيئ للإحداثيات، لم تكن مرضية تمامًا بسبب الطابع غير الخطي الجوهري للنظرية. كان من الممكن تصور أن نتيجة أينشتاين، "الصيغة الرباعية" (التي تصف، في نظام إحداثيات ثابت، فقدان الطاقة للنظام)، صالحة فقط في التقريب الخطي، وأنه عندما تؤخذ التأثيرات غير الخطية في الاعتبار، فإن هذه الموجات ليست سوى "موجات تنسيق"، وهي قطعة أثرية بدون محتوى مادي.

قلة من الناس كانوا مهتمين في البداية بهذه المشكلة عن كثب، ولم يتم توضيح السؤال بشكل نهائي تقريبًا حتى أوائل الستينيات. جاءت الحجج الحاسمة للمجتمع من نوعين من الدراسات. أولاً، كان هناك إجابة، بقلم ف.بيراني ، على السؤال "ماذا سأرى إذا مرت موجة الجاذبية عبر مختبري؟" أوضح أن "الانحناء" والطاقة التي تحملها موجات الجاذبية لا يمكن محوها بتغيير بسيط في الإحداثيات. لكن العمل على المصادر المحتملة للإشعاع الثقالي لعب أيضًا دورًا مهمًا. يمكن للمرء أن يقتبس، على سبيل المثال، العرض الذي قدمه عالم الرياضيات البريطاني هيرمان بوندي لحقيقة أن "كتلة الجاذبية" لنظام يصدر موجات الجاذبية يمكن أن تنخفض فقط. لذلك، بعد عمل بوندي، بقي فقط لإثبات أن كتلة الجاذبية هذه لا يمكن أن تكون سلبية بحيث لا يمكن توجيه أي نقد أساسي للتنبؤ بالوجود المادي لهذه الموجات. لم يتم حل هذا السؤال الذي يبدو أنه غير ضار حتى أوائل الثمانينيات من قبل العديد من الفيزيائيين بما في ذلك R. Schoen و S. Yau و E. Witten. ومع ذلك، بغض النظر عن الأسئلة الفنية التي يثيرها انبعاث واستقبال موجات الجاذبية، يمكننا محاولة d NT خريطتان على الأقل، في حين توجد أنظمة إحداثيات (= خرائط) والتي، إذا أهملنا الإحداثيات الزاوية، تصف زمكان شفارزشيلد بالكامل (أو حتى بالنسبة للبعض مساحة أكبر. التي يعتبر زمكان شفارزشيلد جزءًا منها فقط).

  Illustration d'un dipôle électrique formé de deux charges de signes opposés mais de valeurs absolues égales. Pour qu'un tel système émette une onde électromagnétique, il suffit que la distance entre les deux charges change au cours du temps. Source Hyperphysics, C.R. Nave.    Illustration du concept d'onde quadrupolaire (au-dessus) et de l'effet d'une onde gravitationnelle (de polarisation "plus") sur un cercle de masses ponctuelles (en dessous). Sources D. Russell et W. R. Johnston.

6 - حقيقة أن الانحناء يصبح لانهائيًا في هذه المرحلة من الفضاء، يترجم ببساطة أن النسبية العامة فشلت، مثل الجاذبية النيوتونية، في وصف الأجسام النقطية حقًا. مثل هذا الوصف، الخالي من التناقضات، من المحتمل أن يأتي من الوصف الكمومي للجاذبية.

7- الفيزيائي الأمريكي ديفيد فينكلشتاين هو الذي شاع في عام 1958 نظام الإحداثيات الذي اكتشفه إدينغتون في البداية بينما أظهر أنه جعل من الممكن أيضًا وصف الجزء الداخلي من ثقب شفارزشيلد الأسود.

8- التنبؤات الثلاثة الرئيسية هي:

- زمن التباطؤ النموذجي الناتج عن الكبح المغناطيسي.

- الارتباط بين النجوم النابضة وبقايا المستعر الأعظم، وفي عام 1968 تم اكتشاف نجم نابض في مركز سديم السرطان، من بقايا سوبر نوفا 1054 الذي لاحظه الصينيون، وكذلك في فيلا؛

- فترات دوران منخفضة مثل تلك الخاصة بالسرطان أو فيلا، على التوالي 33 و89 مللي ثانية.

9 - حل "الثقب الأسود الدوار" يختلف عن الحل الذي اكتشفه شوارزشيلد بسبب طبيعة الدوران التي لا تمحى، على عكس الزخم. حقيقة أن هذا الأخير يمكن محوه عن طريق تغيير مناسب في الإحداثيات يوضح كيف أن "الكتلة النسبية" ، والتي تختلف باختلاف السرعة ، ليست مفهوماً مفيداً للغاية في النسبية العامة: انحناء الفضاء - ينتج الوقت الذي يقضيه نظام هائل عن كتلته السكونية وليس من كتلته النسبية. أ- التنبؤ بموجات الجاذبية

منذ عام 1916، أي بعد عام واحد فقط من بيان معادلات النسبية العامة، أدرك أينشتاين أن طابعها "القطعي" جعل من الممكن إيجاد، بالتقريب الخطي، حل في الفراغ يصف انتشار الموجة. كان من الواضح أن هذا الاستنتاج كان متوقعًا في إطار نظرية ديناميكية للجاذبية، ولهذا السبب تحدث بوانكاريه عن "موجات الجاذبية" منذ عام 1907، حتى لو لم ينجح حقًا في صياغة نظرية نسبية الجاذبية. ومع ذلك، في سياق النسبية العامة، فإن مشكلة وجود موجات الجاذبية أكثر تعقيدًا مما تبدو عليه. في الواقع، بعد إمكانية "محو محليًا" لانحناء الزمكان عن طريق تغيير الإحداثيات، يمكن للمرء أن يشك بحق في الطبيعة الفيزيائية للموجات التي وجدها أينشتاين. اتخذت هذه الخطوة خطوة أخرى في عام 1918، حيث أظهرت أن انبعاث هذه الموجات من مصدر في "حركة بطيئة" يتوافق حقًا مع فقدان طاقة هذا النظام نفسه، لكنه لم يكن كافيًا. هذا العرض، الضروري لإثبات أن موجات الزمكان مادية وليست تأثيرات بسيطة مرتبطة باختيار سيئ للإحداثيات، لم يكن مرضياً تمامًا بسبب الطابع غير الخطي الجوهري للنظرية. كان من الممكن تصور أن نتيجة أينشتاين، "الصيغة الرباعية" (التي تصف، في نظام إحداثيات ثابت، فقدان الطاقة للنظام)، صالحة فقط في التقريب الخطي، وأنه عندما تؤخذ التأثيرات غير الخطية في الاعتبار، فإن هذه الموجات ليست سوى "موجات تنسيق"، وهي قطعة أثرية بدون محتوى مادي.

قلة من الناس كانوا مهتمين في البداية بهذه المشكلة عن كثب، ولم يتم توضيح السؤال بشكل نهائي تقريبًا حتى أوائل الستينيات. جاءت الحجج الحاسمة للمجتمع من نوعين من الدراسات. أولاً، كانت هناك إجابة، بقلم ف.بيراني ، على السؤال "ماذا سأرى إذا مرت موجة الجاذبية عبر مختبري؟" أوضح أن "الانحناء" والطاقة التي تحملها موجات الجاذبية لا يمكن محوها بتغيير بسيط في الإحداثيات. لكن العمل على المصادر المحتملة للإشعاع الثقالي لعب أيضًا دورًا مهمًا. يمكن للمرء أن يقتبس، على سبيل المثال، العرض الذي قدمه عالم الرياضيات البريطاني هيرمان بوندي لحقيقة أن "كتلة الجاذبية" لنظام يصدر موجات الجاذبية يمكن أن تنخفض فقط. لذلك، بعد عمل بوندي، بقي فقط لإثبات أن كتلة الجاذبية هذه لا يمكن أن تكون سلبية بحيث لا يمكن توجيه أي نقد أساسي للتنبؤ بالوجود المادي لهذه الموجات. لم يتم حل هذا السؤال الذي يبدو أنه غير ضار حتى أوائل الثمانينيات من قبل العديد من الفيزيائيين بما في ذلك R. Schoen و S. Yau و E. Witten. ومع ذلك، بغض النظر عن الأسئلة الفنية التي يثيرها انبعاث واستقبال موجات الجاذبية، يمكننا محاولة د اكتب بإيجاز واسأل السؤال عن الشروط الضرورية (ولكن ربما لا تكون كافية) لنظام مادي ليكون مصدر موجات الجاذبية.

من الطرق الجيدة لفهم فيزياء موجات الجاذبية مقارنتها بالموجات الصوتية والموجات الكهرومغناطيسية التي تنبأ بها ماكسويل. الموجات الصوتية هي الموجات المرتبطة بالانتشار في وسط مادي نتيجة لحدوث تغير في الضغط. رياضياتياً، يوصف هذا من خلال تذبذب "المجال القياسي"، وهو مسند قيمة الضغط عند كل نقطة في الفضاء تشكل مثل هذا المجال. يعتبر الغشاء الكروي البسيط، الذي يتغير حجمه بمرور الوقت، مصدرًا أحادي القطب مناسبًا تمامًا للموجات الصوتية. من ناحية أخرى، فإن المجال الكهرومغناطيسي هو حقل متجه، مما يعني أنه موصوف بالبيانات، في كل نقطة من الزمكان، لمتجه. يمكننا أن نظهر رياضياتيًا أن هذا يعني أن الجسيم "مركبة المجال" (الفوتون) عبارة عن بوزون من الدوران يساوي 1، ولكن أيضًا لإصدار موجة كهرومغناطيسية، يجب أن يرتبط المصدر بـ "كسر التناظر الكروي. على الأقل ثنائي القطب "(يرتبط غياب جزء قياسي من المجال بالكتلة الصفرية للفوتون). بعبارة أخرى، فإن الهوائي الذي سيكون مجرد موصل كروي، والذي يتغير حجمه مع مرور الوقت، لن يصدر أي موجة، كما يتضح من نظرية غاوس التي ستتنبأ، في كل لحظة، بنفس المجال الكهروستاتيكي من الهوائي. ومع ذلك، فإن الهوائي الخطي الذي فيه شحنة موجبة وشحنة سالبة (والتي تشكل بالتالي ثنائي القطب) لها حركات تذبذبية معاكسة (بحيث لا يتحرك مركز الشحن الباري) ولا يصدر إشعاعًا كهرومغناطيسيًا.

 Q = (G / c5) s² w6 M² R4  Q = (c5 / G) s² (v / c)6 (R / Rs)².

 h = 2. 10-19 ( M / Msol)0.5 ( 1 Mpc / r) ( 1 kHz / f) ( 1 ms / T)0.5 E0.5,

د. جواد بشارة

هل هي حدث فريد أم متكرر إلى مالانهاية؟ ماذا قبل وماذا بعد البغ بانغ؟

صراع النسبية العامة وميكانيكا الكموم الكوانتوم وما بعدهما، هل سنصل يوماً لنظرية كل شيء، وهل نعيش في كون متعدد؟ (النماذج المختلفة لأكوان متعددة) وهل نعيش في محاكاة حاسوبية، كون "ماتريكس"؟

الجاذبية النيوتونية مقابل مبدأ النسبية:

أ- علم الكونيات النسبي

وضعت النسبية الخاصة حداً لأساطير المكان والزمان المطلقين، واستبدلت مع ذلك بنوع من "المطلق" الآخر، وهو الزمكان لمينكوفسكي. في الواقع، وفقًا لهذه النظرية، فإن الزمكان هو نفسه بالنسبة لجميع المراقبين المرتبطين بمبدأ بالقصور الذاتي، والذي "يُعطى له مرة واحدة وإلى الأبد". ومع ذلك، كانت وجهة النظر هذه أقل "استبدادية" من فرضية نيوتن، نظرًا لأن تقسيم الزمكان إلى "شرائح من الفضاء"، المقابلة لقيم مختلفة من الوقت، لا يمكن أن يتم إلا بطريقة نسبية اعتمادًا على المراقب. وبهذا المعنى، فإن النسبية العامة أكثر ثورية، لأنها تفترض أنه ليس الزمان والمكان نسبيان فقط، ولكن المزيد من الزمكان ليس في الحقيقة إطارًا مطلقًا غير قابل للتغيير يتم تعديله من خلال وجود المادة أو الطاقة، فهو بالأحرى أ "الشيء المادي مثل أي شيء آخر تقريبًا"، لا يمكن استنتاج خصائصه إلا من خلال اللجوء المتزامن إلى النظرية والخبرة. علاوة على ذلك، نظرًا لكون الجاذبية تعبيرًا عن انحناء الزمكان هذا، فإن أينشتاين يجلب إجابة عابرة للسؤال الذي طرحه نيوتن على نفسه طوال حياته. الجاذبية لديها تفسير محلي "آلي" وليس هناك حاجة للجوء إلى فرضية "غامضة"، مثل تدخل القوى التي تعمل عن بعد بشكل فوري "فوق لا شيء".

من ناحية أخرى، تعتبر نظرية أينشتاين من وجهة نظره إطارًا للفكر أكثر من أي شيء آخر، ولم يتردد في فعل ما قد يعتبره البعض بدعة. في وقت مبكر من عام 1917، قرر أن التعامل مع سلوك الزمكان، يجب أن تكون نظريته قادرة على تطبيق "الجسم المادي المكون من الزمكان بأكمله"، أي الكون. ومع ذلك، لم يكن أينشتاين خاليًا من بداهة، وكان الاعتقاد في كون ثابت (مستقل عن الزمن) متجذرًا بعمق في ثقافة ذلك الوقت، حيث ساد النموذج الكوني الأول الذي اعتبره ثابتًا. ومع ذلك، من المهم التأكيد على أن الأسباب التي تجعل أينشتاين يفترض وجود كون ثابتًا ليست ثقافية فقط (طوال حياته يبدو أنه ظل معارضًا لفكرة الكون الديناميكي المتغير)، ولكنها أيضًا أسباب علمية (لمزيد من التفاصيل، راجع مقدمة Luminet لمجموعة المقالات التي كتبها فريدمان ولوميتر). في الواقع، يجب أن نتذكر أنه في ذلك الوقت، كنا نعلم بالفعل أن النجوم لديها حركات مناسبة ضعيفة، ومع ذلك، كان ذلك دون معرفة توزيعها، أو حركاتها المحتملة على نطاق واسع. إن وجود مجرات أخرى (والطبيعة خارج المجرة لبعض السدم التي هي ليست سوى المجرات الأخرى) لا يزال يتم تجاهله، وبالتالي كان من المشروع افتراض أن الكون كان مجرد نوع من الغاز العملاق المتجانس الذي يولد النجوم، وهو ما فعله أينشتاين.

بالاعتماد على هذه الفرضيات وعلى مبدأ ماخ (الذي ألهمه طوال فترة بحثه عن نظريته)، فقد قاد أينشتاين، لأسباب فنية، للتخلي عن فرضية الكون اللامتناهي في المكان والزمان. ثم افترض أن الكون له مدى مكاني محدود، واكتشف حلًا لمعادلاته التي تصف زمكانًا يكون جزءه المكاني محدودًا (ولكن بلا حدود، مثل الكرة) وله انحناء إيجابي. كانت هذه هي المرة الأولى منذ نيوتن التي تجرأنا فيها على افتراض أن الكون ليس لانهائيًا. ومع ذلك، قبل الوصول إلى الحل الذي اكتشفه أينشتاين، جعله يواجه مشكلة تتعلق بحقيقة أنه يريد إيجاد حل ثابت يصف كونًا محدودًا ومتجانسًا. في الواقع، يمكننا إثبات أن مثل هذا الحل الكوني غير مستقر، سواء في حالة الجاذبية النيوتونية أو النسبية العامة. وهكذا، كان من الممكن أن يصل أينشتاين في ذلك الوقت إلى استنتاج طبيعي لنظريته: إذا كان الزمكان نوعًا من الأشياء المادية التي توصف الفيزياء عليها بمعادلات النسبية العامة التي تعتمد، في كل العموميات، على الزمن، فمن الممكن تمامًا، إن لم يكن حتميًا، أن يكون الكون ديناميكيًا، أي أن له خصائص تتغير بمرور الوقت. خطرت له هذه الفكرة، ولكن نظرًا لأن الملاحظات بدت وكأنها تشير إلى حالة ثابتة للكون، فقد فضل تعديل نظريته قليلاً عن طريق إدخال مصطلح إضافي في المعادلات، وهو " الثابت الكوني"، ولم تكن تأثيراته غير واضحة آنذاك. ستشعر بذلك على مسافات بعيدة جدًا. بفضل هذا الثابت (الذي وصفه أينشتاين لاحقًا بأنه أكبر خطأ في حياته)، أصبح نموذج أينشتاين الكوني ثابتًا، ولكن بسببه، فقد التنبؤ الكبير المتعلق بالتوسع الكوني.

كان أينشتاين مع عالم الرياضيات الروسي ألكسندر فريدمان، حوالي عام 1922، عندما بدأ الكون يُعتبر حقًا كائنًا ماديًا ديناميكيًا (ومع ذلك، يبدو أن دي سيتر كان لديه الحدس حتى قبل ذلك، بفضل نموذج "مبسط" الذي صاغه، لكنه لم يذهب إلى حد الإدلاء بتصريح). وهكذا كان أول من وجد الحلول الكونية الديناميكية، التي وصفت الكون المتجانس والمتناحي أو المتناظر، والذي يمكن أن يكون محدودًا أو لانهائيًا من الناحية المكانية، والذي يتغير نصف قطر انحناءه بمرور الوقت. أظهر فريدمان أيضًا بشكل عابر أن الثابت الذي قدمه أينشتاين يمكن الاحتفاظ به في كل من هذه النماذج، لكنه لم يكن ضروريًا بأي حال من الأحوال، وهو ما يمثل بداية اختفاء هذا الثابت، حتى وقت قريب جدًا بعد العودة إلى قواعد المراقبة. علاوة على ذلك، لاحظ فريدمان، بشكل مثير للفضول، أن الحلول الرياضية التي اكتشفها تضمنت، في الماضي أو المستقبل، لحظة واحدة (أو أكثر) عندما "ينخفض الكون إلى نقطة هندسية" 1، والتي نترجم إلى لغة حديثة وصارمة من خلال وجود "التفرد أو الفرادة" في المعادلات (= ظهور المصطلحات اللانهائية). قادته هذه النتيجة إلى تأملات فلسفية طويلة حتى أنه كتب ما كان يأمل أن يكون كتابًا للترويج عن المكان والزمان للفلاسفة. ومع ذلك، يبدو أن طموحه كان كبيرًا جدًا، والمحتوى كان تقنيًا للغاية، حتى لو ناقش الاستنتاجات الثورية التي توصل إليها والتي لا تزال حتى اليوم موضوع نقاشات طويلة: فــ "خلق الكون. "كانت نتيجة طبيعية للمعادلات، والحلول الدورية بمرور الوقت التي يمكن أن تصف حتى الكون الدوري الذي قارنه بالأساطير الهندية. لكن فريدمان كان حريصًا على تجنب الخلط بين عمله العلمي وتأملاته الأكثر تأملاً، وأي نقاش حول هذا الموضوع غائب عن كتاباته الفنية، التي نزلت "فقط" إلى وضع أسس علم الكونيات من خلال إظهار أن يمكن أن يكون الكون ديناميكيًا. ومع ذلك، توفي فريدمان في وقت مبكر جدًا (1925)، ولم يكن لديه سوى القليل من الوقت للاهتمام بعلم الفلك الذي كان يتجاهله سابقًا. وهكذا، كان عالم الرياضيات والفيزياء الآخر، البلجيكي جورج لوميتر، هو أول من ربط بين نماذج فريدمان (التي أعاد اكتشافها جزئيًا بمفرده) وبعض الملاحظات التي دعمت فرضية توسع الكون.. رسم توضيحي لنماذج الكون المتوسعة التي اكتشفها فريدمان. العامل أ، الذي يتغير بمرور الوقت، هو عامل المقياس الذي يصف نصف قطر انحناء الكون. نلاحظ نموذجًا في التوسع اللامتناهي، مع كون غير محدود مكانيًا مع انحناء سلبي (k = -1)، ونموذج في التوسع اللانهائي، ولكن مع كون غير محدود مكانيًا ومسطحًا وإقليديًا (k = 0)، وكذلك نموذج للكون محدود مكانيًا والذي ينهار فيه مرة أخرى على نفسه (النموذج k = 1 ، مع "أزمة كبيرة" نهائية). النقاط المفهرسة بواسطة "bang" هي تلك التي تتوافق في كل من هذه النماذج مع التفرد الأولي الموجود في المعادلات. كما هو موضح في الشكل، فإن عمر الكون (= الوقت الذي يفصلنا عن "الانفجار") يعتمد على النموذج المستخدم وبالتالي على الملاحظات التي تشهد على التوسع الحالي. المصدر S.M. كارول.

في الواقع، اجتذب لوميتر نظرية أينشتاين في وقت مبكر جدًا، وكذلك علم الفلك، وحصل على منحة دراسية للذهاب إلى الولايات المتحدة حيث عمل مع عالم الفلك الأمريكي هارلو شابلي على "السدم" (مواقع قاتمة وبلا حراك التي نلاحظها في السماء والتي لم يتم فهم أصلها بعد ذلك) والتقينا، من بين آخرين، إدوين هابل، الذي كان يحاول قياس المسافة بين الأرض وهذه السدم. في عام 1925، جلب هابل عنصرًا مهمًا جدًا لدراستهم، من خلال إظهار أن بعض هذه السدم هي مجرات أخرى مماثلة لمجرتنا وتتكون من عدد كبير جدًا من النجوم. إذا بدت قاتمة وثابتة، فذلك فقط لأنها بعيدة جدًا عنا. علاوة على ذلك، كانت إحدى أكبر المشكلات الفلكية في هذا الوقت هي أن الضوء المنبعث من هذه المجرات بدا بشكل منهجي "يتحول نحو اللون الأحمر"، والذي اكتشفه مؤخرًا عالم فلك أمريكي آخر، فيستو سليفر، واجهه لوميتر عندما عاد من زيارة هابل. كان التفسير المعتاد، من خلال تأثير دوبلر الكلاسيكي، أن هذه المجرات كانت تبتعد بسرعات شعاعية عالية جدًا (بترتيب 600 كم / ثانية) من الأرض (انظر الشكل التالي).

توضيح لتأثير دوبلر في حالة الموجة الصوتية. يظهر تحول دوبلر عندما تنبعث إشارة دورية (صوت أو موجة ضوئية) من مصدر متنقل (سيارة الإسعاف هنا) بالنسبة إلى المراقب (أو المستمع). إذا اقترب المصدر، يبدو أن للإشارة المرسلة طول موجة أقصر (= تردد أعلى وضوضاء أعلى) مما هو عليه بالفعل. والعكس صحيح إذا ابتعدت سيارة الإسعاف. ومع ذلك، في حالة الضوء، فإن أقل الترددات المرئية هي تلك الخاصة بالألوان الحمراء، وأعلى تردد للألوان الزرقاء. وبالتالي، فإن "الانزياح الأحمر لإشارة ضوئية" يتوافق مع ما يحدث عندما يتحرك مصدر الضوء بعيدًا عن المستقبل أو المتلقي للضوء، كما أن قيمة الإزاحة بين تردد الإرسال وتردد الاستقبال تجعل من الممكن حساب سرعة الضوء القادم من المصدر. أنظر: http://www.lcse.umn.edu

بالعودة إلى بلجيكا، بدأ لوميتر Lemaître في كتابة أطروحة الدكتوراه التي كرسها لعلم الكونيات النسبي. وهكذا هاجم معادلات أينشتاين ووجد حلًا كونيًا ديناميكيًا، والذي طوره إلى نموذج كوني لكون يتمدد. كان هذا النموذج مشابهًا جدًا لأحد نماذج فريدمان، ولكنه أكثر واقعية لوصف المادة 2. ومع ذلك، فإن الفارق الكبير بين فريدمان ولوميتر هو أن الأخير كان على دراية بعمل المراقبة لهابل وسليفر. توقع استنتاجات هابل، نشر لوميتر في عام 1927 نموذجه الكوني الذي أظهر من خلاله أن هناك حلول كونية ديناميكية لمعادلات أينشتاين، وأيضًا أن هذه الفرضية أوضحت بشكل طبيعي الملاحظات التي تم إجراؤها: الانزياح الأحمر للترددات الذي يزداد مع المسافة بين المصدر والأرض. ووفقًا لـلوميتر Lemaître، فإن الانزياح الأحمر الملحوظ ليس تأثير دوبلر (حتى لو كان هذا المصطلح يستخدم أحيانًا بشكل محرج في هذا السياق)، ولكنه تأثير جاذبية مشابه لتأثير أينشتاين: لقد انبعث الضوء الذي يصل إلينا. في وقت كان فيه انحناء الكون (وبالتالي مجال الجاذبية) أكبر مما هو عليه اليوم. في الواقع، يذهب لوميتر Lemaître إلى أبعد من ذلك لإيجاد العلاقة الخطية بين "سرعة" الإزالة الظاهرة والمسافة، واكتشاف القانون قبل هابل بسنتين والثابت الذي يحمل اسم الأخير مع ذلك. توضيح لقانون هابل من خلال كيفية اعتماد السرعة الظاهرية للمجرات على بعدها. يتم حساب السرعة من معادلة تأثير دوبلر التي تعطي السرعة كدالة للانزياح الأحمر المرصود. وهكذا، فإن "السرعات" المرسومة هنا تتضمن "سرعة ظاهرة" مرتبطة بتوسع الكون، ولكن أيضًا سرعة فيزيائية، حيث تتحرك المجرات المختلفة محليًا فيما يتعلق ببعضها البعض. ولهذا السبب (من بين أمور أخرى) لا تقع نقاط المراقبة بالضبط على المنحنى وتنتشر حوله. المصدر إم هاينز، جامعة كورنيل.

على الرغم من أنها التفسير الأول لملاحظات هابل، إلا أن عمل لوميتر واجه صعوبة كبيرة لتقبله من قبل الوسط العلمي الفيزيائي، كما أنه تطلب الدعم (المتأخر) من معلمه السابق إدينغتون Eddington. ومع ذلك، عندما بدأ قبول توسع الكون للتو، كان لدى لوميتر  Lemaître بالفعل فكرة أكثر ثورية. استقراءًا للماضي والمبدأ القائل بأن الكون يتوسع، توصل ليميتر إلى استنتاج مفاده أنه ربما كان أكثر كثافة في الماضي، مكونًا ما أسماه "ذرة بدائية". ومع ذلك، لا ينبغي أن يشير هذا المصطلح إلى أن لوميتر كان له تفكير ساذج حول هذا الموضوع. في إحدى مقالاته الأولى، تحدث عن "الكم البدائي"، مشيرًا إلى أنه إذا كان الكون قد تمدد من وقت بعيد فقط، فهناك نقطة في الماضي عندما كانت مفاهيمنا عن الفضاء بدائية وساذجة ولم يعد الزمن قادرًا على الصمود، وهذه النقطة هي " الفرادة الكونية" في إطار ما يسمى الآن "مقياس بلانك"، والذي يتوافق بداهة مع مقاييس المكان والزمان التي لم يعد من الممكن وصف الزمكان نفسه بدونها، هنا تدخل الظواهر الكمومية.

ومع ذلك، لم ينجح لوميتر Lemaître أبدًا في جعل فكرته مقبولة بالكامل، وكان عليه الانتظار حتى يتم إتقان النموذج من قبل طالب فريدمان السابق، جورج غاموف. كان الأخير متخصصًا في فيزياء الكموم بدلاً من النسبية، فقد جاء متأخراً إلى حد ما في علم الكونيات، حتى لو كان أحد المدافعين عن نظرية لوميتر. ومع ذلك، فإن تدريب غاموف سيسمح له بإتقان نموذج الذرة البدائية من خلال إدخال عنصرين رئيسيين: الديناميكا الحرارية والفيزياء النووية. وهكذا، في الأربعينيات من القرن الماضي، قدم غاموف تنبؤين حاسمين لاختبار النظرية:

- مع رالف ألفر وروبرت هيرمان، توقع وجود إشعاع حراري في كل مكان في الكون، الذي عرف فيما بعد بالخلفية الأحفورية الكونية الميكروية المشعة والمنتشرة. يجب أن يكون هذا الإشعاع ناتجًا عن حقيقة أن الكون كان يتكون في السابق من "حساء" كثيف وساخن، والذي يبرد أثناء تمدده، وتوقع غاموف للإشعاع درجة حرارة تيار منخفضة جدًا تصل إلى 5 كلفن (أو حوالي -270 درجة مئوية). مرت هذه الحسابات التي أجراها غاموف دون أن يلاحظها أحد، وكان من قبيل الصدفة أن اكتشف المهندسون الأمريكيان أرنو بينزياس وروبرت ويلسون هذا الإشعاع في عام 1964، والذي لم يفهموا مصدره. كانوا يحاولون فقط إخراج كل الضوضاء الخارجية من هوائي الراديو الفلكي الجديد، وكان عملهم شاقًا للغاية لدرجة أنهم أدركوا في النهاية أن أحد مصادر الضوضاء، الذي لم يتمكنوا من التخلص منه، كان متناحًا متماثلاً ومتناظراً، والذي تم تفسيره بسرعة كدليل على أصله الكوني. تم قياس هذا الإشعاع (الذي تبلغ درجة حرارته حوالي 2.7 كلفن) منذ ذلك الحين بدقة شديدة بواسطة أقمار صناعية مختلفة (بما في ذلك COBE و WMAP و Planck)، والتي أثبتت بالتالي تباينها، والتباين الطفيف (جزء واحد لكل 100000) هو آثار جراثيم الهياكل الحالية الكبيرة (مجموعات المجرات)، وبالتالي فهي أداة مهمة جدًا لكل من فيزياء الطاقة العالية والفيزياء الفلكية (فازت نتائج COBE بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2006 لجورج سموت وجون ماثر ، اثنان من العلماء الرئيسيين المسؤولين عن هذه المهمة) ؛

- وفرة العناصر البدائية. وفقًا للنظرية التي طورها لوميتر Lemaître وغاموف Gamow، لم تكن هناك ذرات، بل جسيمات فقط، معظمها نيوترونات، بروتونات، إلكترونات، نيوترينوات وفوتونات. يجب أن تكون ذرات الضوء التي نواجهها من حولنا قد تكونت من هذه الجسيمات، وكان غاموف قادرًا في عام 1948 على التنبؤ، مع تلميذه رالف ألفير 4، بالوفرة المختلفة للعناصر الخفيفة مثل الهيليوم 4 والهيليوم 3، الديوتيريوم والليثيوم 7. الآن، يمكن إثبات أنه في هذا النموذج، يجب أن تعتمد قيم كل هذه الوفرة فقط على معلمة واحدة، النسبة الأولية بين عدد الفوتونات وعدد الباريونات (نيوترونات + بروتونات). وبالتالي، فإن حقيقة أن مقاييس الوفرة البدائية لهذه العناصر متوافقة مع قيمة واحدة لنسبة الفوتون / الباريون هذه تعتبر اختبارًا حاسمًا آخر لنموذج Lemaître-Gamow، نظرًا لأن النظريات المنافسة الأخرى ليست كذلك. قادرة على المحاسبة عن هذه الوفرة بطريقة متسقة.

مقارنة بين الأطياف النظرية والملاحظة (شدة الضوء كدالة لطول موجة الإشعاع). الفجوة بين الاثنين صغيرة للغاية بحيث لا يمكن تمييزها بين هذين "الجسمين السود". المصدر: ناسا

خريطة الانحرافات عن القيمة المتوسطة للإشعاع المرصود. هذه التباين الضعيف (بضعة ملي كلفن) هي آثار الهياكل الكبيرة الحالية. المصدر: ناسا

 توضيح للاختلافات في القرار بين بعثات COBE (1989) وWMAP (2001) وPlanck (2009). خلال عقدين من الزمن، أتاح التقدم التكنولوجي إمكانية البدء في تمييز التقلبات المحلية الصغيرة في درجات الحرارة. المصدر: http://photojournal.jpl.nasa.gov/

كان اكتشاف بينزياس Penzias وويلسون Wilson في عام 1964 بمثابة ثورة حقيقية لنظرية لوميتر-غاموف Gamow-Lemaître التي حصلت على خطابات الإشادة الخاصة بها، حيث استمرت أقلية فقط من العلماء في الإيمان بنماذج مستقرة أو ثابتة للكون. من بين هذه الأخيرة، من المهم أن نقتبس من عالم الفيزياء الفلكية البريطاني فريد هويل (الشخص الذي أظهر أن أثقل الذرات يتم إنتاجها في قلب أضخم النجوم)، والذي خلال البث الإذاعي لهيئة الإذاعة البريطانية، أراد أن يسخر من لوميتر Lemaître ونموذجه، فتحدث عن الانفجار الكبير "Big Bang»، وهو الاسم الذي ظل يشير إلى النموذج. ومع ذلك، استمر نموذج الانفجار العظيم في التطور منذ ذلك الوقت، مع التطورات المختلفة في فيزياء الطاقة العالية التي شجعت علماء الكونيات على مواصلة دراسة الأوقات البعيدة بشكل متزايد (انظر موجز التضخم من أجل المزيد من التفاصيل).

وهكذا، فإن النماذج الكونية التي تتعامل مع العصور البعيدة تستقطب أحيانًا نظريات تخمينية للغاية (الأوتار الفائقة، وعوالم البرانات، وما إلى ذلك)، والتي، بالنسبة للبعض، ستتم مناقشتها بإيجاز في نهاية هذه الدراسة. علاوة على ذلك، فإن الثقة في نموذج الانفجار العظيم هي من النوع الذي لشرح بعض الظواهر (جزء منها يتضمن الجاذبية في نظام تكون فيه نظرية نيوتن كافية) ، فقد توصلنا إلى افتراض وجود " المادة المظلمة "(مادة ضخمة ولكنها غير مضيئة ، وبالتالي فهي شيء طبيعي تمامًا) ومؤخراً مادة" الطاقة المظلمة "، التي يكون تأثير الجاذبية فيها مثيرًا للاشمئزاز بطريقة ما ويجعل من الممكن حساب التسارع على ما يبدو ، تم ملاحظة توسع الكون (اكتشفه بيرلماتر وشميدت وريس في عام 1998 ، وحصلوا على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2011). ومع ذلك، لا يزال السؤال مفتوحًا حول صحة هذه الفرضيات، ولا سيما الثانية التي، إذا كانت موجودة، لا يمكن أن تكون سوى الثابت الكوني الذي قدمه أينشتاين مرة واحدة. في الواقع، في الماضي، كان افتراض وجود أشياء مادية جديدة غير مرئية في بعض الأحيان فكرة جيدة (راجع Pauli الذي اخترع النيوترينو لحفظ مبدأ الحفاظ على الطاقة، أو Adams and Le Verrier الذي توقع وجود نبتون)، ولكن في بعض الأحيان لم يكن هذا هو الحال، خاصة عندما نتوقع كوكبًا جديدًا، فولكان، لمحاولة تفسير تقدم الحضيض الذي تم توضيحه أخيرًا بواسطة أينشتاين.

على أي حال، فإن السؤال دقيق للغاية، لأنه وفقًا لبعض علماء الفيزياء الفلكية، فإن الحاجة إلى استدعاء الطاقة السوداء أو المظلمة الافتراضية لشرح الملاحظات ليست مؤكدة حتى الآن. ومع ذلك، فإن النقطة المهمة التي يجب تذكرها هي أنه يبدو من غير المرجح أن ترفض ثورة جديدة في الفيزياء جميع المبادئ الأساسية لنموذج الانفجار العظيم (توسع الكون وانحناء الزمكان) تمامًا. على العكس من ذلك، تتراكم باستمرار الحجج والبراهين لصالحه أكثر فأكثر. من بين هذه، رصد موجات الجاذبية أو الموجات الثقالية، وسراب الجاذبية المكون من أجسام بعيدة جدًا (كوازارات)، هذه السراب هو أيضًا دليل على صحة مبادئ نظرية أينشتاين.

توضيح لتطور الكون منذ الأوقات البعيدة التي لا يزال من الممكن التعبير عنه بالنظريات الحالية. ويظهر تشكيل الهياكل المختلفة التي يمكن ملاحظتها اليوم في الكون، ولا يجب تفسير عرض الجزء المركزي على أنه حجم الكون (والذي يمكن أن يكون لانهائيًا من البداية) ، ولكن بدلاً من ذلك نصف قطره انحناء (نصف قطر كبير يدل على كون مسطح). المصدر S. كامبل.

ب- سراب الجاذبية وعدسات الجاذبية (الدقيقة) وتأثير شابيرو:

كانت عدسات وسراب الجاذبية واحدة من أولى تنبؤات أينشتاين (غير المباشرة) ، حيث أن المبدأ هو ببساطة

انحراف الضوء عن طريق الأجسام الفيزيائية الفلكية أو الكونية الضخمة، مما يؤدي إلى إمكانية مراقبة صور متعددة ربما تكون مشوهة لـ نفس الشيء. وبالتالي، إذا كان مصدر ضوء نقطة (بعيد جدًا)، وجسم فيزيائي فلكي ضخم ومراقب محاذاة بدقة، فيجب على الأخير أن يراقب حلقة من الضوء حول الجسم الضخم، وهذا الضوء يأتي من المصدر خلفه (انظر الشكل). يتطلب هذا الموقف دقة لا يتم ملاحظتها إلا نادرًا، ولكن لا علاقة لانحراف الضوء عن طريق الجاذبية بما يمر به الضوء عند السطح البيني بين وسيطين شفافين، ولكن هناك العديد من المواقف. الفيزياء الفلكية التي يتم فيها ملاحظة صور متعددة لجسم بعيد. ومع ذلك، فإن هذا يتطلب أدوات قادرة على مراقبة مصادر بعيدة جدًا (وبالتالي ليست مرئية جدًا)، وهذا هو السبب وراء ملاحظة أول سراب للجاذبية فقط في عام 1979. من بين العديد من أشكال سراب الجاذبية المعروفة حتى الآن، بعض الأمثلة الشهيرة جدًا هي "صليب أينشتاين"، حيث نلاحظ عدة صور لنفس الكوازار Q2237 + 030 ، أو حتى التشوهات المتعددة التي يسببها العنقود المجري أبيل 1689.

أعلاه، مبدأ سراب الجاذبية، مع تشكيل حلقة من الضوء أو صور متعددة، وفقًا لمحاذاة المصدر / الجسم الهائل / المراقب. أدناه، صليب أينشتاين، حيث يصل إلينا الضوء القادم من مجرة بعيدة (كوازار Q2237 + 030) مضخمًا وبعدة مسارات، بسبب وجود مجرة أخرى على خط البصر. مصدر وكالة ناسا.

بفضل تلسكوب هابل الفضائي، يوجد الآن عدد كبير من صور سراب الجاذبية، وقد توصل بعض علماء الفيزياء الفلكية بشكل طبيعي إلى التفكير في طريقة دقيقة للغاية لاستخدام هذه الظاهرة التي تنبأت بها النسبية العامة. وبالتالي، يمكن للمرء أن يُظهر أن إحدى نتائج وجود "عدسة الجاذبية" (أي جسم ضخم يقع بين المصدر والمراقب) هو تضخيم شدة الإشارة. لهذا السبب، تم إطلاق تجارب مختلفة كان هدفها مراقبة النجوم الموجودة في مجرتنا، على أمل مراقبة تأثير "عدسة الجاذبية الدقيقة" الناجم عن المرور بين النجم وبيننا، الأجسام الضخمة غير المضيئة (انظر الشكل التالي للحصول على الرسم التخطيطي للتجربة)، هذه الأجسام قادرة على أن تكون على الأقل تفسيرات جزئية للكتلة المفقودة من الكون. من بين هذه التجارب، أعلن EROS وMACHO في عام 1993 عن اكتشاف التأثيرات الأولى لعدسات الجاذبية الدقيقة. ومع ذلك، حتى لو كانت الملاحظات عديدة، فإن التحليل النهائي للبيانات المأخوذة من تجربة EROS يبدو أنه يشير إلى وجود عدد قليل من الأجسام الفيزيائية الفلكية الغامضة، ذات الكتل غير المهمة ولكن أقل من 0.02 كتلة شمسية، في المجرة، ولذلك لا يمكنهم حساب سوى جزء صغير من كتلة المجرة المفقودة.

أعلاه، المنظر الذي حصل عليه تلسكوب هابل الفضائي لمجموعة مجرات أبيل 1689. تقع هذه المجموعة الضخمة للغاية على بعد ملياري سنة ضوئية منا، وتحني الزمكان حول نفسها، مما أدى إلى العديد من تشويه صور المجرات البعيدة. حتى أن بعض التشوهات تؤدي تقريبًا إلى التسطيح الكامل الظاهر للصور. المصدر NASA، Astronomy Picture Of the Day (APOD). أدناه، توضيح لمبدأ العدسات الصغرى الجاذبية المستخدمة من قبل تعاون إيروس. مصدر تعاون إيروس.

علاوة على ذلك، يبقى أن نذكر تحققًا آخر مماثلًا لانحناء الزمكان الذي تنطوي عليه الأجسام الضخمة، ولكن تم إجراؤه أولاً باستخدام "ضوء غير مرئي" وليس ضوء مرئي: تأثير شابيرو، الذي تنبأ به الفيزيائي الأمريكي إيروين شابيرو عام 1964. يعتبر أحيانًا الاختبار الأساسي الرابع للنسبية، فهو ببساطة التنبؤ بالتغير في وقت انتقال الإشارة الكهرومغناطيسية أثناء مرورها بالقرب من الشمس. يوجد هناك نقطة مهمة أيضًا للتأكيد عليها هنا: نتحدث أحيانًا عن "تباطؤ الضوء بالقرب من الشمس" لوصف هذه الظاهرة، لكنها تعبير خاطئ. فكما ذكرنا سابقًا، فإن سرعة الضوء ثابتة في النسبية العامة وكذلك في النسبية الخاصة. في حالة تأثير شابيرو (وفي حالات أخرى مماثلة)، ما يتغير هو تدفق الوقت حيث يمر الضوء، مقارنة بمكان وجود المراقب.

على الرغم من أن هذا تأثير ضعيف، فقد تم التحقق منه بدقة شديدة منذ وصول مجسات أو مسابر Viking إلى المريخ في عام 1976، باستخدام الإشارات المرسلة من الأرض إلى المريخ والتي تنعكس على الأخير بواسطة المسابر (انظر مبدأ التجربة في الشكل التالي). بالإضافة إلى ذلك، يوجد الآن كائن شائع بشكل متزايد لتشغيله يجب أن يؤخذ تأثير Shapiro في الاعتبار: "GPS" (نظام تحديد المواقع العالمي). في الواقع، على الرغم من ضعف مجال الجاذبية الأرضية، تتطلب الدقة الجغرافية لبضعة أمتار مثل هذه التفاصيل في الحسابات. بالإضافة إلى ذلك، من 2004 إلى 2005، أتاح القمر الصناعي التحقق، في مجال جاذبية الأرض، من تأثير أضعف تنبأت به النسبية العامة والذي لا يتدخل حتى في نظام تحديد المواقع العالمي (GPS): تدريب الزمكان، ويسمى أيضًا تأثير "Lense-Thirring".

رسم توضيحي لقياس تأثير شابيرو، والذي تم التحقق منه باستخدام مسابر الفايكنغ بين الأرض والمريخ ، ولكن أيضًا في عام 2002 بين الأرض والكوازار بفضل مرور كوكب المشتري بين الاثنين. المصدر كوليج دي فرانس.

ج- تأثير Lense-Thirring ، تدريب الأطر المرجعية ومبدأ Mach:

بدأت قصة تأثيرلينس-ثايرمنغ "Lense-Thirring" نوعًا ما في عام 1916، عندما أوضح الفيزيائي الهولندي ويليم دي سيتر، وفقًا للنسبية العامة الحديثة جدًا، أن جسمًا يدور حول نفسه ويدور حوله جسم ضخم بدون دوران، يجب أن يقدم حركة "استباقية"، أي حركة إضافية للدوران الصحيح (يتحدث المرء عن "حركة جيوديسية"). يمكن اعتبار تنبؤات De Sitter بمثابة أصل تأثير Lense-Thirring، الذي اكتشفه النمساويان جوزيف لينس وهانس ثايرمنغ Hans Thirring في عام 1918، لأن هذا الأخير ينتج عنه، من بين أمور أخرى، تأثير سداسي إضافي (أضعف من دي سيتر De Sitter)، والذي يظهر إذا كان مصدر الجسم الضخم لحقل الجاذبية يدور. يسمى أيضًا "سحب الإطار"، يمكن فهم تأثير Lense-Thirring على أنه مكافئ جاذبي للمغناطيسية ونسميه أحياناً "الجاذبية المغناطيسية". في الواقع، فإن المبدأ الفيزيائي الأساسي هو أن الحركة الدورانية للجسم على نفسها تعني وجود مصدر إضافي لانحناء الزمكان، والذي يضاف إلى ذلك، ثابت، بسبب الكتلة / الطاقة. هذا الانحناء الجديد له نتيجتان رئيسيتان محتملتان: من ناحية أخرى، ينطوي على قوة الجاذبية التي تعدل قوة نيوتن ويمكن أن تحرف مسار الجسم في حالة السقوط الحر، تمامًا مثل القوة المغناطيسية للورينتز التي تكمل القوة الكهربائية لـ كولوم، ومن ناحية أخرى، فإنه يؤثر على الدوران الصحيح للأجسام، وهي ظاهرة مماثلة هذه المرة لعمل المجال المغناطيسي على اللحظة المغناطيسية الجوهرية للجسيم.

على الرغم من أن تدريب الأطر المرجعية يمكن تفسيره على أنه علامة على وجود مفهوم مطلق للسرعة، في انتهاك لمبدأ النسبية، فإنه ليس كذلك. لا ينبغي أن ننسى أنه، كما سبق أن أشرنا في وصف دلو نيوتن / ماخ، يكون الدوران مصحوبًا بتسارع. ومن ثم، حتى الدوران المنتظم لا يمكن مقارنته بحركة انتقالية موحدة ولا يمكن "محوه" بتغيير لورينتز للإحداثيات. علاوة على ذلك، يمكن أن يعطي التأثير المتموج للأطر المرجعية أيضًا الانطباع بأن النسبية العامة تتوافق مع مبدأ ماخ الذي وفقًا له أيضًا يكون للدوران وجود نسبي فقط. في الواقع، عن طريق القياس مع تجربة الدلو الدوار الذي اقترحه نيوتن وأخذها ماخ، إذا أخذنا في الاعتبار، في نظرية أينشتاين، مجموعة من الكتل البعيدة تدور حول جسم مركزي، يتنبأ تأثير Lense-Thirring بتناوب الأخير. ومع ذلك، كما هو موضح على سبيل المثال في عام 1949، استخدم عالم الرياضيات كورت غودل الحل الكوني لمعادلات أينشتاين التي وجدها والتي تمثل كونًا دوارًا (انظر ملف "التفردات والثقب الدودي والسفر عبر الزمن spatiotemporel "لمزيد من التفاصيل) ، لا تحدث هذه الظاهرة في اتفاق تام مع أفكار ماخ. مسألة التوافق بين المبدأ الذي ذكره الأخير ونظرية أينشتاين تظل مع ذلك دقيقة إلى حد ما، وآراء متباعدة للخبراء في النسبية، والمشكلة الرئيسية هي قبل كل شيء تحديد "مبدأ ماخ" بوضوح وبواسطة الرياضيات.

أعلاه، توضيح للتأثير الدافع للأطر المرجعية بالقصور الذاتي التي ينطوي عليها دوران جسم ضخم. أدناه، رسم توضيحي لمهمة "Gravity Probe B»، التي تم إطلاقها في عام 2004 والتي كان هدفها قياس سرعة دي سيتر De Sitter بدقة وتأثير لينس-ثايرمنغ Lense-Thirring (انقر للتكبير). مسبار الجاذبية.

بغض النظر عن هذه الأسئلة الأكثر جوهرية وفلسفية، فإن المقدمة المرتبطة بتأثيرات De Sitter وLense-Thirring منخفضة للغاية بشكل عام، لا سيما بالقرب من الأرض. حتى لو تم اعتبارها في وقت مبكر من سبعينيات القرن الماضي لتسليط الضوء عليها، إلا أن القمر الصناعي Gravity Probe B لم يقم بدراسة كمية دقيقة لها حتى عام 2000. بتعبير أدق، فإن تأثير دي سيتر De Sitter، الذي تم التحقق منه تجريبيًا لأول مرة (بدقة 1٪) بفضل طلقات الليزر التي تم إطلاقها على المرايا الموضوعة على القمر، مما يدل ضمنيًا على انحراف ساتل Gravity Probe B ما يقرب من 6.6 ثانية قوسية في السنة والتي يجب قياسها بدقة 0.01٪. ومع ذلك، ظل هذا كبيرًا جدًا نظرًا للتأثير المتوقع لتدريب المستودع (0.042 ثانية قوسية في السنة)، والذي كان الهدف الرئيسي للبعثة لأنه كان تأثيرًا لم يحدث أبدًا. تم التحقق منها تجريبيا [1]. لذلك كان مبدأ التجربة هو وضع أربعة "جيروسكوبات" (= قمم دوارة) في مدار في المجال الأرضي مع تلسكوب على متن الطائرة يشير بدقة شديدة (0.0001 ثانية قوس) نحو نجم بعيد (IM Pegasus) من الموضع والانجراف معروف، من أجل قياس انحراف الجيروسكوبات. ومع ذلك، من أجل الحصول على مثل هذه الدقة، يجب أن يكون القمر الصناعي نموذجًا عالي التقنية وأن يحتوي على:

- ديوار مملوء بالهيليوم فائق السوائل، والغرض منه هو الحفاظ على جميع المعدات عند درجة حرارة 1.8 كلفن بهدف أولي هو القيام بذلك لمدة عامين على الأقل؛

- التدريع ضد المجالات المغناطيسية الأرضية والشمسية، المكونة جزئياً من موصلات فائقة مما يجعل من الممكن وجود مجال مغناطيسي داخلي أقل من 10-17 غاوس (الغاوس هو ترتيب حجم المجال المغناطيسي الأرضي)؛

- الجيروسكوبات، وهي عبارة عن كرات كوارتز بحجم كرات بينغ بونغ مغطاة بالنوبيوم (موصل فائق عند درجة حرارة منخفضة للغاية). كانت هذه الكرات، وهي الأجسام الكروية الأكثر كمالًا على الإطلاق، ترفع إلكتروستاتيكيًا ولها سرعات دوران تبلغ 10000 دورة في الدقيقة بواسطة نفاثات صوتية من غاز الهليوم؛

- كان على نظام قراءة البيانات نفسه أن يتجنب التشويش على التجربة، وبالتالي كان وجود "الحبار" (جهاز التداخل الكمي فائق التوصيل) ضرورياً.

لذلك كان مسبار الجاذبية B تجربة معقدة للغاية وطموحة واجهت صعوبات للأسف، خاصة بسبب التأثيرات الكهروستاتيكية بين المكونات المختلفة والتي كانت أكبر من المتوقع. أثبت تحليل البيانات أنه عمل طويل الأمد، ولم تعلن وكالة ناسا حتى عام 2011 أن التجربة قد أكدت بالفعل تأثير De Sitter وتأثير Lense-Thirring، حتى لو كان لم تكن دقة القياس جيدة كما هو متوقع.

ومع ذلك، يمكن التحقق من ملاحظة تأثير دوران الجسم على الزمكان من الناحية الكمومية في المستقبل القريب بالقرب من الأجسام الفيزيائية الفلكية المدمجة مثل النجوم النيوترونية والثقوب السوداء والتي حولها يكون الانحناء من الزمكان أقوى من قرب الأرض. في الواقع، في وقت مبكر من عام 1997، أعلنت تجربة Rossi X-ray Timing Explorer، التي درست أقراص التراكم حول الثقوب السوداء المرشحة، أنها لاحظت تأثير Lense-Thirring. إن أوجه عدم اليقين بشأن هذه القياسات وعلى نمذجة الظواهر الفيزيائية المعنية كبيرة جدًا لدرجة أننا لا نستطيع حتى الآن اعتبارها على أنها تشهد على صحة النسبية العامة. يكمن الأمل حاليًا في مشاريع GRAVITY (التي دخلت الخدمة في عام 2016 على VLT، وTelescope كبير جدًا باللغة الإنجليزية وTrès Grand Telescope باللغة الفرنسية) وEvent Horizon Observer (مشروع شبكة تلسكوب بهدف صنع قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا) وكلاهما له هدف رئيسي هو استكشاف المنطقة المجاورة لـ Sagittarius A *، وهو الثقب الأسود الفائق الكتلة في مركز مجرتنا. يجب أن يكون قرار هذه التجارب كافياً بالفعل لتمييز الظواهر الفيزيائية التي تحدث في منطقة ذات حجم مشابه لأفق هذا الثقب الأسود.

[1] وفقًا لبعض العلماء، فإن الأقمار الصناعية LAGEOS، التي تقيس مجال جاذبية الأرض من أجل دراسة الديناميكا الجيولوجية، جعلت من الممكن تسليط الضوء على تأثير Lense-Thirring قبل Gravity Probe B، لكن الآراء لا تزال غير واضحة. rtages حول هذه المسألة بسبب تحليل البيانات المعقد.

 د. جواد بشارة

هل هي حدث فريد أم متكرر إلى مالانهاية؟ ماذا قبل وماذا بعد البغ بانغ؟

صراع النسبية العامة وميكانيكا الكموم الكوانتوم وما بعدهما، هل سنصل يوماً لنظرية كل شيء، وهل نعيش في كون متعدد؟ (النماذج المختلفة لأكوان متعددة) وهل نعيش في محاكاة حاسوبية، كون "ماتريكس"؟

أ‌- مبدأ التكافؤ والجاذبية النسبية:

فشلت نظرية النسبية، كما صاغها أينشتاين عام 1905، بسبب سهوين:

- لم يقل شيئًا عن الكيفية التي يرى بها المراقبون المتسارعون العالم وقوانين الفيزياء.

- لم يشمل الجاذبية في جميع النظريات الفيزيائية الموصوفة بواسطة قوانين مستقلة عن المراقب والقصور الذاتي.

ولكن، كما لاحظ أينشتاين، كان "التسارع" و"الجاذبية" هما أيضًا كلمتان رئيسيتان لظاهرة لوحظتا تجريبياً وذكرا عدة مرات هنا: عالمية السقوط الحر للأجسام. كان أينشتاين أحد أتباع التجارب الفكرية 1 (Gedankenexperiment باللغة الألمانية)، لذلك حاول أن يتخيل ما قد يراه مراقب في السقوط الحر في مجال الجاذبية، والذي وصفه لاحقًا بأنه "أسعد فكرة لوجوده" الأمر الذي دفعه إلى اكتشاف مبدأه الأساسي وهو، مبدأ التكافؤ. في الواقع، تخيل أينشتاين نفسه منعزلًا في مصعد يسقط بحرية دون إمكانية مراقبة البيئة الخارجية، أدرك أن أيا من التجارب الميكانيكية التي يمكنه القيام بها لن يمنعه من الاعتقاد بأنه يعاني من القصور الذاتي وبعيدًا عن أي مصدر. من الجاذبية. ومع ذلك، كان هذا صحيحًا فقط بسبب المساواة، لجميع الأشياء، بين سقوط الأجسام ذات الكتل والأجسام ذات الكتل الخاملة. تشير هذه المساواة ضمنيًا إلى أنه إذا رمى شيئًا أمامه مباشرة، فسوف يراه يستمر في مسار مستقيم، حتى لو كان أي مراقب ثابت في مجال الجاذبية سيرى المصعد ومحتوياته تسقط مع تسارع مماثل. وعلى العكس من ذلك، إذا افترض المرء أن المصعد يقع بعيدًا عن أي مصدر لحقل الجاذبية ويتم سحبه بتسارع ثابت، فيمكن لمراقب مقفل في هذا "الإطار المرجعي المتسارع" أن يعتقد تمامًا أنه يقع في مجال الجاذبية ولن يكون لديه وسيلة ميكانيكية لتمييز تسارع مرتبط بفعل قوة شد عن ذلك المرتبط بمجال الجاذبية.

أعلاه، توضيح لمبدأ التكافؤ بين الكتل الجادة والخاملة. أدناه، رسم توضيحي للقصور الذاتي الظاهر، من وجهة نظر المراقب في السقوط الحر (المرتبط بالمنزل)، لمسار جسم تم إطلاقه في مجال الجاذبية.

كان من الممكن صياغة كل ما سبق في وقت مبكر من عصر نيوتن، ومع ذلك، كانت عبقرية أينشتاين هي النظر في كل هذه الأشياء من وجهة نظر جديدة، والتأكيد على أن المعنى الحقيقي للملاحظة المعروفة لم تكن عالمية السقوط الحر هوية الكتل الجادة والخاملة، بل هوية الجاذبية والتسارع: التغيير المناسب للإطار المرجعي يمكن دائمًا على ما يبدو أن يقمع تأثير مجال الجاذبية. ومع ذلك، لا يمكن أن يكون هذا المبدأ صحيحًا إلا محليًا، نظرًا لأن المجال الحقيقي، مثل مجال الجاذبية الأرضية، ليس ثابتًا، مما يعني، وجو انحراف بين مسارات جسمين على مسافة كافية. في السقوط الحر (نتحدث عن "تأثير المد والجزر" أو "الانحراف الجيوديسي").

رسم توضيحي للاختلاف بين التسارع المنتظم (على اليسار) ومجال الجاذبية الحقيقي (على اليمين)، عندما ينظر المرء ليس فقط إلى الفعل المحلي، ولكن في مجال أكبر. يدفع تأثير المد والجزر الكتل النقطية لتقترب ببطء من بعضها البعض.

وهكذا عقد أينشتاين أول عنصرين رئيسيين في "النسبية العامة" المستقبلية:

- لكي يتعامل مبدأ النسبية أيضًا مع الأطر المرجعية المتسارعة، كان لا مفر من التركيز على الجاذبية؛

- بما أن الجاذبية والتسارع لا يستطيعان، بالمعنى الدقيق للكلمة، تعويض بعضهما البعض محليًا، فإن النسبية العامة لا بد أن تكون نظرية محلية، والتي بدت متماسكة مع فعل الجاذبية الذي لا يحدث "على مسافة"، ولكن "بواسطة اتصال". علاوة على ذلك، نظرًا لأن إعادة صياغته لمبدأ النسبية قد تضمنت تضمين الكهرومغناطيسية في النظريات النسبية، فسرعان ما كان لدى أينشتاين حدس مفاده أن الضوء يجب أن يتأثر أيضًا بمجال الجاذبية. في الواقع، إذا تخيل المرء نفسه، في مصعد في حالة سقوط حر، مصدر ضوء يُصدر فجأة شعاعًا ضوئيًا، فهناك احتمالان. إما أن يلاحظ المراقب الموجود في المصعد أن الضوء يتبع مسارًا مستقيمًا، وهذا يعني أنه بالنسبة لمراقب على سطح الأرض، فإن المسار الذي يتبعه الضوء ليس مستقيمًا؛ أو أن المراقب في المصعد نفسه يلاحظ أن مسار الضوء ليس مستقيمًا، في حين أنه يبدو كذلك بالنسبة للمراقب على الأرض. ومع ذلك، بالنسبة لأينشتاين، ليس هناك أي تردد في أن يكون لديك: لا يمكن للمراقب على الأرض بأي حال من الأحوال أن يصدق نفسه بالقصور الذاتي لأنه مضغوط على الأرض في مجال الجاذبية، بينما من ناحية أخرى، المراقب في حالة سقوط حر يمكن أن يعتقد محليا أنه في حالة قصور ذاتي. وبالتالي، يبدو منطقيًا أن الضوء ينتقل في خط مستقيم بالنسبة للمصعد، مما يعني أيضًا أنه يجب أن يتأثر بمجال الجاذبية، مثل أي جسم مادي 2. لاحظ أيضًا أن هذا يتفق مع مبدأ التكافؤ بين الكتل الخاملة والخطيرة، فقد أظهرت النسبية الخاصة أن القصور الذاتي مرتبط بالطاقة وليس فقط بالكتلة بحد ذاتها (ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن الحديث عن "قصور الضوء" هو هراء لأن معيار سرعته لا يمكن أن يتغير). بناءً على قوة هذا المنطق، كتب أينشتاين في عام 1911 مقالًا توقع فيه تأثير الجاذبية على الضوء، وحيث أظهر أن هذا التأثير، بالإضافة إلى انحراف الضوء المار بالقرب من الشمس، يجب أن يكون كذلك. ترجم بواسطة "احمرار" الضوء المنبعث من جسم سماوي ضخم (نتحدث عن "تأثير أينشتاين"): تردد الضوء المرصود بعيدًا عن المصدر أقل من ذلك الذي انبعث منه عند سطح الجسم.

ومع ذلك، فإن هذه الفرضية الخاصة بالتأثير المحتمل للجاذبية على الضوء، مهمة جدًا في النسبية العامة، وهي تشهد على الاختلاف الأساسي بين وجهة نظر أينشتاين حول الجاذبية النسبية ووجهات نظر الشخصيات الأخرى.، مثل بوانكاريه Poincaré أونورستروم Nordström. في الواقع، وضع مبدأ التكافؤ في الموضع الأول من افتراضات نظريته، اختار أينشتاين، في عام 1912، التخلي عن صيغة لورنتز المتغيرة للجاذبية، من أجل إعطاء الأخيرة دورًا خاصًا فيما يتعلق بالجاذبية. - فيما يتعلق بالظواهر الفيزيائية الأخرى، وهو نهج يسمح لها أيضًا بتوسيع مبدأ النسبية ليشمل جميع المراقبين، حتى المتسارعين منهم. لذا بينما يحاول الجميع تغيير الجاذبية للتعبير عنها في الزمكان عند مينكوفسكي، يتخذ أينشتاين مسارًا مختلفًا تمامًا ويفضل تعديل مفهوم الزمكان مرة أخرى. ووفقًا لوجهة نظره، فإن عالمية الجاذبية وسقوط الأجسام الحر تجدان نفس التفسير، وهو أن الجاذبية ليست "قوة" مثل الآخرين، ولكنها مجرد تعبير عن هندسة الفضاء (-زمن). إذا كان بإمكان المراقبين في السقوط الحر أن يصدقوا أنفسهم بالقصور الذاتي، فذلك لأنهم كذلك، تمامًا مثل مراقبي لورنتزيان في غياب مجال الجاذبية. ببساطة، عندما يوجد مصدر لحقل الجاذبية، يتم تعديل الهندسة الزمكانية، ولا يجب اعتبار الفضاء (الزمن) إقليديًا (أو مسطحًا)، بل منحنيًا (أو ريمانيان). علاوة على ذلك، نظرًا لأنه كان معروفًا منذ مينكوفسكي أن المكان والزمان مجرد أوهام، وأن الكائن المطلق "الحقيقي" هو الزمكان المينكوفيسكس Minkowskian ، فقد جاء أينشتاين بشكل أكثر دقة للتخلي عن الهندسة المينكوفسكية Minkowskian. لاعتماد هندسة ريمانية زائفة تجعل من الممكن وصف زمكان منحني.

في هذا النهج، فإن حقيقة أن المسارات التي يتبعها المراقبون "في السقوط الحر" (أي كل تلك التي لا تخضع لأي قوة حقيقية) لم تعد خطوطًا مستقيمة، ولكن مسارات أخرى، تجد تفسير طبيعي. هذه المسارات، التي تعمم فكرة "الخط الإقليدي"، تعتمد فقط على الهندسة وليس على طبيعة الراصد "الذي يسقط". ونظرًا لأن الضوء، مثل أي جسم مادي آخر، مدرج أيضًا في الزمكان، فمن الحتمي أن يتأثر أيضًا بمجال الجاذبية، حتى لو كانت الكتلة الصفرية للفوتون تشير إلى أن خطوط الأكوان المتعقبة ليست مثل تلك الخاصة بالجسيمات الضخمة. النسبية العامة كونها هندسية للجاذبية عبر هندسة ريمان، يصبح من الحتمي، من أجل فهم جوهر نظرية أينشتاين بشكل أفضل، قول بضع كلمات عن هذه الهندسة، بوضوح دون الخوض في التفاصيل بالضرورة.

ب - الهندسة الريمانية والجيوديسية:

الهندسة التي تم دراستها من المدرسة الابتدائية، والمستخدمة يوميًا، هي الهندسة إقليدس، عالم الرياضيات اليوناني من القرن الرابع قبل الميلاد. يحدد الأخير بدقة المفاهيم المألوفة للمستوى، والخط، والنقطة، وما إلى ذلك، وإضفاء الطابع الرسمي على نظريته بالكامل في عناصره، مقسمة إلى 13 كتابًا، والتي تبدأ بتعريفات مختلفة و5 افتراضات أساسية. ومع ذلك، من بين هذه الافتراضات، هناك واحد تسبب في تدفق الكثير من الحبر، المعروف باسم "المسلمة الخامسة لإقليدس"، أو حتى "مسلمة المتوازيات". يقول إنه "في ظل وجود خط ونقطة خارجه، يوجد خط واحد فقط يمر عبر هذه النقطة الموازية للخط الأول والمضمنة في المستوى الذي يحدده الأخير النقطة التي تقع خارجه "3. في الواقع، طرح السؤال لفترة طويلة لمعرفة ما إذا كانت هذه الفرضية واحدة حقًا، أو ما إذا كان يمكن توضيحها من الآخرين وبالتالي فهي مجرد نظرية.

رسم توضيحي لافتراض إقليدس الخامس: بالنظر إلى الخط (BC) والنقطة A، لا يوجد سوى سطر واحد موازٍ لـ (BC) يمر عبر A. البيان الأولي للمسلمة يتعلق في الواقع بالقيم الزوايا (MAC) و (NAB) مقارنة بزوايا (ACB) و (ABC).

There's more to discover in the WordPr

لم تتم تسوية السؤال بشكل نهائي حتى القرن التاسع عشر بواسطة عالم الرياضيات الألماني كارل فريدريش غاوس، الروسي نيكولاي الأول فانوفيتش لوباتشيفسكي والمجري يانوس بولياي، اللذان قاما، بشكل مستقل عن بعضهما البعض، ببناء "أشكال هندسية منحنية" تم فيها تعديل هذا الافتراض الخامس، حيث كان عدد المتوازيات صفرًا أو حتى لانهائيًا. لكون هذه الأشكال الهندسية متماسكة تمامًا مثل تلك الخاصة بإقليدس، فإن هذه الفرضية الخامسة كانت بالفعل واحدة. ومع ذلك، قدم عالم الرياضيات الألماني جورج فريدريش برنارد ريمان مساهمة كبيرة في هذه المشكلة، عندما صاغ، بعد سنوات قليلة، ما يعرف الآن باسم "هندسة ريمان". كان الأمر يتعلق بالتعميم، على المساحات من أي أبعاد، لمفهوم الانحناء الذي قدمه غاوس Gauss، وأصبحت هندسة Gauss وBolyai وLobachevski وحتى هندسة إقليدس مجرد أمثلة معينة على "الهندسة الريمانيّة" (الفضاء الإقليدي - أو الإقليدية الزائفة مثل مساحة مينكوفسكي - هي مساحة منعدمة الانحناء). والأكثر إثارة للدهشة أنه أثناء تطوير هندسته، كان لدى ريمان حدس مفاده أنه نظرًا لأنه كان أكثر اتساعًا وعمومية من نظيره إقليدس، فقد يكون، على الرغم من المظاهر، أكثر توافقًا مع "العالم الحقيقي ".

في الواقع، على الرغم من تأكيدات الفيلسوف الألماني إيمانويل كانط، فليس للفضاء سبب ليكون إقليديًا بديهيًا، لأنه حتى لو بدا أن التجارب التي أجريت تتفق مع الهندسة الإقليدية، يمكننا فقط إجراء قياسات خطوة بخطوة وعلى مسافات قصيرة. الآن، خصوصية الهندسة الإقليدية هي أنها يمكن أيضًا صياغتها بطريقة "عالمية"، وجميع الخصائص مستقلة عن مقياس القياس المستخدم. من ناحية أخرى، فإن المساحات الريمانية متطابقة محليًا مع الفضاء الإقليدي، ولكنها قد لا تكون متجانسة، أو متناحرة، أو حتى "ثابتة على نطاق واسع". هذه الملاحظة، التي قد تبدو للوهلة الأولى مجردة بعض الشيء، فهي ليست سوى نسخ لشيء معروف جيدًا من الآن فصاعدًا: حتى لو بدت الأرض مسطحة بالنسبة لنا، فنحن نعلم جيدًا أن هذا صحيح محليًا فقط، الأرض كونها سطحًا منحنيًا أقرب إلى الكرة منها إلى السطح المستوى. لذلك كان حدس ريمان بكل بساطة أن التسطيح الظاهري للفضاء ربما كان مجرد وهم مشابه لتسطيح الأرض، فقط القياسات على مسافات أكبر يمكن أن تحل هذا السؤال. وهكذا، كما فعل أينشتاين بشكل مستقل لاحقًا، أدرك ريمان أن هندسة الفضاء لا يمكن تحديدها إلا بالتجربة. توضيح لحقيقة أن الكرة (أو أي سطح منحني أملس آخر) يمكن استيعابها محليًا في سطح مستوى.

فيما يتعلق بهذا التحديد التجريبي، من المستحسن عمل قوس رياضياتي أخير حول موضوع مفهوم الانحناء. في الواقع، هناك نوعان من الانحناء: الانحناء الجوهري، والانحناء الخارجي، فقط النوع الأول "قابل للقياس تجريبيًا" ومُحدد جيدًا لكائن "مشمول" في الفضاء الذي يدرسه. بتعبير أدق، يمكن قياس الانحناء الجوهري للفضاء مباشرة باستخدام دراسة خصائص الأشكال الهندسية المضمنة في ذلك الفضاء. وهكذا، في حالة الأسطح، يمكن تحديد الانحناء الجوهري، على سبيل المثال، من خلال دراسة المثلثات التي يمكن رسمها على هذا السطح، ومجموع زوايا المثلث يساوي 180 درجة فقط في حالة سطح مستو (انظر الشكل التالي).

رسم توضيحي لتحديد علامة الانحناء الجوهري للسطح باستخدام مثلث مرسوم عليه. إذا كان السطح مسطحًا (= إقليدي)، فسيكون مجموع زوايا المثلث دائمًا يساوي 180 درجة. من ناحية أخرى، إذا كان الانحناء موجبًا (الشكل المركزي)، فسيكون هذا المجموع أكبر، أو أصغر إذا كان الانحناء سلبيًا (الشكل السفلي). نلاحظ أن جوانب المثلث بحكم التعريف هي "جيوديسية" (انظر لاحقًا في النص)، التعميم للمساحات المنحنية لمفهوم الخط الإقليدي المستقيم.

هناك طريقة أخرى لتحديد علامة الانحناء الجوهري وهي النظر، عند نقطة معينة، في المستوى المماس للسطح وإلقاء نظرة على سلوك السطح فيما يتعلق بهذا المستوى المماس، حول النقطة التي تم النظر فيها. إذا كان السطح لا يلمس المستوى وظل موجودًا على نفس الجانب (حالة الكرة)، يكون الانحناء موجبًا. إذا اعترض السطح الطائرة وعبرها حتى (حالة "سرج الحصان")، يكون الانحناء سالبًا. أخيرًا، إذا كان السطح يحتوي على خط تقاطع مع المستوى، ولكنه لا يتقاطع معه، فإن الانحناء يكون صفراً (حالة المستوى أو الأسطوانة، انظر الشكل التالي)

الانحناء الخارجي هو، من جانبه، كمية لا يتم تعريفها إلا عندما يعتبر المرء الفضاء الهندسي جزءًا من مساحة ذات أبعاد أعلى. هذا على سبيل المثال ما نفعله عندما نعتبر السطح داخليًا إعادة إلى فضاء ثلاثي الأبعاد. وبالتالي، يمكننا أن نعتقد مسبقًا أن الأسطوانة عبارة عن سطح منحني، ومع ذلك، إذا رسمنا مثلثًا على سطح أسطوانة، يمكننا بسهولة أن نرى أن مجموع هذه الزوايا الثلاث هو بالفعل 180 درجة: الأسطوانة لا لديه انحناء خارجي واحد فقط (انظر الشكل التالي). هناك طريقة أخرى لفهم هذه النتيجة وهي الاعتقاد بأن الأسطوانة ليست أكثر من "مستوى ملفوف"، وطالما أنه يمكن "فتح" سطح ووضعه مسطحًا بدون المسيل للدموع، فهذا يعني أنه ليس منحنيًا بطبيعته. وهي مجرد طريقة معقدة لقول إنه من المستحيل عمل نمط كروي بورقة واحدة دون الحاجة لاحقًا إلى قطع جزء من الورقة للحصول على الكرة.

التكافؤ الجوهري بين الطارة والمستوى الإقليدي. حتى إذا تم اعتباره كسطح مغمور في مساحة ذات بعد أعلى، فإن الطارة لها انحناء خارجي، فإن هذا لا يميزها حقًا لأنه يتم تعريفها بطريقة فريدة فقط بمجرد إعطاء "التضمين".

كان هذا الاستطراد في الانحناءين مهمًا، لأنه يسمح لنا بالإصرار على حقيقة أن الانحناء الوحيد الذي تم ذكره لاحقًا سيكون الانحناء الجوهري، وهو الحجم، بطريقة ما، "مطلق" وبالتالي يمكن تحديده تجريبيًا.. بتعبير أدق، يفترض أينشتاين، في نظريته عن النسبية العامة، أن الزمكان هو فضاء ريماني، وأن انحراف المسارات بين المراقبين في السقوط الحر في مجال الجاذبية ليس سوى "دليل رصد" للانحناء الجوهري الناجم عن مصدر المجال. بعبارة أخرى، وفقًا لأينشتاين، إذا كان بإمكان المراقبين في السقوط الحر في مجال الجاذبية أن يدّعوا محليًا أنهم قصور ذاتي، فذلك لأنهم حقًا: المراقبون بالقصور الذاتي هم أولئك الذين يسقطون سقوط حرًا، وهذا يعني - الأجسام التي لا تتعرض لأية قوة غير الجاذبية. ومع ذلك، فإن تأثير الجاذبية (= الانحناء الجوهري للزمكان)، يمكن فقط "محوه بتغيير الإحداثيات" محليًا، ويبقى أثر الانحناء عندما يكون مهتم بالفيزياء، أو في مسارات المراقبين بالقصور الذاتي، عبر مجالات ممتدة. بدلاً من اتباع "الخطوط المستقيمة"، كما كان الحال في النسبية الخاصة، يتبع المراقبون بالقصور الذاتي للنسبية العامة الجيوديسية، وهي منحنيات مكافئة محليًا للخطوط المستقيمة وتعممها في إطار الهندسة الريمانية.

في الواقع، فإن فكرة الخط المستقيم التي ذكرها إقليدس هي فكرة الخط الذي يتطابق مع نفسه في جميع النقاط، ومع ذلك، هناك تعريف آخر محتمل ألا وهو القول بأن الخط المستقيم هو أقصر طريق يربط بين نقطتين معينتين. وهكذا، يمكن للمرء أن يوسع هذا التعريف الأخير ليشمل حالة المساحات المنحنية (= الريمانيةriemannians)، حيث يتم البناء العالمي للمنحنى خطوة بخطوة، حتى يتم إعطاء الجيوديسية. كما تستخدم الجيوديسيا باعتبارها تعميمات طبيعية للخطوط المستقيمة على نطاق واسع كائنات رياضياتية. على سبيل المثال، عندما نسير للأمام مباشرة، فإن الأرض ليست مسطحة بل منحنية، فنحن لا نتبع خطًا مستقيمًا، بل خطًا جيوديسيًا: من خلال الاستمرار بشكل كافٍ نجد أنفسنا عند نقطة البداية. وحقيقة أن هذه المسارات هي الأقصر فهي أيضًا مهمة جدًا للملاحة الجوية أو البحرية، ولهذا السبب تقترب الطائرات التي تعبر المحيط الأطلسي من القطب الشمالي، بينما يبدو على الخريطة أنها تطول المسافة. ترتبط هذه النقطة الأخيرة أيضًا بالاستحالة (المذكورة أعلاه) من صنع نمط كروي ذي صفيحة مسطحة، وهي مشكلة ستظهر لاحقًا عند وصف سقوط جسيم في ثقب أسود. ومع ذلك، قبل الوصول إلى وصف هذه "الأشياء" التي تنبأت النسبية العامة بوجودها، يبقى من الضروري إنهاء وصف النسبية العامة باختصار، والطريقة التي ينتهي بها أينشتاين إلى اكتشافها وما هي أولى اختباراتها التجريبية.

رسم توضيحي، من خلال الانحراف الذي يظهر بين اثنين من الجيوديسيا الممتدة بشكل كافٍ، للأنواع الثلاثة المحتملة للانحناء لسطح ريماني (= مساحة ثنائية الأبعاد) مكافئ محليًا للمستوى الإقليدي. الفضاء الأول هو الفضاء الإقليدي نفسه، مسطح في كل مكان؛ الثاني يشبه سطح الأرض، مع انحناء إيجابي، والأخير له انحناء سلبي، كما هو الحال بالنسبة لهندستي بولاي ولوباتيفسكي Bolyai و Lobachevski. رسومات للمقارنة مع الشكل السابق توضح تأثير المد والجزر. المصدر "رحلة إلى الجاذبية والزمكان" بقلم ج.أ.ويلر ، مكتبة Scientific American.

ثورة النسبية العامة أو عندما أعاد أينشتاين رسم أشكال الكون

S² = c² (t2-t1)² - (x2-x1)²,

ds² = c² dt² - dx²,

ds² = gtt dt² + gxx dx² + 2 gtx dx dt,

المكان والزمان عند أينشتاين، مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. باكتشاف النسبية الخاصة عام 1905، أزعج أينشتاين كل مفاهيم الفيزياء الكلاسيكية. بعد عشر سنوات، مع النسبية العامة، أعاد رسم أشكال الكون ذاتها ورسم له هيكيلية أخرى مغايرة. منذ ذلك الحين، استمر التحقق من صحة حدسه اللامع من خلال الظواهر الكونية مثل الثقوب السوداء أو موجات الجاذبية. توقع أينشتاين في نظريته عن النسبية العامة، أن وجود الثقوب السوداء لن يتم إثباته حتى السبعينيات. هذه الأجسام ضخمة جدًا لدرجة أنها يمكن أن تشوه الزمكان بشكل لا نهائي ... أو حتى تمزقه. في 14 مارس 1879، عندما ولد ألبرت أينشتاين في أولم بألمانيا، كانت العلوم الفيزيائية صرحًا يقوم على ركيزتين. من ناحية أخرى، فإن قوانين الحركة (أو الكينماتيكا) للأجسام المادية، التي ذكرها غاليليو، وقوانين الجاذبية الكونية لنيوتن متقنة تمامًا تقريبًا. من ناحية أخرى، فإن الكهرومغناطيسية - مع البحث عن التيارات الكهربائية والمجالات المغناطيسية والضوء - تسير على قدم وساق: تم جمع القوانين التي تحكمها في نظرية بواسطة الفيزيائيين جيمس ماكسويل (1831-1879) وهندريك لورنتز (1853-1928). العقل والحتمية والعلم ينتصرون! هذا هو قرن التجارب: الأدوات متقنة، دقة القياسات محسوسة ... وهنا تبرز أسئلة جديدة.

السؤال الأول، الأكثر تعقيدًا بلا شك، هو سرعة الضوء. منذ غاليليو، نعلم أن سرعات الأجسام المتحركة تتزايد. من الناحية النظرية، يجب أن يكون هذا هو الحال أيضًا بالنسبة للضوء. ضع مصباحًا على رأس الصاروخ: يجب أن تكون سرعة شعاع الضوء مساوية لمجموع سرعات الصاروخ والضوء. لايهم، هذه ليست القضية. إنه يساوي الضوء وحده. الفيزيائيان الأمريكيان ألبرت ميكلسون وإدوارد مورلي، اللذان طورا في عام 1887 تجربة معقدة تهدف إلى التحقق من أن سرعة الأرض تضاف إلى سرعة الضوء على حسابهما ... ولكن لا يوجد شك حتى الآن لمهاجمة العقيدة الجليلة وجها لوجه التي تقول بثبات سرعة الضوء في كافة الأحوال.

السؤال الثاني يتعلق بالزئبق. في منتصف القرن التاسع عشر، لاحظ العديد من علماء الفلك بالفعل تحولًا طفيفًا في الحضيض الشمسي (نقطة مداره الأقرب إلى الشمس) مقارنة بتنبؤات نظرية نيوتن، ومع ذلك فهي فعالة جدًا في حساب موقع الكواكب: تقدم بنحو 43 ثانية زاوية في القرن. تم ابتكار حلول مخصصة: نحاول تعديل قانون نيوتن للجاذبية، ونفترض وجود كوكب لم يكتشف من قبل، فولكان ، يدور بين الشمس وعطارد ، والذي من شأنه أن يزعج مجال جاذبيته هذا الأخير ويشرح التأخر الملحوظ ... ومع ذلك، لا يمكّن لأي من هذه المقترحات من حل المشكلة بشكل صحيح.

كانت هذه هي حالة العالم العلمي في عام 1905 عندما نشر أينشتاين الشاب، الذي لم يكن قد أكمل درجة الدكتوراه، خمس أوراق بحثية أساسية.

فبدلاً من التبريد، ربما يكون الكون في الواقع يسخن نتيجة لانهيار الجاذبية للمادة المظلمة والغاز.

"يوفر قياسنا الجديد تأكيدًا مباشرًا للعمل الأساسي لجيم بيبلز - الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2019 - الذي وضع النظرية حول كيفية تشكل الهياكل واسعة النطاق في الكون. مع تطور الكون، تسحب الجاذبية المادة المظلمة والغاز إلى المجرات والعناقيد المجرية. هذا الانجذاب عنيف جداً لدرجة أنه يتم ضغط المزيد والمزيد من الغازات وتسخينها، "يشرح عالم الكونيات في جامعة ولاية أوهايو يي-كوان تشيانغ ذلك.

كون بدائي أبرد من الكون الحالي:

لقياس التغيرات الحرارية على مدى العشرة مليارات سنة الماضية، قام تشيانغ وزملاؤه بدمج البيانات من القمر الصناعي الفلكي بلانك الذي يعمل بالأشعة تحت الحمراء التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ومسح سلون الرقمي للسماء (SDSS). في حين أن بلانك كانت أول مهمة أوروبية لقياس درجة حرارة الخلفية الكونية المنتشرة (CMB)، فإن SDSS هي دراسة ضخمة متعددة الأطياف خلقت أكثر الخرائط ثلاثية الأبعاد تفصيلاً للكون.

الخلفية الكونية المنتشرة التي لاحظتها بعثة بلانك على ترددات مختلفة. ائتمانات: تعاون بلانك

من مجموعات البيانات هذه، عبر الفريق ثمانية من خرائط كثافة السماء بلانك مع 2 مليون مرجع طيفي للانزياح الأحمر SDSS. بدمج قياسات الانزياح الأحمر (التي تُستخدم عادةً لتحديد مدى سرعة تحرك الأجسام بعيدًا عنا) وتقديرات درجة الحرارة المستندة إلى الضوء، قارن الفريق درجة حرارة سحب الغاز البعيدة (في الوقت المناسب) مع تلك الأقرب إلى الأرض.

من هناك، تمكن فريق البحث من تأكيد أن متوسط درجة حرارة الغاز في بدايات الكون (حوالي 4 مليارات سنة بعد الانفجار العظيم) كان أقل مما هو عليه الآن. يبدو أن هذا يرجع إلى الانهيار الثقالي للبنية الكونية بمرور الوقت، وهو اتجاه سيستمر ويصبح أكثر كثافة مع استمرار تسارع توسع الكون.

تم استخدام بيانات SDSS لإعادة بناء خرائط ثلاثية الأبعاد لمناطق الكون مع مئات الآلاف من المجرات. الائتمان: SDSS

كما لخصها تشيانغ، فإن الكون يسخن بسبب العملية الطبيعية لتشكيل المجرات والشبكة الكونية، ولا علاقة له بالتغيرات في درجة الحرارة هنا على الأرض. تحدث هذه الظواهر على مستويات مختلفة جدًا. وهي غير مرتبطة على الإطلاق بحرارة الأرض.

عواقب الاحترار التدريجي للكون:

في الماضي، جادل العديد من علماء الفلك بأن الكون سيستمر في البرودة مع تمدده، مما سيؤدي حتما إلى البرد الكبير (أو التجمد الكبير). في المقابل، أظهر تشيانغ ورفاقه أن العلماء يمكنهم تحديد تطور تكوين الهياكل الكونية من خلال "التحقق من درجة حرارة" الكون.

يمكن أن يكون لهذه النتائج أيضًا تداعيات على النظريات التي تقبل "التبريد الكوني" كاستنتاج نهائي. من ناحية، ومن ناحية أخرى تم اقتراح أن أحد الحلول الممكنة لمفارقة فيرمي هو أن الذكاءات أو الحضارات الفضائية الذكية خارج كوكب الأرض (ETIs) نائمة وتنتظر الكون حتى يتحسن (فرضية aestivation).

استنادًا جزئيًا إلى الديناميكا الحرارية للحوسبة (مبدأ لانداور)، تؤكد الحجة أنه مع برودة الكون، ستكون الأنواع المتقدمة قادرة على ضغط المزيد من البنى التحتية الضخمة. أيضًا، إذا ازدادت حرارة الكون بمرور الوقت، فهل يعني ذلك أن ظهور الحياة سيصبح أقل احتمالًا بمرور الوقت بسبب زيادة الإشعاع الكوني؟ بافتراض عدم وجود آلية للحفاظ على توازن حراري معين، فهل يعني ذلك أن الكون لن ينتهي ببرودة كبيرة، ولكن بنيران كبيرة؟

وفقًا لبحث جديد من مركز علم الكونيات وفيزياء الجسيمات الفلكية (CCAPP) في جامعة ولاية أوهايو، يبدو أن الكون يزداد سخونة وسخونة بمرور الوقت. بعد التحقيق في التاريخ الحراري للكون على مدى العشرة مليارات سنة الماضية، خلص الفريق إلى أن متوسط درجة حرارة الغاز الكوني قد زاد أكثر من 10 مرات ووصل إلى حوالي 2.2 مليون كلفن (~ 2.2 مليون كلفن). درجة مئوية) اليوم.

نُشرت الدراسة التي تصف النتائج التي توصلوا إليها في مجلة الفيزياء الفلكية. قام الفريق بفحص البيانات الحرارية حول بنية الكون واسعة النطاق (LSS). يشير هذا إلى نماذج المجرات والمادة على نطاق واسع.

ج- ظهور النسبية العامة:

بحلول عام 1911، كان أينشتاين قد فهم المبادئ الرئيسية لما يمكن أن تكون عليه نظريته في النسبية العامة:

- مبدأ النسبية كما تمت صياغته في النسبية الخاصة هو مبدأ عالمي، وهو ينطبق على جميع المراقبين بالقصور الذاتي (محليًا أم لا)، وجميعهم في حالة سقوط حر.

- إذا كان هناك مصدر لحقل الجاذبية، يكون الزمكان منحنيًا، ومهما كان هذا الانحناء، فإن المراقبين بالقصور الذاتي يتبعون "الجيوديسيا من النوع الزمني" لهذا الزمكان 5؛

- التسارع محليًا دائمًا ما يعادل وجود مجال الجاذبية.

لذلك كانت المهام الوحيدة المتبقية له هي صياغة كل هذا رياضيًا واكتشاف كيف يثني مصدر الجاذبية بدقة الزمكان، وهو ما يرقى إلى إيجاد المعادلة الرمزية التي سبق ذكرها:

الاختلاف النسبي في مجال الجاذبية النسبية = كثافة الكتلة والطاقة النسبية.

طلب أينشتاين، الذي كان يجهل هندسة المساحات المنحنية في ذلك الوقت، المساعدة من صديقه، عالم الرياضيات الألماني مارسيل غروسمان. هذا الأخير، الذي لم يكن في البداية خبيرًا في هذا المجال المحدد أيضًا، انغمس في أعمال ريمان وعمل "خلفائه"، عالم الرياضيات الألماني إلوين برونو كريستوفيل، وكذلك الإيطاليين غريغوريو ريتشي كورباسترو وتوليو ليفي سيفيتا. لن يتم تفصيل الأدلة الخاطئة المتنوعة التي اتبعها آينشتاين وغروسمان، والأمر المهم هو أنهما في عام 1913 قاما بالتوقيع على أول مقال تم فيه وصف الجاذبية باستخدام "موتر متري"، وهو موتر مشتق بشكل طبيعي من الهندسة الريمانية والتي تميز المساحات المنحنية. هذا الموتر، الذي سيتم وصفه بإيجاز شديد، يتكون من 10 معاملات مستقلة (إنه متماثل)، و10 "جهود جاذبية"، ويجعل من الممكن التعميم على الفضاء المنحني مضروبًا في فكرة المسافة بين الزمكان التي قدمها مينكوفسكي. كل من معاملات هذا الموتر اعتمادًا على الموضع في الزمكان، والفكرة هي استبدال التعريف العام والمسطّح لـمينكوفسكي Minkowski بتعريف محلي ومنحني. أولاً، يجب إعادة كتابة معادلة مينكوفسكي مع إعطاء المسافة التي تفصل بين حدثين، مع إحداثيات (x1 ، t1) و (x2 ، t2) ، S² = c² (t2-t1) ² - (x2-x1) ² ، في حالة اقتراب هذين الحدثين ، مما يجعل من الممكن الوصول إلى التعريف المحلي ds² = c² dt² - dx² ، حيث يكون للأحداث إحداثيات (x1، t1) و (x1 + dx، t1 + dt) ، مربع المسافة الآن ds². هاتان المعادلتان متكافئتان تمامًا، لكن الثانية محلية، بينما كانت الأولى عالمية أو شاملة. ومع ذلك، كما قيل سابقًا، تستدعي الهندسة الريمانية بالضرورة المفاهيم المحلية، فمساحات ريمان ليست بالضرورة موحدة. وبالتالي، بدءًا من هذه المسافة المكانية والزمانية الثانية، المحلية ولكن المسطحة، فإننا نقدم بشكل طبيعي الانحناء المحلي من خلال الكتابة أنه يجب تحديد المسافة بشكل عام من خلال ds² = gtt dt² + gxx dx² + 2 gtx dx dt ، حيث المعامِلات g هي معاملات المقياس ، والتي سوف نتحقق من أنها بالفعل 10 إذا كتبنا جميع المصطلحات الممكنة التي تتضمن إحداثيين. في هذا التعبير المحلي، ينتج انحناء الزمكان من حقيقة أن هذه المعاملات (التي تساوي 1 أو -1 أو 0 في حالة الزمكان لمينكوفسكي) ليست ثابتة، ولكنها تعتمد على الإحداثيات ( s ، d) من النقطة المدروسة. ومع ذلك، نلاحظ أن عدم ثبات المقياس هو شرط ضروري غير كافٍ لوجود انحناء (راجع حالة المستوى الإقليدي الموصوف في الإحداثيات القطبية).

أما بالنسبة لمبدأ النسبية المعمم، فهو ينص ببساطة على أن التغييرات في أنظمة الإحداثيات التي تربط الأطر المرجعية التي تتخذ فيها قوانين الفيزياء نفس الشكل ليست فقط تلك المرتبطة بتحولات لورينتز والتي تترك المسافة S² دون تغيير.، ولكن بشكل عام، جميع التغييرات المحلية التي تعتبر ds² كمية ثابتة. نبيّن أن هذا الثبات يشير إلى مخاريط الضوء، حتى لو لم تعد الأخيرة متوازية بسبب انحناء الزمكان (انظر الشكل التالي). يوضح هذا الثبات لمخاريط الضوء مرة أخرى أهمية هذه الأشياء الهندسية ويؤكد حقيقة أنه حتى في النسبية العامة، فإن سرعة الضوء ثابتة ولها نفس القيمة لجميع المراقبين، على الرغم مما نعنيه بهذا القول احيانا. علاوة على ذلك، فإن حقيقة أنه يجب علينا تحديد ds² محليًا تظل متوافقة أيضًا مع وجود وقت مناسب محدد على طول خطوط الأكوان من نوع الوقت (= الجيوديسية التي ds²> 0) بواسطة العلاقة "dτ = ds / c" ، ويجعل المرء للجيوديسيا نفس تصنيف خطوط الأكوان، ويفصل بينها في "نوع الزمن" و "نوع الفضاء" و "نوع الضوء" (هذه الأخيرة هي بعض وتسمى أيضًا "الجيوديسيا الفارغة").

توضيح الزمكان للنسبية العامة (للمقارنة (على سبيل المثال لأرقام مماثلة في الزمكان لمينكوفسكي) حيث تظهر خطوط الكون لمراقبين وبعض مخاريط الضوء التي "يعترضونها". تدل مسلمة النسبية المعممة على أن هذه الأقماع هي نفسها لجميع المراقبين، حتى لو كان انحناء الزمكان يعني أنها ليست بالضرورة "موازية".

ولتطبيق مبدأ الثبات المحلي هذا وبناء نظرية كاملة، من الضروري تقديم شكليات رياضياتية كاملة والتي قد تبدو مجردة تمامًا لأولئك الذين لا يتقنونها، وهذا هو السبب في أن فهم ما سبق لم يكن كافياً لأينشتاين وغروسمان للعمل على النظرية بأكملها. مع ذلك، من المهم التأكيد هنا على أن ما ورد أعلاه يصف (تقريبًا) كل ما نحتاج إلى معرفته لتوسيع مبدأ النسبية الذي صاغه أينشتاين في نظريته النسبية الخاصة ليشمل جميع المراقبين، حتى مع التسارع. إن الثبات المحلي والعامة (ليس فقط فيما يتعلق بالتحولات الخطية للإحداثيات) لـ ds² (مع شكليات الهندسة الريمانية المرتبطة) كافٍ لتطبيق مبدأ النسبية المعمم في حالة الزمكان حيث الجاذبية لن تكون موجودة، على سبيل المثال الزمكان المينكوفسكي. ومع ذلك، لم يكن هذا هو الأهم أو الأكثر إشكالية بالنسبة لأينشتاين وغروسمان، فالنسبية العامة تذهب إلى أبعد من ذلك لأنها غير راضية عن كونها تعميمًا لمبدأ النسبية لجميع المراقبين الأحرار: إنها أيضًا نظرية الجاذبية النسبية. ما استغرقه أينشتاين وغروسمان أطول وقت هو الحصول على ما يعادل معادلة نيوتن التي تصف مجال الجاذبية الناتج عن توزيع كتلة معين، أي المعادلة الرمزية التي سبق ذكرها. كان لديهم معيار اختيار قوي جدًا: تم تطبيقه على حالة حقول الجاذبية الضعيفة، وكان على نظرية الجاذبية الجديدة أن تعطي نظرية نيوتن مرة أخرى.

ومع ذلك، مع إدخال المقياس الزماني المكاني المحلي كتعميم نسبي لإمكانات الجاذبية، قد يعتقد المرء أن شروط المعادلة الرمزية قد تم تعريفها بالكامل تقريبًا، حيث تقرر أيضًا أن "كثافة الكتلة النسبية- سوف يكون موتر طاقة النبض المذكور سابقًا. في الواقع، ظل "التباين النسبي" فقط في مجال الجاذبية مجهولًا، لكن تحديد هذا المشغل الرياضياتي استغرق عدة سنوات لأينشتاين (تخلى غروسمان عن التعاون في منتصف الطريق)، الذي لم يحصل على نسخته النهائية من "معادلات أينشتاين" حتى نهاية عام 1915. بعد فترة وجيزة، اقترح عالم الرياضيات الألماني ديفيد هيلبرت، الذي ناقش معه أينشتاين بإسهاب أفكاره ومشكلاته الرياضياتية، علاوة على ذلك، اشتقاقًا آخر لهذه المعادلات يستند إلى مبدأ متغير وما يعرف الآن باسم "أينشتاين-هيلبرت لاغرانج". وحتى إذا جاء التحقق الحقيقي للنظرية من خلال التجربة سريعًا، فقد اقتنع أينشتاين، منذ إرسال مقالته (25 نوفمبر 1915)، بـ "صحة" معادلاته من خلال الحساب الذي كان لديه. حقيقة تتعلق بما يعتبر أحد الاختبارات الأساسية الثلاثة للنسبية العامة مسار مدار عطارد وحضيضه.

معادلات أينشتاين للنسبية العامة مع الثابت الكوني (لامدا على اليمين). على اليسار، موتر أينشتاين G الذي يصف هندسة الزمكان، على اليمين يظهر موتر زخم الطاقة T الذي يصف محتوى المادة. في عبارة ويلر "الزمكان يخبر المادة كيف يجب أن تتحرك والمادة تخبر الزمكان كيف يجب أن ينحني".

د- الاختبارات الأساسية الثلاثة:

قرابة منتصف القرن التاسع عشر، قام عالم الفلك الفرنسي أوربان جوزيف لو فيرييه بقياس إزاحة الحضيض (نقطة في مدار كوكب يقع على مسافة لا تقل عن الشمس) من عطارد بمرور الزمن. كما تنبأت نظرية نيوتن، كان هناك تقدم في الحضيض الشمسي بسبب "اضطرابات الجاذبية" الناجمة عن التجاذب الذي تمارسه أجسام أخرى في النظام الشمسي على كوكب عطارد. ومع ذلك، في حين أن نظرية نيوتن المرتبطة بالكواكب المعروفة تنبأت بحدوث تحول قدره 529 ثانية قوسية في القرن، أعطت الملاحظة قيمة قدرها 572. كانت الملاحظات موثوقة، لذلك في السنوات التي تلت التفسيرات الفيزيائية الفلكية المختلفة، تم النظر فيها من أجل 43 ثانية من القوس الفائض، تتراوح هذه الافتراضات من وجود فولكان بركان (جسم أقرب إلى الشمس من عطارد والذي ادعى البعض أنه يلاحظ، أحيانًا في عدة أماكن في نفس الوقت)، إلى أن تسطيح الشمس (انظر على سبيل المثال كتاب آيزنشتاد). ومع ذلك، لم يتم التحقق من أي من الأفكار التي تم النظر فيها بوسائل أخرى. إن الملاحظة و / أو جعلت من الممكن تفسير هذه الفجوة "الكبيرة" بين النظرية والملاحظة، وظل اللغز دون حل في عام 1915.

بسرعة كبيرة، وحتى قبل الحصول على النسخة النهائية من نظريته الجديدة في الجاذبية، كان لدى أينشتاين فكرة أنه بمجرد حصوله على نظرية قادرة على رد الجميل لنيوتن، كان اختبار عباد آخر هو حساب l الحضيض المتقدم للزئبق. في الواقع، هذا الأخير هو الكوكب الأقرب إلى الشمس، فهو يقع في المنطقة التي يكون فيها مجال الجاذبية أقوى، وبالتالي من المرجح أن يشهد على تعديلات قانون الجاذبية مقارنة بقانون نيوتن. والآن، حتى لو، خلال السنوات الطويلة التي سعى فيها مع غروسمان للحصول على نظريته الجديدة، اختبر أينشتاين جميع المرشحين دون جدوى، وفي نوفمبر 1915 أجرى حسابًا ذهب إلى حد جعله يعاني من خفقان القلب (وفقًا لنظريته الخاصة)): تنبأت نظريته بالنتيجة الصحيحة تمامًا.

رسم توضيحي لظاهرة الحضيض التقدمي لكوكب معزول يدور حول نجم. هذه الظاهرة ناتجة عن تصحيح تم إجراؤه على الجاذبية النيوتونية بواسطة نظرية أينشتاين. إن التأثيرات مبالغ فيها للغاية من أجل جعل التحول مرئيًا مع عدد قليل من الثورات.

من المثير للاهتمام أيضًا أن نذكر أن هذه الظاهرة موجودة أيضًا بالنسبة للأجسام الأخرى في النظام الشمسي، ولكن تأثيرها أضعف بكثير من تأثير عطارد بسبب المسافة الأكبر من الشمس. على سبيل المثال، بالنسبة إلى كوكب الزهرة، ثاني أقرب كوكب، فإن الفرق بين النظرية النيوتونية والنسبية هو 8.6 ثانية قوسية فقط لكل قرن، وهي قيمة تنخفض إلى 1.35 بالنسبة للمريخ. ولكن على الرغم من ضعف القيمة الأخيرة، منذ أن "هبطت" مجسات الفايكنج على سطح المريخ في عام 1976، فإن رصدها باستخدام موجات الراديو، لعدة سنوات، سمح للمريخ بأن يصبح الجسم الذي يتقدم تم قياس الحضيض بأقصى دقة، في توافق تام مع تنبؤات النسبية العامة.

من ناحية أخرى، في مقال عام 1915 حيث تم تقديم النسخة النهائية من نظريته، صحح أينشتاين النتيجة التي أعلن عنها في عام 1911 فيما يتعلق بالاختبار الأساسي الثاني للنسبية العامة: انحراف مسار ضوء قريب من الشمس. لقد أجرى بالفعل أول عملية حسابية بنسخة خاطئة من نظريته وكانت النتيجة التي تم التنبؤ بها بعد ذلك خاطئة بمعامل قدره 2. ومع ذلك، على عكس تقدم حضيض عطارد الذي كان معروفًا قبل نظرية أينشتاين بفترة طويلة، كان هذا التأثير الثاني تنبؤًا بالنسبية العامة، وكان من الممكن أن يتم التحقق منها قبل عام 1919 دون "مشاكل" مختلفة مثل الحرب العالمية الأولى (لمزيد من التفاصيل، انظر كتاب آيزنشتاين). على أي حال ، في عام 1919 ، بالاستفادة من الكسوف الكلي للشمس (مما جعل من الممكن مراقبة النجوم التي يمكن رؤيتها بالقرب من القرص الشمسي دون أن تغرق في وضوح الأخير) ، رحلتان استكشافيتان أكدتا الفرق البريطانية بقيادة آرثر إدينجتون توقع أينشتاين ، والقيم المقاسة ، بالقرب من الدائرة الشمسية ، لزاوية الانحراف من قبل فريقين مستقلين (1.98 +/- 0.12 و 1.61 +/- 0 ، 3 ثوان قوسية) تتفق جيدًا مع القيمة المتوقعة البالغة 1.75 ثانية قوسية ، على عكس القيمة الأقل بكثير التي يمكن توقعها في إطار نيوتن (تم قياس الانحراف الأصغر أيضًا لـ المزيد من النجوم البعيدة ، مرة أخرى وفقًا للتنبؤات). علاوة على ذلك، تم اختبار هذه النتيجة مرة أخرى بعد ذلك بوقت قصير لصالح كسوف كلي آخر للشمس في عام 1922. ولكن منذ عام 1919، بين عشية وضحاها، اكتسب أينشتاين شهرة دولية بين عامة الناس، الغالبية العظمى من المجلات التي استغلت الفرصة ، بعد فترة وجيزة من نهاية الحرب ، لإظهار كيف أثبت عالم بريطاني أن ألمانيًا ، يتحدى كل ما يبدو أنه حدس طبيعي جدًا حول المكان والزمان ، كان محقًا في مواجهة نيوتن العظيم.

رسم توضيحي لظاهرة انحراف الضوء عندما يمر بالقرب من جسم ضخم ينطوي، وفقًا لتفسير أينشتاين، على تشوه أكبر في الزمكان. (أ): تمثيل تخطيطي للانحناء؛ (ب) المواضع التي لوحظت خلال الكسوف؛ (ج) المواقف الحقيقية التي يمكن التحقق منها بسهولة في الليل. الآثار مبالغ فيها لجعل الفرق ومبدأ التجربة أكثر وضوحا.

يتعلق "الاختبار الكلاسيكي" الثالث للنسبية العامة بـ "تأثير أينشتاين"، وهو التغير في التردد الذي يمر به الضوء أثناء مروره من مكان يكون فيه مجال الجاذبية له قيمة معينة إلى مكان آخر حيث القيمة مختلفة. في الواقع، هذا الاختبار، الذي يعادل مقياس تأثير مجال الجاذبية إذا كان الوقت أطول في إدراكه من السابق، حتى لو مرت به النسبية العامة اليوم بنجاح كبير في ظل ظروف عديدة. وهكذا، تم إجراء التحقق الأول في عام 1960 من قبل الأمريكيين روبرت في باوند وغلين إيه ريبكا في مجال الجاذبية الأرضية مع اختلاف في مجال الجاذبية يأتي فقط من اختلاف ارتفاع يبلغ 22 مترًا بين مصدر الضوء والمتلقي. على الرغم من الاختلاف النسبي الضئيل جدًا في الطول الموجي الذي كانوا يأملون في قياسه في ظل هذه الظروف (جزء واحد لكل مليون مليار، أو 10-15)، فقد نجحوا بفضل استخدام واحدة من أشهر "الساعات الطبيعية" الأكثر دقة في العالم: إزالة الإثارة الذرية التي تؤدي إلى إنتاج فوتون من طاقة محددة بدقة، من خلال التأثير الذي اكتشفه رودولف موسباور في عام 1957. كما ستوضح بعض التفاصيل التاريخية في الفقرات التالية حول الاختبارات الأكثر حداثة في النسبية العامة، تزامنت تجربة باوند وريبكا مع الوقت الذي بدأت فيه النسبية العامة، بفضل تطور الفيزياء الفلكية عالية الطاقة، في أن تصبح موضوعًا جديرًا باهتمام علماء الفيزياء النظرية، الذين سبق أن فضلوا فيزياء الكموم والديناميكا الكهربائية الكمومية.

كثيرًا ما كرر أينشتاين أنه عندما كان صغيرًا جدًا، حاول أن يتخيل كيف سيبدو الكون لعالم "راكبًا" على موجة ضوئية وأن هذا ساعده على تصور نظريته النسبية.

2 على عكس ما نسمعه أحيانًا يقول الناس، يمكن لنظرية الجاذبية لنيوتن أن تستوعب بشكل جيد فعل الجاذبية على الضوء، وذلك بفضل الرؤية الجسدية لهذه التي كان نيوتن يمتلكها. ومع ذلك، في سياق النسبية العامة، ليس للجاذبية نفس التأثير بالضبط على الضوء وعلى الأجسام الضخمة، بسبب الكتلة الصفرية للفوتونات. بالإضافة إلى ذلك، يجب ألا يكون الضوء الموجي قادرًا على "انحرافه" بواسطة مجال الجاذبية النيوتونية، بينما يمكن أن يكون كذلك في حالة النسبية العامة.

3 يعرّف إقليدس سابقًا خطين متوازيين على أنهما "خطان، مضمنان في نفس المستوى وممتدان إلى أجل غير مسمى، ليس لهما نقطة تقاطع".

4 هذه النقطة تستحق مناقشة أطول مما هو ممكن ومرغوب فيه هنا. انظر، على سبيل المثال، Science and the Hypothesis، Poincaré (1902).

سيتم تعريف تعبير "الجيوديسية الشبيهة بالزمن" لاحقًا، ولكنه مجرد تعميم لـ "خط الكون الشبيه بالزمن" الذي واجهته سابقًا في الزمكان عند مينكوفسكي. علاوة على ذلك، من المثير للاهتمام أن نلاحظ أنه بعد سنوات قليلة من الصياغة النهائية لنظريته، أوضح أينشتاين، جنبًا إلى جنب مع ليوبولد إنفيلد وبانيش هوفمان، أن فرضية الحركة الجيوديسية لم تكن ضرورية: الحركة الجيوديسية لـ الجسيم النقطي هو نتيجة مباشرة للمعادلات التي تعطي مجال الجاذبية وفقًا للمصدر الذي يخلقه.

6 بشكل أكثر دقة، كان الأمر يتعلق بتحديد نتيجة هذا العامل المطبق على موتر متري g، وهو "موتر أينشتاين" ويتضمن كمكون أساسي موتر انحناء ريمان-كريستوفل.

7 على الرغم من أنه يُسمع أحيانًا أن هيلبرت قد اكتشف هذه المعادلات قبل أينشتاين (التي لم يدعها هيلبرت مطلقًا)، إلا أن هذا خطأ يتعلق بحقيقة أن التاريخ الذي أرسل فيه هيلبرت النسخة الأولى من مقالته تسبق تلك التي أرسلها أينشتاين. ومع ذلك، فإن النسخة الأولى من مقالة هيلبرت لا تحتوي على المعادلات، والنسخة النهائية تعطيهم ملاحظة مفادها أنهم في اتفاق جيد مع تلك التي اكتشفها أينشتاين مؤخرًا.

8 من المهم أن نلاحظ أنه منذ ذلك الحين تم التحقق من انحراف الضوء عن طريق مجال الجاذبية في بيئات تجريبية أخرى بدقة أفضل بكثير.

د. جواد بشارة

هل هي حدث فريد أم متكرر إلى مالانهاية؟ ماذا قبل وماذا بعد البغ بانغ؟

صراع النسبية العامة وميكانيكا الكموم الكوانتوم وما بعدهما، هل سنصل يوماً لنظرية كل شيء، وهل نعيش في كون متعدد؟ (النماذج المختلفة لأكوان متعددة) وهل نعيش في محاكاة حاسوبية، كون "ماتريكس"؟

 من أين أتينا نحن البشر؟ تكمن الإجابة على هذا السؤال الذي طرحه الجميع على أنفسهم ولو مرة واحدة على الأقل في حياتهم، في نظرية الانفجار العظيم الشهيرة. والذي يتطلب إلقاء الضوء على هذا النموذج الكوني وما نعتقد أننا نعرفه عن نشأة الكون.

توسع الكون، من اليسار إلى اليمين للصورة على خلفية سوداء: قرص عمودي من اللون الأبيض، يبدأ منه مخروط أرجواني ثم وردي ثم أصفر، مفتوح إلى اليمين وينتهي على يمين صورة لعدة مجرات.

انطباع الفنان عن توسع الكون. الصورة من: ناسا

نادر هو الشخص الذي لم يتساءل مرة واحدة على الأقل في حياته عن أصل العالم. لماذا الأرض، لماذا المجرات، لماذا الكون؟ علاوة على ذلك، هل الكون فريد من نوعه؟ الأسئلة التي تلفت الأنظار، والتي قادت علماء الفيزياء الفلكية (على الأرض، من يعرف ما يجري في مكان آخر ...) إلى حسابات محمومة للعودة إلى أبعد من ذلك في الماضي، إلى اللحظات الأولى من كوننا.

النتيجة: نظرية مقبولة عالميًا من قبل المجتمع العلمي بأكمله، والتي تعطي معنى لتكوين الكون كما نراه من النظام الشمسي. ينص نموذج Big Bang الكوني على أن الكون كان أكثر كثافة ودفئًا في الماضي وأنه يتمدد. ظهرت هذه النظرية لأول مرة في مكتب الفيزيائي وعالم الرياضيات الروسي ألكسندر فريدمان، في عام 1922. في الواقع، اكتشف أن معادلات النسبية العامة لأينشتاين تسمح بوصف الكون ... في التطور! قدم فريدمان لأول مرة فكرة التوسع، بينما أيد أينشتاين بشدة فرضية الكون الثابت.

تمثيل الكون على شكل ثلاثة بالونات كبيرة بشكل متزايد، مع المجرات الموجودة على سطحها تتحرك بعيدًا عن بعضها البعض ولكن دون تعديل.

تشبيه تمدد الكون مع تضخم بالون. الائتمان: أفلام نحيفة

تم وضع النموذج الكوني للانفجار العظيم بشكل مستقل في عام 1927 من قبل عالم الفيزياء الفلكية والكاهن البلجيكي جورج لوميتر ، في مقال بالفرنسية في Annales de la Société Scientifique de Bruxelles. حتى أن الباحث وضع تقديرًا أوليًا لثابت هابل (انظر أدناه).

في عام 1924، أظهر عالم الفلك الأمريكي إدوين هابل بدقة وجود مجرات أخرى خارج مجرتنا درب التبانة بفضل الملاحظات التي تم إجراؤها باستخدام تلسكوب هوكر (لوس أنجلوس)، الأقوى في ذلك الوقت. تحدد أولاً المجرة الصغيرة NGC6822 الموجودة في كوكبة القوس، ثم مجرات المثلث (M33) وأندروميدا (M31). أثبت هابل بعد ذلك في عام 1929 أن المجرات تبتعد عن بعضها البعض بسرعة تتناسب مع المسافة (إلى النظام الشمسي). بعبارة أخرى، كلما كانت المجرة بعيدة عنا، زادت سرعة ابتعادها. هذا المبدأ المسمى "قانون هابل" يدعم منطقياً نظرية الكون المتوسع. تم تقديم "قانون هابل" سابقًا من قبل جورج لوميتر ، وتم تغيير اسمه إلى "قانون هابل-لوميتر" في عام 2018 من قبل الاتحاد الفلكي الدولي.

رسم متحرك يظهر بريوش صغير ذو أساس بيضاوي بني فاتح مع عنب بني غامق. بعد الطهي نرى أن الشكل البيضاوي قد نما وأن الأسباب ابتعدت عن بعضها البعض مثل المجرات في الواقع.

تشبيه توسع الكون بخبز بريوش الزبيب. الصورة من: ناسا / د. إدوارد / ج. وولاك / ب. غريسوولد

يتضح توسع الكون جيدًا من خلال خبز البريوش بالزبيب. تتضخم الكعكة - الكون - أثناء خبزها، مما يتسبب في ابتعاد العنب - المجرات - عن بعضها البعض، دون تغيير العنب نفسه.

أول ضوء في كل العصور:

علاوة على ذلك، تتنبأ نظرية الانفجار العظيم بانبعاث الإشعاع الحراري في بداية تاريخ الكون. لذلك تم التحقق من صحة النموذج من قبل المجتمع العلمي عند اكتشاف الخلفية ألأحفورية الكونية الميكروية (CMB)المنتشرة في عام 1964. وهو اكتشاف حصل بالصدفة بواسطة عالمين فلكين أمريكيين، أرنو بينزياس وروبرت ويلسون، اللذين كانا يعملان على هوائي للشركة التي يعملان فيها..

أدناه خريطة الخلفية الكونية المنتشرة: نرى شكلًا بيضاويًا مسطحًا، مع خصائص CMB في شكل بقع برتقالية وزرقاء. الخريطة الأكثر تفصيلاً التي تم الحصول عليها على الإطلاق للخلفية الكونية المنتشرة بواسطة تلسكوب بلانك الفضائي. الائتمان: تعاون Esa / Planck

يُعتقد أن إشعاع CMB هو إشعاع أحفوري كما يُعتقد أنه انبعث بعد حوالي 380 ألف سنة من الانفجار العظيم، عندما كان الكون أصغر وأكثر كثافة وأكثر سخونة ودفئًا. منذ ذلك الحين، توسع الكون و "خفف" - ومن هنا جاءت المسافة بين المجرات - وبرد.

توسع الكون منذ أيام CMB. الائتمان: ناسا

تتوافق الخلفية الكونية المنتشرة مع اللحظة الأولى عندما يصبح الكون رقيقًا بدرجة كافية بحيث يتمكن الضوء من الانتشار هناك. وبعبارة أكثر دقة كانت الفوتونات، الجسيمات المكونة للضوء "المحاصرة" سابقًا في البلازما البدئية، هي التي تمكنت من الهروب. لأول مرة، تم اكتشاف أن الضوء "حر" مما يسمح لنا اليوم "برؤية" الكون كما كان في ذلك الوقت، حيث انتقل هذا الضوء البدائي إلى التلسكوبات الخاصة بنا.

صورة فنية لتوسع الكون المرئي

وبالتالي، فإن  ألــ  CMB   هي أقدم صورة كهرومغناطيسية ممكنة للكون. منذ اكتشافه، لم يتوقف العلماء عن دراسة هذا "الجزء المفقود من تكوين العوالم" كما حدده جورج لوميتر، لأنه يحتوي على معلومات لا حصر لها حول بنية وتطور وعمر للكون حيث يقدر عمر الكون اليوم  بــ 13.8 مليار سنة.

ولادة الكون:

يمثل انبعاث الخلفية الكونية المنتشرة بدايات الكون المرئي كما نعرفه، حيث بدأت جسيمات المادة تتجمع بعد إطلاق الفوتونات لتشكل النجوم الأولى، ثم الكواكب. ثم المجرات، والتي بدورها تتجمع في مجموعات وعناقيد عملاقة. قبل ذلك، خلال الدقائق القليلة الأولى من تاريخ الكون البدائي - ما بين 10 ثوانٍ و 20 دقيقة على وجه الدقة - توضح نظرية الانفجار العظيم أن اللبنات الأساسية الأولى للمادة التي نعرفها كانت ستظهر. يصف ما يسمى بمرحلة التخليق النووي تكوين البروتونات والنيوترونات وتجميعها في نوى ذرية، ثم تكوين الذرات مع الإلكترونات التي ولدت أيضًا خلال هذه المرحلة.

تمثيل تخطيطي للذرة: نواة ذات دوائر زرقاء وحمراء ملتصقة تمثل النيوترونات والبروتونات، وحول الدوائر الصفراء التي تجذب الإلكترونات.

تمثيل تخطيطي للذرة. الائتمان:

sciencesphysiques.e-monsite.com

بالعودة إلى الوراء قليلاً في الوقت المناسب، في حوالي الثانية الأولى من الكون، تكون درجة الحرارة مرتفعة جدًا لدرجة أن طاقة العناصر الموجودة تتجاوز تلك التي تم الحصول عليها في أقوى مسرعات الجسيمات لدينا. بدون إجراء التجارب الممكنة لدعمها، من الصعب جدًا دراسة هذه الفترة ووصفها وفهمها، وهي اليوم مسألة نظرية بحتة.

تمكن علماء الفيزياء الفلكية من تقديم وصف للكون كما كان حتى 10-43 ثانية بعد الانفجار العظيم. لكن قبل ذلك، لم يكن هذا معروفاً. يتم التحقيق في العديد من النظريات لمحاولة فهم ما حدث خلال تلك الثواني العشر إلى 43 ثانية، مثل نظرية الأوتار، نظرية الجاذبية أو الثقالة الكمومية الحلقية، أو الإقترانات السببية.

لا يمكننا تصور أو تخيل الانفجار العظيم فهو ليس انفجاراً مدوياً بالمفهوم التقليدي كما يعتقد الكثير من الناس. ويعتقد أن هناك مالانهاية من الانفجارات العظيمة حدثت ومازالت تحدث مولدة أكواناً أخرى.

أدناه  انطباع الفنان عن الانفجار العظيم حيث نرى في المركز نقطة بيضاء مضيئة تنبثق منها أشعة من الأزرق والأرجواني والبرتقالي والأحمر في كل الاتجاهات.

انطباع الفنان عن الانفجار العظيم. الائتمان: Geralt / Pixabay

الانفجار العظيم ليس لحظة أولية للكون ولكنه يشير إلى المرحلة التي كان فيها كثيفًا وساخنًا. لم يحدث "في مكان ما"، ولا هو "انفجار" كما يسهل تخيله. كان من الممكن أن يحدث الانفجار العظيم في الواقع بشكل متجانس للغاية وعالمي في جميع مناطق الكون المرئي التي يمكننا مراقبتها.

أخيرًا، نظرًا لأننا لا نستطيع "رؤية" الماضي لما يزيد عن 380.000 سنة بعد الانفجار العظيم بسبب كثافة الكون وبالتالي غموضه قبل ذلك التاريخ، فإن مسألة "أصل العالم "لا يزالغامضاَ تماماً ولغزياً. لدرجة أنه بالنسبة للسير روجر بنروز، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2020، لن يكون هناك انفجار واحد، بل عدة انفجارات كبيرة! إذن الكون المرئي الحالي سيكون نتيجة دورة، لسلسلة من الانفجارات الكبيرة ... هل سنعرف من أين أتينا؟ من الناحية الواقعية، فإن الإجابة هي على الأرجح لا. على أي حال، ليس في حياتنا. في غضون ذلك، فإن النظريات حول أصل العالم تقتصر فقط على الخيال البشري، وبالتأكيد لم تنته بعد من التكاثر. يتعين علينا أن نمضي إلى ماهو أبعد من نظرية النسبية العامة والانفجار العظيم،

فشلت نظرية النسبية العامة لأينشتاين في إعطائنا وصفًا عميقًا للكون المبكر دون الأخذ في الاعتبار ميكانيكا الكموم. يتطلب فهم الانفجار العظيم حقًا تجاوز النسبية العامة بنظرية الجاذبية أو الثقالة الكمومية ، كما أوضح لنا عالم الفيزياء الفرنسي أورليان بارو.

هل نظريات الأكوان المتعددة علمية؟ ما هو مفهوم الكون المتعدد، بعد أن غذى الخيال العلمي والسينما، وها هو اليوم يتسلل إلى عالم الفيزياء النظرية. ماذا لو كانت هناك أكوان أخرى إلى جانب كوننا المرئي، مختلفة أم متطابقة؟ وإذا كان الأمر كذلك، فكيف نثبت ذلك علميًا؟  ينبغي الرجوع دوماً لنظرية النسبية العامة لآينشتاين ومراجعة الدروس والأبحاث والكتب و المحاضرات حول نظرية ألبرت أينشتاين للنسبية العامة (1915) ، وهي ثورة فكرية حقيقية في فهم المكان والزمان، والتي تناقش حولها الفيزيائيون والفلاسفة والمؤرخون وتجادلوا حول أسس هذه النظرية ، ورؤية الكون التي تقدمها ، والتي لم يتم التفكير فيها ، وسوف يلقي الضوء على سبيل التفكير في التقدم لفهم أفضل لمسألة منأين أتينا، خاصة بعد الإعلان الرسمي عام 2016 عن أول اكتشاف على الأرض لموجات الجاذبية ، وهو أحد أكثر التنبؤات إثارة لنظرية أينشتاين النسبية للجاذبية ، والتي منها احتفلنا بالذكرى المئوية في عام 2015. من المعروف أن نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين (1915) غير متوافقة مع فيزياء الكموم (التي تصف سلوك الذرات والجسيمات)، وهي الأساس العظيم الآخر للفيزياء المعاصرة. هل ينبغي إذن أن نذهب أبعد من ذلك، ونجد النظرية "التي توحد كل شيء"؟ من موجات الجاذبية إلى الجاذبية الكمومية والمحاولات الحديثة لتجاوز نظرية النسبية العامة لأينشتاين، وبشكل أكثر دقة على تلك التي تقترح إعطاء نسخة كمومية من نظرية أينشتاين، الأأكثر من هذا إن المقاربة جاءت إما في شكل نظرية الجاذبية الكمومية الحلقية أو نظرية الأوتار الفائقة. من المحتمل أن تجدد هاتان النظريتان الصورة الكلاسيكية التي لدينا عن نظرية الانفجار العظيم من خلال إتاحة إمكانية تجاوز وحتى التفكير في وجود كون متعدد. فهل تكشف موجات الجاذبية عن فيزياء تتجاوز النسبية العامة؟ وأين نحن اليوم من تطورات الجاذبية أو الثقالة الكمومية والأوتار الفائقة؟

الصعود الفوري في رحلة إلى الكون لفهم أصله بشكل أفضل. في مقالته، التي تم تصورها على أنها مسيرة علمية وفلسفية، حل أورليان بارو Aurélien Barrau الأسئلة الرئيسية للكون، من الانفجار العظيم إلى الثقوب السوداء، بما في ذلك الجسيمات الأولية.

أحدث العلم الحديث ثورة عميقة في نظرتنا للكون. من خلال السرد وخلط "الدهشة البدائية والنية" بالجدارة والأهلية "التي تجلت في كتاب الانفجار العظيم وما بعده: نزهة في علم الكونيات تنير فهمنا للكون.

هل كوننا فريد من نوعه؟ من ماذا هو مصنوع؟ هل نظرية الانفجار العظيم هي الوحيدة التي تشرح أصله؟ تم تناول الكثير من الألغاز بلغة بسيطة وسهلة الفهم، من قبل الفيزيائي العالم والباحث Aurélien Barrau. هذا العمل، الذي لا يتطلب أي مستوى علمي وفقًا للمؤلف لفهمه واستيعابه، مخصص في المقام الأول لجمهور فضولي. إذا سمح كل فصل بدخول الشعر والفلسفة، فسيجد القارئ تفسيرات مادية موثوقة ونقطة في التطورات الأخيرة.

يسترجع هذا المقتطف من الكتاب ولادة الكون، من ظهور النجوم الأولى إلى تكوين الكواكب.

1-هل يمكننا فهم الكون؟

2- الوجوه المتعددة للكون

3- أسس المراقبة للانفجار العظيم

4- الأسس النظرية للانفجار العظيم

5- الثقوب السوداء: مختبرات دراسة للكون

6- حمام من الجسيمات الأولية

7- ما بعد الانفجار العظيم: نظرية الأوتار والجاذبية الكمية

8- الكون المتعدد

النسبية العامة تتحقق في الزمكان. يقدم هذا الملف لمحة عامة عن نشأتها (من خلال المواجهة بين الجاذبية ومبدأ النسبية)، وآثارها (علم الكونيات، الثقوب السوداء) ونسلها المحتمل، وكيف كيف أصبح الزمكان ديناميكيًا، بعد دحرت النسبية صيغة الجاذبية النيوتنية. من خلال نظرية النسبية الخاصة، أظهر أينشتاين الحاجة إلى تجاوز مفاهيم الزمان والمكان المطلقين، لكن الجوهر الأساسي للنظرية أصبح متاحًا فقط عندما اكتشف مينكوفسكي وجود المفهوم الأساسي لـ الزمكان. هذا الإطار الهندسي الجديد جعل من الممكن بالفعل التعبير بطريقة مكثفة للغاية وطبيعية عن القوانين الفيزيائية التي تتحقق من مبدأ النسبية، مع تبسيط البحث عن قوانين جديدة تفعل ذلك. ومع ذلك، فإن تعميم مبدأ النسبية على جميع المراقبين وكذلك اكتشاف قانون تكافؤ الكتلة والطاقة استلزم التعديل النسبي لنظرية الجاذبية المضي قدمًا في هذه الثورة المفاهيمية من خلال التخلي عن فكرة الزمكان الذي هو مجرد إطار سلبي. إن وجود الهندسة في الفيزياء ليس ظاهرة حديثة، حيث ربط أفلاطون بالفعل متعدد السطوح المنتظمة بالعناصر الأربعة، ومع ذلك، كانت نظرية أينشتاين أحد الأسباب الرئيسية لعودتها.

أصبحت الهندسة الآن أداة حاسمة لأي فيزيائي نظري، ومعظم النظريات الحديثة هندسية. لكن هذه النظرة العامة الموجزة لأحدث الأوصاف للزمكان ستكون فقط خاتمة لهذا الطرح الذي سيركز قبل كل شيء على النسبية العامة واختباراتها وتطبيقاتها. أحد العناصر الأساسية في ولادة هذه النظرية هو المواجهة بين الجاذبية ومبدأ النسبية وفقًا لأينشتاين، أولاً من خلال التذكير بأساسيات الجاذبية النيوتونية والمشكلات التي نشأت عند البحث عن نظرية نسبية الجاذبية. ومن ثم الوصول إلى الحل الذي اقترحه أينشتاين لهذه المشكلة، ونظريته في النسبية العامة، بالإضافة إلى الإطار الهندسي الذي تستخدمه (الهندسة الريمانية) ، وينتهي بالاختبارات الكلاسيكية الثلاثة للنظرية. سيتم تفصيل المزيد من الاختبارات والتطبيقات الحديثة في الفقرات التالية، والتي سيتم تكريسها على التوالي لعلم الكونيات النسبي، وسراب الجاذبية، والديناميات المحلية للزمكان ، والنجوم النسبية (بما في ذلك الثقوب السوداء الشهيرة) وأخيراً لموجات الجاذبية التي تم رصدها مؤخراً.

أ - الجاذبية النيوتونية

لقد بدأ تاريخ الجاذبية بالفعل مع نيوتن، حيث تم اعتبار الجاذبية بأنها السبب المحتمل لحركة الكواكب في السابق بشكل مستقل. وهكذا، فإن ميكانيكا نيوتن ونظريته في الجاذبية العالمية قد حققت توحيد العالمين تحت القمري والسماوي، لكن بالطبع لم يكن لدى نيوتن، على الرغم من عبقريته، إعلان مفاجئ، وكما يقول هو نفسه، يرتكز عمله "على أكتاف العمالقة" الذين سبقوه. ومع ذلك، هناك أسطورة تقول إنه كان لديه فكرة الطبيعة العالمية للجاذبية عندما رأى تفاحة تسقط. كان هذا سيجعله يفهم أن القمر كان يمكن أن يسقط، بطريقته الخاصة، نحو الأرض، لكن ما يمنعه من السقوط هو دورانه في خط مستقيم وبسبب حركته الأولية وقصوره الذاتي. ووفقًا لتفسير نيوتن، ففي كل لحظة يستمر القمر في مساره في خط مستقيم (بعد قصوره الذاتي) فإنه يسقط باتجاه مركز الأرض (بسبب قوة الجاذبية التي يمارسها)، بيد أن مزيج من حركتان تؤديان إلى مسار دائري.

رسم توضيحي للتكوين الفوري لحركة القمر الصناعي (القمر على سبيل المثال) في مدار دائري حول الأرض. في أي وقت، يواصل القمر مساره في خط مستقيم بطول "x" (بسبب قصوره الذاتي) ويسقط في نفس الوقت من ارتفاع "h" في خط مستقيم باتجاه مركز الكوكب (بسبب الجاذبية)، والحركة الناتجة دائرية. المصدر R.Muduit.

ومع ذلك، لم يكن نيوتن راضيًا عن تفسير نوعي مثل هذا، وباستخدام عمل كبلر (القوانين الثلاثة)، من بين أمور أخرى، نجح حتى في إعطاء تعبير دقيق عن قوة الجاذبية. تذكر، مع ذلك، أن نيوتن طور آلياته (حيث يتم تعريف مفهوم القوة)، والجاذبية والشكلية الرياضياتية للتعامل معها. بالنسبة لجاذبيتها، يمكن وصفها على النحو التالي: نظرًا لأن نقطتين من الأجسام ذات "كتل خطيرة" M1 وM2 مفصولة بمسافة "r»، فإن القوة التي تمارسها الكتلة الأولى في الثانية هي

- جذابة، موجهة على طول الخط الذي ينضم إلى الجماعتين؛

- متناسب مع ناتج الكتلتين الجديتين؛

- يتناسب عكسياً مع مربع المسافة بين الكتلتين.

مما يؤدي إلى كتابة معادلة F = - G M1 M2 u / r²،

حيث G هو "ثابت نيوتن" (والذي يساوي 6.67 × 10−11 تقريبًا في وحدات النظام الدولي، أي kg-1 m3 s-2) وu "متجه الوحدة" (سهم بطول يساوي 1) موجهة من الكائن الأول إلى الثاني.

رسم توضيحي لقوة الجاذبية التي تمارسها الأرض على القمر وفقًا لنيوتن.

كما تم توضيحه بالفعل، سمح هذا القانون البسيط بفهم جميع الحركات السماوية، ومع ذلك لم يتم تطوير الميكانيكا السماوية بشكل كامل حتى القرنين الثامن عشر والتاسع عشر، بعد عمل السويسري ليونارد أويلر، وكذلك الفرنسيين. جوزيف لويس دي لاغرانج وبيير سيمون لابلاس. اكتشفوا وطبقوا تقنيات رياضياتية (كحساب ul المضطرب، وما إلى ذلك) مما يجعل من الممكن التعامل مع مشكلة الهيئات غير المحددة في المواعيد و / أو في عدد أكبر من اثنين، الحالات اللازمة للدراسة من أجل تجاوز الوصف الكبلري Keplerian. ومع ذلك، تم حجب نقطة مهمة للغاية في الوقت الحالي في قوة الجاذبية النيوتونية: معنى مصطلح "الكتلة الجادة". عندما أسس نيوتن آلياته، قدم كمية فيزيائية تسمى القصور الذاتي (أو الكتلة الخاملة)، والتي تعكس قدرة الجسم على البقاء في نفس حالة الحركة. بالنسبة لمادة معينة، فإن هذه "الكتلة الخاملة" تتناسب مع "كمية المادة" (مفهوم آخر قدمه نيوتن في كتابه "المبادئ")، والكثافة (الكتلة مقسومة على كمية المادة) هي ما يميز مادتين. لكن الكمية الفيزيائية "الكتلة الخاملة" يتم تعريفها حقًا فقط من خلال ظهورها في قانون نيوتن الثاني.

علاوة على ذلك، كما كان نيوتن يدرك ذلك، فإن "الكتلة الثقيلة" (أو القبر)، التي تتدخل في الجاذبية، هي كمية فيزيائية ليس لها، بداهة، أي علاقة بالأولى، لأنها تميز القوة لجذب أو الانجذاب إلى كتلة خطيرة أخرى 1. ومع ذلك، كما يبدو أن الأجسام المتساقطة تشير إلى ذلك، وكما تحقق نيوتن من بندولات ذات تراكيب مختلفة، فإن النسبة بين هاتين الكتلتين تساوي ثابت "K" الذي لا يعتمد على التكوين. في الواقع، إذا سألنا

g = - G M u / r² ،

فإن حقل الجاذبية الذي أنشأته الأرض (للكتلة الخطيرة M) في مكان معين يقع على مسافة "r" من مركزها، يعطي المبدأ الأساسي لديناميكيات نيوتن كائنًا في حالة سقوط حر

mI a = mG g ،

حيث قدمنا الكتل الخاملة والخطيرة للجسم النقطي.

والذي يصف جيدًا حقيقة أن التسارع (وبالتالي الحركة) هو نفسه لجميع الأجسام في حالة السقوط الحر إذا وفقط إذا كان K = mG / mI ثابتًا. علاوة على ذلك، من خلال تحديد ثابت نيوتن كما ينبغي، يمكن تعيين الثابت "K" مساويًا لـ 1. ولكن من الأهمية بمكان أن نفهم أن هذه المساواة، بداهة، ليس لها سبب للوجود. وبالتالي، من الضروري اختباره، والذي تم إجراؤه بدقة كبيرة في بداية القرن العشرين، بواسطة المجري لوراند إيتفوس بفضل "التواء البندول".

توضيح لمبدأ تجربة إيتفوس Eötvös. يجب أن يخضع جسمان لهما تركيبات مختلفة ولكن لهما نفس كتلة القصور الذاتي الموجودة عند النقطة P لنفس قوة الطرد المركزي (بسبب دوران الأرض)، مع اختلاف قوى الجاذبية، إذا لم تكن الكتل الخطيرة متساوية. يجب أن ينتج هذا عن وجود حقلي جاذبية فعالين مختلفين (g و g 'على الرسم)، مما يعني عدم تناسق النظام الذي تشكله الكتلتان وبالتالي تأثير قابل للقياس عند عكسهما. ومع ذلك، وفقًا لمبدأ التكافؤ بين الكتل الجادة والخاملة، لم يتم الكشف عن أي تأثير.

كانت الفكرة الأصلية لـ Eötvös هي استخدام نظام يتكون من كتلتين من تراكيب مختلفة ومقارنة تكوينين للتوازن الثابت حيث تم قلب هذه الكتل. بفضل إجرائه، حصل على اتزانين موصوفين بمعادلتين متشابهتين جدًا، والفرق الوحيد بينهما هو تبديل نسب "K" لكل جسم. إن التقدم الكبير الذي تم إحرازه فيما يتعلق بالتجارب السابقة (السقوط الحر على سبيل المثال) هو أننا نقيس الانحرافات الصغيرة المحتملة عن اثنين من غير الحركات (= حجم الصفر)، ولم نعد الانحرافات بين اثنين حركة (= مكون كبير)، مما يتيح دقة أفضل بكثير.

تحقق إيتفوس Eötvös من أن نسبة K كانت هي نفسها لجميع المواد مع دقة ترتيب جزء واحد لكل 100 مليون (1/108)، وقد تم تحسين تجربته إلى دقة جزء واحد لكل 1000 مليار (1/1012) للفيزيائي الأمريكي روبرت هنري ديك، الذي نجح في ستينيات القرن الماضي في تبريد النظام بما يكفي لتقليل "التقلبات الحرارية" (الحركات العشوائية للجزيئات المرتبطة بالحرارة). ومع ذلك، ظلت هذه المساواة، في نظرية نيوتن، نوعًا من المبدأ الغامض، ولم يكتسب طابع الوضوح إلا مع أينشتاين، وذلك بفضل تغيير وجهة نظر الأخير. المقترحة. ولكن حتى لو كانت هذه المساواة بين الكتل الجادة والخاملة ضرورية لظهور النسبية العامة، فقد نتجت قبل كل شيء عن عدم التوافق بين الجاذبية النيوتونية والمبدأ النسبي لأينشتاين.

ب- الجاذبية في مواجهة النسبية الخاصة:

من الواضح أن نظرية الجاذبية النيوتونية، التي ولدت في نفس الوقت مع ميكانيكا نيوتن، تحترم مبدأ النسبية الغاليلي. ومع ذلك، كما سبق أن أشرنا، فإن استخدام مفهوم القوة اللحظية التي تعمل عن بعد يجعلها غير متوافقة مع مبدأ النسبية الذي أعاد النظر فيه آينشتاين. هذا الأخير يعني في الواقع التخلي عن فكرة التزامن المطلق واستحالة نقل المعلومات بسرعة أكبر من سرعة الضوء "c»، في حين أن القوة اللحظية على مسافة تقابل بالضبط سرعة لانهائية لـ نقل المعلومات. من الناحية الفنية، تؤدي هذه المشكلات إلى استحالة كتابة نظرية نيوتن في شكل لا يعتمد على مراقب لورنتز المختار: نقول إن معادلات نيوتن لا يمكن وضعها في صيغة متغايرة فيما يتعلق بـتحولات لورنتز. لاحظ مع ذلك أن صياغة الجاذبية النيوتونية المستخدمة لهذا البحث عن الجاذبية المتغيرة ليست بالضبط تلك المعروضة أعلاه، ولكنها قدمت في عام 1777 من قبل لاغرانج ، الذي أظهر فائدة مفهوم الجاذبية المحتملة ، وهي فكرة تشبه إلى حد بعيد المجال الذي قدمه فاراداي وماكسويل لاحقًا في الكهرومغناطيسية.

من وجهة نظر حديثة، فإن إمكانات الجاذبية النيوتونية هي مجال قياسي، أي كائن رياضياتي محدد في كل الفضاء والذي يربط رقمًا بكل نقطة في الفضاء. إذا رسم المرء منحنيات تربط جميع النقاط المرتبطة بنفس قيمة الإمكانات، يحصل المرء على منحنيات متساوية الجهد (في الخطوط المنقطة في الشكل التالي). والمثال المماثل رياضياتياً هو منحنيات الأيزوبار المستخدمة في علم الأرصاد الجوية والتي هي ليست أكثر من المنحنيات التي يحافظ على طولها الضغط (مثال آخر للحقل القياسي) على قيمة ثابتة. تتمثل إحدى اهتمامات هذه الخطوط المتساوية في أنها تجعل من الممكن معرفة، عند نقطة معينة، قوة الجاذبية التي يمارسها الجسم المصدر للجهد على جسم موجود في هذه النقطة، حتى دون معرفة مكان المصدر. من المجال المدروس: هو وصف محلي بحت. للحصول على "السهم" (= المتجه) الذي يمثل هذه القوة، يكفي رسم عمودي على مساوي الجهد الذي يمر عبر النقطة، وتوجيهه نحو مساوي الجهد للقيمة الأقل (وبالتالي يجد المرء الاتجاه). تزداد شدة القوة (= طول السهم) من جانبها لأن توزيع الخطوط المتساوية كثيف عند النقطة المعتبرة (إذا كانت قيمة الحقل ثابتة في جميع أنحاء الفضاء، ولذلك لا توجد قوة، حيث لا توجد مساوية ذات قيمة أقل). في الشكل التالي، الذي يمثل مجال الجاذبية الذي تم إنشاؤه بواسطة الجسم المركزي، يتم تمثيل القوى بأسهم أطول (= القوة الشديدة) عندما تكون بالقرب من الجسم (= حيث نلاحظ المزيد من الخطوط على نفس السطح). إذا رغب المرء في الاستمرار في تشبيه الأرصاد الجوية الذي بدأ أعلاه، فيمكن للمرء أن يذكر القوة الناتجة عن عدم تجانس الضغط. لكي يكون هذا مفيدًا ومرتبطًا بالخرائط التي يتم تقديمها عادةً، على سبيل المثال الرياح، يجب أيضًا أخذ دوران الأرض وتأثيرات درجة الحرارة ومختلف المضاعفات الأخرى في الاعتبار. وبالتالي، سنكتفي بالإشارة إلى أن القوة التي يمارسها الضغط هي أيضًا أكبر نظرًا لأن تبايناتها سريعة، ولكن عمليًا لا ترتبط عمليات النزوح الجوي بهذا فقط.

توضيح لمفهوم جهد الجاذبية الذي قدمه لاغرانغ. في هذا الشكل، تظهر منحنيات متساوية الجهد، وهي عبارة عن كرات في حالة المصدر ذي التناظر الكروي، وكذلك بعض الأسهم التي تمثل قيمة قوة الجاذبية عند نقاط معينة. هذه القوى متعامدة مع متساوي الجهد، وكلها شعاعية وموجهة نحو مركز المصدر.

بالاعتماد على مفهوم إمكانات الجاذبية، أظهر بوانكاريه مرة أخرى المبادرة والأصالة، حيث ركز على البحث عن نظرية الجاذبية التي لا تتغير في ظل تحولات لورنتز حتى قبل عام 1905، بينما لم يفكر أينشتاين في السؤال حتى عام 1907. ومع ذلك، حتى لو كان لديه حدس مفاده أن سرعة انتشار الجاذبية ربما كانت تساوي سرعة الضوء "c" وأنه ربما كانت هناك "موجات" الجاذبية "2 ، كان بوانكاريه متحفظًا جدًا مرة أخرى في وجهات نظره ، ولم ينجح ، ولم يقرر التعامل مع الجاذبية بشكل مختلف عن الكهرومغناطيسية (كما فعل أينشتاين أخيرًا). لكن في دفاعه، تجدر الإشارة إلى أن الكثيرين هم أولئك الذين فشلوا أيضًا في مواجهة هذه المشكلة، ولم يتم حلها حقًا حتى عام 1915 بواسطة أينشتاين ونسبيته العامة.

لإيجاد نظرية نسبية للجاذبية، كانت المشكلة مع ذلك واضحة: لقد كانت مسألة "بكل بساطة" تتعلق بالمرور من معادلة نيوتن التخطيطية تغير مجال الجاذبية = كثافة الكتلة، إلى المعادلة النسبية حيث الاختلاف النسبي في مجال الجاذبية النسبية = كثافة الكتلة والطاقة النسبية وحيث كان "مجال الجاذبية النسبية" و "كثافة الطاقة النسبية " مع ذلك متغيرين يجب تحديدهما، بينما كان "التباين النسبي" أيضًا عاملًا رياضياتياً جديدًا يجب اكتشافه. ومع ذلك، لم يكن من الصعب تحديد "كثافة الكتلة والطاقة النسبية". في الواقع، تم تسليط الضوء بسرعة على كائن رياضياتي يعمم كثافة الكتلة بطريقة نسبية، موتر زخم الطاقة 3 Le tenseur de l'élan énergétique، في سياق النسبية الخاصة. يظهر هذا الموتر بشكل طبيعي، في إطار النسبية، بعد ظهور متجهين (رباعي) تم ذكرهما سابقًا: الذي يجمع طاقة الجسيم ودفعه (رباعي الطاقة النبضي)، وكذلك الذي يجمع معًا كثافة الشحنة الكهربائية وتدفقها (= متجه ثلاثي الأبعاد مرتبط بـ "تدفق" هذه الشحنة). بتعبير أدق، يُظهر وجود المربّع الأول أنه لم يعد بإمكان المرء فصل الطاقة والاندفاع (ويعني التكافؤ بين الكتلة والطاقة)، بينما يوضح الثاني أن أي كمية مادية موزعة بشكل مستمر (مثل الكثافة الحمل) مع المتجه ثلاثي الأبعاد الذي يصف نقله لتشكيل رباعي. وبالتالي، إذا أخذنا في الاعتبار الكمية المادية الموصوفة بواسطة رباعي زخم الطاقة، فإننا نفهم بشكل بديهي جيدًا أنه إذا كنا نرغب في الاهتمام بالتوزيع المستمر لهذه الكمية (تعميم مفهوم التوزيع المستمر للكتلة)، فإن وصفه الكامل يمر عبر "تدفق نسبي" لكل مكون من مكوناته، أي 4 × 4 = 16 رقمًا تشكل موتر زخم الطاقة 4.

من بين المحاولات المختلفة التي تم إجراؤها، من المثير للاهتمام أن نذكر نظرية الفيزيائي الفنلندي جونار نوردستروم، الذي ظل اسمه قبل كل شيء في تاريخ الفيزياء لاكتشافه، مع الألماني هانز ريسنر، لحل معادلات النسبية العامة التي تصف ثقبًا أسود بشحنة كهربائية غير صفرية. في محاولة مثل محاولة بوانكاريه Poincaré5 أبسط حالة ممكنة، اقترح نوردستروم في عام 1912 نظرية الجاذبية النسبية التي يكون فيها النظير النسبي لإمكانات الجاذبية النيوتونية مجالًا قياسيًا يتحقق من معادلة متغيرة في ظل تحولات لورنتز. بتعبير أدق، كانت الفكرة هي وجود معادلة "مشتقة جزئية" متغيرة تربط بين هذا الكمون الثقالي وكمية "قياسية" أخرى تكونت من موتر زخم الطاقة. لكن كانت محاولة نوردستروم لمواصلة وصف الجاذبية من خلال حقل عددي أحد أخطاء نوردستروم الإستراتيجية. في الواقع، فإن نجاح أينشتاين، بعد بضع سنوات، يعتمد من بين أشياء أخرى على وصف الجاذبية حيث يكون مجال الجاذبية هو نفسه موترًا، ومصدر هذا الجاذبية هو موتر زخم الطاقة. ومع ذلك، من الواضح أن أينشتاين لم يكن الوحيد الذي تعامل مع المشكلة بهذه الطريقة، وإذا نجح فذلك بفضل حدس لامع آخر كان لديه: إعادة قراءته لعالمية السقوط الحر.

1 بالمعنى الدقيق للكلمة، سيكون من المستحسن أيضًا التمييز بين "الكتلة الجادة النشطة" (التي تخلق القوة) من "الكتلة الجادة السلبية" (التي تخضع للقوة). لكن سيتم تجاهل هذا التعقيد هنا لأن التجارب تشير، بدقة كبيرة جدًا، إلى المساواة بين هاتين الجماعتين.

د. جواد بشارة

أو حكايات الكوانتوم الغرائبية 9

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

فيزياء الكموم تدهشنا دوماً، فحسب دراسة جديدة فإن "الواقع" لا يعتمد على الراصد و جاذبيتها غير واقعية في هذا، كما هو الحال مع العديد من الأشياء الأخرى، بدا أن بورخيس كان ينظر إلى ما وراء الأفق، وفي وقت لاحق، توسعت أدبيات السفر عبر الزمن لتشمل القصص البديلة، والأكوان المتوازية، والخطوط المتفرعة. من الجداول الزمنية. كانت هناك مغامرة أخرى تجري بالتوازي في مجال الفيزياء، وهي مغامرة فيزياء الكموم أو الكوانتوم. بعد الحفر بعمق في الذرة، حيث تكون الجسيمات صغيرة جدًا وتتصرف أحيانًا مثل الجسيمات وأحيانًا مثل الأمواج، اكتشف الفيزيائيون ما يبدو أنه صدفة لا مفر منها في قلب الأشياء. قاموا بدمج هذه الخاصية في مشروعهم لحساب الحالات المستقبلية من الشروط الأولية المحددة في الزمن، الزمن يساوس صفراً t = 0. الآن فقط كانوا يستخدمون دالة الموجة. لقد حلوا معادلة شرودنغر. لا تنتج حسابات دالة الموجة بواسطة معادلة شرودنغر نتائج محددة، ولكن توزيعات احتمالية. قد تتذكر قطة شرودنغر: حية أو ميتة، ليست حية ولا ميتة أو، إذا كنت تفضل ذلك (إنها مسألة ذوق) ، حية وميتة في نفس الوقت. إن مصيرها مجرد توزيع احتمالي.

عندما كان بورخيس في الأربعين من عمره يكتب روايته الغرائبية حديقة ذات دروب أو مسارات متفرقة Le jardin aux sentiers qui bifurquent ، كان صبي اسمه هيوغ إيفريت  Hugh Everett III نشأ في واشنطن العاصمة ، حيث قرأ بنهم الخيال العلمي ، الخيال العلمي المذهل ، ومجلات أخرى. بعد خمسة عشر عامًا، صار طالباً في برينستون، يدرس الفيزياء، ويعمل مع مشرف أطروحة جديد: وهو الاعالم جون أرشيبالد ويلر، الذي يجب أن يظهر باستمرار، مثل زيليج، في تاريخ السفر عبر الزمن. العام 1955. يشعر إيفريت بعدم الارتياح لفكرة أن مجرد أخذ القياس يجب أن يغير مصير النظام المادي. لقد أخذ علما بعرض تقديمي في برينستون قال فيه أينشتاين إنه "لا يستطيع تصديق أن الفأر يمكنه إحداث تغييرات جذرية في الكون بمجرد النظر إليه". كما أنه يسمع كل أنواع الكلام. عدم الرضا عن التفسيرات المختلفة لنظرية الكموم. يعتقد أن نيلز بور "حذر للغاية". إنه يعمل، لكنه لا يجيب على الأسئلة الصعبة. لا نعتقد أن الهدف الرئيسي للفيزياء النظرية هو بناء نظريات "آمنة". "

بتشجيع من ويلر، الذي هو دائمًا منفتح على الغريب والمفارقات، يتساءل إيفريت ويطرح أسئلته في أطروحة: ماذا لو كان كل إجراء قياس في الواقع يشكل فرعًا؟ إذا كانت الحالة الكمومية يمكن أن تكون A أو B، فلا يجب أن يكون هناك امتياز لأي احتمال: فهناك الآن نسختان من الكون، لكل منهما مراقبين خاصين بهما. العالم حقا حديقة ذات مسارات متفرعة. بدلاً من كون واحد، لدينا مجموعة من عدة أكوان. القطة على قيد الحياة حقًا، في هذا الكون. وفي مكان آخر، كون آخر القطة ميتة. كتب إيفريت: "من وجهة نظر النظرية، يتم" تحقيق "جميع عناصر التراكب (جميع" الفروع ")، ولا يوجد شيء" حقيقي "أكثر من العناصر الأخرى. تتكاثر اقتباسات الحماية بسهولة. بالنسبة لإيفريت، فإن كلمة "حقيقي" هي طبقة رقيقة من الجليد على بركة مظلمة: عندما نستخدم نظرية، فإننا ندعي بشكل طبيعي أن بنيات النظرية "حقيقية" أو "موجودة". إذا كانت النظرية ناجحة جدًا (أي إذا تنبأت بشكل صحيح بالإدراك الحسي لمستخدم النظرية)، فعندئذ يتم تعزيز الثقة في النظرية وتميل عناصرها إلى " عناصر من العالم المادي الحقيقي. ومع ذلك، هذا سؤال نفسي بحت. ومع ذلك، كان لدى إيفريت نظرية، وادعت تلك النظرية ما يلي: كل ما يمكن أن يحدث، في عالم أو آخر، يحدث بالفعل. يتم إنشاء أكوان جديدة عند الطلب، إذا جاز التعبير. عندما يتحلل أو لا يتحلل جسيم مشع، قد يقوم عداد غيغر أو لا يقوم بعمل نقرة صغيرة، ينقسم الكون مرة أخرى. اتبعت أطروحته نفسها مسارًا صعبًا؛ فهي موجودة في عدة إصدارات. تم إرسال مسودة منها إلى كوبنهاغن، حيث لم تعجب بور على الإطلاق. طبعة أخرى، تم اختصارها وتحريرها بمساعدة ويلر ، أصبحت مقالًا يمكن نشره في مجلة مراجعات الفيزياء الحديثة ، على الرغم من الاعتراضات الواضحة. كتب إيفريت في حاشية: "اشتكى بعض المراسلين من أن" تجربتنا تشهد "بعدم وجود فرع، لأن لدينا حقيقة واحدة فقط. تفشل الحجة عندما يظهر أن النظرية نفسها تتنبأ بأن تجربتنا ستكون على ما هي عليه بالفعل، " أي أننا في كوننا الصغير لا ندرك إلا الفرع. كما كان الحال أيام كوبرنيكوس افترضنا أن الأرض تتحرك، واعترض النقاد على أننا لم نشعر بمثل هذه الحركة، وأنهم كانوا مخطئين لنفس السبب. لكن على الرغم من ذلك، فإن النظرية التي تفترض عددًا لانهائيًا من الأكوان هي إهانة لشفرة أوكام: لا ضرورة لتضاعف الكيانات دون داع.

لم تحظ مقالة إيفريت باهتمام كبير في ذلك الوقت، وكانت آخر مرة ينشرها على الإطلاق. لم يتابع مهنة في الفيزياء بل مارس مهنة أخرى بعيدة تماماً عن الفيزياء. وتوفي عن عمر يناهز الحادية والخمسين، مدخنًا نهمًا ومدمنًا على الكحول. لكن ربما حدث فقط في هذا الكون المرئي. في كلتا الحالتين، تبقى نظريته على قيد الحياة. لقد اكتسب اسمًا، "تفسير الكون المتعدد لميكانيكا الكموم"، بل إنه يحتوي على اختصار باللغة الإنجليزية، MWI لـ "تفسير العوالم المتعددة"، وقد أدى إلى الكثير من العمل اللاحق. كان ذلك التفسير في شكله المتطرف، يزيل عامل الزمن تمامًا. يوضح المنظر ديفيد دويتش أن "الزمن لا يمر"أو " الزمن لا يجري". "اللحظات الأخرى ليست سوى حالات خاصة لأكوان أخرى." في الزمن الحاضر، عندما تأخذ العوالم المتوازية أو الأكوان اللانهائية الخدمة ـالاستعارات، فهي تتمتع بدعم شبه رسمي. عندما يتحدث شخص ما عن قصص بديلة، يمكن أن يكون ذلك فيالأدب أو الفيزياء. أصبحت الطريقة التي تم اتباعها والطريقة التي لم يتم اتباعها من التعبيرات الإنجليزية الشائعة من الخمسينيات والستينيات - ليس قبل ذلك، على الرغم من أشهر قصائد روبرت فروست. اليوم، يمكن لأي سيناريو افتراضي أن يبدأ بعبارة مألوفة، "في عالم حيث ..." يصبح من الصعب تذكر أن هذا مجرد شكل من أشكال الكلام.

إذا كان لدينا كون واحد فقط - إذا كان الكون هو كل ما لديك - ثم يغتال الزمن باقي الممكنات. إنه يمحو الحياة التي كان يمكن أن نحياها. عرف بورخيس أنه كان ينغمس في الخيال. ومع ذلك، عندما كان هيوغ إيفريت لا يزال في العاشرة من عمره، توقع بورخيس تفسير الأكوان المتعددة بثماني كلمات محددة:

"El tiempo se bifurca permuamente hacia عدد لا يحصى من المستقبلات"

("الوقت يتجه إلى مستقبل لا حصر له").. حتى قبل بورخيس، كتب ديفيد دانيلز البالغ من العمر 20 عامًا من كولورادو مقالًا في Wonder Stories في عام 1935 بعنوان "فروع الزمن": اكتشف رجل لديه آلة زمنية ذلك عندما يعود إلى الماضي، ينقسم إلى خطوط كون متوازية، لكل منها قصته الخاصة. في العام التالي قتل دانيلز نفسه بمسدس.

وإلى جانب ذلك، لماذا تتوقف عند هذا الحد؟ ألا تستطيع الآلة أن تكون مراقباً؟ `` إن وضع حد للمراقبين من البشر أو الحيوانات، أي افتراض أن جميع الأجهزة الميكانيكية تخضع للقوانين المعتادة، ولكنها لسبب ما غير صالحة للمراقبين الأحياء، ينتهك المبدأ المسمى بــ "التوازي النفسي الجسدي".

من الناحية النظرية، كان الموقف محرجًا: لم يكن لدينا نظرية متماسكة شبه كلاسيكية للجاذبية يمكن مقارنتها بنتائج التجارب المستقبلية. في الممارسة العملية، أُجبر المنظرون على استخدام أسلوب M’s (Zlller and Rosenfeld) (غير المتماسك) بأصابعهم المتقاطعة بأن تنبؤاته كانت صحيحة تقريبًا في المواقف البسيطة. النظرية التي عُرف أنها خاطئة من أجل تقدير أوامر الحجم وتوجيه اختيار التجارب المستقبلية.

في عام 2014، طور الفيزيائيان دفير كافري وجاكوب تايلور، من جامعة ميريلاند، مع جيرارد ميلبورن من جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا، أول نموذج محاكى للجاذبية شبه الكلاسيكية. لكن قوة الجاذبية لم تكن واقعية، حتى في الحالة غير النسبية حيث نعتبر السرعات المنخفضة: فهي لم تعيد إنتاج التعبير النيوتوني لقوة تتناسب مع عكس مربع المسافة. ومع ذلك، من خلال البناء، فإن النموذج ثابت. وإذا لم تصف قوة واقعية فهذه النتيجة هي خطوة كبيرة إلى الأمام. هل يمكننا الذهاب إلى أبعد من ذلك؟

في أوائل عام 2015، تم استغلال نفس الحدس بناء على ذلك قام دفير كافري وزملائه بدمجه مع التركيبات التاريخية لنماذج الاختزال الديناميكي في التسعينيات، تم بناء نموذج كامل مع لايوس ديوسي يعيد إنتاج قوة الجاذبية الجيدة (النيوتونية). كان النموذج يعمل فقط مع السرعات المنخفضة، وهو ما يكفي مع ذلك للتعامل مع جميع التجارب المعملية منخفضة الطاقة. ما هي فكرة النموذج؟ تذكر أن صعوبة الجاذبية شبه الكلاسيكية تتكون لاستخراج كمية من فيزياء الكموم يمكن تعريفها على أنها كتلة (أو طاقة) تعمل كمصدر لحقل الجاذبية كذا (بدون تراكب الحالات). في النهج القياسي أو المعياري، الشيء الوحيد المتاح هو دالة الموجة. في نهج الاختزال الديناميكي مثل نموذج GRW، تطور دالة الموجة من كل جسيم (تمليه معادلة شرودنغر) يتم مقاطعته بشكل عشوائي. إنه "وميض"، أي نقطة في الزمكان حيث يتم تدمير التراكب.

تم اختيار مصطلح "وميض" لتسليط الضوء على الجانب العابر للظاهرة (وليس له علاقة بانبعاث الضوء).

في نموذجنا، يصبح الجسيم حقيقيًا في اللحظة المحددة ومكان الفلاش. إنه يتجسد ويكتسب كتلة وبالتالي يخلق مجالًا للجاذبية. ثم يجذب الجسيم نحوه الدالة الموجية لبقية النظام أو، بشكل مسيء قليلاً، جميع الجسيمات الأخرى في النظام. ثم يتجسد جسيم آخر بواسطة وميض ويجذب نحوه الدالة الموجية للباقي ... بين كل ومضة، يتولى التطور الكمومي المعتاد المهمة.

وهكذا تتجلى الجاذبية بطريقة متشنجة. إذا بدت هذه الديناميكية متناقضة مع الانطباع الذي لدينا عن قوة الجاذبية المستمرة، فهي متوافقة مع القيود التجريبية الحالية. ويفسر ذلك بضعف الجاذبية. بين جسيمين أساسيين، هذه القوة صغيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها. لا يمكن ملاحظتها إلا بأجسام عيانية كافية حيث تعطي بلايين من جسيمات الجاذبية والصدمات التي تظهر كل مللي ثانية للمراقبين انطباعًا بأن مجال الجاذبية يتطور بسلاسة وبشكل مستمر.

مثل هذا النموذج، حيث تكون الفلاش هي المصدر تقدم قوة الجاذبية، عددًا من التوقيعات التجريبية التي يمكن اكتشافها. على سبيل المثال، يضيف كل رماد طاقة حركية للجسيمات. يمكن ملاحظة هذه الزيادة الطفيفة في الطاقة كتدفئة قابلة للقياس، على سبيل المثال، في مكثفات الذرات شديدة البرودة.

هل يجب أن نؤمن بهذا النموذج؟ ربما لا: تذكر أنه يعمل فقط في النظام غير النسبي. سيكون من المثير للاهتمام دحضه من خلال التجارب لاختبار حدود فيزياء الكموم. لكن في تطوير هذا النموذج، كان الهدف قبل كل شيء هو تقديم مثال مضاد للادعاء بأن النظرية هجينة، حيث الجاذبية لها مجالها الفعال.

أدى ظهور ميكانيكا الكموم خلال القرن العشرين، إلى قيام الفيزيائيين بطرح العديد من الأسئلة حول كيفية تفسيرها. خاصة فيما يتعلق بظاهرة القياس التي تؤدي إلى انهيار الدالة الموجية (وهي حالة تسمى مشكلة القياس الكمومي). هل تعتمد نتيجة هذا القياس على الراصد أم أنه مستقل تمامًا؟ بمعنى آخر، هل هناك حقيقة ذاتية أم حقيقة موضوعية؟ في مقال نُشر مؤخرًا في مجلة Symmetry تناظر، أظهر اثنان من علماء الفيزياء الفنلنديين أنه لا يوجد تأثير للمراقب على القياس، وبالتالي يفضل وجود واقع موضوعي مستقل تمامًا عن عملية القياس أو المراقبة.

ظهرت ميكانيكا الكموم لأول مرة في عشرينيات القرن الماضي ومنذ ذلك الحين اختلف العلماء حول أفضل طريقة لتفسيرها. تدعي العديد من التفسيرات، بما في ذلك تفسير كوبنهاغن الذي قدمه نيلز بور وفيرنر هايزنبرغ ، وعلى وجه الخصوص ، تفسير فون نيومان-فيغنر ، أن وعي الشخص الذي يأخذ القياس يؤثر على نتائجه. من ناحية أخرى، اعتقد كارل بوبر وألبرت أينشتاين أن هناك حقيقة موضوعية.

سلط إروين شرودنغر الضوء على التجربة الفكرية الشهيرة التي تنطوي على مصير درامي لقطة، وهي تجربة تهدف إلى وصف عيوب ميكانيكا الكموم. في مقالهما الأخير، قاميوسي ليندغرن Jussi Lindgren ويوكاليوكونن Jukka Liukkonen ، اللذان يدرسان ميكانيكا الكموم في أوقات فراغهما ، بدراسة مبدأ  اللادقة أوعدم اليقين الذي طوره هايزينبرغ Heisenberg في عام 1927. وفقًا للتفسير التقليدي للمبدأ، فإن الموقف والزخم لا يمكن تحديدهما معاً بدقة في وقت واحد بل بدرجة دقة اعتباطية أو احتمالية، لأن الشخص الذي يقوم بالقياس يؤثر دائمًا على القيم.

الرياضيات لدعم الواقع الموضوعي لميكانيكا الكموم:

ومع ذلك، في دراستهما، استنتج العالمان أن العلاقة بين الموضع والزخم، أي علاقتهما، تكون ثابتة. بمعنى آخر، الواقع هو شيء لا يعتمد على الشخص الذي يقيسه. استخدم Lindgren و Liukkonen التحسين العشوائي الديناميكي في دراستهما. في الإطار المرجعي لنظريتهم، يعد مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ مظهرًا من مظاهر التوازن الديناميكي الحراري، حيث لا تختفي ارتباطات المتغيرات العشوائية.

"تشير النتائج إلى أنه لا يوجد سبب منطقي لاعتماد النتائج على الشخص الذي يقوم بالقياس. يقول Jussi Lindgren :" وفقًا لدراستنا، لا يوجد ما يشير إلى أن وعي الشخص سيتداخل مع النتائج أو يخلق نتيجة أو حقيقة معينة. التفسير موضوعي وواقعي، وفي نفس الوقت بسيط قدر الإمكان ويضيف: "نحن نحب الوضوح ونفضل القضاء على أي تصوف". يدعم هذا التفسير تفسيرات ميكانيكا الكموم بناءً على المبادئ العلمية الكلاسيكية.

تجربة جديدة تتحدى فكرة "الواقع" في ميكانيكا الكم

صراع الأسهم:

الواقع هو مصطلح متعدد المعاني والذي، بالنسبة للبعض، أقرب إلى الفلسفة أو حتى الميتافيزيقيا منه إلى العلم الحقيقي. في سياق ميكانيكا الكموم، حيث يؤثر المراقب على بيئته، ينتج عن أي إجراء قياس اختيار حالة ثابتة داخل نظام كمومي. نظرًا لكون ميكانيكا الكموم احتمالية في الأساس، فإن نتيجة القياس تختلف باختلاف المراقب، كما ذكر الفيزيائي يوجين فيغنر في عام 1961. إذن ما هي دلالة هذه الفرضية فيما يتعلق بواقع العالم المادي؟ حتى ظهور فيزياء الكموم في عشرينيات القرن الماضي، توقع الفيزيائيون أن تكون نظرياتهم حتمية، مما يولد تنبؤات حول نتائج التجارب على وجه اليقين. لكن يبدو أن نظرية الكموم احتمالية بطبيعتها. يقول تفسير كوبنهاغن أنه طالما لم يتم قياس خصائص النظام، فيمكنها أن تأخذ عددًا لا يحصى من القيم. ينهار هذا التراكب في حالة واحدة فقط عند ملاحظة النظام، ولا يستطيع الفيزيائيون أبدًا التنبؤ بدقة بما ستكون عليه هذه الحالة. كان لدى فغنر Wigner بعد ذلك الرأي الشائع بأن الوعي يؤدي بطريقة ما إلى انهيار التراكب.

منذ ذلك الحين سقط هذا الرأي وفقد صلاحيته. اليوم، يتفق معظم الفيزيائيين على أن الأجسام الجامدة يمكنها إزالة تراكب الأنظمة الكمومية منها من خلال عملية تسمى فك الترابط. بالتأكيد، قد يجد الباحثون الذين يحاولون التلاعب بالتراكبات الكمومية المعقدة في المختبر أن عملهم الشاق قد دمر بسبب اصطدام الجسيمات بأنظمتهم. لذلك يجرون اختباراتهم في درجات حرارة شديدة البرودة ويحاولون عزل أجهزتهم عن الاهتزازات. ظهرت العديد من التفسيرات الكمومية المتنافسة على مدى العقود التي تستخدم آليات أقل غموضًا، مثل فك الترابط، لشرح كيفية انهيار التراكبات دون استدعاء الوعي. وتؤيد تفسيرات أخرى الموقف الأكثر راديكالية وهو أنه لا يوجد انهيار لدالة الموجة على الإطلاق. لكل فرد وجهة نظره الخاصة في اختبار Wigner.

تجربة فغنر وصديقه:

التجربة الفكرية الأصلية لـ Wigner بسيطة من حيث المبدأ. يبدأ بفوتون مستقطب واحد يمكن، عند قياسه، أن يكون له استقطاب أفقي أو رأسي. ولكن قبل القياس، وفقًا لقوانين ميكانيكا الكموم، يوجد الفوتون في كلا حالتي الاستقطاب في نفس الوقت؛ هذا هو مبدأ التراكب.

تخيل Wigner صديقًا في مختبر مختلف، يقيس حالة هذا الفوتون ويخزن النتيجة، بينما لاحظ Wigner ذلك من بعيد. ليس لدى Wigner أي معلومات عن قياس صديقه، لذلك يجب أن يفترض أن الفوتون وقياسه يتداخلان مع جميع النتائج المحتملة للتجربة. يمكن لـ Wigner إجراء تجربة لتحديد ما إذا كان هذا التراكب موجودًا أم لا.

إنها نوع من تجارب التداخل التي تُظهر أن الفوتون والقياس في حالة تراكب. من وجهة نظر Wigner، إنها "حقيقة" ، التراكب موجود. وهذه الحقيقة تشير إلى أنه ربما لم يتم اتخاذ إجراء. لكن هذا يتناقض مع وجهة نظر الصديق، الذي قام بالفعل بقياس استقطاب الفوتون وسجله. يمكن للصديق أن يتصل بـ Wigner ويقول إن القياس قد تم (بشرط عدم الكشف عن النتيجة). لذا فإن الواقعين متعارضان.

أحد أشكال تجربة Wigner التي تتضمن التشابك الكمومي

المشكلة هي أن كل تفسير يكون جيدًا - أو سيئًا - في التنبؤ بنتيجة الاختبارات الكمومية. لا أحد يعرف ما هو الحل. يقول عالم الفيزياء الكمومية أيفرايم شتاينبرغ، إننا لا نعرف حتى ما إذا كانت قائمة الحلول المحتملة لدينا شاملة.

يعتقد تيشلر Tischler وزملاؤه أن تحليل وتنفيذ تجربة Wigner يمكن أن يلقي الضوء على حدود نظرية الكموم. لقد استلهموا من موجة جديدة من الأوراق النظرية والتجريبية التي بحثت في دور المراقب في ميكانيكا الكموم، مقدمة التشابك في التكوين الكلاسيكي لـ Wigner.

لنفترض أنك أخذت فوتونين مستقطبين بحيث يمكن أن يتأرجحا أفقيًا أو رأسيًا. يمكن أيضًا وضع الفوتونات في تراكب من التذبذبات أفقياً ورأسياً، تماماً كما يمكن أن تكون قطة شرودنغر المتناقضة حية وميتة قبل ملاحظتها وقبل فتح العلبة المغلقة عليها. يمكن أن تتشابك مثل هذه الأزواج من الفوتونات بحيث تكون استقطاباتها دائمًا في الاتجاه المعاكس عند ملاحظتها. قد لا يبدو هذا غريباً، إلا إذا كنت تتذكر أن هذه الخصائص ليست ثابتة حتى يتم قياسها.

على الرغم من أن أحد الفوتونين يُعطى لفيزيائية تُدعى أليس في أستراليا، بينما يُنقل الآخر إلى زميلها بوب في مختبر في فيينا، فإن التشابك يضمن ذلك بمجرد أن تراقب أليس الفوتون الخاص بها وتجد، على سبيل المثال. الاستقطاب الأفقي، يتزامن مع استقطاب فوتون بوب على الفور ليتذبذب عموديًا. تجاوز عدم مساواة بيل لتحديد عتبة العلاقة المحلية. كان هدف فريق بريسبان هو استنباط واختبار نظرية جديدة تتجاوز اختبارات بيل السابقة، من خلال توفير قيود أكثر صرامة - حدود "العلاقة المحلية" - على طبيعة واقع. مثل نظرية بيل، فإن نظرية الباحثين محلية. كما أنهم يحظرون صراحة "الحتمية الفائقة" - أي أنهم يصرون على أن المجربين أحرار في اختيار ما يقيسونه دون أن يتأثروا بأحداث في المستقبل أو في الماضي البعيد.

أخيرًا، يعتبر الفريق أنه عندما يأخذ المراقب قياسًا، تكون النتيجة حدثًا حقيقيًا وفريدًا في العالم - لا يتعلق بأي شخص أو أي شيء. يتطلب اختبار العلاقة المحلية إعدادًا ذكيًا يضم اثنين من "المراقبين الخارقين"، أليس وبوب (اللذان يلعبان دور Wigner) ، اللذان يشاهدان صديقيهما تشارلي وديبي. يمتلك كل من أليس وبوب مقياس التداخل الخاص بهما - وهو جهاز يستخدم لمعالجة حزم الفوتونات.

 ولتمديد مفهوم قصة صديق فغنر. قام فريندز تشارلي وديبي بقياس زوج من الجسيمات معدة في حالة متشابكة، مما ينتج عنه نتائج تسمى c وd، على التوالي (من وجهة نظرهم). يأخذ المراقبون الفائقون، أليس وبوب، قياسات منفصلة شبيهة بالفضاء المعنون x وy، مع تصنيف النتائج أ و ب، على المحتويات الكاملة للمختبرات التي تحتوي على تشارلي وديبي، على التوالي كما في المخطط أعلاه

قبل القياس، يتم فرض استقطاب الفوتونات، أفقيًا ورأسيًا. ثم يتم تحضير أزواج الفوتون المتشابكة بحيث إذا تم قياس استقطاب أحدهما ليكون أفقيًا ، يجب أن يتحول استقطاب شريكه إلى الوضع الرأسي على الفور. يتم إرسال فوتون واحد من كل زوج متشابك إلى مقياس التداخل الخاص بأليس ويتم إرسال شريكها إلى بوب. تشارلي وديبي ليسا صديقين بشريين في هذا الاختبار. بدلاً من ذلك، فهما عبارة عن مبدلات شعاع في مقدمة كل مقياس تداخل. عندما يصطدم فوتون أليس بالمزاح، يتم قياس استقطابه بالفعل وينحرف إما إلى اليسار أو إلى اليمين، اعتمادًا على اتجاه الاستقطاب. يأخذ هذا الإجراء دور تشارلي، صديق أليس، الذي "يقيس" الاستقطاب. (توجد ديبي أيضًا في مقياس تداخل بوب).

يجب على أليس بعد ذلك أن تختار: يمكنها على الفور قياس المسار المنحرف الجديد للفوتون، والذي سيكون بمثابة فتح الباب للمختبر وسؤال تشارلي عما رآه. أو يمكن أن يسمح للفوتون بمواصلة رحلته، مروراً بمغير شعاع ثانٍ يعيد توحيد المسارين الأيسر والأيمن - وهو ما يعادل إبقاء باب المختبر مغلقًا. تستطيع أليس بعد ذلك قياس استقطاب فوتونها مباشرة عند خروجه من مقياس التداخل. وهنا يحدث انتهاك حدود العلاقة المحلية. خلال التجربة، اختار أليس وبوب بشكل مستقل القياسات التي يجب إجراؤها، ثم قارنا النتائج لحساب الارتباطات التي لوحظت عبر سلسلة من الأزواج المتشابكة. أجرى تيشلر وزملاؤه 90 ألف عملية تشغيل في التجربة. كما هو متوقع، انتهكت الارتباطات حدود بيل الأصلية - والأهم من ذلك أنها انتهكت أيضًا عتبة العلاقة المحلية الجديدة.

يمكن للفريق أيضًا تعديل الإعداد لتقليل درجة التشابك بين الفوتونات عن طريق إرسال أحد الأزواج على منعطف قبل أن يدخل مقياس التداخل الخاص بهم، مما يؤدي برفق إلى تعطيل الانسجام التام بين الزملاء. عندما أجرى الباحثون التجربة مع هذا المستوى الأقل قليلاً من التشابك، وجدوا نقطة حيث لا تزال العلاقات المتبادلة تنتهك حدود بيل، ولكن ليس العلاقة المحلية. أثبتت هذه النتيجة أن مجموعتي الحدود ليستا متكافئتين وأن القيود الجديدة للعلاقة المحلية أقوى، كما يقول تيشلر. "إذا اغتصبتهم، ستتعلم المزيد عن الواقع." على وجه التحديد، إذا كانت نظريتك تنص على أنه يمكن معاملة "الأصدقاء" على أنهم أنظمة كمومية، فيجب عليك إما التخلي عن المكان، أو قبول أن القياسات ليس لها نتيجة واحدة يجب أن يتفق عليها المراقبون، أو تسمح بالقياس. للحتمية الفائقة. ولكل من هذه الخيارات له آثار عميقة.

لكن فيدمان، الذي لم يشارك في العمل، كان أقل حماسًا حيال ذلك، وينتقد التعرف على صديق ويغنر بالفوتون. الأساليب المستخدمة في المقال "سخيفة؛ يجب أن يكون الصديق عيانيًا ". يوافق الفيلسوف العلمي في جامعة نيويورك تيم مودلين، الذي لم يكن مشاركًا في الدراسة، على هذا الرأي. يقول: "لا أحد يعتقد أن الفوتون هو مراقب إلا إذا كنت شخصًا نفسانيًا".

يكمن مفتاح التجارب المستقبلية في زيادة حجم "الصديق"، كما يضيف هوارد وايزمان، الفيزيائي بجامعة جريفيث وعضو الفريق. النتيجة الأكثر إثارة للإعجاب هي استخدام الذكاء الاصطناعي، المتجسد في الكمبيوتر الكمومي، كصديق. يعتقد بعض الفلاسفة أن مثل هذه الآلة يمكن أن يكون لها خبرات بشرية، وهو موقف يُعرف باسم فرضية الذكاء الاصطناعي القوية، على الرغم من أن لا أحد متأكد حتى الآن ما إذا كانت هذه الفكرة ستثبت صحتها.

حاجة لإعادة النظر في الواقع؟

ولكن إذا كانت الفرضية صحيحة، فإن هذا الذكاء العام الاصطناعي الكمومي (AGI) سيكون مجهريًا. لذا من منظور نماذج الانهيار التلقائي، لن يؤدي ذلك إلى الانهيار بسبب حجمه. إذا تم إجراء مثل هذا الاختبار ولم يتم انتهاك حد العلاقة المحلي، فإن هذه النتيجة تعني أن وعي الذكاء الاصطناعي العام لا يمكن فرضه. بدوره، يشير هذا الاستنتاج إلى أن فغنر Wigner كان محقًا في قوله إن الوعي يسبب الانهيار. "لا أعتقد أنني سأعيش طويلا بما يكفي لأرى تجربة مثل هذه. ولكن هذا سيكون ثوريًا "، كما يقول وايزمان.

 لم يكن الفيزيائيان الفنلنديان جوسي ليندغرين ويوكا ليوكو في محاولتهم الأولى. ففي العام الماضي نشرا بحثًا آخر، واستخدما الرياضيات ببراعة مرة أخرى للتعامل مع ميكانيكا الكموم.

نشر الباحثون ورقة عملهم الأخيرة في ديسمبر 2019، والتي اعتمدت أيضًا على التحليل الرياضياتي كأداة لشرح ميكانيكا الكموم. كانت الطريقة التي استخدموها هي نظرية التحكم الأمثل العشوائية، والتي تم استغلالها لحل تحديات مثل كيفية إرسال صاروخ من الأرض إلى القمر.

بعد شفرة أوكام ، قانون ويليام أوكام لاختيار الأبسط ، اختار الباحثون الآن أبسط تفسير من بين تلك التي تعمل. “ندرس ميكانيكا الكموم كنظرية إحصائية. إن أداة الرياضيات واضحة، لكن قد يعتقد البعض أنها مملة أيضًا. لكن هل التفسير حقاً هو تفسير، إذا كان غامضاً؟ كما ليندغرين يخلص.

أو حكايات الكوانتوم الغرائبية 8

إعدادا وترجمة د. جواد بشارة

مع ميكانيكا الكموم

  اتفقت آراء العلماء على نطاق معين، بإن ميكانيكا الكموم ستكون هي النظرية الصحيحة. لكن دون هذا الحد، فإن كل ما نعرفه عن ميكانيكا الكموم سيظل صحيحًا. لذا فإن نفس الأسئلة والتفسيرات الفلسفية ستستمر في شغلنا.

لكل. ستظل هناك عوالم متعددة للإلكترونات والذرات - لكن ليس للقمر! لذلك لن يحل ذلك كل المشاكل، لكنه سيجعل الأمور أكثر غرابة ". نماذج مثل تلك الخاصة بالتوطين التلقائي المستمر ليست سوى جهود لتوحيد هذين العالمين.

في أوائل السبعينيات، اقترح هاينز ديتر زيه، الأستاذ الفخري بجامعة هايدلبرغ بألمانيا، عملية تعطي مظهر الاختزال مع الحفاظ على التعدد الكمومي لدالة الموجة.. يجادل هاينز أنه في العالم الحقيقي، تصبح دالة الموجة لأي جسيم مرصود متشابكة مع دالة أي شيء في بيئته، مما يجعل من المستحيل تتبع التفاعلات الكمومية التي لا حصر لها والتي تحدث حولها. عندها تصبح دالة الموجة داخلية ومعقدة والتي تستمر في التوسع. ستيفن أدلر كان أكثر صراحة بقليل حول فك الترابط: "إنه لا يوفر أي آلية [للتقليل] ولا يحل المشكلة.

قبل ستين عامًا، اقترح طالب دكتوراه في جامعة برينستون: حلاً أكثر جذرية لمشكلة التخفيض أو الاختزال. في أطروحته عام 1957؛ أوضح هيوغ إيفريت أن الدالة الموجية لا تقلل أو تخضع لفك الترابط. على العكس من ذلك، فإن جميع مكوناتها حقيقية ماديًا، وتشكل أجزاء من مجموعة كاملة من الأكوان ذات التشعبات اللانهائية. أصبحت "نظرية الأكوان المتعددة" هذه شائعة بين علماء الكونيات، الذين لديهم أسباب أخرى للاعتقاد بأننا نسكن في كون متعدد. لكن لم ينجح أحد على الإطلاق في إجراء الاختبار التجريبي لهذه النظرية الثورية.

إجراءات خاصة:

يمكن للمراقب، الذي لا يلتقط سوى جزء من العالم الكمومي، أن يأمل فقط في رؤية جزء صغير من هذا النظام الهائل المتشابك. وبالتالي، فإن قياسًا معينًا لا يسلط الضوء إلا على جانب معين من الكون الكمومي.

تبنى الفيزيائيون فك الترابط بسرعة لشرح سبب عدم إدراكنا للظواهر الكمومية على المستوى العياني.  والكل يحاول أن يصف انهيار دالة موجية سليمة لأخذ فكرة واضحة عن عوالم متعددة ومتميزة عن واقعنا الحياتي الملموس الذي تراه النسبية العامة وتعقده نظرية الكموم القياسية أو المعيارية.

الشيء نفسه ينطبق على التفسيرات الأخرى لميكانيكا الكموم. سعى الفيزيائي الفرنسي لويس دي برولي، أحد مؤسسي نظرية الكموم، إلى إزالة الحاجة إلى تقليل حزمة الموجة من خلال إدخال مفهوم "الموجات الدليلية" التي توجه مسارات الإلكترونات وجميع الجسيمات الأخرى.

في إحدى نسخ نظرية الكموم، والتي طورها الفيزيائي الأمريكي ديفيد بوم في الخمسينيات من القرن الماضي، لا يوجد اختزال غامض. تُظهر القياسات ببساطة تفاعلات الموجات الدليلية والجسيمات المرتبطة بها. (والذي يتضمن جميع الحالات الفيزيائية المحتملة التي يمكن أن يمتلكها الجسيم) عندما يتفاعل مع تلك الأنظمة الكمومية المجاورة الأخرى. إذا كان هذا النموذج صحيحًا، فإننا نعيش في منتصف هذه الشبكة الكمومية المتشابكة التي لا نرى سوى جزء منها. ولكن، مرة أخرى، لم يتمكن أحد من إثبات ذلك بشكل تجريبي. ونفس الشيء ينطبق على نظرية الموجة التجريبية للعالم الفرنسي لوي دي برولي ـ Louis de Broglie ودافيد بوم David Bohm - ونظرية العوالم المتعددة لإيفريت وعشرات المقاربات الأخرى لميكانيكا الكموم التي ظهرت في نفس المرحلة.

فك الترابط لا يحل المشكلة:

القياس الذي يقوم به جميع الفيزيائيين. على سبيل المثال، لا يفسر لماذا نرى خيطًا واحدًا من الويب الكمومي وليس الآخر. يوضح مايلز بلينكو، من كلية دارتموث في الولايات المتحدة ذلك بالقول: "يجب علينا أيضًا أن نستدعي الاختزال، والذي بموجبه يجب اختيار إحدى الحالات المتشابكة".

بالنسبة له ولغيره، لا تعكس هذه العملية تجربتنا للأشياء، لا سيما جانبها الزمني. ويضيف: "كيف ننتقل من حالة التشابك إلى تصور للعالم يتطور بمرور الوقت على طول مسار واحد؟" يعتقد العديد من المتخصصين أنه من الضروري الخضوع لعملية اختزال لاستعادة هذه الوحدة من العالم أثناء تطوره بدلاً من هذه الشبكة.

أخيرًا، يختار الفيزيائيون وصفهم المفضل للواقع بناءً على معايير جمالية. "أعود إلى حقيقة أن لدينا عالمًا واحدًا يتطور، كما يصر مايلز بلينكو. لذلك، نحتاج حقًا إلى نوع من الاختزال، والذي سيكون أكثر من مجرد قاعدة للنتائج التجريبية، ربما سيكون عملية حقيقية للغاية ".

عوالم منفصلة:

ميكانيكا الكموم مرادف للتأثيرات الغريبة في العالم المجهري. التي لا نراها في الواقع العياني "الكلاسيكي". لماذا ا؟ لم يفهم العلماء أبدًا لماذا أو كيف يقفز الكون من عالم إلى آخر، لكن العديد من النظريات، تقدم تفسيرات محتملة.

الكموم مقابل الكلاسيكية:

 وفقًا لميكانيكا الكموم، لا توجد الجسيمات في حالة محددة - في كذا وكذا مكان، لديها طاقة كذا وكذا - ولكنها موجودة في الواقع في وقت واحد في كل من هذه الحالات والمواقف. تصف هذه النظرية الجسيمات ذات الدالات الموجية، والمعادلات بأنها عبارة عن مجموعات، أو "تراكب"، من عدة موجات. مثلا، بالنسبة للموضع، تشير سعة كل قمة في دالة الموجة إلى احتمال ملاحظة الجسيم في مكان معين، هنا عند النقطة أ أو ب. عندما يأخذ العلماء قياسات على جسيم ما، يبدو أن كل الاحتمالات الكمومية تنهار.

ويحصل اختزل إلى احتمال واحد، يفترض أنه تم تحديده بشكل عشوائي. وسيكشف أن الجسيم تموضع عند النقطة (أ)، على سبيل المثال '، - التي تدخله في العالم الكلاسيكي، لأنها لم تعد موجودة في حالة من التراكب. الانهيار لدالة الموجة والقياس مترابطان. تدعي إحدى النظريات، التي تهدف إلى شرح كيفية انتقال الحال من العالم الكمومي إلى العالم الكلاسيكي، أن فعل القياس يلعب دورًا. الجسيم يمكن أن يبقى في موضع أ في حالة التراكب الكمومي (الخط المنقط الأصفر) طالما لم يلاحظه أحد. ولكن بمجرد أخذ القياس، يصبح الجسيم في حالة معينة أخرى (خطوط حمراء). كيف يحدث ذلك، ولماذا يمكن أن تكون القياسات مهمة للغاية في الفيزياء؟ يبقى الأمر لغزا، في حين ترى نظرية أخرى أن بيئة الجسيم مسؤولة عن هذا الانتقال من العالم الكمي إلى العالم الكلاسيكي.

إن الجسيم الذي لا يزعج بواسطة التأثير الخارجي، يمكن أن يظل في حالة تراكب. ولكن بمجرد أن تلتقي الدالات الموجية للجسيمات أو الأجسام المجاورة الأخرى بدالات الجسيمات الأخرى، فإنها تتداخل، مما يؤدي إلى تقليل الاحتمالات الكمومية العديدة للجسيم.

التوطين التلقائي المستمر شكل احتمالاً آخر وهو أن الحد من الدالة الموجية في خيار واحد يكون هو الاحتمال الوحيد، بيد أنه سيكون حدث عشوائي، ولن يكون ناتجًا عن القياس أو التداخل من البيئة، بل ضمن احتمالات تقلص أي جسيم في اي لحظة ضعيفة للغاية، ولكن في الأجسام العيانية التي تحتوي على العديد من الذرات، فإن اختزال واحد على الأقل من هذه الجسيمات أمر لا مفر منه، مما يؤدي إلى اختزال الهيكل بأكمله. المهارة تجعل من الممكن تخليص المرء من مشكلة القياس: فهو يتألف من افتراض أن ظاهرة الاختزال حقيقة واقعية وليس نظرية. شددت هذه التجارب القيود المفروضة على نماذج الاختزال إلى حد كبير، ولكن ليس إلى درجة استبعاد المبدأ. في سبتمبر 2017، اكتشف أندريا فينانتي، من جامعة ساوثهامبتون بإنجلترا، مع أنجيلو باسي وثلاثة زملاء آخرين، جنينًا من الأدلة لصالح مبدأ الاختزال.

النظرية في حد ذاتها، يمكنها مساعدة الفيزيائيين على تطوير نموذج أوضح للواقع من النموذج الذي تقترحه ميكانيكا الكموم حاليًا مع حسابات ستيفن أدلر على الاختزال. يعترف ستيفن أدلر قائلاً: "أنا شخصياً أعتقد أن ميكانيكا الكموم تحتاج إلى القليل من عمليات تجميل الوجه". لا أرى مشكلة في التفكير في الأمر.

نشوئها من حزمة موجة

يتذكرأندريا فينانت Andrea Vinante قائلاً: "كان من الممكن أن نرى ضوضاء غير مبررة هناك، بما يتفق مع ما نتوقعه من نموذج الاختزال. لكن يمكن أن يخون تأثيرًا لم نفهمه تمامًا ". يعمل مع زملائه على تحسين حساسية التجربة بعامل لا يقل عن 10 أو حتى 100. "يجب أن نكون قادرين على تأكيد وجود حالة شاذة أو، على العكس من ذلك، استبعاد الطابع المثير للاهتمام لما لوحظ". سوف يستغرق الأمر سنة أو سنتين للحصول على بيانات جديدة.

ماذا سيحدث إذا كانت إحدى هذه التجارب العلمية تؤكد ظاهرة الاختزال الكمومي؟ هل سيتم حل مفارقات النظرية؟ يقول إيغور بيكوفسكي من مركز هارفارد سميثسونيان لعلم الفلك: "إذا كان الاختزال موجودًا بالفعل، فسيتم تقسيم العالم إلى مقاييس مختلفة". بعد "أ" لم تعد كافية لتطبيقها على جسيم آخر «. ولكن يبدو في الوقت الحاضر أن ميكانيكا الكموم تفي بالغرض وتجتاز أو تنجح بجميع الاختبارات تقريباً.

صرح العالم ستيفن واينبرغ لا نرغب أن نواجه أي أزمة. المشكلة كلها موجودة في القياس والمراقبة. في الماضي، حققنا تقدمًا مستمرًا عندما واجهت النظريات القائمة صعوبات. لكن لا يوجد مثل هذا الأمر في ميكانيكا الكموم. لا يتعارض مع الملاحظات. المشكلة هي أنها فشلت في إرضاء الأفكار الفلسفية المسبقة والرجعية لأشخاص مثلي ". في كلتا الحالتين، لا يهتم معظم العلماء بـ غرابة ميكانيكا الكموم. واستمروا في استخدام النظرية في أجهزتهم التجريبية، أو مصادمات الذرة أو كاشفات المادة المظلمة، ونادرًا ما يتوقفون عن التفكير فيما تقوله ميكانيكا الكموم - أو لا تقوله - فيما يتعلق بالطبيعة والواقع.

يقول ستيفن واينبرغ: "أعتقد أن غالبية الفيزيائيين لديهم موقف صحي للغاية، من خلال الاستمرار في استخدام النظرية، ودفع حدود معرفتنا، وترك الأسئلة الفلسفية للأجيال القادمة". ومع ذلك، لا يخطط عدد منهم للانتظار كل هذا الوقت. يعلق أنجيلو باسي: "سيخبرك البعض أن ميكانيكا الكموم علمتنا أن العالم غريب وأنه يجب علينا قبوله". أنا أرفض القيام بذلك. إذا كان هناك شيء غريب، فنحن بحاجة إلى التأكد من فهمنا له بشكل أفضل " بالتأكيد، تصف فيزياء الكموم بشكل مثالي مجموعة كبيرة جدًا من الظواهر الطبيعية. لا تتردد، بطبيعتها الاحتمالية الأساسية، والمفاهيم الغريبة التي تنقلها، مثل اللاحتمية، التراكب والتشابك، والازدواجية، موجات الجسيمات، قطة شرودنغر، مبدأ اللادقة أو عدم اليقين، اللامكانية، واللامحلية، وما إلى ذلك، من مشكلات خطيرة بالنسبة لأي شخص يريد أن يفكر في معناها الأعمق. في الواقع، قوانين فيزياء الكموم تتحدى فكرتنا عن الواقع المادي اليومي، وهي ليست معنية به، وهي راضية عن كفاءتها غير العادية، لكن آخرين يتساءلون عنها. تفسير لمنحه. هناك العديد من الفرضيات معرضة للمراجعة أو الطعن والاعتراض والدحض، ولكن كيف نقرر. يمكننا اختبارها من خلال التجارب الفكرية، ولكن أيضًا من خلال مجموعات معملية حقيقية. ماذا لو لم تكن الجاذبية كمومية وظلت كلاسيكية بطبيعتها. هذا من شأنه أن يفسر فشل محاولات بناء نظرية كمومية للجاذبية تكون صلدة وأنيقة. عندها سيكون من الضروري إعادة التفكير في أسس فيزياء الكموم. يعتقد معظم علماء الفيزياء أنه لا يمكن التوفيق بين فيزياء الكموم والنسبية العامة إلا في سياق نظرية الجاذبية أو الثقالة الكمومية. لم يتم الحصول على السبل الرئيسية للوصول إلى ذلك من خلال نظرية الأوتار أو الجاذبية الكمومية الحلقية التي لم تعط نتائج مرضية.

بالنسبة لكارلو روفيلي، من مركز الفيزياء النظرية في لومينى، بالقرب من مرسيليا، فإن "مشكلة الجاذبية الكمومية ليست أقل من مشكلة إيجاد وصف متماسك جديد للعالم، والذي سيؤدي أخيرًا إلى ثورة علمية للعالم قبل انتهاء القرن الحادي والعشرين. الثورة المعنية هي ثورة مجيء فيزياء الكموم والنسبية العامة في القرن العشرين. لقد غيرت هاتان النظريتان نظرتنا إلى العالم، من اللامتناهي في الصغر إلى اللامتناهي في الكبر. لكن الجمع بينهما في "وصف متماسك جديد" لا يزال بعيد المنال. حتى الآن، كانت جميع المحاولات لتطوير نظرية كمومية للجاذبية، أو "الثقالة الكمية"، مخيبة للآمال. لكن هل هذا التوليف ضروري حقًا؟ وإذا كان الأمر كذلك، فهل الجاذبية الكمومية هي الطريقة الوحيدة لتحقيق ذلك؟ يستكشف الفيزيائيون سبيلًا آخر يتكون من التوفيق بين النسبية العامة وفيزياء الكموم دون فرض صيغة كمومية للجاذبية.

لتحقيق ذلك، عليهم إعادة التفكير في أسس فيزياء الكموم. خلال النصف الثاني من القرن العشرين، أدى ذلك إلى تطوير نظرية المجال الكمومي، والتي تدمج "النموذج القياسي أو المعياري لفيزياء الجسيمات" مع جزء من النسبية في كل متماسك، أي ثلاثة من التفاعلات أو القوى الأربعة الجوهرية التي تسير الكون المرئي وهي: الكهرومغناطيسية، التي تعمل بين الفوتونات والجسيمات التي تتمتع بشحنة كهربائية، والتفاعل النووي القوي الذي يضمن تماسك البروتونات والنيوترونات في النواة الذرية، والتفاعل النووي الضعيف الذي يتجلى بشكل خاص في النشاط الإشعاعي بيتا. في حين تم وصف التفاعل الأساسي الرابع أو القوة الكونية الجوهرية الرابعة، أي الثقالة أو الجاذبية، بنظرية أخرى مختلفة تمامًا، وهي النسبية العامة، التي قدمها ألبرت أينشتاين في عام 1915. في هذه النظرية، تتفاعل المادة والزمكان لإعطاء ما نعتبره قوة الجاذبية: المادة (والطاقة) منحنيات الزمكان وحركته في المقابل محددة. من خلال "ارتياح" الزمكان.

النسبية العامة مفيدة في المواقف التي تهيمن فيها الجاذبية، أي بشكل أساسي في الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات. أما فيزياء الكموم، وبشكل أكثر دقة النموذج القياسي أو المعياري للجسيمات، فهي أكثر قابلية للتطبيق في المواقف التي تكون فيها الجاذبية ضئيلة مقارنة بالقوى الأخرى، وهذا هو الحال في التجارب التي أجريت في مسرعات الجسيمات.

نظريات غير متوافقة:

وهكذا، في المستوى الأساسي، يبدو أن الكون المرئي محكوم بميكانيكيتين متميزتين، مجموعتين من قوانين غير متوافقة بداهة، لذلك تختلف مفاهيم هذه النظريات وأجسامها. هاتان النظريتان فعالتان بشكل لا يصدق في مجالات تطبيق كل منهما. لكن لا يبدو أن النسبية العامة وفيزياء الكموم يمكن استخدامهما في وقت واحد، على الأقل ليس بدون تعديل. ماذا يحدث، على سبيل المثال، في حالة تكون فيها التأثيرات الناتجة عن فيزياء الكموم كبيرة، لكن قوة الجاذبية هي المهيمنة؟ الجواب البسيط هو أننا لا نعرف. ليس لدينا حتى إطار نظري مناسب لفهم ذلك.

الحالات التي فيها كلا فيزياء الكموم والنسبية العامة نادرة في الطبيعة. لذلك ليس لدينا نتائج تجريبية لإخبارنا بما يحدث هناك. هذا الموقف يرجع إلى حقيقة أن الجاذبية قوة ضعيفة للغاية، والتي تهيمن على الثلاثة الأخرى فقط للأجسام الضخمة والكبيرة. ومع ذلك، تميل التأثيرات الكمومية إلى أن تصبح غير واضحة عندما يزداد حجم الأشياء التي يتم النظر فيها.

ومع ذلك، هناك حالتان على الأقل تحفزان البحث عن نظرية كمومية للجاذبية أو نظرية الثقالة الكمومية. بدون مثل هذه النظرية، التي على ما يبدو هي ضرورة أولوية، يبدو من المستحيل معرفة ما حدث في بداية الكون.

من المستحيل معرفة ما حدث في وقت الانفجار العظيم، أو حتى معرفة مايحدث في مركز الثقوب السوداء. في هاتين الحالتين، حيث تكون الجاذبية قوية جدًا، تتنبأ النسبية العامة بوجود متفردات أو فرادات، أي كميات فيزيائية غير محدودة. إنها إشارة واضحة إلى أن هذه النظرية غير كافية، من تلقاء نفسها، لوصف هذه المواقف. لذا فإن تأثيرات فيزياء الكموم مهمة ويجب أخذها في الاعتبار.

كيف إذن يمكننا بناء نظرية عالمية تجمع بين فيزياء الكموم والنسبية العامة؟ أول طريق طبيعي هو "التكميم الكنسي". تجعل هذه التقنية الرسمية من الممكن إنتاج نسخة كمومية من نظرية فيزيائية لا يُعرف عنها إلا الصيغة "الكلاسيكية". في عام 1927، قدم الفيزيائي الإنجليزي بول ديراك هذه الطريقة وطبقها بنجاح على الكهرومغناطيسية. مع تنقيحاته المتتالية، أدى هذا النهج إلى تكامل التفاعلات الثلاثة غير الجاذبية داخل للنموذج القياسي أو المعياري. في عام 1967، قام العالم الأمريكي جون ويلر وحاول بريس ديويت صياغة كمومية للجاذبية باستخدام القياس الكمومي الكنسي. لكن هذا النهج لم ينجح بشكل جيد وخلق صعوبات فنية ومفاهيمية بدت أنه لا يمكن التغلب عليها. على وجه الخصوص، يصبح من الصعب فهم المفاهيم التافهة مثل الزمن أو السببية وحتى تحديدها.

دفع هذا الفشل الأول إلى نهج أكثر غرابة وتفصيلاً، مثل "جاذبية الحلقة الكمومية" أو الثقالة الكمومية الحلقية، والتي تعد تنقيحًا للنهج القانوني والذي يعتبر كارلو روفيلي أحد خبراءها، أو نظرية الأوتار، والتي تنحرف عنها بشكل جذري. هذه الأخيرة، الذي ربما يكون أكثر الطرق استكشافًا وأنجحها، كان موضوع دراسات مكثفة لمدة أربعين عامًا تقريبًا. في هذا النهج، تكون الأشياء الأساسية ليست جسيمات نقطية، بل أوتار متذبذبة صغيرة مادون مجهرية. من بين العديد من الجوانب المثيرة للاهتمام لهذه النظرية، فإن النتيجة الواعدة من وجهة نظر الجاذبية الكمومية هي أنها تصف طريقة اهتزاز (الأوتار) والتي من شأنها أن ترتبط بالغرافيتون، الجسيم الوسيط لقوة الجاذبية. عندما نفترض أنه كمومي في الطبيعة.

نظرية باهظة الثمن:

ومع ذلك، فإن نجاحات نظرية الأوتار لم تأتي مجاناً بل بثمن باهظ من خلال تعقيد رياضياتي شديد، لدرجة أن المرء لا يمتلك تعريفًا رياضياتيًا عامًا للنظرية. من الناحية العملية، يمتلك الفيزيائيون مجموعة من المقاربات التي نخمن أنها حدود النظرية الأساسية (النظرية M) التي لا يزال يتعين توضيحها. تعاني نظرية الأوتار أيضًا من زيادة المرونة. من شأن الاختيار الحكيم للشروط الأولية أن يجعل من الممكن الحصول على أي تنبؤ تقريبًا، الأمر الذي يدعو إلى التساؤل عن قابلية دحض النظرية. هذه الصعوبات تبرر اهتمامنا بسبل أخرى.

بعد كل شيء، إذا كان الوصول إلى صيغة كمومية للجاذبية أمرًا صعبًا للغاية، فقد يكون ذلك لأن الجاذبية تختلف بطبيعتها عن القوى الأخرى. لا يوجد مبدأ يمنع بداهة من بناء نظرية عالمية تتعايش فيها النسبية العامة وفيزياء الكموم مع الحفاظ على الصيغة الكلاسيكية للجاذبية. الفكرة أقل جمالية - ستكون الجاذبية حينئذ مختلفة اختلافًا جوهريًا عن التفاعلات الأخرى - لكن الكون المرئي يتجاهل شرائع الجمال لدينا. ثم نتحدث عن الجاذبية شبه الكلاسيكية ("ونقول شبه" لأن الجاذبية ليست كمومية، على عكس القوى الأخرى).

ما هي القيود التي تخضع مثل هذه النظرية؟ يجب أن تستمر في وصف قوة الجاذبية بنفس طريقة النسبية العامة، ولكن مع دقة إضافية: يجب أن تخضع المادة لقوانين فيزياء الكموم.

تصف النسبية العامة، كما رأينا، الجاذبية كنتيجة للتفاعل الديناميكي بين المادة والزمان: يحدد انحناء الزمكان حركة المادة، بينما في نفس الوقت، المادة تشوه نسيج الزمكان. في هذه الديناميكية المزدوجة، من السهل جدًا تكييف معادلات فيزياء الكموم لمراعاة انحناء معين مسبقًا: إنها نظرية الكموم للحقول في الفضاء المنحني، والتي عمل عليها ستيفن هوكينغ، وروجر بنروز، وروبرت والد ... منذ السبعينيات. على الرغم من أن الحسابات ليست سهلة، فقد تم استخدام هذه الشكلية في حالات حدودية مختلفة، على سبيل المثال لحساب خصائص الذرات الباردة في مجال جاذبية الأرض أو للتنبؤ بوجود إشعاع ضعيف للغاية (لم تم الكشف عنها بعد آنذاك) المنبعثة من الثقوب السوداء، وهو ما يسمى بإشعاع "هوكينغ".

بالمقابل، ليس لدينا أي فكرة عن كيفية انحناء المادة التي وصفتها فيزياء الكموم في الزمكان. يتطلب فهم هذا التأثير التشكيك في بعض المفاهيم الأساسية للغاية: ما هي كتلة الجاذبية في فيزياء الكموم؟ كيف يتم إنشاء حقل الجاذبية؟ فيما يتعلق بهذه الأسئلة، فإن فيزياء الكموم، في نهجها المعتاد، صامتة.

من ناحية أخرى، هذه النظرية تجعل من الممكن القيام بتنبؤات دقيقة. المعلومات المتوفرة عن النظام الكمومي موجودة في كائن رياضياتي، الدالة الموجية للنظام. في العشرينيات من القرن الماضي، صاغ الفيزيائيون مجموعة من القواعد البسيطة التي تُستخدم من دالة الموجة لحساب نتائج القياس والتنبؤ بها (أو بالأحرى احتمالاتها) أثناء التجربة.

تراكبات الحالات:

لكن هذا النهج لا يكشف عن أي شيء من شأنه أن يكون أساس نتائج القياسات التجريبية. ففيزياء الكموم هي نوع من الصندوق الأسود. في هذه الرؤية تسمى "من مدرسة كوبنهاغن"، الموروثة عن نيلز بور، أحد آباء نظرية الكموم، لا نحاول قول المزيد. حالة الدالة الموجية ذاتها - كائن حقيقي أم أداة حسابية بسيطة؟ - هي نفسها غير واضحة. ومع ذلك، إذا أردنا معرفة كيف تنحني المادة الكمومية الزمكان، فلا يمكننا أن نشعر بالرضا عن هذا الصمت. نحتاج إلى التكهن بالطبيعة الملموسة الكامنة وراء تنبؤات الكموم واستكشاف تفسيرات أخرى لفيزياء الكموم غير تلك الخاصة بمدرسة كوبنهاغن.

إن خصوصية فيزياء الكموم، التي لا يلاحظها المرء في العالم الكلاسيكي، هي مبدأ التراكب. طالما لم يتم قياس خاصية جسم كمومي (موضعه، وسرعته، ودورانه، وما إلى ذلك)، يمكن أن يوجد الجسم في حالة تراكب تقابل قيم مختلفة لهذه الخاصية. من وجهة نظر الشكلية، يمكن للحالة الكمومية للجسيم، على سبيل المثال، أن تلعب العديد من المواقف المختلفة في وقت واحد. توضح قطة شرودنغر الشهيرة هذه الفكرة.

ومع ذلك، من المستحيل مراقبة التراكبات على نحو مباشرا إذ يتم تدميرها عند إجراء القياس. لذلك من غير الواضح ما إذا كان تراكب الحالات موجودًا بالفعل أم أنه مجرد أداة حساب وسيطة. في عام 1962، اقترح الدنماركي كريستيان مبلر والبلجيكي ليون روزنفيلد افتراض أن تراكب الحالات هو كيان حقيقي وبالتالي يساهم في ثني الزمكان (والذي، من جانبه، يظل فريدًا جدًا، بدون تراكب). وهكذا تكهنوا أن طاقة جميع الحالات المكونة للتراكب تعمل على انحناء الزمكان. لكن هذا الاقتراح المقدم من مولر وروزنفيلد يثير صعوبات مفاهيمية. هناك عدة طرق لإبرازها. ما سنقدمه ليس هو الذي تم استخدامه تاريخيًا، ولكنه الأبسط والأكثر عمومية.

التداخل غير المحلي:

لفهم الحجة، يجب أن نعود إلى مقال ألبرت أينشتاين وبوريس بودولسكي وناثان روزين الذي نُشر في عام 1935 حول التشابك المستحيل، وفقًا لهم، استنتج أينشتاين واثنان من المؤلفين المشاركين أن التراكب هو عمل فني للنمذجة، وأنه في الواقع لا يوجد سوى حقيقة واحدة، محددة سلفًا حتى قبل القياس. سيكون الموقف الفائق، الموجود في الشكلية الكمومية، نتيجة لجهلنا فقط. ومن ثم فإنه يفتقد إلى المتغيرات (التي تسمى أحيانًا المتغيرات"المخفية") التي من شأنها تحديد حالة الجسيمات بدقة أكبر. وبالتالي، فإن شكليات فيزياء الكموم ستكون غير مكتملة لأنه يمكن تحسينها، والفشل في تحديد نتيجة محددة مسبقًا.

من ناحية أخرى، إذا كانت النتائج ليست كذلك حيث تم تحديدها قبل القياس، يجب الاعتراف بأن فيزياء الكموم تعني وجود تفاعلات غير محلية، بغض النظر عن المسافة التي تفصل بين الجسيمات، وبالتالي فهي غير مقيدة بالنسبية الخاصة التي تنص على عدم إمكانية نشر أي معلومات بسرعة تفوق سرعة الضوء. وجد أينشتاين هذا الحل غير مقبول. أثبت التاريخ، في شخص جون ستيوارت بيل وآلان أسبكت، أن آينشتاين مخطئ: الطبيعة تتبع تنبؤات الكموم وشخصيتها غير المحلية.

هل عواقب اللامركزية تشكل تهديدًا للنسبية الخاصة؟ الغريب في المظهر فقط. تتآمر معادلات فيزياء الكموم لإبقاء اللامكانية في شكل حميد: إنه أداة لا يمكن استخدامها لنقل المعلومات وبالتالي تظل متوافقة مع النسبية الخاصة.

من ناحية أخرى، إذا استخدم المرء طريقة مولر وروزنفيلد لدمج قوة الجاذبية الكلاسيكية مع فيزياء الكموم، فإن الموقف يصبح مشكلة. يكسر هذا النهج الخطي لمعادلة شرودنغر، وهي معادلة أساسية تحكم التطور الزمني لدالة الموجة لنظام الكموم. في عام 1989، أشار نيكولاس جيزين، وهو فيزيائي من جنيف، إلى أن اللاخطية لها، بشكل عام، نتيجة قاتلة: الانتشار إلى العناصر الرياضياتية الأخرى للنظرية، ويمكن استخدامها لنقل المعلومات. أي الانتقال بأسرع من الضوء. استبعدت هذه الحجة اقتراح ميللر وروزنفيلد وكذلك جميع الأساليب المماثلة.

يصبح السؤال بعد ذلك: هل هناك طريقة لربط الزمكان الكلاسيكي بالمادة الكمومية دون أن تقوض اللاموقعية مبادئ النسبية المقيدة؟ هل هناك أي تعديلات في فيزياء الكموم تتجاوز اعتراض نيكولا جيزين؟ في وقت مبكر من عام 1984، قام نيكولاس جيزين نفسه ببناء نموذج بدائي لتعديل فيزياء الكموم دون كسر النسبية الخاصة، عن طريق إضافة مصطلح عشوائي أساسًا إلى المعادلات. تصور هذا النموذج مسبقًا التعديلات في فيزياء الكموم المعروفة باسم الانهيار الموضوعي في اللغة الإنجليزية أو "الاختزال الديناميكي".

قبل السعي لتطبيقها على الجاذبية، درس الفيزيائيون نماذج الاختزال الديناميكي لحل مشكلة مرتبطة بتراكب الحالات. في مثال قطة شرودينغر، تراكب حالات الذرة له تداعيات على جسم مجهري وحتى على أدوات القياس. ومع ذلك، أكد شرودينغر، أن هذه الظاهرة إشكالية لأن المرء لا يلاحظ التراكبات على النطاق العياني ما فوق الذري. رفض أنصار مدرسة كوبنهاغن هذه الصعوبة بافتراض أن أدوات القياس كانت ذات طبيعة مختلفة، كلاسيكية في جوهرها، وأنهم قاموا تلقائيًا بتقليل التراكبات عند الاتصال بهم. لكن هذا التمييز بين العالم الكمومي وأدوات القياس الكلاسيكية عشوائي، فالأدوات نفسها مصنوعة من الذرات.

اكتشف الفيزيائيون إمكانية إزالة التراكبات ابتداءً من أواخر الثمانينيات، وأن تكون فيزياء الكموم مجرد تقريب لنظرية أكثر جوهرية، حيث يستحيل التراكب على النطاق العياني. سواء كانت مصنوعات حقيقية أو نقية من الشكليات، فإن التراكبات ستبقى محصورة في العالم المجهري. الفكرة هي إضافة مصطلحات إلى معادلة شرودنغر لضمان تقليل التراكبات إلى حالة واحدة عندما يصبح النظام كبيرًا. ومع ذلك، لاحترام ملاحظة جيزين، فإن الطريقة الوحيدة لتعديل المعادلة هي إضافة مصطلحات ذات طبيعة عشوائية: باختيارها بحكمة، فإن المشاكل غير الخطية مثل تلك التي ظهرت في نموذج ميللر وروزنفيلد تعوض وتلغي بعضها البعض. العشوائية تعيد تأسيس الخطية للمعادلة وتزيل إمكانية إرسال الإشارات بسرعة أسرع من الضوء.

أشهر نماذج التخفيض الديناميكي هذه هي نموذج GRW، الذي سمي على اسم الإيطاليين جيانكارلو غيراردي، وألبرتو ريميني وتوليو ويبر، ونموذج DP، من قبل الهنغاريين لاجوس ديوسي والإنجليز. روجر بنروز. في البداية، لم يتضمن أي من هذه النماذج قوة الجاذبية. كان الهدف إذن هو إزالة التراكبات. أثبتت هذه المحاولات أيضًا أنه من الممكن تعديل معادلة شرودنغر مع احترام حد جيزين Gisin: من الضروري ببساطة إضافة المقدار الصحيح من المخاطر.

خلال الخمسة وعشرين عامًا التي أعقبت إدخال هذه النماذج من الاختزال الديناميكي، ظلت فكرة تضمين الجاذبية محل نقاش قليل. اعتقد الفيزيائيون أن التنبؤات سيكون من المستحيل اختبارها تجريبيًا على أي حال. ولكن في حوالي عام 2010، نظر الباحثون في إمكانية استكشاف الطابع الكمومي للجاذبية من خلال تجارب منخفضة الطاقة تستغل بدقة التراكبات الكمومية.

أو حكايات الكوانتوم الغرائبية 7

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

 هل هناك جسر بين عالمين عالم الكوانتوم وعالم النسبية، وكيف تبدو الحدود بين العالمين المجهري والعياني؟ وهل هناك ارتباط بين اللامتناهي في الصغر واللامتناهي في الكبر؟ تتعارض في ذلك عدة نظريات، ومن اجل الاجابة. يضع أحدهم حركة القياس في مركز اللعبة، وآخر، يولي تأثير البيئة أهمية كبرى. يوحي التوطين التلقائي الثالث المستمر أن الاحتمالات الكمومية يتم تخفيضها عشوائيًا لتصبح يقينًا كلاسيكيًا. وتساعد التجارب، المستعارة أحيانًا من علماء الكونيات، على اختبار هذه النظريات المختلفة.

عالم الكموم هو عالم غريب للغاية حيث تسود الاحتمالات. ومع ذلك، ليس هذا هو الحال في واقعنا اليومي، بعيدًا على ما يبدو من هذه الشذوذ. كيف ننتقل من واحد إلى الآخر؟ توجد تجارب جديدة تحاول الإجابة.

يتمتع Imon Groblacher بجنون العظمة. مع فريقه من جامعة Delft للتكنولوجيا في هولندا، لم يتوقف أبدًا عن الرغبة في تنمية إبداعاته! ويعلنها:

"نحن نحاول إنشاء أشياء كبيرة وكبيرة جدًا." لا يزال يتعين علينا الاتفاق على المصطلح ... لأن أحد أعماله لا يتجاوز طوله بضعة ميكرومترات - بالكاد يزيد عن بكتيريا - وسمكه 250 نانومتر، أو واحد على ألف من سمك ورقة. وبالنسبة لهذا الفيزيائي، تعني كلمة "كبير جدًا" "1 ملم × 1 ملليمتر". بالكاد مرئي للعين المجردة! من خلال العمل على هذا المقياس، يأمل هذا العالم في الإجابة عن سؤال غير عادي: هل يمكن العثور على جسم مجهري في مكانين في نفس الوقت؟ هذا الجواب هو في الواقع المعيار للذرات والفوتونات وجميع الجسيمات الأخرى. أكثر من ذلك، في هذا العالم الصغير للغاية، هذا العالم حيث تسود فيزياء الكموم، يتحدى الواقع الفطرة السليمة: الجسيمات ليس لها موقع ثابت أو طاقة وليس لها أي خصائص محددة - على الأقل طالما أن المراقب لا راعيهم انتباهاً، توجد في وقت واحد في العديد من الحالات المتراكبة. لكن لأسباب لا تزال غير واضحة إذا أخذناها، فإن الحقيقة التي ندركها مختلفة. يبدو عالمنا بلا ريب غير كمومي. الأشياء الكبيرة - أي ابتداءً من حجم الفيروس فما فوق - تظهر دائمًا في مكان واحد. اللغز كله موجود هنا: فأي جسم يتكون من مادة وطاقة يخضع لقوانين الكموم، فلماذا لا نختبر الغرابة الكمومية؟ بمعنى آخر، أين ينتهي العالم الكمي وأين يبدأ العالم الكلاسيكي؟ هل هناك فجوة بين الاثنين، عتبة تتوقف عندها التأثيرات الكمومية عن الظهور؟ أم أننا عميان عن ميكانيكا الكموم التي تسود على جميع المستويات؟ في الواقع، إننا "نتجاهل الطبيعة الحقيقية للمادة بين العالمين الجزئي والكلي"، كما يعترف أنجيلو باسي Angelo Bassi، الباحث في الفيزياء النظرية بجامعة تريست بإيطاليا.

لقد تركت هذه الأرض الحرام علماء الفيزياء في حيرة من أمرهم منذ ولادة نظرية الكموم قبل قرن من الزمان. لكن في السنوات الأخيرة، أجرى سايمون جروبلاشر SImon Groblacher وآخرون تجارب حساسة جداً من شأنها كشف أسرار التحول والانتقال من الكمومي على الواقعي اليومي. لا أحد يعلم فيما إذا ستؤتي هذه التجارب أكلها وتقدم ثمارها لكن هناك شيء واحد مؤكد، في تقصيهم لحدود العالم الكمومي الكوانتي، يمكن للعلماء أن يبتكروا مجالاً جدياً في علم الفيزياء. فهناك أحداث حساسة للغاية يمكن أن تكشف أسرار الانتقال من الحياة الكمومية إلى الحياة اليومية. لا أحد يعرف ما إذا كانت هذه الجهود ستؤتي ثمارها، ولكن هناك أمر واحد مؤكد: من خلال التحقيق في الخطوط العريضة غير الواضحة للعالم الكمومي، قد يكتشف الباحثون مجالًا جديدًا بالكامل للفيزياء.

معضلة القياس:

إن مفارقات المقاييس هذه لا تفي بالغرض ولايمكنها أن تمنع ميكانيكا الكموم من أن تكون أقوى نظرية علمية تم تطويرها على الإطلاق. تتزامن وتتوافق تنبؤاتها مع التجارب بدقة عالية تبعث على الدهشة. من خلال إحداث ثورة في فهمنا للتركيب الذري، قامت النظرية الكمومية بتغيير أوجه العلوم، من البيولوجيا إلى الفيزياء الفلكية. فبدون النظرية الكمومية لايشبه عالمنا ما هو عليه الآن، فسوف يكون بدون GPS محدد الإحداثيات الأرضية عبر الأقمار الصناعية الستلايت، ولا هواتف ذكية، ولا ليزر، ومع ذلك تنتاب النظرية نقيصة جلية وملموسة، حسب ستيفن أدلر Stephen Adler، من معهد الدراسات المتقدمة في برينستون في نيوجرسي، لاشيء يحدث في الميكانيك الكمومي أو الكوانتي" فماذا يقصد بذلك؟ يرجع هذا العالم الفيزيائي للمعادلة الجوهرية للنظرية الكمومية التي تتعلق بطبيعة الواقع وماهيته الحقيقية. وهي معادلة " دالة الموجة fonction d’onde، وهي التي تعطي احتمالات لأي سجم يمكن أ، يتواجد في هذه الحالة أو تلك على النقيض من الفيزياء الكلاسيكية النيوتنية حيث للأشياء، التفاح والكواكب وكل شيء آخر، خصائص معروفة ومحددة في حين إن من طبيعة الفيزياء الكمومية الذاتية الملتصقة بها هي أن تكون احتمالية. بعبارة أخرى لايمكننا القول إن الجسيمات الموصوفة بدالة الموجة، موجودة بالفعل حقاً، فليس لديها موقع ولاسرعة ولا طاقة محددة ،فقط احتمالات.

كل شيء يتغير أثناء القياس. عند هذه النقطة، تظهر الخصائص الملموسة، كما لو تم استحضارها بمحاولة بسيطة لمراقبتها. لا تفسر النظرية هذا التحول، ولا لهذا الأمر سبب ظهور إمكانية واحدة بدلاً من واحدة من العديد من الاحتمالات الأخرى. تصف ميكانيكا الكموم ما يمكن أن يحدث عندما يأخذ العلماء القياس، لكن ليس ما سيحدث. بمعنى آخر، لا توفر النظرية آلية تشرح الانتقال من المحتمل إلى المثبت.

من أجل "حدوث الأشياء" في ميكانيكا الكموم، يعتبر أحد مؤسسي النظرية أنه من الضروري وجود خطأ ميتافيزيقي. في أواخر العشرينيات من القرن الماضي، صاغ فيرنر هايزنبيرغ "فكرة أن القياس "يقلل من الحزمة الموجية" للجسيم: العديد من المخرجات والحلول المحتملة تختزل فوراً على نتيجة واحدة مرصودة.

العيب الوحيد في هذه الفكرة هو أن لا شيء يقول في معادلات نظرية الكموم أن الاختزال يحدث. لا توجد عملية فيزيائية معروفة توضح ذلك. يقدم حل هايزنبرغ في الواقع لغزًا جديدًا: ماذا يحدث بالضبط عندما يتم تقليل الحزمة الموجية؟ في الوقت الحاضر، تُعرف هذه المعضلة الكمية باسم "مشكلة أو معضلة القياس".

اعتاد الفيزيائيون على فكرة الاختزال على مدار التسعين عامًا الماضية، لكنهم لم يتبنوها أبدًا. فكرة أن العمل البشري - القياس - يلعب دورًا مركزيًا في واحدة من أكثر النظريات الأساسية لكيفية عمل الكون بالكاد يرضي أي شخص ممن يؤيد مفهوم الواقع الموضوعي المستقل عن القياس والرصد.

إختيار التفسير:

"في الأساس، لدي فكرة مثالية عن ماذا يجب أن تكونه نظرية فيزيائية، كما يقر ستيفن واينبرغ، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء، بجامعة تكساس في أوستن. يجب أن يكون شيئًا لا يشير إلى البشر بأي شكل من الأشكال. يجب أن يكون أساسًا يمكن من خلاله اشتقاق كل شيء آخر - بما في ذلك أي شيء يمكن أن تقوله بشكل منهجي عن الكيمياء أو علم الأحياء أو الشؤون الإنسانية. يجب ألا تبدأ قوانين الطبيعة بعامل بشري. ومع ذلك، لا أرى كيفية صياغة ميكانيكا الكم دون افتراض تفسري يشير إلى ما يحدث عندما يختار الناس لقياس كذا وكذا ". خفة اليد تجعل من الممكن الخروج من مشكلة القياس: إنها تتمثل في افتراض أن ظاهرة الاختزال لا تحدث. في أوائل السبعينيات، اقترح هاينز ديتر زيه Heinz­ Dieter Zeh ، الأستاذ الفخري بجامعة هايدلبرغ بألمانيا ، عملية تعطي مظهر الاختزال مع الحفاظ على التعدد الكم ;lي لدالة الموجة. .

يجادل أنه في العالم الحقيقي، تصبح دالة الموجة لأي جسيم مرصود متشابكة مع أي شيء في بيئته، مما يجعل من المستحيل تتبع التفاعلات الكمومية التي لا تعد ولا تحصى التي تحدث حولها. من الناحية الكمومية، تصبح الدوال الموجية متشابكة، ولا يمكن للمراقب إلا أن يأمل في رؤية جزء صغير من هذا النظام المتشابك الشاسع. وبالتالي، فإن قياسًا معينًا لا يلتقط سوى جزء من العالم الكمومي.

هذه العملية، التي يسميها هاينز ديتر زيه بفك الترابط la décohérence ، تم تبنيها بسرعة من قبل الفيزيائيين لشرح سبب عدم إدراكنا للظواهر الكمومية على المستوى العياني. يصف انهيار دالة موجية سليمة تتضمن جميع الحالات الفيزيائية المحتملة التي يمكن أن يمتلكها الجسيم عندما يتفاعل مع أنظمة الكموم المجاورة الأخرى. إذا كان هذا النموذج صحيحًا، فإننا نعيش في منتصف هذه الشبكة الكمومية المتشابكة التي لا نرى سوى جزء منها.

لا يحل فك الترابط مشكلة القياس لجميع الفيزيائيين. على سبيل المثال، لا يفسر لماذا نرى خيطًا واحدًا من الويب الكمومي وليس الآخر. يوضح مايلز بلينكو Miles Blencowe من كلية دارتموث بالولايات المتحدة: "لا يزال يتعين التذرع بالتخفيض، والذي وفقًا له يجب اختيار إحدى الحالات المتشابكة".

بالنسبة له ولغيره، لا تعكس هذه العملية تجربتنا للأشياء، لا سيما جانبها الزمني. ويضيف: "كيف ننتقل من حالة التشابك إلى تصور للعالم يتطور بمرور الوقت على طول مسار واحد؟" يعتقد العديد من المتخصصين أنه من الضروري المرور عبر الاختزال لإعادة تأسيس هذه الوحدة في العالم أثناء تطوره بدلاً من هذه الشبكة المعقدة التي تستمر في التوسع. ستيفن أدلر أكثر صراحةً بعض الشيء بشأن فك الترابط: "إنه لا يوفر أي آلية [للتقليل] لا يحل المشكلة. قبل ستين عامًا، اقترح طالب في جامعة برينستون حلاً أكثر جذرية لمشكلة الاختزال. في أطروحته عام 1957؛ أوضح هيوغ إيفريت Hugh Everett  أن الدالة الموجية لا تقلل أو تخضع لفك الترابط. على العكس من ذلك، فإن جميع مكوناته حقيقية فيزيائيًا، وتشكل أجزاء من مجموعة من الأكوان ذات التشعبات اللانهائية. أصبحت "نظرية الأكوان المتعددة" هذه شائعة بين علماء الكونيات، الذين لديهم أسباب أخرى للاعتقاد بأننا نسكن في كون متعدد. لكن لم ينجح أي شخص على الإطلاق في اختبار فكرة العوالم المتعددة هذه تجريبيًا وتمييزها عن نظرية الكم القياسية.

الشيء نفسه ينطبق على التفسيرات الأخرى لميكانيكا الكم. سعى الفيزيائي الفرنسي لويس دي برولي Louis de Broglie ، أحد مؤسسي نظرية الكموم، إلى إزالة الحاجة إلى تقليل حزمة الموجة من خلال إدخال مفهوم `` الموجات التجريبية '' التي توجه مسارات الإلكترونات وكل الجسيمات الأخرى.

في هذه النسخة من نظرية الكموم، والتي طورها الفيزيائي الأمريكي ديفيد بوم David Bohm في الخمسينيات من القرن الماضي، لا يوجد اختزال غامض. تُظهر القياسات ببساطة تفاعلات الموجات الدليلية والجسيمات المرتبطة بها. لكن، مرة أخرى، لم يتمكن أحد من إثبات ذلك بشكل تجريبي. إن نظرية الموجات التجريبية لـ Louis de Broglie و David Bohm ، ونظرية Everett متعددة العوالم ، وعشرات الطرق الأخرى لميكانيكا الكم هي في نفس المرحلة.

أخيرًا، يختار الفيزيائيون وصفهم المفضل للواقع بناءً على معايير جمالية. "أعود إلى حقيقة أن لدينا عالمًا واحدًا يتطور، كما يصر مايلز بلينكو Miles Blencowe. لذلك، تحتاج حقًا إلى نوع من الاختزال، وهو أكثر من مجرد قاعدة للنتائج التجريبية، إنها عملية حقيقية جدًا. "

المدينة متكاملة

يمكن وصف مدينة دلفت بأنها نظام كمي متشابك. تتداخل قنواتها البسيطة ومبانيها المبنية من القرون الوسطى في المكان والزمان مع السيارات وراكبي الدراجات ومتاجر الهواتف المحمولة والطلاب الذين يسيرون في نفس الشوارع الضيقة التي كان يعمل بها الرسام يوهانس فيرمير Johannes Vermeer.

يقع مختبر Simon Groblacher سيمون غروبلاشر على بعد 2 كيلومتر تقريبًا جنوب المركز التاريخي و ... إلى مئات السنين في المستقبل! في صباح ربيعي دافئ يظهر للزائر واحدًا من "الكبار جدًا من أحد الإبداعات "الرائعة والعظيمة جدًا" التي قام هو وزملاؤه بتأليفها: غشاء من رتبة الملليمتر، مرتبط بشريحة سيليكون، بالكاد يمكن رؤيته عند بالعين المجردة.

وعند رؤيته عن قرب (أو مكبر إلى حد كبير على ملف ملصق في الردهة)، يشبه الغشاء الترامبولين الصغير. يتكون من نيتريد السيليكونnitrure de silicium، وهو مادة خزفية تستخدم في محرك المكوكات الفضائية، ولها مرآة عاكسة للغاية في وسطها. قد يتسبب اهتزاز أحد المكونات في اهتزاز الغشاء لعدة دقائق. يشرح الفيزيائي أن هذه الأغشية "مذبذبات ممتازة". سيكون الأمر مثل دفع شخص ما مرة واحدة على أرجوحة للتأرجح ذهابًا وإيابًا لمدة عشر سنوات ". على الرغم من أبعاده اللبتونية، فإن الغشاء قوي للغاية. " نخضعه لتوتر شديد الأهمية - من أجل 6 غيغا باسكال، كما يحدد ريتشارد نورتي Richard Norte، أحد المتعاونين مع سيمون غروبلاشر. هذا يعادل حوالي عشرة آلاف ضعف الضغط في إطار دراجة، في شيء بالكاد يبلغ ثمانية أضعاف عرض خيط من الحمض النووي ". هذه المقاومة تجعل الغشاء مثاليًا لدراسة الظواهر الكمومية: يهتز بشكل موثوق في درجة حرارة الغرفة ودون أن ينكسر. ينوي سيمون غروبلاشر وريتشارد نورتي يومًا ما استخدام الليزر لدفع الغشاء إلى حالة التراكب (سيتأرجح الغشاء في وقت واحد عند سعتين مختلفتين). يجب أن تسمح قدرة الغشاء على الاهتزاز لعدة دقائق، من حيث المبدأ، لهذه الحالات الكمومية بالاستمرار لفترة كافية حتى نتمكن من رؤية ما يحدث عندما - أو إذا - يتقلص الغشاء إلى حالة واحدة كلاسيكية. يعلق الغشاء على رقاقة السيليكون قد يهتز لدقائق طويلة. يخطط العلماء لاستخدام الليزر لوضع الغشاء في حالة تراكب كمي: يمكن للغشاء أن يهتز بسعتين مختلفتين في نفس الوقت. يريد الباحثون مراقبة التخفيض المحتمل لحزمة موجات النظام (يعتمد الغشاء على سعة واحدة). في الاختبارات المستقبلية للجهاز يوضح سيمون غروبلاشر: "هذا هو بالضبط ما نحتاجه لإنشاء نظام يحتفظ بخصوصياته الكمية". إنه معزول جيدًا ولا يتفاعل مع بيئته، في خطر التسبب في عدم الترابط المفترض. بمجرد وصولك إلى الحالة الكمومية، يمكنك التحكم في فك تماسكها بالليزر. نأمل في إنشاء تراكب لتذبذبات النظام قريبًا ".

التأخيرات الكمية لا ينوى سيمون غروبلاشر وزملاؤه التوقف عند هذا الحد في نهاية المطاف، إنهم يأملون في وضع كائن حي على الغشاء ثم وضعه، وبالتالي راكبه، في حالة تراكب كمي. المرشحون الرئيسيون لهذه الرحلة الاستكشافية في الفضاء الكمومي هم بطيئات المشية، الكائنات الحية الدقيقة ذات الثمانية أرجل التي يطلق عليها أحيانًا "دببة الماء". "إنها مخلوقات رائعة، متحمسًا لسيمون غروبلاتشر. إنهم يتحملون التبريد الشديد، ودرجات الحرارة المرتفعة، والفراغ العالي ... "ولكن قبل الحصول على بطيئات المشية الكمومية، فإن الخطوة الأولى هي وضع الجهاز الذي لا يسافر في حالة من التراكب.

مع أو بدون بطيئات السير، مثل هذه التجربة ستوفر العلم للفيزيائيين الفرصة لاختبار ما إذا كانت الطبيعة تراقب بطريقة ما التأثيرات الكمومية التي تتجاوز نطاق حجم معين. اقترح بعض الفيزيائيين أن الاختزال هو ظاهرة فيزيائية حقيقية، لها تأثيرات قابلة للقياس. إحدى الأفكار المعروفة باسم "التحديد الموقعي التلقائي المستمر" أو CSL، والذي ينص على أن تقليل حزمة الموجة هو ببساطة حدث عشوائي يحدث باستمرار في العالم المجهري. وفقًا لهذه النظرية، فإن احتمال حدوث أي اختزال للجسيمات أمر نادر للغاية (سيحدث مرة واحدة كل مائة مليون سنة)، ولكن بالنسبة للتجمعات الكبيرة من الجسيمات، يصبح الاختزال مؤكدًا.

يستمر الاتصال المحلي التلقائي:

يجب أن ينتظر بروتون واحد حوالي 1016 ثانية (ما يزيد قليلاً عن 317 مليون سنة) ليخضع لعملية تصغير. لذلك لم يظهر ذلك سوى مرات قليلة في تاريخ الكون "، يشرح أنجيلو باسي. لكن العدد الهائل من الجسيمات في كائن ماكروسكوبي يجعل الاختزال أمرًا لا مفر منه. "إذا اخذت جدولاً يحتوي على عدد من الجسيمات حول Avogadroاعداد افاغادرو من الجسيمات، أي 1024، فان الاختزال يحدث على الفور تقريبًا. >> مع نظرية مثبتة للتوطين التلقائي، لن يلعب القياس والمراقبة أي دور في تقليل الحزمة الموجية. بأي مقياس، يصبح جسيم معين وأداة التسجيل أجزاء من جسم كمي كبير تتقلص حزمته الموجية بسرعة كبيرة. يبدو أن الجسيم ينتقل من تراكب الحالة إلى القيمة الدقيقة لتلك الحالة أثناء القياس، لكن هذا التحول يحدث بمجرد تفاعل الجسيم مع الأداة، حتى قبل القياس. الاختزال الذي يتضح أنه ظاهرة فيزيائية حقيقية سيكون له عواقب عملية مهمة. أولاً، يمكن أن يحد من التكنولوجيا الناشئة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. يعترف أنجيلو باسي: "من الناحية المثالية، نود إنتاج أجهزة كمبيوتر كمومية أكبر من أي وقت مضى". لكننا لم نتمكن من تشغيل الخوارزميات الكمومية لأن الاختزال، الذي لا مفر منه على نطاق واسع، سيدمر كل شيء. " لعقود من الزمان، كان معظم الفيزيائيين ينظرون إلى الاختزال باعتباره جانبًا من جوانب نظرية الكموم لا يمكن الوصول إليه من خلال التجارب. لكن التوطين العفوي مستمر وقد غيرت نماذج الاختزال الأخرى الوضع. يتنبأ التوطين التلقائي المستمر، على سبيل المثال، أن الاختزال ينقل رعشة طفيفة إلى الجسيمات، مما يخلق خلفية اهتزازية في كل مكان ويمكن اكتشافها. يوضح أنجيلو باسي: "في هذا النموذج، يكون الاختزال شيئًا عالميًا للأنظمة الدقيقة والكليّة".

يستمر التوطين التلقائي:

النتيجة لم تفاجئهم. إذا كان الاختزال الكمومي ظاهرة فيزيائية حقيقية، فهو ضعيف جدًا. ولكن إلى أي درجة؟ وضع الفيزيائيون الآن حدودًا دقيقة للغاية للتأثير. كما قاموا بتعقب مظاهر الاختزال في التجارب المصممة لاكتشاف المادة المظلمة - وهي جسيمات افتراضية يُقدر أنها تشكل 85٪ من المادة في الكون. إحدى هذه التجارب، التي تم تركيبها في جبال البرانس الإسبانية، تستخدم كاشفات الجرمانيوم للبحث عن علامات مرور جسيمات المادة المظلمة من خلالها بأقصى سرعة لتوليد وميض الأشعة السينية. لكن لم يتم اكتشاف أي منها حتى الآن. قام علماء فيزياء آخرين، بالبحث عن أدلة في أماكن مدهشة متتبعين حركة الجسيم لرصد الاختزال. على سبيل المثال، قاموا بتمشيط بيانات المعايرة من مرصد موجات الجاذبية بواسطة مقياس عدم انتظام الليزر (Ligo)، وهي أداة قادرة على تسجيل حركات أصغر بـ 10000 مرة من عرض البروتون.

في فبراير 2016، اكتشف Ligo موجة جاذبية لأول مرة. قامت الموجة بتمديد وضغط المساحة بين مرآتين في الموقعين التوأمين للتجربة في واشنطن ولويزيانا. كان هذا التحول بالكاد يبلغ أربعة آلاف من قطر البروتون، وهو ما يتفق تمامًا مع تنبؤات نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين. ولكن في بيانات ليغو ، لم يجد أنجيلو باسي وزملاؤه أي دليل على الحركة الإضافية الناتجة عن الطفرات الكمية الصغيرة التي تنبأ بها ومع ذلك، فإن مرايا مرصد ليغو Ligo الحساسة للغاية لم تتحرك تحت التأثير الاهتزازات الكمومية التي تنبأت بها نظرية التوطين التلقائي المستمر. اختبارات جديدة وأكثر دقة قيد الدراسة. كما قاموا بتعقب مظاهر الاختزال في التجارب المصممة لاكتشاف المادة المظلمة - وهي جسيمات افتراضية يُقدر أنها تشكل 85٪ من المادة في الكون. إحدى هذه التجارب، التي أُجريت في جبال البرانس الإسبانية، تستخدم كاشفات الجرمانيوم للبحث عن علامات مرور جسيمات المادة المظلمة عبرها بأقصى سرعة، مما يؤدي إلى توليد وميض من الأشعة السينية. بنفس الطريقة، قاموا بإنشاء وميض. ولكن لم يتم اكتشاف أي شيء حتى الآن، وقد شددت هذه التجارب إلى حد كبير القيود المفروضة على نماذج الاختزال، ولكن ليس إلى درجة استبعاد المبدأ. في سبتمبر 2017، اكتشف أندريا فينانتي، من جامعة ساوثهامبتون بإنجلترا، مع أنجيلو باسي وثلاثة زملاء آخرين، جنينًا من الأدلة لصالح التوطين التلقائي المستمر. قاموا ببناء ناتئ مصغر (شعاع أفقي صغير متصل بطرف واحد) بالكاد يبلغ طوله نصف ملليمتر وسمكه 2 ميكرومتر، بمغناطيس صغير. قام الباحثون بحماية التثبيت بعناية ضد أي اهتزاز خارجي وقاموا بتبريد الجهاز إلى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق، من أجل القضاء على أي حركة أصلية.

في ظل هذه الظروف ، يهتز الكابولي بشكل طفيف للغاية بسبب الحركة الحرارية لجزيئاته. لكن تبين أن التذبذب كان أكبر من المتوقع. اهتز الكابول ومغناطيسه مثل لوح الغوص على مدى بضعة تريليون من المتر (10-18. تتوافق هذه القيم مع حسابات ستيفن أدلر لتقليل حزمة الموجة.

يتذكر Andrea Vinante قائلاً: "كان من الممكن أن نرى ضوضاء غير مبررة هناك، بما يتفق مع ما نتوقعه من نموذج الاختزال. لكن يمكن أن يخون تأثيرًا لم نفهمه تمامًا ". يعمل مع زملائه على تحسين حساسية التجربة بمعامل لا يقل عن 10 أو حتى 100."يجب أن نكون قادرين على تأكيد وجود حالة شاذة أو، على العكس من ذلك، استبعاد الطابع المثير للاهتمام لما لوحظ". سنة أو سنتين ستكون ضرورية قبل الحصول على بيانات جديدة.

ماذا سيحدث إذا كانت إحدى هذه التجارب العلمية تؤكد ظاهرة الاختزال الكمومي؟ هل سيتم حل مفارقات النظرية؟ يقول إيغور بيكوفسكي من مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية: "إذا كان الاختزال موجودًا بالفعل، فسيتم تقسيم العالم إلى مقاييس مختلفة". خارج نطاق معين، ستكون ميكانيكا الكموم هذه هي النظرية الصحيحة. لكن دون هذا الحد، كل ما نعرفه عن ميكانيكا الكموم سيظل صحيحًا. لذا فإن نفس الأسئلة والتفسيرات الفلسفية ستستمر في شغلنا.

لا يزال هناك العديد من الموجات المستعرضة للإلكترونات والذرات - ولكن ليس للقمر! لذلك لن يؤدي ذلك إلى حل جميع المشكلات، ولكنه سيجعل الأمور أكثر غرابة.

نماذج مثل تلك الخاصة بالتوطين التلقائي المستمر ليست سوى جهود لتوحيد هذين العالمين. على الرغم من أنها ليست نظريات مكتملة التأسيس بعد، إلا أنها يمكن أن تساعد الفيزيائيين في تطوير نموذج أوضح للواقع من النموذج الذي تقترحه ميكانيكا الكم حاليًا.

يعترف ستيفن أدلر: "شخصياً يعتقد أن ميكانيكا الكموم تحتاج إلى القليل من عمليات تجميل الوجه". لا أرى مشكلة في التفكير في الأمر.

ظهرت ميكانيكا نيوتن صحيحة لمائتي عام، بينما لم تكن كذلك. معظم النظريات تعمل في مجال واحد، لكنها تتوقف عن أن تكون كافية لتطبيقها على مجال آخر.

لكن، في الوقت الحالي، يبدو أن ميكانيكا الكموم لا تفي بجميع الاختبارات. ينفي العلماء ذلك ويقولون نحن لا نواجه أي أزمة. المشكلة كلها موجودة في الماضي! كما صرخ ستيفن واينبرغ. وواصل القول"، حققنا تقدمًا مستمرًا عندما واجهت النظريات القائمة صعوبات. لكن لا يوجد شيء مثله في ميكانيكا الكموم. لا يتعارض مع الملاحظات. المشكلة هي أنه يفشل في إرضاء الأفكار الفلسفية المسبقة والرجعية لأشخاص مثلي. "

في كلتا الحالتين، لا يهتم معظم العلماء بغرابة ميكانيكا الكموم. استمروا في استخدام النظرية في أجهزتهم التجريبية، أو مصادمات الذرة أو كاشفات المادة المظلمة، ونادرًا ما يتوقفون عن التفكير فيما تقوله ميكانيكا الكموم - أو لا تقوله - فيما يتعلق بالطبيعة. وتعريفها للواقع.

يقول ستيفن واينبرج: "يعتقد أن غالبية الفيزيائيين يتمتعون بموقف صحي للغاية، من خلال الاستمرار في استخدام النظرية، ودفع حدود معرفتنا، وترك الأسئلة الفلسفية للأجيال القادمة. " هناك عدد من الإدخالات، ومع ذلك، لا تحسب. وعلينا أن نتظر طويلا. يعلق أنجيلو باسي قائلاً: "سيخبرك البعض أن ميكانيكا الكموم علمتنا أن العالم غريب وأنه يجب علينا قبوله". أنا أرفض القيام بذلك. إذا كان هناك شيء غريب، فنحن بحاجة إلى التأكد من فهمنا له بشكل أفضل.

....................

 مصادر

A. VINANTE ET AL. ، اختبار غير متداخل محسّن لنماذج الانهيار باستخدام ناتئ فائق البرودة ، رسائل المراجعة الفيزيائية ، المجلد. 119، المادة 110401، 2017.

R. NORTE ET AL. ، الرنانات الميكانيكية لتجارب ميكانيكا البصريات الكمومية في درجة حرارة الغرفة ، رسائل المراجعة الفيزيائية ، المجلد. 116،

فن. 147202، 2016.

H. C. VON BAEYER ، الغرابة الكمية ، مجرد انطباع؟ للعلم

عدد 435 لسنة 2013.

أو حكايات الكوانتوم الغريبة 6

ترجمة وإعداد د. جواد بشارة

رؤية علمية تترسخ ويتم التركيز عليها أخيرًا، كنتيجة تجريبية مهمة، علماً بأن الكثير بالنسبة للجاذبية الكمومية يأتي من علم الكونيات:

مهما كانت الصياغة الصحيحة لنظرية الجاذبية الكمومية، فهي على أي حال تبقى نظرية في مجال الثقالة الكمومية! لذلك سوف ترث الصعوبات المفاهيمية لفيزياء الكموم، والتي قد تتفاقم. لأنها ليست فقط الجسيمات التي يمكن العثور عليها في تراكب الحالات أو في التشابك، ولكن أيضًا في هندسة الزمكان نفسه.

حول السؤال عن أي تفسير لفيزياء الكموم هو الأنسب للجاذبية أو الثقالة الكمومية، كما هو متوقع، ينقسم المنظرون فيما بينهم. فهناك فكرة العوالم المتعددة التي تحظى بشعبية لدى البعض مثل "كورديستس"، في حين أن فكرة أن فيزياء الكموم تكشف عن بنية علائقية للواقع يفضلها مؤيدو النظرية الحلقية، وهي أقرب تاريخيًا إلى النسبية العامة، التي لديها بالفعل محتوى "علائقي" قوي.

يستكشف عدد صغير من المنظرين أيضًا فكرة أن العلاقة بين المشكلتين قد تكون أعمق. على سبيل المثال، اقترح الفيزيائي والرياضي البريطاني روجر بنروز أن الاختزال الديناميكي قد يكون ظاهرة من أصل الجاذبية. تستند هذه الفكرة إلى حقيقة غريبة ومثيرة للاهتمام: إن مقياس الطول المرتبط بشكل طبيعي بالجاذبية الكمومية ("طول بلانك") صغير للغاية ومقياس الطاقة (! "" طاقة بلانك ") كبير للغاية، ولكن مقياس الكتلة المرتبط بشكل طبيعي بالجاذبية الكمومية ("كتلة بلانك") هو في حدود ميكروغرام، وهي قيمة قريبة بشكل غريب من تلك التي تميز الأنظمة "الصغيرة" (حيث التأثيرات الكمومية واضحة) عن الأنظمة "الكبيرة"، مع السلوك الكلاسيكي، وليس الكمومي. هل هذه مصادفة أم تلميح إلى ارتباط عميق بين الجاذبية ومشكلة تفسير فيزياء الكموم؟ نحن لا نعرف حتى الآن.

جيل جديد من الخبرات:

يمكن أن تأتي القرائن المفيدة من التجارب المعملية التي هي قيد الدراسة ويمكن إجراؤها في المستقبل القريب. اقترحت ثلاثة فرق مؤخرًا بروتوكولات تختبر الطبيعة الكمومية لقوة الجاذبية. المجموعة حول ماركوس أسبيلماير، من جامعة فيينا ، النمسا ، وسوغاتو بوس ، من الكلية الجامعية ، لندن ، وبشكل مستقل كيارا مارليتو وفلاتكو فيدرال من جامعة أكسفورد ، وهي تجارب قادرة على إثبات تراكب كمومي لاثنين من الأشكال الهندسية المختلفة للزمكان.

تكمن الفكرة في ملاحظة التشابك الكمومي لجسيمين بعد وضع كل منهما في تكوين يكون تراكبًا كموميًا لموقعين مختلفين. بعد ذلك يحدث التشابك بسبب التراكب الكمومي لنسختين من هندسة الزمكان، بسبب المواضع المختلفة للجسيمات.

إذا كانت التجربة ستظهر تلك المساحة لا يمكن للزمن أن يضع نفسه في وضع الكمومي الفائق للحالات، وهذا من شأنه أن يشير إلى علاقة جديدة وعميقة بين الجاذبية والكموم، وربما كان امتداداً للأفكار التي اقترحها روجر بنروز. على العكس من ذلك، في الحالة التي نعتقد أنها الأكثر احتمالية، لوحظ تأثير التشابك، فإن هذا من شأنه أن يشهد على أن عالمنا ليس مرسومًا على قماش في مساحة زمنية معينة: سيكون كذلك نفسه يخضع لألغاز فيزياء الكموم.

لا يوجد مخرج للتشابك:

اعتقد أينشتاين أن التشابك الكمومي قد تم تفسيره من خلال وجود متغيرات خفية تحترم مبدأ المحلية la localité. لكن الأمر ليس كذلك. التجارب الحديثة أثبتت العكس. في عام 1964، قام عالم الفيزياء جون بيل بتجربة باتت شهيرة وارتبطت باسمه أظهر فيها كيفية اختبار طبيعة التشابك الكمومي، وهي ظاهرة يحتفظ بها جسيمان بوصلة "شبحية" حتى عندما يكونان بعيدان عن بعضهما البعض بمسافة بعيدة جداً.

كان التشابك بالنسبة لأينشتاين، دليلًا على أن فيزياء الكموم غير مكتملة: "فالمتغيرات المخفية المحلية" تفسر هذه الظاهرة، كما كان يعتقد. قامت عدة فرق اختبار بتنفيذ تجربة بيل. بدت النتائج تؤكد رفض فرضية المتغيرات الخفية التي تذرع بها آينشتاين وأكدت تنبؤات فيزياء الكموم. لكن هذه التجارب كانت بها عيوب (أو "ثغرات")، والتي لم تقضي تمامًا على فرضية المتغيرات الخفية التي صارت تعمل خلف الكواليس. أخيرًا، في عام 2015، أجرت عدة مجموعات اختبارات بيل الأولى دون أي ثغرة، والتي استبعدت بشكل قاطع أي تفسير بواسطة المتغيرات المخفية المحلية.

بعض الثورات تبدأ بهدوء. كان هذا هو الحال مع الحالة التي بدأت في عام 1964، عندما شرح الفيزيائي الأيرلندي الشمالي جون بيل، ثم في CERN، كيفية الإجابة عن سؤال عميق كان يشغل بال مؤسسي الفيزياء الكمية إلى حد كبير. إنها مسألة معرفة ما إذا كانت الجسيمات التي تفصل بينها مسافات كبيرة تحتفظ بوصلة أو اتصال بينها بحيث تؤثر القياسات التي يتم إجراؤها على أحدهما على الآخر على الفور. في الفيزياء الكلاسيكية، مثل هذا التأثير مستحيل، لأنه لا توجد إشارة يمكن أن تنتشر بسرعة أسرع من سرعة الضوء. ولكن في إطار نظرية الكموم، يبدو أن هذا هو الحال. بفضل التفاوتات الرياضية التي وجدها، فتح بيل إمكانية التحقيق في طبيعة هذا الرابط.

بعد خمسين عامًا، غيّرت أفكار بيل بشكل عميق نظرتنا إلى نظرية الكموم. وقد ألهم اختبار بيل علماء الفيزياء لابتكار تقنيات جديدة. ومع ذلك، لم يتمكن العلماء حتى عام 2015 من التحقق من تنبؤات نظرية بيل بأكثر طريقة شمولية ممكنة. تمثل هذه التجارب نهاية بحث طويل وبداية حقبة جديدة في تطوير التطبيقات الكمومية.

لفهم ما فعله بيل، دعنا نعود إلى جذور فيزياء الكموم، النظرية التي تصف سلوك الضوء والمادة في أصغر المقاييس. أحد الاختلافات الرئيسية هو أن الذرات والإلكترونات والجسيمات دون الذرية الأخرى توجد في حالات مميزة بختم عدم اليقين.

مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج:

قد شكل مبدأ الارتياب لهايزنبرغ جدلا بين أكبر تيارين في الفيزياء الحديثة وهما تيار أينشتاين المؤمن بالحتمية فقط والرافض للإحتمالية ، وعبر عن ذلك أينشتاين بمقولته الشهيرة " إن الإله لا يلعب النرد بهذا الكون "....والتيار الثاني هو تيار نیلز بور مؤسس الكم والمؤمن بالإحتمالات وقوة الرياضيات والذي أرسل لأينشتاین قائلا : " لا تخبر الإله عما يجب عليه فعله "...وانتهى هذا الجدل بمؤتمر سولفاي الشهير : عندما تمكن علماء الكوانتم من إثبات صحة معادلاتهم و تنبؤاتهم ، إلا أن أينشتاين ظل رافضاً لفكرة الإحتمالية الخاصة بعالم ميكانيكا الكموم حتى وفاته..!!

وقد وصف هايزنبرغ مبدأه بقوله:

" إن عدم استطاعتنا معرفة المستقبل لا تنبع من عدم معرفتنا بالحاضر ، وإنما بسبب عدم استطاعتنا معرفة الحاضر " ، وذلك كريم على المقولة السائدة : " أنه يمكننا معرفة المستقبل إذا عرفنا الحاضر بدقة «. ومعنى ذلك أنه مهما تطورت وسائل القياس والرصد لدينا لن نتمكن من الوصول لفهم كامل وشامل للطبيعة حولنا دوما هنالك مقدار من عدم الدقة وعدم التأكد...!!

أي عدم التأكد في دقة الموقع مضروبة في عدم التأكد في كمية الحركة (الزخم): لا بد أن يكون أكبر من المقدار h ثابت بلانك: أي أن حاصل ضربهما لا يمكن أن يكون صفرة وهذه النتيجة التي أدهشته وأدهشت الجميع.....في النهاية تقول ميكانيكا الكم أنه من المستحيل الحصول على قياسات تامة: فلم يعد بمقدور الفيزيائيين أن يعطوا توصيفة حتمية للأحداث الذرية وما دونها؛ بل مجرد تنبؤات احتمالية، وفي هذا كسر للاعتقاد العلمي السائد بأن المعرفة البشرية قادرة على التنبؤ الدقيق بمصير الكون من الذرة إلى المجرة: ومبدأ هايزنبرغ هو حقيقة تفسير طبيعة الوجود فقط......!!

 لنعد إلى تجربة جون بيل ونأخذ على سبيل المثال مشكلة دوران الإلكترون، وهي خاصية كمومية بحتة تقابل الزخم الزاوي الداخلي. إذا مر إلكترون ذو دوران أفقي من خلال مجال مغناطيسي موجه عموديًا، فإن الدوران يميل لأعلى مع احتمال 50٪، ولأسفل مع احتمال 50٪، والنتيجة تكون عشوائية بطبيعتها.

قارن ذلك بعملة رميت حولها. نحن نميل إلى الاعتقاد بأن رمي العملة هو أمر عشوائي أيضًا، ولكن إذا عرفنا بدقة كتلة العملة المعدنية، والقوة المستخدمة لرميها، وتفاصيل المسودات التي ضربتها ... يمكننا التنبؤ كيف ستسقط العملة. ينشأ الطابع العشوائي في هذه الحالة من نقص المعلومات عن النظام.

خطر أساسي:

بالنسبة لدوران الإلكترون، إنها مسألة أخرى كاملة. على الرغم من أننا نعرف جيدًا جميع خصائص الإلكترون ودورانه قبل أن يمر عبر المجال المغناطيسي، فإن عدم اليقين الكمومي يمنعنا من التنبؤ بالاتجاه الذي سينقلب فيه الدوران. مع الدوران الأفقي الأولي، يكون الإلكترون في تراكب متساوٍ للوزن لحالات الدوران "العالية" و "المنخفضة". إذا تم إجراء قياس على الإلكترون على طول المحور الرأسي، فإن هذا التراكب يتوقف عن الوجود: يتم تقليله إلى أحد شروطه ويتم الحصول على نتيجة فريدة؛ نقيس دوران موجه لأعلى أو لأسفل. عندما طور الفيزيائيون نظرية الكموم في بداية القرن العشرين، أصيب بعض مؤسسيها، مثل ألبرت أينشتاين وإروين شرودنغر، بالحرج من ضبابية الحالات الكمومية. ووفقًا لهم، لا يمكن أن تكون الطبيعة غامضة حقًا، ونظرية؛ تجاوز فيزياء الكموم يجب أن يتنبأ بدقة بسلوك الجسيمات. سيكون من الممكن بعد ذلك التنبؤ بنتيجة قياس دوران الإلكترون بنفس الطريقة التي يمكن بها معرفة كيفية سقوط قطعة نقود إذا كان لديك معلومات كافية.

والأكثر إثارة للدهشة، أن تراكب الحالات يمكن أن يمتد على جسيمين أو أكثر، وهي ظاهرة أطلق عليها شرودنغر "التشابك"intrication. فوفقًا لنظرية الكموم ، يمكن أن تتشابك خصائص الجسيمات بطريقة تجعل قيمتها الإجمالية معروفة جيدًا ، لكن القيم الفردية تظل غير مؤكدة تمامًا - تمامًا مثل وجود نردين خاصين ، عند رميهما ، سيعطي كل منها نتيجة عشوائية ، لكن مجموعها دائمًا يساوي 7.

حلل آينشتاين وبوريس بودولسكي وناثان روزين عواقب التشابك ونشروا مقالًا في عام 1935 استنتجوا فيه أن نظرية الكموم غير مكتملة. اقترحوا أنه سيكون من الممكن حل هذا التناقض من خلال استكمال النظرية بمتغيرات إضافية لا يمكن الوصول إليها من قبل أليس وبرنارد (نتحدث عن المتغيرات المخفية). بمعنى آخر، ستكون هناك نظرية أكثر جوهرية من فيزياء الكموم حيث تتمتع الإلكترونات بخصائص إضافية. سيصف هذا كيف تتصرف الإلكترونات عند قياسها معًا. إذا كان لدينا طرقة للوصول إلى هذه المتغيرات المخفية، يمكننا أن نضحك على توقع ما سيحدث للإلكترونات. وبالتالي فالضبابية الظاهرة للجسيمات الكمومية هي نتيجة جهلنا. لتعيين هذا التخلف المحتمل لفيزياء الكموم، نتحدث عن "نظرية محلية ذات متغيرات خفية". يشير المصطلح "محلي" إلى حقيقة أن الإشارات المخفية لا يمكن أن تنتشر أسرع من الضوء. بالنسبة للمدافعين عن فيزياء الكموم ، مثل الدنماركي نيلز بور ، كانت نظرية الكموم كاملة ولم يخلق التشابك تناقضًا ، معتبرين أن فيزياء الكموم ليست محلية بطبيعتها. لم يشكك أينشتاين في تنبؤات فيزياء الكموم نفسها، بل كان يعتقد أن هناك حقيقة أعمق تحكم الواقع. بعد مقال EPR لعام 1935، انخفض الاهتمام بهذه الأسئلة الأساسية التي طرحتها فيزياء الكموم. كان يُنظر إلى إمكانية وجود متغيرات خفية على أنها مسألة فلسفية ليس لها أهمية عملية، حيث كان يعتقد أن تنبؤات النظريات مع أو بدون المتغيرات المخفية ستكون هي نفسها. لكن كل هذا تغير في عام 1964، عندما أظهر بيل أنه في ظل ظروف معينة تختلف تنبؤات النظريات المتغيرة الخفية عن تلك الخاصة بفيزياء الكموم. سيكون من الممكن اختبار ذلك من خلال تجربة ما إذا كانت المتغيرات الخفية موجودة وتشرح التشابك الكمومي.

أعاد بيل النظر في التجربة الفكرية للثلاثي آينشتين بودولسكي روزين EPR ، ولكن مع القليل من التغيير في اللعبة: فقد سمح لأليس وبرنارد بقياس دوران إلكترونات كل منهما في أي اتجاه. في التجربة الفكرية الأولية، قام Alice و Bernard بقياس الدوران على طول نفس المحور، وبالتالي عثروا على نتائج مضادة 100٪: وبالتالي، بالنسبة للمحور الرأسي، إذا كانت Alice "عالية"، فإن Bernard لا يزال يقيس " على نحو منخفض، والعكس صحيح. من ناحية أخرى، إذا قاس كل من أليس وبرنارد على طول محاور مختلفة، فإن الارتباطات بين النتائج تكون أكثر تعقيدًا، وهنا تظهر الاختلافات بين نظرية الكموم والنظريات المتغيرة الخفية.

أظهر بيل أنه بالنسبة لمجموعات معينة من الاتجاهات، ستكون الارتباطات بين قياسات أليس وبرنارد أقوى في فيزياء الكموم مقارنة بأي نظرية محلية ذات متغيرات خفية. رياضياتياً، يتم التعبير عن هذه الاختلافات من خلال مبدأ l’inégalité de Bell"عدم مساواة بيل". إنها ترجع إلى حقيقة أن المتغيرات المخفية لا يمكن أن تؤثر على بعضها البعض بشكل أسرع من سرعة الضوء، وبالتالي فهي أقل كفاءة في تنسيق جهودهم: تكون العلاقات المتبادلة محدودة. في فيزياء الكموم، توجد سبينات الإلكترونات المتشابكة معًا في حالة واحدة يمكن أن تمتد لمسافات طويلة. بفضل التريث، تتنبأ نظرية الكموم بارتباطات أقوى تصل إلى 40٪ من تلك الموجودة في النظريات ذات المتغيرات الخفية. وهكذا توفر نظرية بيل التفاوتات التي تشكل حداً أعلى للارتباطات التي يمكن أن توجد في أي نظرية محلية ذات متغيرات خفية. إذا تجاوزت البيانات التجريبية هذا الحد (إذا كانت "تنتهك" عدم مساواة بيل)، فهذا يعني أن النظريات ذات المتغيرات الخفية لا تصف الطبيعة.

بعد وقت قصير من نشر بيل لنتائج تجاربه، وجد الفيزيائي جون كلاوزر من جامعة كاليفورنيا في بيركلي وزملاؤه تفاوتات مماثلة، ولكن من السهل اختبارها في التجارب. أخذ الباحثون القياسات الأولى في أواخر الستينيات، ومنذ ذلك الحين اقتربت التجارب بثبات من الجهاز المثالي الذي اقترحه بيل. وجدت التجارب ارتباطات تنتهك مبدأ عدم مساواة بيل، مما أدى إلى القضاء على النظريات المحلية ذات المتغيرات الخفية. ولكن حتى عام 2015، كانت كل هذه التجارب تستند إلى فرضية مخصصة واحدة أو أكثر بسبب عيوب في الأنظمة. احتوت هذه الفرضيات على عيوب يمكن للنظريات المحلية ذات المتغيرات المخفية استغلالها من حيث المبدأ لاجتياز الاختبار.

في كل تلك التجارب تقريبًا في القرن العشرين، أنتج العلماء فوتونات متشابكة من مصدر، وأرسلوها إلى محطات قياس (تمثل أليس وبرنارد)، وسجل الأخير استقطاب فوتون واحد من الزوج، أي الاتجاه الذي يتذبذب فيه المجال الكهربائي للفوتون، ثم قام الباحثون بعد ذلك بحساب متوسط الارتباطات بين نتائج المحطتين وفحصوا ما إذا كان مبدأ عدم المساواة لدى بيل قد تم احترامه أو انتهاكه.

في التجارب الأولى، أجريت القياسات في اتجاهات ثابتة. في هذه الحالة، كان هناك وقت للتفاعل بين الأجهزة وإنشاء ارتباطات محتملة. بعبارة أخرى، تخبر الإشارات المخفية برنارد، دون الحاجة للسفر بأسرع من الضوء ، بالاتجاه الذي كانت تستخدمه أليس لقياس فوتونها.

هذه "ثغرة محلية":

يعني أن النظرية المحلية ذات المتغيرات المخفية ستحصل على نفس الارتباطات مثل نظرية الكموم.

في عام 1982، أجرى آلان أسبكت Alain Aspect، من معهد البصريات، أورساي وزملاؤه اختبارًا مُحسَّنًا تم فيه إرسال الفوتونات إلى طرفي غرفة. بينما هذه الفوتونات المتشابكة كانت في حالة طيران، وهي زاوية بولا حيث يتغير حجم جهاز القياس بشكل دوري. في أواخر التسعينيات، أتقن أنطون زيلينجر، الذي يعمل حاليًا في جامعة فيينا، وفريقه هذه الإستراتيجية باستخدام اتجاهات استقطاب عشوائية حقًا (وليس دورية فقط) للقياس تم تحديدها قبل إجراء القياسات. إذا كانت الإشارات المخفية موجودة، يجب أن تنتشر أسرع من الضوء للتأثير على هذه القياسات. تم إغلاق الثغرة المحلية بإحكام.

لكن هذه التجارب كان لها عيب كبير: من الصعب العمل مع الفوتونات، الجسيمات التي يمكن أن تضيع أثناء الطيران أو ببساطة لا يمكن رؤيتها بواسطة أجهزة الكشف. في معظم الأوقات، لا يعطي القياس أي نتيجة، لأن الفوتونات ضاعت في الطريق. أُجبر المجربون على استبعاد القياسات الفاشلة وافترضوا أن القياسات الناجحة كانت ممثلة لجميع الأزواج المتشابكة ("افتراض أخذ العينات غير المتحيز"). بدون هذا الافتراض، من المستحيل ضمان أن إضافة الفوتونات المفقودة لا تعطي نتيجة متوافقة مع نظريات المتغيرات الخفية. وصار من الملزم التخلص من الفشل، لذلك لقد ألغى العلماء هذا الهروب في ساحة الكشف في بداية هذا القرن، من خلال التخلي عن الفوتونات لصالح أنظمة أخرى متشابكة ومقاسة ذات كفاءة جيدة: الأيونات والذرات والدوائر فائقة التوصيل. تكمن المشكلة في أنه في هذه الحالات، تتطلب القيود التقنية أن تكون الجسيمات قريبة جدًا من بعضها، مما ترك خطأ الموقع مفتوحًا. اختبار الانذار للجميع أصبح اختبار بيل الذي يتم فيه إغلاق جميع الثغرات والذي بات أحد أكبر تحديات علم الكموم.

بفضل التقدم في التحكم في الأنظمة الكمومية وقياسها، أصبح من الممكن في عام 2015 إجراء اختبار Bell بجهاز مثالي، اختبار Bell بدون ثغرة. في الواقع، في أي وقت من الأوقات، وجدت أربع مجموعات مختلفة من الفيزيائيين نتائج تنتهك عدم مساواة بيل مع إغلاق كلتا الثغرتين. وهكذا قدمت هذه التجارب أدلة لا جدال فيها تدحض النظريات المحلية بمتغيرات خفية.

الاتصالات بواسطة التشابك  INTRICATION:

أحد العلماء (رونالد هانسون) لديه تأثير قتل مع زملائه أول تجربة لسد الثغرات في جامعة دلفت للتكنولوجيا بهولندا. يقول هانسون:" لقد تسببنا في تشابك دوران إلكترونين كل منهما موجود في عيب بلوري من الماس، أي في موقع مفقود فيه ذرة كربون. كان الإلكترونان المتشابكان في المختبرات على جانبي الحرم الجامعي، وللتأكد من عدم وجود اتصال ممكن بين الاثنين، استخدمنا مولد أرقام عشوائي سريع لتحديد اتجاه القياس. تم الانتهاء من هذا القياس وتسجيله محليًا على قرص صلب. لم يكن لدى من قبل أدنى معلومات حول القياس على الجانب الآخر وقت للوصول، حتى في سرعة الضوء. إشارة مخفية تشير إلى أحد أجهزة القياس إلى الاتجاه الذي يستخدمه الآخر لم يكن لديه وقت للقيام بالرحلة بين المختبرين: وهكذا تم التحكم في الخطأ المحلي بالكامل.

جعل هذا التوقيت الصارم من الضروري فصل الإلكترونين بأكثر من كيلومتر واحد، وهي مسافة تزيد بمقدار أمرين عن الأرقام القياسية العالمية السابقة للجسيمات المتشابكة. كيف تشابك الإلكترونات على هذه المسافة؟ استخدمنا تقنية تسمى la téléportation de l’intraction "النقل الآني للتشابك"، حيث نبدأ بربط كل إلكترون بفوتون. ثم نرسل الفوتونات للقاء بعضها البعض، في منتصف المسافة بين المختبرين. ينتهي بهم الأمر على مرآة شبه عاكسة حيث وضعنا أجهزة الكشف على كل جانب. إذا اكتشفنا الفوتونات على جانبي المرآة، فإن لفات الإلكترونات المتشابكة مع كل فوتون نفسها تصبح متشابكة. بمعنى آخر، من خلال التشابك بين الإلكترونات والفوتونات، يتم نقل النغمات إلى كلا الإلكترونين.

غالبًا ما تفشل عملية النقل هذه، حيث تضيع الفوتونات بين الماس والمرآة، كما في التجارب السابقة. لكننا نجري اختبار بيل فقط إذا تم اكتشاف الفوتونين؛ وبالتالي، فإننا نتعامل مع فقدان فوتونات المنبع. بهذه الطريقة نزيل عيب الكشف، لأننا لا نستبعد أي نتائج من اختبارات بيل على الإلكترونات المتشابكة. وبالتالي، فإن فقدان الفوتونات المرتبطة بمسافة الفصل الكبيرة لا يحد من جودة التشابك، ولكنه، من ناحية أخرى، يقلل بشكل كبير من عدد الأحداث المتاحة لنا لاختبار بيل. بعد عدة أسابيع من القياسات في يونيو 2015، وجدنا أن عدم مساواة بيل قد انتهكت بنسبة 20٪، بالاتفاق مع تنبؤات نظرية الكموم. كان احتمال الحصول على مثل هذه النتيجة بالصدفة في إطار نموذج بمتغيرات مخفية محلية (وبافتراض أن الأجهزة تآمرت باستخدام جميع البيانات المتاحة) كانت النسبة 3.9٪. في جولة ثانية من القياسات في ديسمبر 2015، وجدنا معدلًا مشابهًا لانتهاك عدم المساواة في بيل. في نفس العام، أجرت ثلاث مجموعات أخرى اختبارات بيل لعدم الهروب. في سبتمبر، استخدم فريق المعهد الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) بقيادة أحد علماء الفريق وهو(كريستر شالم) وفريق أنتون زيلينجر، فوتونات متشابكة. بعد فترة وجيزة، استخدم هارالد فينفورتير Harald Weinfurter من جامعة Ludwig-Maximilian في ميونيخ وزملاؤه ذرات الروبيديوم التي تفصل بينها مسافة 400 متر في بروتوكول مشابه لتلك الخاصة بمجموعة رونالد هانسون. من ثم قامت فرق من المعهد القومي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) وفيينا بتشبيك حالات الاستقطاب لفوتونين باستخدام أشعة ليزر مكثفة موجهة إلى مادة بلورية معينة. نادرًا جدًا (مرة واحدة تقريبًا لكل مليار فوتون يدخل البلورة)، يتفاعل الفوتون المنبعث من الليزر بطريقة معينة، مما أدى إلى ظهور زوج من الفوتونات التي كانت حالات الاستقطاب فيها متشابكة. باستخدام ليزرات قوية بما يكفي، أنتج الباحثون عشرات الآلاف من أزواج الفوتونات المتشابكة في الثانية. ثم تم إرسال هذه الفوتونات إلى محطات منفصلة 184 متراً في تجربة NIST، و60 مترًا في تجربة فيينا) حيث تم قياس حالات الاستقطاب. تم تحديد اتجاه القياس خلال وقت طيران الفوتونات، مما أدى إلى القضاء على خطأ الموقع. بالنسبة لعيب الاكتشاف، كان لا بد من استعادة أكثر من ثلثي الفوتونات المتشابكة للتأكد من وجود عينة تمثيلية. في NIST، قام العلماء المختبرون بتطوير كاشفات الفوتون الفردي عالية الأداء المصنوعة من مواد فائقة التوصيل الباردة. هذه المستشعرات قادرة على رصد أكثر من 90٪ من الفوتونات التي تصل إليها. وهكذا تمت إزالة الخلل في الكشف. بتكرار هذه القياسات أكثر من 100000 مرة في الثانية، قاموا بسرعة بتجميع نتائج إحصائية مهمة حول الارتباطات بين حالات الاستقطاب للفوتونات؛ كانت الارتباطات الملاحظة في التجربتين أقوى بكثير من تلك التي تنبأت بها النظريات ذات المتغيرات الخفية. في الواقع، فإن احتمال أن تكون نتائج NIST هي نتيجة الصدفة هو في حدود مليار من المليار، والفرص أقل مع تجربة فيينا. اليوم، تستخدم مجموعة NIST نسخة محسّنة من الجهاز لانتهاك عدم مساواة بيل بدرجة مماثلة في أقل من دقيقة، وستؤدي التحسينات المتوقعة إلى زيادة تسريع العملية بمقدار ضعفين. تجبرنا هذه التجارب على الاستنتاج

أن جميع النماذج ذات المتغيرات الخفية، مثل تلك التي يدعمها أينشتاين، غير متوافقة مع الطبيعة. إن الارتباطات التي لاحظناها بين الجسيمات تتحدى حدسنا، وتبين لنا أن الفعل الوهمي عن بعد يحدث بالفعل.

تبرز النتائج أيضًا القوة الرائعة للتشابك للتطبيقات الممكنة. على المدى القصير، فإن أحد المواقف التي قد تكون فيها اختبارات بيل الخالية من العيوب مفيدة هو توليد أرقام عشوائية. تعتمد العديد من تقنيات التشفير على القدرة على توليد أرقام عشوائية. ومع ذلك، من الناحية العملية، من الصعب إنتاج هذا الأخير. مولدات الأرقام العشوائية بعيدة كل البعد عن الخطأ، وإذا كان من الممكن توقع الأرقام التي تنتجها، فإن العديد من الأنظمة المالية وأنظمة الاتصالات ستكون في خطر. لذلك فإن وجود مصدر جيد للأرقام العشوائية له أهمية حاسمة. الاستخدام الأكثر شيوعًا للخوارزميات أو العمليات الفيزيائية هو إنشاء أرقام عشوائية. باستخدام الخوارزميات، إذا عرفنا المعلمات المستخدمة كقيم أولية، فمن الممكن غالبًا التنبؤ بالنتيجة. مع العمليات الفيزيائية، يلزم فهم مفصل للفيزياء الأساسية للنظام. يكفي أن تهرب منك أو تتسلل هذه التفاصيل، وسرعان ما سيستغل القرصان هذه الثغرة. تاريخ الكريبتوغرافي، علم فك الشفرات، مليء بأمثلة لمولدات الأرقام العشوائية من كلا النوعين التي تم كسرها.

إن فيزياء الكموم نعمة لهذه التطبيقات. فمن الممكن "استخلاص" الفرصة الكامنة في العمليات الكمومية من أجل إنتاج أرقام عشوائية حقيقية. يمكننا تحويل الارتباطات المقاسة في اختبار بيل بدون ثغرة إلى سلسلة من الأرقام العشوائية. في عام 2018، استخدم فريق NIST أجهزتهم لإنتاج 1024 بتًا عشوائيًا حقًا من 10 دقائق من البيانات التجريبية. يضمن انتهاك بيل لعدم المساواة أن سلسلة البت عشوائية.

من الممكن تحديد مدى قوة النظام: هناك احتمال واحد من كل 1 تريليون أن سلسلة بت NIST ليست عشوائية تمامًا. وبالمقارنة، قد يستغرق مولد الأرقام العشوائية التقليدية عدة مئات الآلاف من السنين للحصول على بيانات كافية لضمان مثل هذه الجودة من العشوائية. يعمل الباحثون الآن على تطوير أداة عامة: سيكون المولد بمثابة مصدر مرجعي للأرقام العشوائية المؤرخة المرسلة عبر الإنترنت على فترات زمنية محددة لاستخدامها في تطبيقات الأمان.

بشكل عام، فإن التقنيات التي تم تطويرها في تجارب بيل فلاويس Bell Flawless من شأنها أن تجعل من الممكن نشر أنواع جديدة من شبكات الاتصال مثل اختراع إنترنت المستقبل. مثل هذه الشبكات، التي تشكل ما يُطلق عليه غالبًا "الإنترنت الكمومي"، من شأنها أن تؤدي مهامًا تتجاوز قدرات الشبكات التقليدية. سيضمن الإنترنت الكمومي اتصالات آمنة ومزامنة الساعات والعديد من المهام الحساسة الأخرى.

مثل هذه المشاريع تقوم على التشابك الكمومي وجودة الأجهزة، كما في التجارب المذكوره أعلاه. في عام 2017، أظهر فريق Delft طريقة لتحسين جودة الدورات المتشابكة، وفي عام 2018، قاموا بتحسين معدلات التشابك لديهم بثلاثة أوامر من حيث الحجم. بناءً على هذا التقدم، يعمل الباحثون على تطوير أول نسخة أولية من الإنترنت الكمومي والتي يجب نشرها في نهاية عام 2020 في عدد قليل من المدن في هولندا. لقد تركت هذه المنطقة الغامضة علماء الفيزياء في حيرة من أمرهم منذ ولادة نظرية الكموم قبل قرن من الزمان. لكن في السنوات الأخيرة، أجرى سايمون غروبلاشر وآخرون تجارب مع فريقه من جامعة Delft للتكنولوجيا في هولندا، يتمتع إيمون غروبلاشر Imon Groblacher بجنون العظمة. ولم يتوقف أبدًا عن الرغبة في تنمية إبداعاته! ويعلنها: "نحن نحاول إنشاء أشياء كبيرة وكبيرة جدًا." لا يزال يتعين علينا الاتفاق على المصطلح ... لأن أحد أعماله لا يتجاوز طوله بضعة ميكرومترات - بالكاد يزيد عن بكتيريا - وسمكه 250 نانومتر، أو واحد على ألف من السمك. من ورقة. وبالنسبة لهذا الفيزيائي، تعني كلمة "كبير جدًا" "1 ملم × 1 ملليمتر". بالكاد مرئي للعين المجردة! من خلال العمل على هذا المقياس، يأمل هذا العالم في الإجابة عن سؤال غير عادي: هل يمكن العثور على جسم مجهري في مكانين في نفس الوقت؟ هذا الجواب هو في الواقع المعيار للذرات والفوتونات وجميع الجسيمات الأخرى. أكثر من ذلك، في هذا العالم اللامتناهي في أصغر، هذا العالم حيث تسود فيزياء الكموم، يتحدى الواقع الفطرة السليمة: الجسيمات ليس لها موقع ثابت أو طاقة وليس لها أي خصائص محددة - على الأقل طالما أن الشخص لا تراعيهم انتباهاً. توجد في وقت واحد في العديد من الحالات المتراكبة. لكن لأسباب لا تزال غير واضحة إذا أخذناها، فإن الحقيقة التي ندركها مختلفة. يبدو عالمنا بلا ريب غير كمومي. الأشياء الكبيرة - أي من حجم الفيروس - تظهر دائمًا في مكان واحد. اللغز كله موجود: أي جسم يتكون من مادة وطاقة يخضع لقوانين الكموم، فلماذا لا نختبر شاشة geté الكمومية؟ بمعنى آخر، أين ينتهي العالم الكمي وأين يبدأ العالم الكلاسيكي؟ هل هناك فجوة بين الاثنين، عتبة تتوقف عندها التأثيرات الكمومية عن الظهور؟ أم أننا عميان عن ميكانيكا الكموم التي تسود على جميع المستويات؟ قبل ثمانين عامًا، عندما ظهرت نظرية الكموم لأول مرة، تحسر المتشككون على تناقضها الواضح مع قرون من الحدس الفيزيائي. ومنذ ذلك الوقت فصاعدا، أربع تجارب وجهت الضربة القاضية لهذا الحدس؛ ولكن في الوقت نفسه، فتحت هذه النتائج الباب لتسخير الطبيعة بطريقة لم يتوقعها آينشتاين ولا بيل. الثورة الصامتة التي بدأها جون بيل تسير الآن على قدم وساق. في الواقع، "نتجاهل الطبيعة الحقيقية للمادة التمايز والاختلاف بين العالمين الجزئي والكلي"، كما يعترف أنجيلو باسي، الباحث في الفيزياء النظرية بجامعة تريست بإيطاليا. المعضلة تكمن في أن كل شيء يتغير أثناء القياس. عند هذه النقطة، تظهر الخصائص الملموسة، كما لو تم استحضارها بمحاولة بسيطة لمراقبتها. لا تفسر النظرية هذا التحول، ولا لهذا الأمر سبب ظهور إمكانية واحدة فقط بدلاً من واحدة من العديد من الاحتمالات الأخرى. تصف ميكانيكا الكموم ما يمكن أن يحدث عندما تأخذ القياس، لكن ليس ما سيحدث. بمعنى آخر، لا توفر النظرية آلية تشرح الانتقال من المحتمل إلى المثبت. من أجل "حدوث الأشياء" في ميكانيكا الكموم، يعتبر أحد مؤسسي النظرية أنه من الضروري وجود خطأ ميتافيزيقي. في أواخر العشرينيات من القرن الماضي، صاغ فيرنر هايزنبيرغ فكرة أن القياس "يقلل من الحزمة الموجية" للجسيم وغيرها العديد من القضايا المحتملة. أحداث حساسة للغاية يمكن أن تكشف أسرار الانتقال من الحياة الكمومية إلى الحياة اليومية. لا أحد يعرف ما إذا كانت هذه الجهود ستؤتي ثمارها، ولكن هناك أمر واحد مؤكد: من خلال التحقيق في الخطوط العريضة غير الواضحة للعالم الكمومي، قد يكتشف الباحثون مجالًا جديدًا بالكامل للفيزياء. إن مفارقات المقاييس هذه لا تفي بالغرض.

ومن التداعيات  الجانبية للتطور الكمومي إن ميكانيكا الكموم تقوم بتعديل تدفق الزمن: تعترف فيزياء الكموم بوجود عدة تدفقات زمنية لنفس الجسم. في نظرية النسبية لأينشتاين، لا يتدفق وقت الأجسام التي تتحرك بسرعات مختلفة بنفس المعدل. في ميكانيكا الكموم الكوانتوم، يمكن العثور على نفس الجسم في عدة حالات متميزة. الخلاصة: يمكن أن يكون لنفس الجسم عدة مرات مميزة. وهذه من الغرائب التي تعصف الذهن البشري.

كانت نتيجة هذه الدراسة التي أجراها باحثان أمريكيان مثيرة للإعجاب خاصةً لأنها تتعلق بالزمن، بتوسعها أو تقلصها، وتوضح أن نفس الجسم المادي يمكنه أن يتبع دفقين من الوزمن ... في نفس الوقت - في هذا المستوى، تصبح الكلمات في اللغة اليومية فخاخًا.

لكن الدراسة هي أيضًا وقبل كل شيء خطوة مهمة للفيزيائيين الذين ربطوا حرفيًا لعقود، باستخدام الأوتار والحلقات، للبحث عن نظرية أساسية جديدة تدمج ميكانيكا الكموم مع نسبية أينشتاين، للوصول إلى نظرية "الجاذبية الكمومية" التي ينتظرها الجميع ولكن لا أحد يعرفها بعد.

في الجوهر، أظهر الباحثون أن تأثير تمدد (أو تقلص) الزمن، الذي اكتشفه أينشتاين في وقت مبكر من عام 1905 بنسبية خاصة وأصبح أساسيًا مع النسبية العامة في عام 1915، ممزوجًا بمبدأ التراكب المؤسس لميكانيكا الكموم، يؤدي إلى الاستنتاج الغريب التالي:

نفس النظام الكمومي (جسيم أو غيره) في حالة متراكبة من سرعتين مختلفتين يعيش "في وقت واحد" على تدفقين من الزمن بإيقاعات مميزة. قبل كل شيء، يقترح الباحثون تجربة لإثبات هذه الحقيقة، ويطرحون أيضًا معادلة أساسية جديدة، غير معروفة حتى الآن.

نظريتان، معادلة واحدة:

لنستأنف بهدوء. جسمان يتحركان بسرعات مختلفة يريان أن زمنهما يمر بمعدلات مختلفة. وإذا جعل أحد الأجسام سرعته تتطور لتساوي سرعة الآخر (عن طريق التسارع أو التباطؤ)، فلن تكون هذه الأجسام قد عاشت نفس الفترة الزمنية. يُعرف هذا التأثير، الذي ينبع من نظرية النسبية، باسم "المفارقة المزدوجة": إذا كان الجسمان توأمين، فسيحصل المرء على تفاوت زمني ملحوظ وملموس بين الجسمين التوأمين اللذين تفرق بينهما سرعة التنقل.

وحدة قياس معيارية ، للحجم الكمومي :

GAUTIER VIROL HÉRAULT، HONEYWELL، IBM، QUANTUM، START UP وغيرها من الشركات تتسابق في تصميم  الكومبيوتر الكمومي العملاق الذي سيغير وجه عالم الاتصالات والحوسبة

وبعدالتدقيق في  إدعاءات هانيويل وآي بي إم ، الأمر متروك الآن لشركة IonQ للمطالبة بلقب مبتكر "أقوى كمبيوتر كمومي في العالم". مع حجم كمومي يبلغ 4 ملايين، فإن الشركة الأمريكية الناشئة تفوق بكثير آلة هانيويل الأقوى، والتي تم الكشف عنها في 29 أكتوبر والتي تحتوي على واحدة من 128. ولكن استخدام وحدة القياس هذه موضع جدل. لأنها وحدة قياس تحطيم الأرقام القياسية، فحجم الكموم بات موضع نقاش، وإن أقوى كمبيوتر كمومي لشركة IBM له حجم كمومي يبلغ 64.

السجلات تمطر في عالم الحوسبة الكمومية. مع مرور الأشهر، تتبع أجهزة الكمبيوتر "الأقوى في السوق" بعضها البعض. تقوم IBM وHoneywell، على وجه الخصوص، بنشر تقدمهما بانتظام، مما يشير إلى الحجم الكمي المتطور لأجهزتهما. آخر إعلان: في 29 أكتوبر، أعلنت شركة Honeywell أنها وصلت إلى حجم كمي قدره 128، مقابل 64 سابقًا. بالكاد بعد شهر من إعلان الشركة الأمريكية الناشئة IonQ عن حجم كمومي قدره ... 4 ملايين، دون تحديد كيف حققت ذلك.

تم تقديم وحدة القياس هذه، التي قدمتها شركة IBM في عام 2017 لتقييم قوة الكمبيوتر الكمومي، من قبل البعض على أنها المعيار الذهبي في سباق الحوسبة الكمومية. ومع ذلك، يتجنبها الآخرون، بما في ذلك Google، التي لا تستخدمها أبدًا في اتصالاتها. تم تقديم الحجم الكمومي على أنه سطحي للغاية من قبل العديد من الخبراء، مثل أستاذ معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا سكوت آرونسون ، سيكون ذا أهمية علمية محدودة.

أو حكايات الكوانتوم الغريبة 5

ترجمة وإعداد د. جواد بشارة

كانت هناك عدة تفسيرات ومقاربات متنوعة لميكانيكا الكموم وبالأخص مسألة القياس التي تؤدي إلى انهيار دالة الموجة التي تضمنتها معادلة شرودنغر وكانت تعرف بحالة القياس الكمومي. فهل تعتمد نتيجة هذا القياس على الراصد أم أنه مستقل تمامًا عن عملية القياس؟ بمعنى آخر، هل هناك حقيقة ذاتية أم حقيقة موضوعية؟ في مقال نُشر مؤخرًا في مجلة Symmetry، أظهر اثنان من علماء الفيزياء الفنلنديين أنه لا يوجد تأثير للمراقب على القياس، وبالتالي فهما يفضلان  وجود واقع موضوعي مستقل تمامًا عن الراصد وعن عملية القياس. ظهرت ميكانيكا الكموم لأول مرة في عشرينيات القرن الماضي ومنذ ذلك الحين اختلف العلماء حول أفضل طريقة لتفسيرها. تدعي العديد من التفسيرات، بما في ذلك تفسير كوبنهاغن الذي قدمه نيلز بور وفيرنر هايزنبرغ، وعلى وجه الخصوص، تفسير فون نيومان-فيغنر، أن وعي الشخص الذي يقوم بعملية القياس يؤثر على نتائجه التي يتوصل إليها. من ناحية أخرى، اعتقد كارل بوبر وألبرت أينشتاين أن هناك حقيقة موضوعية مستقلة.

سلط إروين شرودنغر الضوء على التجربة الفكرية الشهيرة التي تنطوي على مصير قطة مسجونة داخل علبة يمكن أن يتسرب منها غاز سام يقتل القطة ولا أحد يعرف مصيرها طالما بقيت العلبة مغلقة وبالتالي فالقطة هي حية وميتة في نفس الوقت واشتهرت التجربة بقطة شرودنغر، والتي تهدف إلى وصف عيوب ميكانيكا الكموم. في مقالهما الأخير، قام يوسي لندغرن و يوكا ليوكونين Jussi Lindgren و Jukka Liukkonen، اللذان يدرسان ميكانيكا الكموم في أوقات فراغهما، بدراسة مبدأ اللادقة أوعدم اليقين الذي طوره هايزنبرغ Heisenberg في عام 1927. وفقًا للتفسير التقليدي للمبدأ، فإن الموقع والسرعة أو الموقف والزخم لا يمكن تحديدهما بدقة في آن واحد بدرجة مضبوطة، لأن الشخص الذي يقوم بالقياس يؤثر دائمًا على القيم والنتائج الناجمة عن عملية القياس.

ومع ذلك، في دراستهما، استنتج العالمان أن العلاقة بين الموضع والزخم، ثابتة. بمعنى آخر، الواقع هو شيء لا يعتمد على الشخص الذي يقيسه. استخدم الباحثان التحسين العشوائي الديناميكي في دراستهما. في الإطار المرجعي لنظريتهم، يعد مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ مظهرًا من مظاهر التوازن الديناميكي الحراري، حيث لا تختفي ارتباطات المتغيرات العشوائية. وبهذا الصدد صرح يوسي لندغرن: "تشير النتائج إلى أنه لا يوجد سبب منطقي لاعتماد النتائج على الشخص الذي يقوم بالقياس. وفقًا لدراستنا، لا يوجد ما يشير إلى أن وعي الشخص سيتداخل مع النتائج أو يخلق نتيجة أو حقيقة معينة. التفسير موضوعي وواقعي، وفي نفس الوقت بسيط قدر الإمكان". ويضيف: "نحن نحب الوضوح ونفضل القضاء على أي تصوف". يدعم هذا التفسير تفسيرات ميكانيكا الكموم بناءً على المبادئ العلمية الكلاسيكية.

لم يكن الفيزيائيان الفنلنديان يوسي لندغرين ويوكا ليوكونين في محاولتهما الأولى. ففي العام الماضي نشرا بحثًا آخر، استخدما فيه الرياضيات ببراعة مرة أخرى للتعامل مع ميكانيكا الكموم.

نشر الباحثان ورقة عملهما الأخيرة في ديسمبر 2019، والتي اعتمدت أيضًا على التحليل الرياضياتي كأداة لشرح ميكانيكا الكموم. كانت الطريقة التي استخدموها هي نظرية التحكم الأمثل العشوائية، والتي تم استغلالها لحل تحديات مثل كيفية إرسال صاروخ من الأرض إلى القمر.

الحوسبة الكمومية:

بعد شفرة أوكام، قانون ويليام أوف أوكام في الركون إلى البساطة، اختار الباحثون الآن أبسط تفسير من بين تلك التي تعمل. " ليس مستقبل الحوسبة في عالم الكموم. باستخدام خصائص ميكانيكا الكموم، يأمل العلماء في إجراء حسابات لا تصدق بسرعات لا يمكن أن يضاهيها أقوى كمبيوتر عملاق.

لا يزال الطريق طويلاً للوصول إلى جهاز كمبيوتر كمومي يعمل، لكن الباحثين في جميع أنحاء العالم حريصون على فهم أفضل السبل لاستخدام هذه الأجهزة. السؤال الرئيسي الذي يتم استكشافه هو كيف سيكون شكل "الإنترنت الكمومي"؟ قد يأتي الجواب بفضل بلورات الزمن.

بلورات الزمن هي اكتشاف حديث. تمامًا مثل البلورة العادية، فهي مصنوعة من جزيئات في نمط يتكرر في الفضاء، فإن هذه الكائنات مصنوعة من جزيئات تتكرر ترتيباتها بشكل دوري في الوقت المناسب. إنها غرابة في الفيزياء وليست طريقة لتشغيل آلات الزمن.

كما ورد في مجلة العلوم المتقدمة Science Advances، طرح باحثون من المعهد الوطني للمعلوماتية في اليابان، استخدامًا جديدًا لبلورات الزمن. يمكن استخدام تحليل التفاعل في بلورة زمن الانصهار لمحاكاة سلوك شبكة الكموم المعقدة، وهو أمر لا يمكننا فعله مع أجهزة الكمبيوتر الحالية.

وقالت الباحثة الأولى مارتا إستاريلاس في بيان: "في العالم الكلاسيكي، سيكون هذا مستحيلًا لأنه يتطلب قدرًا هائلاً من موارد الحوسبة". "نحن لا نقدم فقط طريقة جديدة لتمثيل وفهم العمليات الكمومية فحسب، ولكن أيضًا طريقة مختلفة للنظر إلى أجهزة الكمبيوتر الكمومية."

أوضح المؤلف المشارك البروفيسور كاي نيموتو: "هل يمكننا استخدام تمثيل الشبكة وأدواتها لفهم الأنظمة الكمومية المعقدة وظواهرها، وكذلك تحديد التطبيقات؟ في هذا العمل، نظهر أن الإجابة هي نعم".

يخطط الفريق لاختبار هذه الأفكار على بلورات زمن الانصهار الحقيقي ثم استخدامها لاستكشاف خصائص أنظمة الكموم المختلفة. تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكيوبايتات، وهي النسخة الكمومية من 0/1 بت الكلاسيكية في الأجهزة الرقمية الحالية. يمكن للمعالج الذي يحتوي على عدد قليل من الكيوبايتات أن يتفوق على الأجهزة الحالية. يمكن أن يوفر استخدام بلورات الزمن رؤى حول أفضل طريقة لاستخدام هذه الكيوبايتات.

الجاذبية الكمية:

فهم كيفية التوفيق بين قوة الجاذبية وفيزياء الكموم، حيث يحاول العديد من فرق الفيزيائيين تصميم وإجراء تجارب قادرة على قياس مجالات الجاذبية أو الثقالة بدقة متناهية لاكتشاف السلوك الكمومي. وبالتالي يأملون في رؤية الجسيمات في تكوينات من التراكب الكمومي لموضعين في حالة تشابك تأثيراتها المختلفة.

الخطوة ألأولية كانت لقياس مجال الجاذبية في التجربة التي اقترحها الفيزيائي ماركوس أسبيلماير، وملخص الفكرة هو وضع كرة في حالة تراكب لموقعين مكانيين متزامنين مختلفين ومعرفة ما إذا كان مجال الجاذبية المرتبط بهذه الكتلة ينقسم أيضًا إلى قسمين. لملاحظة هذه التأثيرات، تحتاج أولاً إلى جهاز قادر على قياس المجال بدقة لمعرفة جاذبية الأجسام الصغيرة (هنا كرات ذهبية). في هذه التجربة، يتسبب مغناطيس كهربي مقترن بنابض في اهتزاز كرة. وبواسطة قوة الجاذبية وحدها، يجب أن تتذبذب الكرة الثانية، المستندة على دعامة دقيقة (ناتئ) مماثلة لتلك المستخدمة في مجاهر القوة الذرية. يأمل الفيزيائيون في قياس هذا التأثير الصغير.

تجربة ماركوس أسبلماير:

سيضع الفريق كرة (أرجوانية) في حالة تراكب من موضعين بفضل الليزر، وسيكون مجال الجاذبية لهذا الكرة أيضًا في حالة تراكب وسيكون له توزيعان مكانيان. كيف ستتفاعل كرة الاختبار (الخضراء) مع هذا المجال؟ التفاعل يمكن أن يدمر تراكب الحالات، والتي من شأنها أن تكون علامة على الطبيعة الكلاسيكية للقوة الثقالية، أو يمكن أن يستمر التراكب ويؤدي إلى نظام متشابك من الكرتين، مما يؤكد الطبيعة الكمومية لقوة الجاذبية. إن قراءات فيزياء الكموم كما هي يعني محاولة تفسير فيزياء الكم على غرار أفكار أينشتاين. على وجه الخصوص، لا توجد طريقة لتكملة فيزياء الكم من حيث المتغيرات المخفية المحلية.

كانت هذه النتيجة تقدمًا كبيرًا في فهم فيزياء الكم. ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من الصعوبات المفاهيمية التي يواصل الفيزيائيون والفلاسفة استكشافها. بالنسبة للبعض، فإن فيزياء الكموم، كما فسرتها مدرسة كوبنهاغن، ليست نظرية فيزيائية بقدر ما هي مجموعة فعالة من "الوصفات" لحساب نتائج القياسات. ولكن، كما أشار جون بيل بالفعل، هذه المجموعة من الوصفات تمثل مشكلة بحد ذاتها. لماذا يلعب المراقب مثل هذا الدور المهم؟ لماذا يتسبب فعل القياس في انهيار الدالة الموجية إلى أحد مكوناتها؟ أو مرة أخرى، لماذا لا يُظهر النظام العياني أبدًا تراكبًا للحالات؟

لعدة عقود، حاول الفيزيائيون تجاوز تفسير كوبنهاغن للتعامل مع هذه الصعوبات. من خلال استكشاف عدة طرق. دعونا نستحضر الاتجاهات الأربعة الرئيسية التي تم استكشافها لحل الصعوبات المفاهيمية لفيزياء الكموم. يتبنى النهج الأول مبدأ المتغيرات الخفية principe des variations cachées، أي فكرة أن فيزياء الكموم غير مكتملة وأن هناك متغيرات من المستحيل قياسها من الناحية الهيكلية. لكي تتوافق مع ظاهرة التشابك (وبالتالي مع تجارب ألان آسبيه Alain Aspect)، يجب أن تكون ديناميكيات هذه المتغيرات بالطبع غير محلية.

 أفضل النظريات ذات المتغيرات المخفية هي نظرية برولي - بوم Broglie-Bohm، التي اقترحها لأول مرة الفيزيائي الفرنسي لويس دي برولي في عام 1927 تحت اسم نظرية الموجة التجريبية، بناءً على مبدأ ازدواجية الموجة. وهي الأطروحة التي أعلنها قبل بضع سنوات على شكل نظرية. ثم تم تحديدها عام 1952 من قبل الأمريكي ديفيد بوم. في هذا السياق، يتم وصف كل جسيم من خلال موقعه في الفضاء والموجة المرتبطة به، وهو المتغير الخفي الذي يوجه حركة الجسيم. في هذه النظرية الواقعية بالمعنى الذي يقصده أينشتاين، يكون التطور مستمر دون انهيار الدالة الموجية. إذن، اللاحتمية الكمومية هي ببساطة مظهر من مظاهر جهلنا بالمتغيرات الخفية.

المسار الثاني والجريء بشكل خاص هو تفسير العوالم المتعددة، والذي يعتمد على الأفكار التي نشرها الفيزيائي الأمريكي هيوغ إيفريت عام 1956. مع كل عملية قياس، تتحقق كل التوقعات الممكنة الحدوث، لكن في عوالم مختلفة. لذلك لن يكون هناك أي انهيار للدالة الموجية. سيكون الواقع أكبر بكثير مما يمكننا الوصول إليه. ستكون اللاحتمية مظهرًا من مظاهر جهلنا بموقعنا في هذا الواقع الموسع: كل تنبؤات النظرية ستتحقق، لكننا سنحتل "فرعًا" معينًا من الواقع، بحيث نرى واحدًا فقط من النتائج بين كل هؤلاء بداهة ممكنة.

الاحتمال الثالث هو أن فيزياء الكموم ليست متماسكة في حد ذاتها، لأنها ستكون مجرد تقريب لنظرية أكثر أساسية مع ديناميكيات معقدة وغير خطية لم نلاحظها بشكل مباشر بعد. يمكن تحقيق هذه الديناميكية بطرق مختلفة. على سبيل المثال، اقترح العلماء جيانكارلو غيراردي وألبرتو ريميني وتوليو ويبر في عام 1986 ما يسمى بآلية "الاختزال الديناميكي" التي تتسبب بشكل عشوائي في انهيار وظيفة الموجة. بالنسبة لجسيم فردي، فإن انهيار دالة الموجة سيكون حدث نادر جدًا، والذي سيظهر بالنسبة لجسيم فردي، على شكل انهيار وظيفة الموجة ويكون حدثًا نادرًا جدًا، يحدث في المتوسط مرة واحدة كل مليار سنة. ولكن على جسم مجهري يحتوي على ترتيب 1023 جسيمًا، غالبًا ما ينهار التكوين، بحيث تظهر حالة غير متراكبة.

الاحتمال الرابع، أخيرًا، هو الأعز على أحد العلماء (كارلو روفيلي)، الذي اقترحه في عام 1994. الفكرة هي أن نأخذ فيزياء الكموم كما هي، أي. - قل بدون إضافة متغيرات خفية ودون استدعاء عوالم متعددة أو ديناميكية غير ملحوظة. سوف تتولد الجوانب المتناقضة ظاهريًا للنظرية من حقيقة أن المرء ينسى أن يأخذ في الاعتبار الطابع النسبي لجميع الكميات الفيزيائية التي تصف النظام. يتم تعريفها دائمًا بالنسبة إلى نظام مادي آخر (بنفس الطريقة التي يتم بها تحديد سرعة الكائن فقط بالنسبة إلى كائن آخر). هذا التفسير لفيزياء الكموم، المسمى "التفسير العلائقي" interprétation relationnelle، يقوم على النسبية الخاصة. وبالتالي، إذا كان النظام بالنسبة للمراقب في حالة واحدة بعد انهيار دالة الموجة، فقد يظل في حالة تراكب لحالات لمراقب آخر. فالحالات لا تصف النظام المرصود نفسه، بل تصف العلاقة بين النظام والمراقب.

هذه السبل الأربعة لفهم أفضل لفيزياء الكموم جميعها لها تكلفة تصورية عالية، ومع ذلك: يتطلب كل منها التخلي عن شيء ليس من السهل التخلي عنه. تواجه نظرية Broglie-Bohm بعض الصعوبات عندما نريد ربطها بالنظرية النسبية الخاصة وتتطلب قبول أن جزءًا من الواقع غير قابل للرصد من حيث المبدأ.

تطلب فرضية العوالم المتعددة تخيل أنه سيكون هناك عدد لا نهائي من طبقات أو صور الواقع لا يمكن الوصول إليها، ناهيك عن أنه ليس من السهل ربط هذه العوالم المتعددة بتجربتنا. تتضمن نظريات الاختزال الديناميكي ظاهرة الانهيار التلقائي لوظيفة الموجة التي لم يتم ملاحظتها في التجارب. يمنعنا التفسير العلائقي من وصف العالم المادي ككل: يمكننا فقط وصف جزء واحد من العالم بالنسبة إلى جزء آخر.

اختبار الجاذبية الكمومية:

غالبًا ما تكون المناقشات بين المنظرين الذين يدافعون عن أحد هذه الطرق (أو غيرها) متحركة للغاية. ومع ذلك، كما نصح العالم الفيزيائي الأمريكي ريتشارد فاينمان: "القوانين الأكثر عمومية للفيزياء غالبًا ما تقبل بصياغات وتفسيرات مختلفة جدًا. لكن المنظّر الجيد يجب أن يعرف كيفية استخدامها جميعًا، لأنه لا أحد يعرف أيها سيكون الأكثر فعالية ". ربما يكون هذا الموقف هو الأكثر استحسانًا فيما يتعلق بالصعوبات المفاهيمية لفيزياء الكموم. يمكن فقط لبقية القصة أن تخبرنا أي التفاسير هو الأكثر فعالية وفائدة في نهاية المطاف. وكلما كان مجالًا للدراسة يسمح باختبار التفسيرات المختلفة لفيزياء الكموم. إنها النظرية التي تهدف إلى بناء نظرية كمومية للجاذبية أو الثقالة.

في القرن العشرين، سرعان ما أصبح الباحثون يدركون على النحو الواجب أنه من الصعب التوفيق بين الدعامتين العظيمتين في الفيزياء، فيزياء الكموم والنسبية العامة. في حين أنه من الممكن بالفعل في معظم الحالات النظر في واحدة فقط من هذه النظريات، فإن عدم وجود نظرية كمومية للثقالة أو للجاذبية يمنعنا من فهم بعض الظواهر الحقيقية، على سبيل المثال ما يحدث في القلب الثقوب السوداء أو في بداية الكون.

أكثر السبل الواعدة لتطوير نظرية "الجاذبية الكمومية" هما نظرية الأوتار ونظرية الجاذبية الكمومية الحلقية. إذا كانت الأولى تشير إلى أن الجسيمات ليست نقطية، بل سلاسل من الأوتار مادون المجهرية التي تهتز وتتذبذب، فإن الثانية تفترض أن الزمكان نفسه يخضع لجميع الظواهر النموذجية لفيزياء الكموم، ونتيجة لذلك، على وجه الخصوص، لن يكون الفضاء مستمرًا، بل متقطعًا: تصبح المساحات والأحجام كميات كمومية، والتي لا يمكن أن تكون صغيرة بشكل تعسفي. لقد خضعت هذه النظريات لتطور كبير بحيث تمتد التطورات أحيانًا إلى ما وراء السؤال الوحيد عن الجاذبية الكمومية، مع تداعيات كثيرة أخرى، على سبيل المثال، في الرياضيات أو فيزياء المادة المكثفة. فحتى لفترة ما قبل عشر سنوات، اعتقد العلماء أن ظاهرة الجاذبية الكمومية كانت بعيدة عن متناول التجارب، لذا كان من المستحيل الحصول على أدنى دليل تجريبي يسمح لنا بمعرفة الكثير عن الطبيعة الحقيقية للجاذبية الكمومية. ومع ذلك، كان هذا الانطباع خاطئًا جزئيًا، كما أظهرت العديد من التجارب والملاحظات الحديثة.

في LHC (مصادم الهادرونات الكبير)، في CERN، يسرّع الفيزيائيون البروتونات إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء لجعلها تتصادم وجهاً لوجه، وبالتالي تنتج تصادمات عالية الطاقة تنبثق منها عناقيد ضخمة ذات عمر قصير جدا. هذه هي الطريقة التي أكدوا بها وجود بوزون هيغز في عام 2012، وهو الجزء المفقود سابقًا من النموذج القياسي أو المعياري لفيزياء الجسيمات. تم تطوير هذا النموذج منذ الستينيات، وهو الذي يصف الجسيمات الأساسية الأولية للمادة.

مثال في قياس سرعة الأشعة الكونية. كانت النتائج واضحة: لم يتم العثور على أي مؤشر على كسر ثابت لورنتز فحسب، بل تم تأكيده حتى على مقاييس طاقة أكبر من تلك المميزة للجاذبية الكمومية. ومن ثم فإن الجاذبية وفئة النماذج التي تتنبأ بحدوث انقطاع في ثابت لورنتز تواجه صعوبة.

منذ عام 2015، تم فتح نافذة جديدة لمراقبة الكون. كان اكتشاف تعاون مختبري Ligo و Virgo لموجات الجاذبية، اهتزازات الزمكان، تأكيدًا مذهلاً للنسبية العامة. لكنها فعلت أكثرمن ذلك. ففي عام 2017، تم الكشف المتزامن عن موجات الجاذبية والموجات الكهرومغناطيسية الناتجة عن اندماج نجمين. كما أظهرت النيوترونات أن هذين النوعين من الموجات ينتشران بنفس السرعة (بهامش خطأ صغير جدًا).

بعض الأسئلة النظرية:

الأوتار والتناظر الفائق: كان جزء كبير من المجتمع العلمي مقتنعًا، استنادًا إلى الحجج النظرية، أنه من الممكن توسيع النموذج القياسي بطريقة بسيطة جدًا وطبيعية بفضل التناظر الفائق (تناظر افتراضي بين جسيمات ذات سبين spin -الدوران أو البرم المغزلي حول المحور الذاتي - بعدد صحيح، وجسيمات تدور بسبين نصف عدد صحيح). يشير هذا الامتداد للنموذج القياسي إلى وجود جسيمات جديدة يُعتقد أنها قادرة على الإنتاج والمراقبة في LHC. بالإضافة إلى ذلك، تستند نظرية الأوتار على التناظر الفائق وكان اكتشاف التناظر الفائق في المصادم LHC مؤشرًا مثيرًا للاهتمام لصالح هذه النظرية. ومع ذلك، لم يكن مثل هذا الكشف قد حدث ولكن بالفعل، تم استبعاد أكثر السيناريوهات في فائق التناظر الطبيعي. لذلك، فإن غياب التناظر الفائق في LHC ليس خبرا تجريبيا جيدا لنظرية الأوتار.

نظرية الأوتار والجاذبية الكمومية:

حلقات التجزئة ليست هي السبل الوحيدة للجاذبية الكمومية. تم استغلال البعض الآخر وواجهوا أحيانًا صعوبة كبيرة بسبب التجربة. على سبيل المثال، في عام 2009، اقترح بيتر هوفافا، من جامعة كاليفورنيا في بيركلي، نموذجًا للجاذبية الكمومية يكسر ثابت لورنتز، وهو التناظر الرياضياتي الذي من خلاله يؤدي عدم وجود مرجعية مميزة في نتائج النسبية. ضبط النفس. بدافع من هذه التكهنات، بحث علماء الفلك عن علامات كسر ثبات لورنتز في الكون، من أجل سرعة الكون المتسارعة. هذه الديناميكية موصوفة بشكل جيد من خلال معادلات النسبية العامة عندما تحتوي على ثابت، "الثابت الكوني"، والذي يأخذ في هذه الحالة قيمة موجبة. لكن في نظرية الأوتار، هذا الثابت هو بشكل طبيعي سلبي، على عكس الملاحظات. توجد محاولات لتكييف نظرية الأوتار مع ثابت كوني إيجابي، لكنها تظل مثيرة للجدل للغاية. التجارب التي تقرر بشكل نهائي ذلك نادرة في العلوم: بشكل عام، تكتسب الفرضيات أو تفقد مصداقيتها وفقًا لتراكم إمكانيات التحقق من القرائن أم لا. حقيقة أن الثابت الكوني هو إشارة معاكسة لما أشارت إليه نظرية الأوتار يضعف الثقة التي يمكن أن يتمتع بها المرء في هذا المسار.

هذه الأمثلة المختلفة للنتائج الرصدية والتجريبية جعلتنا نتقدم فيما يمكن أن تكون عليه الجاذبية الكمومية.

وهكذا، كان على المتخصصين في نظرية الأوتار الذين اعتقدوا في ثمانينيات القرن الماضي أنهم سيحلون مشكلة الجاذبية الكمومية أن يعيدوا النظر في أهدافهم بسرعة.

كان نهج الجاذبية الكمومية الحلقية أقل اهتزازًا بهذه البيانات الحديثة. ومع ذلك، هناك عدد أقل من الباحثين الذين يعملون في هذا المسار ولا يزال يتعين بذل جهد كبير للحصول على تنبؤات كمية يمكن مقارنتها بالتجارب.

رؤية علمية تترسخ:

هناك على وجه الخصوص، ظاهرتان جلبتا تركيز الكثير من انتباه علماء الفيزياء. أولاً، تشير النظرية إلى أن الانفجار العظيم كان من الممكن أن يكون "نعمة كبيرة"، وهي نتيجة حصل عليها في عام 2007 مارتن بوجوالد، الذي يعمل حاليًا في جامعة ولاية بنسلفانيا. وفقًا لهذه الفكرة، كان الكون في حالة تقلص، وينهار على نفسه. ولكن بسبب الطبيعة المنفصلة للفضاء، عندما يتم الوصول إلى كثافة حرجة، فإن الارتداد كان سيعكس الديناميكيات ويعيد الكون المتوسع. لذلك، لن يولد الكون من تفرد كثافة لانهائية.

وضعت النتيجة صعوبة في العديد من نظريات الجاذبية المعدلة، والتي تتنافس مع النسبية العامة. تم اقتراح هذه لشرح بعض الملاحظات مثل التوسع المتسارع للكون أو المادة المظلمة، لكنها غالبًا ما تتنبأ بأن سرعة هذين النوعين من الموجات يجب أن تكون مختلفة. مرة أخرى، تخبرنا الطبيعة أن بعض اتجاهات البحث كانت خاطئة. ومع ذلك، لمعرفة ذلك، لا يزال يتعين عليك استكشافها.

أو حكايات الكوانتوم الغريبة 4

ترجمة وإعداد: د. جواد بشارة

ثورة الكموم تهيمن على الوسط العلمي للقرن الحادي والعشرين:

وهذه رحلة صغيرة إلى عالم الكوانتا. في عام 1905 ظهرت فيزياء جديدة من شأنها أن تحدث ثورة في طريقة وصف المادة وتفاعلاتها وهي: فيزياء الكموم. فُتحت معها الأبواب لعالم لا يطيع قوانين الفيزياء الكلاسيكية: ويغوص في عالم اللامتناهي في الصغر مع ذراته وجسيماته ما دون المجهرية.

أجبرت هذه الفيزياء الآباء المؤسسين، آينشتاين وبور وهايزنبرغ وشرودنغر على وجه الخصوص، على إعادة مناقشة الحتمية ومعايير الواقع للفيزياء الكلاسيكية، وكذلك الفصل التقليدي بين المراقب والجسم المرصود. لأول مرة في تاريخ العلم، تطلب أحد التخصصات القيام بجهد تفسيري حتى يتم فهمه وتطبيقه: ما نوع الواقع الذي تمثله الشكلانية الكمومية؟ اليوم، ما مقدار المصداقية التي يجب أن تُمنح للتفسيرات المختلفة المقترحة منذ العشرينيات؟

لا تفشل فيزياء الكموم في إثارة الفتنة والامتعاض والسخط أحيانًا. ومع ذلك، لا يزال مجهولاً، لماذا هي ضحية للصور النمطية: ولماذا يتم التذرع به لدعم هذه الظاهرة الغريبة، لكننا نتجاهل وصف مبادئها الأساسية. ما هي هذه المبادئ التي تجد تطبيقات رائعة أكثر من أي وقت مضى، من الليزر إلى التشفير الكمومي، بما في ذلك النقل الآني؟ من أين تأتي هذه الكفاءة المذهلة لفيزياء الكموم؟ من أساسياتها ثبت أن فيزياء الكم فعالة في وصف الظواهر والتنبؤ بنتائج التجارب ولكن ماذا تقول هذه الفيزياء حقًا عن العالم؟ دائمًا ما يطرح تفسيرها صعوبات ويتم استكشاف السبل المختلفة لحلها. هناك تحدٍ آخر يتمثل في بناء نظرية كمومية للجاذبية أو للثقالة قادرة على وصف اللحظات الأولى للكون وقلب الثقوب السوداء. لديها كفاءة غير معقولة في قلب التقنيات الحديثة. لكن على الرغم من خصوبتها المذهلة فإن تفسيرها يحافظ على بعض المناطق الرمادية الغامضة. في العشرينات من القرن الماضي، أربك سلوك الذرات والجسيمات العلماء. ولشرح بعض الظواهر، مثل إشعاع الجسم الأسود، قام العلماء بتطوير مفاهيم جديدة جذرية تقودهم إلى التفكير بشكل مختلف في المادة وتفاعلاتها. كان عقدًا من الفوران الإبداعي والعمل المكثف، كافياً لعدد قليل منهم لتأسيس واحدة من أجمل التركيبات الفكرية في كل العصور ألا وهي فيزياء الكموم. ومن ثم ميكانيك الكموم. سرعان ما لاقى هذا الإنجاز نجاحًا كبيرًا، بفضل تأكيد تنبؤاته التجريبية الدقيقة. واليوم هو موجود في كل مكان في حياتنا اليومية: في أجهزة الكمبيوتر لدينا، في هواتفنا، في شاشاتنا ...

ومع ذلك، وعلى الرغم من نجاحها الذي لا يمكن إنكاره، تظل فيزياء الكموم غامضة من نواحٍ عديدة، خاصةً لأن هذا الصرح النظري يتطلب عملًا في التفسير، وهو ما يواجه الفيزيائيون صعوبة أكبر في تنفيذه. يجب أن يقال إن نظرية الكم تطرح أسئلة غير مسبوقة ومذهلة: كيف نفهم شكليتها؟ هل هو بسيط

مجرد أداة للتنبؤ بنتائج التجربة؟ ما هي المكانة التي تمنحها الفرصة التي تتدخل في تحديد النتائج؟ هل يتيح لها ذلك الوصول إلى وصف لواقع العالم؟

إذا عانت فيزياء الكموم كثيرًا، فذلك لأنها خرجت من إطار تفسير الفيزياء الكلاسيكية. بالنسبة لأي نظام، تربط الفيزياء الكلاسيكية خصائص مناسبة للنظام (على سبيل المثال، مثل هذه الدراجة زرقاء وتعمل بسرعة 30 كيلومترًا في الساعة)، ولا تنسب دورًا أساسيًا لعملية القياس.، وهو فقط التسجيل المحايد والسلبي للكميات الموجودة بشكل موضوعي (الدراجة زرقاء، سواء نظرنا إليها أم لا).

لا يبدو أن فيزياء الكموم تشترك في مثل هذا "الالتزام الوجودي" القوي. أولاً، لا تمنح الجسيمات أي موضع أو مسار أو شكل محدد جيدًا. ثم وفوق كل شيء، تتخلى عن الاستفادة من فكرة، مهما كانت أولية، أن تنسب إلى الجسيمات حقيقة تكون مستقلة تمامًا عن وسائل ملاحظتها ومراقبتها أو رصدها. هل كانت هذه علامة على التخلي بشكل نهائي عن إطار التفسير الكلاسيكي؟ أو، على العكس من ذلك، أن هذا الجسم الجديد يفتقر إلى المكونات التي، إذا تم أخذها في الاعتبار، ستجعلها "تنسجم مع الخط السائد"؟

حول هذه الأسئلة، أصبح الفيزيائيان نيلز بور وألبرت أينشتاين صديقين بهدوء، لكن بحزم، على عكس بعضهما البعض. اعتبر بور أن فيزياء الكموم أجبرتنا على قلب النظريات التي تفسر العلاقة بيننا وبين ما ندعوه، "الواقع". اعتقد أينشتاين أنه من السابق لأوانه التوصل إلى مثل هذا الاستنتاج. لم يزعم مؤسس النسبية أبدًا أن فيزياء الكموم كانت نظرية خاطئة، ولكن، وفقًا له، لا ينبغي الحكم على النظرية الفيزيائية على أساس كفاءتها التشغيلية وحدها: يجب أيضًا أن تصور الهياكل اتساق حميم مع الواقع. ومع ذلك، في نظره، فإن فيزياء الكموم، على الرغم من نجاحاتها التجريبية المذهلة والتي لا جدال فيها ، لم تفعل ذلك بشكل مرضي للجميع.

في إطار نظرية الكموم، يتم وصف النظام المادي بواسطة كائن رياضياتي وهو، دالة الموجة. تتم كتابة هذا بشكل عام على أنه مجموع عدة وظائف تمثل كل منها حالة معينة، تتأثر بمعامل معين. ثم نواجه "تراكبًا" للحالات المحتملة، وهو وضع لا مثيل له في الفيزياء الكلاسيكية. تنص النظرية بعد ذلك على أنه بمعرفة دالة الموجة، لا يمكننا تحديد نتيجة القياس بشكل عام، ولكن فقط نحسب احتمالات الحصول على نتيجة معينة. ومن بين جميع النتائج المحتملة بشكل مسبق، يتم اختيار واحدة فقط، بشكل عشوائي، بواسطة عملية القياس. هذا الأخير يستلزم "تقليص الاحتمالات" الذي يحدث إن هذا الأخير يؤدي إلى "تقليص الاحتمالات" وهو الأمر الذي يتم بشكل مفاجئ وعشوائي. اعتقد أينشتاين فقط أنه من السابق لأوانه التوصل إلى مثل هذا الاستنتاج لأنها ليست مكتملة. والآن، وفقًا لأينشتاين، يجب على النظرية الفيزيائية الجيدة أن تقضي على الصدفة، وتلغيها، إن لم يكن من بنائها، فعلى الأقل من مبادئها. ثانيًا، تمسك أينشتاين بشكل ما من إدراك "الواقع"، فكرة العالم الواقعي الذي توجد أصغر أجزاء منه بشكل موضوعي، سواء لاحظناها أم لا، مشيرًا إلى أن هذا الواقع يتعرض للخطر من خلال فيزياء الكموم، فقد أراد إثبات وجود عناصر من

حقيقة أن هذه النظرية غير قادرة الإحاطة بماهية وحقيقة الواقع وبالتالي فهي غير مكتملة.

"هل كان الوصف الكمومي للواقع المادي مكتملاً؟" هو السؤال الذي أجاب عنه الباحثون الثلاثة بالنفي وهم ألبرت آينشتاين وناثان روزين وبوريس بودولسكي في مفارقة EPR. يعتمد منطقهم على ثلاث فرضيات. الأولى تنص على صحة تنبؤات فيزياء الكموم. لا شك أن أينشتاين وزملائه يعتبرون أن فيزياء الكموم هي نظرية إن لم تكن خاطئة، فهي ناقصة، فهم يشككون فقط في تماسكها الداخلي واعتبارها نظرية لا محلية.

الفرضية الثانية: لا تأثير يمكن أن ينتشر بسرعة أسرع من الضوء، وفقًا للنسبية الخاصة. والفرضية الثالثة هي أن العالم الحقيقي موجود بشكل موضوعي مستقل عن الملاحظة والرصد والمشاهدة والقياس. لذلك هم يعترضون على وصف قائم على الصدفة وليس وصف عالم موجود بشكل مستقل عن الملاحظة. وبالعكس من ذلك، كان بور نفسه يكره اعتبار أن هناك حقيقة موضوعية مستقلة عن جهاز القياس. ووفقًا له، فإن ما يمكن أن تدعي النظرية الفيزيائية وصفه هو مجرد ظواهر بما في ذلك في تعريفها السياق التجريبي الذي يجعلها ظاهرة. لذلك لم تكن فيزياء الكموم بحاجة إلى تعديل. إن خاصية المحلية localité هذه تنطوي ببساطة على أنه عندما يكون هناك حدثان بعيدان جدًا في الفضاء وقريبان جدًا من الوقت بحيث لا يتوفر للضوء الوقت لربطهما، فلا يمكن لأي من هذين الحدثين التأثير على الآخر؛ ثم تحدث "كل واحدة في ركن خاص بها" ، تمامًا كما لو أن الآخر لم يحدث. وإذا طبقنا معيار الموقع أو المحلية على الجسيمات، فهذا يعني أن كل واحدة تحمل معها، أي "محليًا"، الخصائص التي ستحدد نتائج القياسات.

أخيرًا، يشير المعيار الأخير، أي فرضية الواقع، إلى أنه إذا كان بإمكان المرء أن يتنبأ على وجه اليقين بقيمة الكمية المادية، فعندئذ يوجد عنصر من الواقع المادي يتوافق مع هذه الكمية. القيمة الناجمة ليست هلوسة أو هذيان ولا شبحاً وهناك عنصر من الواقع يتوائم ويتوافق معها بالضرورة وعلى الشكلانية أن تدمجها وبدونها لن تكون مكتملة. أساس ما يسمى بتفسير كوبنهاغن (ومختلف الفروق الدقيقة فيه)، والذي حمله بور وفيرنر هايزنبرغ وآخرون، لطالما اعتبر أنه الطريقة الوحيدة لتصور فيزياء الكموم.

عندما يعارض أينشتاين بور ويبدأ بينهما السجال الشهير:

بدأ الجدل بين أينشتاين وبور في عام 1927، في بروكسل، خلال مؤتمر سولفاي ، وهو مؤتمر علمي جمع أعظم علماء الفيزياء في ذلك الوقت. بحث أينشتاين عن تناقض في "علاقات عدم اليقين التي عرضها هايزنبيرغ Heisenberg»، والتي تتعلق بسلوك الجسيمات الكمومية الفردية. يتم التعبير عن هذه العلاقات الأساسية لنظرية الكموم في شكل عدم التكافؤ أو عدم المساواة التي تربط بين كميتين

"مكملتين لبعضهما البعض"، مثل الموضع والسرعة. تتمثل إحدى نتائج هذه التفاوتات في أنه من غير الممكن معرفة الكميات التكميلية تمامًا في نفس الوقت. لكن مع كل هجوم، نجح بور في مواجهة حجج أينشتاين. في عام 1935، استؤنفت المناقشة حول مقال نشر الثلاثي ألبرت آينشتاين وبوريس بودولسكي وناثان روزين EPR، تضمن نص مقالتهم اعتراضاً على، ليس فقط سلوك جسيم واحد فقط فحسب، بل زوجين من الجسيمات ترتبط خصائصهما على نحو وثيق بحيث يضطرنا الأمر للحديث عن " جسيمات متشابكة " وعنوان المقال " الوصف الكمومي للواقع الفيزيائي هل يمكن اعتباره كاملاً؟  وهو تساؤل رد عليه العلماء الثلاثة بالنفي.

أسباب حجة الثلاثي EPR مبنية على ثلاث فرضيات. تحدد هذه الفرضيات الثلاثة معًا ما يجب أن نفهمه عن «الشيء الحقيقي" أو الواقع، إذ تظل رؤيتهم قريبة من الفطرة السليمة وأفكار الفيزياء الكلاسيكية. مسلحين بهذه الحجج، تعاطى أينشتاين وبودولسكي وروزين تجربة فكرية تعتمد على نظام يتكون من إلكترونين متشابكين، تم إنشاؤه بواسطة عملية تربط سرعتيهما وموقعيهما في علاقات محددة مسبقًا. بتعبير أدق، يغادر الإلكترونان في اتجاهين متعاكسين بنفس السرعة. بقياس سرعة الجسيم 1، نستنتج سرعة الجسيم 2 في نفس اللحظة دون تغيير حالته؛ وبموجب معيار الواقع، فإن سرعة الجسيم 2 هي عنصر من عناصر الواقع. بالاستمرار بنفس الطريقة مع الموضع، توصلوا إلى استنتاج مفاده أن موضع الجسيم 2 هو أيضًا عنصر من عناصر الواقع. الآن، ومع جمعهما فإن هذين التأكيدين يتعارضان مع مبدأ عدم الدقة أو اللايقين لهايزنبيرغ ولذي ينص على أنه لا يمكن قياس وتحديد سرعة وموضع الجسيم بدقة في آن واحد.

جلب هذا التناقض العلماء الثلاثة لاستنتاج أن فيزياء الكم غير قادرة على تفسير عناصر الواقع هذه (هنا الموضع والسرعة). لذلك يجب اعتبار النظرية غير كاملة: المتغيرات التي لا تظهر في شكلها الرياضياتي ستحمل هذه المعلومات، أي عناصر الواقع هذه. وإلا، سيتعين على المرء أن يتخيل أن الموقع والسرعة ليسا من عناصر الواقع؛ وأن القياس الذي تم إجراؤه على الجسيم 1 سيحدد، على مسافة، فورًا وكأنه بمعجزة (بواسطة "التخاطر" كما يقول أينشتاين)، الكميات المتعلقة بالجسيم 2. كان هذا الحل مستحيلًا في نظر الفيزيائيين الثلاثة، لأنه انتهك فرضية الموقع أو المحلية localité وقوانين النسبية المقيدة. ستكون فيزياء الكموم عندئذٍ نظرية يمكن تسميتها بــ "غير محلية".

لفهم المشكلة بشكل أفضل، دعنا نختار توضيحًا أقرب إلى التجربة المشتركة. لنفترض أن لدينا بطاقتين، واحدة زرقاء والأخرى حمراء، ووضعنا كل منهما في مظروف مغلق. دعونا نخلط المغلفين بعيدًا عن الأنظار، ثم نعطي أحدهما لبول والآخر لجولي. عندما يفتح بول مظروفه، يكتشف لون بطاقته. من الواضح أن النتيجة التي يحصل عليها مرتبطة بتلك التي ستحصل عليها جولي: إذا كانت بطاقة بول زرقاء، فستكون بطاقة جولي بالضرورة حمراء، والعكس صحيح. كيف نفسر هذا؟ بكل بساطة من خلال اعتبار أن الألوان الخاصة ببطاقات بول وجولي قد ثبتت قبل فتح المغلف إن هذا الفعل قد كشف عن حالة لم تكن معروفة من قبل بول لكنها كانت محددة مسبقاً وعلى نحو تام جداً. بعبارة أخرى، الأمر لايتعلق بمعرفة بول بلون بطاقته الذي ثبت هذا اللون ولا من حدد لون بطاقة جولي من خلال بعض المعلومات التي انتقلت من المغلف الأول عند بول باتجاه المغلف الثاني عند جولي، فللبطاقتين لونيهما بموجب السبب المشترك الذي ثبتهما عندما تم دسهما داخل المغلفين بالفعل قبل فتح الظرف: لم يكشف هذا الإجراء إلا عن موقف لم يكن معروفًا لبولس بعد، ولكنه تم تحديده تمامًا بالفعل. بعبارة أخرى، ليست حقيقة أن بول يعلم لون بطاقته هو الذي ثبت هذا اللون، ولا هو من كان يحدد لون بطاقة جولي من خلال بعض المعلومات المنقولة من المغلف الأول إلى الثاني. تصادف أن كلتا البطاقتين تحملان اللونين اللذين بحوزتهما بسبب السبب المشترك الذي أمّنهما عندما تم انزلاقهما في المظاريف. هذا النوع من الجدل هو الذي تتكثف فيه فرضية واقع أينشتاين: هناك "عنصر من الواقع المادي" مرتبط بلون بطاقة جولي منذ ذلك الحين، دون فتح الظرف لديها بين يديها، وهي قادرة على التعرف عليه. كل ما عليه فعله هو أن يسأل بول عما حصل عليه ويصل إلى النتيجة. من الواضح أن حالة بطاقات بول وجولي هي مشكلة ذات طبيعة كلاسيكية، حيث يأخذ الجزء الاحتمالي مصدره في مبدئي "خلط إحصائي" للبطاقات. في حالة النظام الكمومي المكون من إلكترونين متشابكين، فإن تراكب الحالات هو الذي يلعب دوره. لكن ما أوضحه أينشتاين وزملاؤه هو أن تطبيق معيار الواقع على النظرية الكموم يؤدي إلى "مفارقة EPR" (وهي الأحرف الأولى للموقعين الثلاثة على المقال الذي أثار المفارقة). بتعبير أدق، لضمان الواقعية ولتجنب تعارضات التماسك الداخلي داخل النظرية، يجب أن تكون هناك متغيرات إضافية غير واردة في فيزياء الكموم. وهكذا فإن هذه الشكليات عالقة في فعل عدم الاكتمال. لذلك يجب أن يوجد، وفقًا لأينشتاين وزملائه، مستوى وصف أدق للواقع من ذلك الذي تقترحه فيزياء الكموم.

بمجرد نشر هذا المقال، قرر بور التصدي للدفاع عن فيزياء الكموم كما هي. لكنه سرعان ما أدرك أن منطق أينشتاين كان دقيقًا للغاية وأن دحضه يجب أن يكون دقيقًا أيضاً. بالطبع، كانت الإجابة التي قدمها على السؤال المطروح (هل فيزياء الكم مكتملة؟) كانت نعم لا لبس فيها، لكن حجته بدت مشوشة إلى حد ما، غيرة قادرة على تحديد حتى أدنى خطأ في حجة EPR، اختصر بور في التأكيد على أن الأدلة التي قدمها أينشتاين لم تكن قوية بما يكفي وأن نقده ركز على معيار واقع الشخص الذي يحاوره.

في الواقع، لم تكن هذه المناقشات ذات أهمية كبيرة للفيزيائيين، حيث لم يكن لها تأثير على طريقتهم في استخدام شكليات فيزياء الكموم، أي إجراء الحسابات والتنبؤات. الذين كانوا لا يزالون على اتفاق مع القياسات. إن خصوبة نظرية الكموم كانت مذهلة للغاية لدرجة أنها لا تبدو ضرورية ولا مفيدة لفهمها وليست تلك الخاصة بالنظريات المفيدة لفهم التنافس بشكل أفضل. في النهاية، كان هناك انفصال كامل بين المتخاصمين، ولكن في عام 1964، في CERN، بالقرب من جنيف، وجد جون بيل، الفيزيائي الأيرلندي الشمالي، المولع جدًا بنظريات الواقعية المحلية، نفسه يدحض موقف أحد الطرفين. في وقت لاحق، تم تعديل تجارب أخرى أكثر اتقاناً ودقة، من الوضوح المفاهيمي وأكثر تفصيلاً.

ساعد نيلز بور وألبرت أينشتاين في العثور على فيزياء الكموم وتفسيرها. من خلال رؤاهم المتناقضة والمناقشات المستفيضة التي ميزت التطورات بعمق لكشف هذه النظرية والتي سمحت بفهمها بشكل أفضل.

اقترحا حالات تجريبية بحيث ستعطي فيزياء الكموم تنبؤات مختلفة عن تنبؤات نظرية تدعي التكاملية باحترام فرضة المحلية وذلك بفضل إدخال "المتغيرات المخفية المحلية"، مهما كانت كبيرة، لا تضعف التشابك. علينا بعد ذلك أن نعترف بالطابع غير المحلي لنظرية الكموم.

كان هذا هو الحال في أوائل الثمانينيات، عندما أجرى فريق من معهد البصريات في أورساي Institut d'Optique d'Oray بقيادة آلان آسبيه Alain Aspect سلسلة من التجارب مع فوتونات متشابكة أثبتت أن تنبؤات الفيزياء الكمومية هي الصحيحة والمضبوطة وليس النظريات المناوئة والمنافسة.

أو حكايات الكوانتوم الغريبة 3

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

رحلة في الكون الخاص جدًا لفيزياء الكموم. سوف نكتشف عالماً جديداً، ولكن ما الذي يميز فيزياء الكم؟ إنه ببساطة أبعد من خيالنا، وأبعد تصورنا للأشياء.

نحاول في هذه الدراسة أن نتيح للقاريء الاقتراب بطريقة بسيطة جدًا من شيء يبدو في البداية معقدًا للغاية.. في حكاية مريحة لا تحتاج إلى في الحلقات القادمة تفكير، ستتعرف على قطة شرودنجر المسكينة الحية الميتة في آن واحد، وهذه مجرد تجربة فكرية ولم يتم إساءة معاملة أي حيوان في هذه القصة! لكن هل يمكن أن يؤدي تراكب حالات الإلكترون إلى جعل القطة ميتة وحية في نفس الوقت؟ يكون الكموم غريبًا في بعض الأحيان، لكن في هذه الحالة، لن يؤدي إلى أي مفاجأة: كون القط "أكبر من أن يكون كموميًا"، وسنوضح أن لديه فرصة واحدة من كل 2 للبقاء على قيد الحياة بعد ذلك.

فيزياء الكموم ليست حديثة وتعود لبدايات القرن الماضي، لكن ما هو مستقبلها؟ يعتقد أنها ستكون فيزياء المستقبل، ولا سيما في مجال معالجة موضوع الكمبيوتر الكمومي. وستكون قادرة على حساب مئات الآلات ومليارات العمليات الحسابية في ثوان، وسرعان ما تم وصفها بأنها ثورة. ولكن تبقى هناك العديد من العناصر المثالية، والتي لا تمنع من وجود بادرة تفاؤل لعقود قادمة.

في الأساس، أرجو أن تكون هذه الرحلة من الحكايات الكمومية ممتعة. وأن تكون أيضًا نوع من التعرف على العالم الكمومي، والذرات، والإلكترونات، وما إلى ذلك.. والمفاهيم الكمومية المختلفة مثل تأثير النفق، وثنائية الموجة والجسيم أو حتى فك الترابط، والتي سيكون لها عدد أقل من الأسرار بالنسبة للقاريء غير المتخصص.

بشرت نهاية القرن التاسع عشر بعصر ذهبي حقيقي للفيزيائيين. لم يكن هناك ما يشير إلى أنهم سيشهدون الولادة الحقيقية لعصر جديد شهد ثورة حقيقية في الفيزياء مع ظهور النسبية الخاصة والعامة لآينشتاين وفيزياء الكموم الكوانتوم على يد ماكس بلانك ومجموعة كبيرة من العلماء الآخرين وعلى رأسهم نيلز بور وشرودنغر وآينشتاين نفسه وهايزنبيرغ وغيرهم.

وكانت تلك الدعامتان من أقوى النظريات وأكثرها إثارة للقلق في تاريخ العلم. انتهى القرن بانتصار "العلوم الحديثة" بلا منازع، التي تأسست عام 1687 بواسطة نظرية الجاذبية الكونية لإسحاق نيوتن. الشعور العام هو أن الإكتمال، كما يتضح، حص في عام 1894، من خلال هذا البيان الصادر عن جائزة نوبل المستقبلية في الفيزياء ألبرت ميكلسون: "يبدو من المحتمل أن معظم المبادئ العظيمة الكامنة وراء [الفيزياء! قد تم اكتشافها وبات من الضروري البحث عن تطورات جديدة بشكل رئيسي في التطبيق الصارم لهذه المبادئ على جميع الظواهر التي تحظى باهتمامنا. "وبعبارة أخرى، تم وضع قوانين الفيزياء، ولم يعد عمل علماء الفيزياء في القرن العشرين سوى القيام بصقلها وتطبيقها! لم يبق سوى شرح اثنين أو ثلاثة تفاصيل عنيدة.

"كارثة الأشعة فوق البنفسجية":

"من بين هذه" التفاصيل "التي لا يمكن تفسيرها، يشرح هيرفي زويرن Hervé Zwirn، الفيزيائي وعالم المعرفة، مدير الأبحاث في CNRS، هناك بالضبط نتائج تجربة ميكيلسون ومورلي، في عام 1887، مما أشار لديهما وجود سرعة ثابتة للضوء. كما أثيرت مشكلة إشعاع "الجسم الأسود"، والتي لا يمكن للمرء أن ينشئ قانونًا متماسكًا بشأنها آنذاك. "ومن غير المعروف إذن أن هذه" التفاصيل "الصغيرة التي تبدو غير ضارة ستؤدي في الواقع إلى نظرية النسبية للأول، أي سرعة الضوء، وميكانيكا الكموم للثاني، أي حل لغز إشعاع الجسم الأسود. بعبارة أخرى، ظهور الثورتان العظيمتان في الفيزياء، ولدا معاً في نفس الوقت تقريباً ولم تفصل بينهما سنوات قليلة.

ولكن إذا كانت النسبية من عمل رجل واحد وهو ألبرت أينشتاين، الذي سيطورها بين عامي 1905 و1915، فإن فيزياء الكموم، شارك فيها العديد من العلماء: وتم تشكيل مدارس ورواد لامعين، سيستغرقون سبعة وعشرين عامًا (1900-1927) لتكوينها. يوضح أوليفييه داريغول Olivier Darrigol، مؤرخ الفيزياء والأستاذ بجامعة باريس ديدرو: " البعض اغمس بحماسة واندفع في هذه الثورة الراديكالية الجديدة بينما فضل البعض التريث والمقاومة لغاية سنة 1926 آملين أن يكون باستطاعتهم ربطها بشيء يبدو أكثر كلاسيكية "بالنسبة للمؤرخين، لا يوجد إجماع ولا تجانس في هذه العملية.

كان الفيزيائي الألماني ماكس بلانك (1858-1947) أول من نص على أن تبادل الطاقة بين الضوء والمادة يتم بطريقة متقطعة، بواسطة حزم طاقة غير قابلة للتجزئة، "الكمات". ومن ثم فهو يعتبر والد ميكانيكا الكموم. إنه بالكاد يوافق على فكرة أينشتاين عن تطبيق مبدأ الكموم على الضوء، وحتى أقل من فكرة بور لتطبيقه على الذرة. سيضع في النهاية صلاحية نظريته في عشرينيات القرن الماضي.

بلانك هو "الجد" لكل أولئك الذين سيبنون النظرية من خلال كوانتيه- كمومه، لقد فتح الباب ولكنه ترك نجاحاته تدخله. كان وصيًا للفيزياء في ذلك الوقت، ربما كان بالفعل كبيرًا في السن، ومترسخًا في الفيزياء "الكلاسيكية"، بحيث لا يجرؤ على الشروع في المغامرة المجنونة التي بدأها. بسرعة كبيرة في هذه الراديكالية الجديدة، بينما قاوم آخرون حتى عام 1926، على أمل أن يتمكنوا من ربطها بشيء أكثر كلاسيكية ".

وبالتالي كان ماكس بلانك أول من أحدث خرقاً دون حتى أن ينتبه لذلك. أدرك الفيزيائي الألماني ماكس بلانك ذلك في نهاية عام 1900. في مقال، سيتبعه عرض تقديمي إلى جمعية برلين الفيزيائية، يدعي بلانك أنه حل المسألة القديمة "إشعاع الجسم الأسود" التي أبقت الفيزيائيين في مأزق لمدة 40 عامًا. تتعلق هذه المشكلة النظرية بالتفاعل بين المادة والإشعاع. يمكننا توضيح ذلك بتخيلنا لفرن يفرغ من كل هوائه حيث يتم إغلاق الأشياء المراد تسخينها بإحكام. تمتص الأجسام الإشعاع الحراري (على شكل ضوء)، وهو الضوء المنبعث من جدران الفرن، ثم تستقر عند درجة حرارة معينة ثم تبدأ في إصدار نفس الإشعاع بأطيافه المختلفة، بغض النظر عن المادة المصنوعة منها. هذه الحقائق ليست موضع نقاش، لكن العلماء لا يستطيعون وضع معادلات الطريقة التي يتبادل بها الضوء والذرات طاقتهم. أدت جميع المحاولات حتى الآن إلى نتائج عبثية: تبدأ المعادلات في التباعد نحو اللانهاية لأكثر الأطوال الموجية نشاطًا، نحو الأشعة فوق البنفسجية. مما يعني أن أي جسم إذا تعرض لفترة معينة للأشعة فوق البنفسجية، مثل تلك الموجودة في الشمس، فسوف يصبح كالقنبلة قابل للانفجار ... ومن الواضح أن الأمر ليس كذلك.

ومع ذلك، وجد بلانك الحل لما كان يسمى في ذلك الوقت "بكارثة الأشعة فوق البنفسجية". ولكن على حساب بعض الحريات: بدلاً من اعتبار أن الطاقة يتم تبادلها بين الضوء والمادة بطريقة مستمرة، فإنه يفترض بالفعل أن الشعاع يعطي الطاقة في شكل حبيبات للجسم الأسود. بالنسبة إلى بلانك، فإن هذا المرور من المستمر إلى المنفصل ليس سوى "حيلة رياضياتية"، حيلة لتجنب الاختلاف في معادلته. وبما أن هذا يتماشى مع النتائج التجريبية، فقد تم تبنيها دون أن يتساءل أحد عن معنى هذه المخاتلة.، أي ماهي تبعات ذلك على طبيعة الضوء التي كان آينشتاين يشتغل عليها؟

بنى أينشتاين (1879-1955) نظرية النسبية من تلقاء نفسه وافترض، في عام 1905، الطبيعة الحبيبية للضوء على أساس كوانتا بلانك. ثم اكتشف "قسرا" في عام 1935 ظاهرة التشابك.

كان هناك اعتراف جمعي به من قبل أقرانه على أنه عبقري ذلك الوقت، ظل آينشتاين دائمًا محميًا من التيارات والمدارس الفكرية. لا معلم ولا تلاميذ (على الأقل ممن يدعون ذلك). من خلال التشكيك في معنى الكموم بلا هوادة، سيكون أحد المحركات الرئيسية لهذه النظرية. حتى لو كانت قوة حسه السليم - فإن جوهر عبقريته سيمنعه من الاعتراف حتى وفاتها بأنه يمكن فصل النظرية عن الواقع الذي تصفه. وكان على خطأ. وبسرعة. دون أن يشكك أحد في المعنى المادي لهذه الالتفاف ... أي: ما هي عواقب ذلك على طبيعة الضوء؟ حتى مايو 1905، نشر شخص غير معروف آنذاك، يبلغ من العمر 25 عامًا مقالته الأولى: حول وجهة نظر إرشادية تتعلق بإنتاج وتحويل الضوء. يُدعى الوافد الجديد لساحة الفيزياء ألبرت أينشتاين، ويوضح أن التأثير الكهروضوئي، وتحويل الضوء إلى كهرباء في مادة ما، ينتج عن تبادل كمية الطاقة التي تصورها بلانك. إلا أن أينشتاين يعطيها معنى فيزيائيًا: فهي بالنسبة له جزيئات ضوء! "أينشتاين هو أول من انفصل عن الفيزياء الكلاسيكية بسرعة كبيرة في هذه الراديكالية الجديدة، بينما قاوم آخرون حتى عام 1926، على أمل أن يتمكنوا من ربطها بشيء أكثر كلاسيكية "كما ذكرنا أعلاه.

في الواقع، كان من المقبول حتى ذلك الحين أن الضوء عبارة عن كمية مستمرة يمكن أن تنبعث أو تمتص بنفس الطريقة التي يتم بها نقل الماء من وعاء إلى آخر. لكن أينشتاين يوضح ذلك بطريقته الخاصة: فالضوء يفضل أن يشبه مجموعة من الكرات غير القابلة للتجزئة التي تتدفق واحدة تلو الأخرى. سلسلة من الانقطاعات. "في ذلك الوقت، كان أينشتاين وحيدًا تمامًا"، ولسبب وجيه! لأكثر من قرن من الزمان، تم اعتبار أن الضوء يتكون من موجات مستمرة: في عام 1801، لم يكن الإنجليزي توماس يونغ يعرف ذلك من خلال تمرير الضوء أحادي اللون بواسطة شقين صغيرين، حصلنا على "شكل تداخل"، تناوب للخطوط الساطعة والمظلمة؟ وهو التوقيع بامتياز للظاهرة الموجية للضوء بطبيعتها المستمرة!

هنا يبدأ الارتباك: فالضوء يظهر بشكل متكرر مثل موجة ومثل جسيم حبيبي ... على مدى السنوات التالية،

انضم علماء الفيزياء الرواد تدريجيًا إلى فكرة أن رياحًا جديدة تهب في الفيزياء. حركة أدت في عام 1911 إلى المؤتمر الأول حول نظرية الإشعاع والكمات Rayonnement et Quantas (الذي أطلق عليه مؤتمر فيزياء الكموم) الذي تم تنظيمه في بروكسل.

كسر القواعد:

تدفق فطاحل علماء الفيزياء الكبار إلى مؤتمر سولفاي الأول: هندريك لورنتز، وإرنست رذر فورد، وماري كوري، وهنري بوانكاريه، وبول لانجفان، وألبرت أينشتاين، وماكس بلانك ... "لكننا مازلنا في وضع الغموض والحيرة والضبابية وعدم الوضوح، كما يتذكر أوليفييه داريغول.  الذي تساءل: هل هذه الطبيعة الحبيبية أو المتقطعة للطاقة والضوء أساسية وغير قابلة للاختزال، أم أنها تتعلق بشيء معروف؟ "

عندها ظهرت شخصية ثالثة:

إنه الدنماركي نيلز بور. نحن عام 1913، عندما قرر بور تطبيق مبدأ القياس الكمومي على الذرات. بعد طاقة بلانك، وضوء أينشتاين، يمتد مفهوم الكوانتا إلى المادة. "بور يخالف القواعد، كما يوضح هيرفي زويرن. فهو يسن مبدأ دون يبرره. فمدارات الإلكترونات في الذرة محددة ومستقرة. فالإلكترون محضور عليه أو محتجز دون إنفاق للطاقة، ومن أجل الانتقال من مدار إلى آخر، يجب أن يمتص أو يطلق فوتونًا تتوافق طاقته مع فرق الطاقة بين المدارات ". كتب بور بهذا الخصوص: "يبدو ضروريًا إدخال كمية غريبة في هذه القوانين، غريبة عن الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، مثل ثابت بلانك. "على الرغم من أن نموذجه قطعي، إلا أنه سرعان ما تم قبوله لأنه تم التحقق من صحته من خلال التجربة!" أدرك بور تمامًا أننا لم نواجه فيزياء جديدة فحسب، بل أيضًا نظرية جديدة للمعرفة، طريقة مختلفة للتفكير في الفيزياء، كما يكشف أوليفييه داريغول. يراه كمزيج غير عادي من الاستمرارية والانقطاع: للذرات مدارات منفصلة [مستويات طاقة]، لكنها يمكن أن تتشوه باستمرار. "

حماسة مشوبة بضربات ارتباك تهب على الفيزياء ... حتى الحرب العظمى، التي ستقتل الشباب الأوروبي. تتذكر مارثا سيسيليا بمستأمنتي، عالمة الفيزياء ومؤرخة الفيزياء، "نحن نعلم أنه من بين الفيزيائيين الفرنسيين الشباب قبل الحرب، كان هناك الطلاب السابقون الذين كانوا في أعقاب جيل بول لانجفان قد ذهبوا لجبهات القتال، ثم عاد عدد قليل جدًا منهم". لقد مر ما يقرب من عشر سنوات قبل أن يضع عالم فيزيائي فرنسي آخر حجره على المبنى: كان اسمه لويس دي برولي. طالب الدكتوراه الشاب الذي كان بول لانجفان هو المشرف على أطروحته. كان هذا من شأنه أن يشجعه، حسب المؤرخ، على "التفكير في توليفة بين بلانك وأينشتاين وبور". يرى دي برولي الآن رابطًا عميقًا بين عملهم، ويضع لذلك فرضية مجنونة: إذا كان الضوء أيضًا جسيمًا، فلماذا لا تكون المادة أيضًا موجة؟ "هذان التمثيلان، كما كتب دي برولي في أطروحته التي دافع عنها في تشرين الثاني (نوفمبر) 1923، ربما يكونان على الأرجح أقل تعارضًا مما كان مفترضًا، ومع التطور يبدو أن تطوير نظرية الكموم يؤكد هذا الاستنتاج. ومن هنا "ولد مبدأ ازدواجية طبيعة المادة الموجية والجسيمية. كانت تلك المقاربة بمثابة قنبلة!

مبادئ بديهية مضادة:

ينص هذا المبدأ غير البديهي تمامًا على أنه، مثل الضوء والطاقة، فإن لبنات المادة (الذرة، والإلكترون، وما إلى ذلك) هي جسيمات مثلها مثل الموجات. سيؤدي هذا إلى ولادة مبدأ التراكب superposition، وهو أحد أغنى المفاهيم في ميكانيكا الكموم! بما أن المادة (أيضًا) عبارة عن موجة، فيمكننا عندئذٍ تركيب جزيئات المادة على بعضها البعض، بل وحتى تركيبها على نفسها! وبفضل مبدأ التراكب هذا ستستمر في تحديد المسار حتى النهاية. أي حتى صياغة النظرية بشكل كامل والتي كانت هي بأمس الحاجة لذلك.

منذ بداية العشرينيات من القرن الماضي، في الواقع، كانت صياغتها في حالة ركود. صحيح أن بور استمر في بناء نموذج لذرة الهيدروجين، وهي الأبسط من بين كل النماذج، حتى إنه طور نظرية كموم الأطياف والخطوط كوفئت بمنحه جائزة نوبل للفيزياء سنة 1922. مع حدوث بعض المسافة يمكننا القول إنها لم تكن نجاحاً منقطع النظير فلم يكن ممكناً توسيع نظريته لتشمل الذرات الأكثر تعقيداً وتركيباً. فمازال هناك شيء ما يفلت من تفكيره. ولم يدم ذلك وقتاً طويلاً. إذ في خضم الحماسة التي رافقت أطروحة دي برولي تواصلت واستمرت عمليات نشر البحوث والدراسات بإيقاع جنوني حتى إن انشقاقاً فلسفياً كان يتخمر قد اندلع في ضوء النهار بين الفيزيائيين، بين من يعتقد إنه يجب التخلي عن فكرة نظرية تصف واقعاً ملموساً ومرئياً وآخر حدسي تخميني احتمالي وبين من يعتقد عكس ذلك. أي النظرية التي تصف حقيقة يصعب تخيلها وواقعاً غير قبل للإدراك. المعسكر الأول هم أتباع وأصحاب ومؤيدي بور الذي أسسوا مدرسة كوبنهاغن والذي كانوا فكرياً وثقافياً مستعدين لمسح كامل أرضية الحدس والملموس والرؤية في الفيزياء الكلاسيكية ومن بين هؤلاء فيرنر هايزنبيرغ وفولفغانغ بولي وماكس بورن وجاكوب جوردان وأعتقد هؤلاء أنه ليس من سمات نظرية فيزيائية بالضرورة أن تكون قابلة للتصور ولا إعطاء حدس ملموس للواقع وإن حقيقة سلوك المادة وطبيعتها المزدوجة الموجية والجسيمية لا تزعجهم حتى لو كانت تصف واقعا يصعب إدراكه. يبدو أن نتائجهم تثبت صوابهم. قام باولي وبورن بتحفيز هايزنبرغ والعكس صحيح. في عام 1925، اكتشف باولي المبدأ المعروف باسم "الاستبعاد" principe d’exclusion، والذي يحظر على إلكترونين متشابهين أو متماثلين أن يتواجدا معاً في نفس مستوى الطاقة جلب بورن خبرته الرياضياتية لهايزنبيرغ  عندما شرع هذا الأخير بإجراء الحسابات باستخدام جداول قيم منظورة وتعرف على جبر المصفوفة  - وهي نظرية رياضياتية تجريدية وغير مألوفة ولا معروفة وغير مسبوقة في الفيزياء – ثم التحق بالثلاثة جاكوب جوردان حيث قاموا خلال عام 1925 بصياغة ميكانيك المصفوفة mécanique matricielle والذي لايزال مستخدماً إلى اليوم والذي تكون فيه الأجسام ذات متجهات ومصفوفات متعددة الأبعاد.

إن الذي كان يغلي منذ فترة طويلة، يظهر في ضوء النهار، استمر الخلاف بين الفيزيائيين الذين يعتقدون أنه من الضروري إعطاء فكرة عن نظرية تصف واقعًا مرئيًا وبديهيًا، وأولئك الذين لا يفكرون بذلك.

وفي خصم هذا الاندفاع، وصل قادم جديد عام 1926، إنه النمساوي إروين شرودنغر الذي نشر تباعاً أربعة مقالات استنتج منها معادلته الشهيرة المستوحاة على نحو مباشر من قوانين الميكانيك الموجي الكلاسيكي  والتي تحمل اليوم إسمه" معادلة شرودنغر"  إثر ذلك ولد الأمل من جديد عند أينشتاين وأولئك الذين يعتقدون أنه لا يجب أن تكون النظرية الفيزيائية "تخيلية" ما بدا كأنه يعطي الحق لمعسكر خصوم البوريين – أتباع بور – المكون من الــ outsiders الدخلاء وغير المعروفين أو اللامنتمين  لمعسكر آينشتاين  والمدفاعين عن فيزياء الكموم الحدسية. على عكس المعسكر المناويء الذي يقوده آينشتاين والذين

يشتركون في الاقتناع بأن النظرية يجب أن تعطي حدسًا للواقع الأساسي ".. الذين نجد بينهم آينشتاين، ودي بروجلي وشرودنغر.

"الله لا يلعب النرد!":

ومع ذلك، من مقالته الثانية، اتخذ شرودنغر خطوة نحو ميكانيكا المصفوفة لمدرسة كوبنهاغن.  ويعترف: "لم أتمكن من العثور على الاتصال بعد"، على أمل أن "يكمل كل منهما الآخر". قبل أن نلاحظ في مقالته الثالثة، هذه الحقيقة "الغريبة جدًا وهي أن هاتين النظريتين الجديدتين تتفقان مع بعضهما البعض فيما يتعلق بالحقائق المعروفة". وأخيرًا نعترف بأن تمثيل المصفوفة للبوريين، من خلال منع الحدس، يمكن أن يكون متفوقًا، لأنه "لا يشجعنا على تكوين صور مكانية-زمانية للعمليات الذرية التي ربما يجب أن تظل غير قابلة للسيطرة [من أجل العقل]". لذلك يقبل شرودنغر على مضض أن فيزياء الكم تتخلى عن الحدس وهو الأمر الذي لم يتقبله آينشتاين أبداً.

قدم بول ديراك على الفور دخولًا رائعًا. لن يُظهر هذا البريطاني التكافؤ الصارم لصيغتي شرودنغر وهايزنبيرغ فحسب، بل سيحدد أيضًا قواعد حساب هذه الشكلانية: ستحتوي معادلة شرودنغر الآن على مصفوفات ومتجهات كمتغيرات! بعبارة أخرى، هنا تستوعبها الرؤية البورية.

سيؤدي هذا التوليف إلى ارتدادات جديدة. في وقت مبكر من مارس 1927، أظهر هايزنبرغ في مقالته عن المحتوى البديهي للكينماتيكا cinématique وميكانيكا الكموم أنه وفقًا لمعادلة شرودنغر المصاغة بمساعدة المتجهات، من المستحيل قياس موضع الإلكترون وسرعته بدقة كبيرة: هذا هو المبدأ الشهير في عدم اليقين أو عدم التحديد incertitude et indétermination. وهو مبدأ ينبع من طبيعة الملحوظات وحساب المصفوفة: إذا ضربنا المصفوفات A في B، فإن النتيجة ليست هي نفسها B في A. وعند ترجمتها إلى الفيزياء، فإن هذا يعني أن قياس الموضع (A)، ثم السرعة (B) قياس السرعة (ب)، ثم الموضع (أ) لنفس الجسيم ما من شأنه منع حالة التحديد الدقيقة للإعدادين أو المعلمتين معاً.

المصفوفات ومعادلة شرودنجر، مبدأ التراكب، مبدأ اللاحتمية ... سواء كانوا يؤمنون بواقع يمكن تمييزه أم لا، لكنه "مخفي" وراء الشكلية الكمومية، بلانك، أينشتاين، بور، دي بروجلي، بورن، باولي شرودنجر وهايزنبرغ وديراك قم كل هؤلاء  بشكل جماعي ببناء ركائز ميكانيكا الكموم.

بالطبع، ستظل هناك إعادة صياغة، لكن أسس النظرية لن تتزحزح، حتى اليوم. لم يرفضها أينشتاين، وبدلاً من ذلك يقبلها كأداة فعالة، مع الاستمرار في التأكيد على أنها لا تصف بالكامل الظواهر الأساسية، مثل المجهر المتأثر بقوة ضعيفة من العزم. نشوئها يواجه صعوبة في قبول أن تنبؤات النظرية احتمالية: بالنسبة له، أن يقول أن الجسيم لديه فرصة بنسبة 30 ٪ للرصد هنا و70٪ من الوجود هناك ناجم عن جهلنا وليس عن الطبيعة الموضوعية للكيانات المادية. "الله لا يلعب النرد!" كان آينشتاين يردد عدة مرات. الذي لم يكن بور ليفشل في الرد عليه بأنه "ليس لنا أن نفرض على الله كيف يجب ان يحكم العالم أو كيف يجب أن يتصرف"!

"اخرس واحسب!": حسب التعبير المنسوب إلى العالم الأمريكي ريتشارد فاينمان، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1965... ولكن ربما نطق بها فيزيائي أمريكي آخر، ديفيد ميرمين. سيتعين علينا الانتظار حتى عام 1964 لكي تستأنف المناقشات بين آينشتاين وبور عندما قام الفيزيائي جون بيل بابتكار بروتوكول يجعل من الممكن الاختيار بينهما تجريبيًا. سيجعل هذا التقدم في النهاية من الممكن تحقيقه في عام 1982، لتسوية الخلاف بين العبقريتين بشكل نهائي، اللذان غذت نقاشاتهما بالرسائل أو المؤتمرات المتداخلة جيلًا من علماء الفيزياء. إن التاريخ سيثبت ذلك لبور في نهاية المطاف: فالعالم الكمومي غريب، ومضاد للحدس، ويبدو أنه يتعارض مع واقعنا كما تدعي معادلاته. مجهر الكموم ليس قصير النظر. إنها الحقيقة التي تبين لنا ما هو سديمي غامض ربما يلعب الله النرد. "هذا ليس واقعًا تمامًا، ويجب إكماله. رؤية تتعارض مع رؤية نيلز بور وأنصار مدرسة كوبنهاغن، الذين يعتقدون، على العكس من ذلك، أنه لا يوجد شيء يتم انتهاكه بالتشابك، حيث أن "الجسيمين" المفترضين ليسا كذلك تشكلاً واحدًا لنفس النظام الكمومي: لذلك لا يوجد انتقال للإشارة المادية من واحد إلى الآخر.

أو حكايات الكوانتوم الغريبة 2

غرائب الكوانتوم أو فيزياء الكموم l’étrangeté de la physique quantique

أعداد وترجمة د. جواد بشارة

الفيزياء المعاصرة تستند على دعامتين صلدتين هما الفيزياء النسبية والفيزياء الكوانتية أو الكمومية يتعاطعان مع ما نسميه الواقع ويقدمان تصورهما لهذا الواقع سواء مافوق الذري أو مادون الذري، ماكروسكوبيك أو ميكروسكوبك. الدعامة الأولى تصف اللامتناهي في الكبر وفق الهندسة الكونية وهيكيلية وطبيعة وماهية الزمكان التي تتيحها قوانين ومعادلات نسبية آينشتاين، والثانية تبحث في هندسة وطبيعة العالم المجهري مادون الذري في اللامتناهي في الكبر. ولكل منهما نموذجه المعياري أو القياسي سواء في نطاق الكواكب والنجوم والمجرات والسدم أو في نطاق الجسيمات الأولية المكونة للمادة الكونية .

ثورة الذرة: 25 قرنا لإثبات وجودها

كان لدى الفيلسوف اليوناني ديموقريطس الحدس: المادة تتكون من جسيمات غير مرئية. لكن الأمر استغرق 25 قرنًا حتى يتمكن الفيزيائيون من اختراق جوهر الذرة والتلاعب بها بنجاح. وبالتالي الوصول إلى الطاقة النووية والإمكانيات اللانهائية للعالم النانوي.

ذرات نحاسية محصورة داخل حاوية مكونة من 48 ذرة حديد. تحت عين المجهر النفقي الماسح، يمكن رؤية إلكتروناتهم تتصرف مثل الموجات.

هذا المقال مأخوذ من العدد الخاص رقم 191 "9 الثورات العلمية التي تغير العالم" بتاريخ أكتوبر / نوفمبر 2017. قصة الذرة ترويها آني غروسمان، أستاذة باحثة في معهد علوم النانو في باريس (INSP). -جامعة بيير-ماري-كوري) وهوبير كريفين، فيزيائي، باحث سابق في معمل الفيزياء النظرية والنماذج الإحصائية في جامعة أورساي، محاضر فخري في جامعة بيير-و-ماري-كوري.

"المادة مكونة من ذرات ..." لا أحد يحلم اليوم بالتساؤل عما يبدو أنه واضح - ومع ذلك فقد تمكنا من "الرؤية" مؤخرًا فقط! لكننا لا نعرف كثيرًا ما هي الرحلة الطويلة التي أدت إلى اكتشاف "اللبنات الأساسية" للكون. لأنه من الإغريق القدماء إلى جان بيرين Jean Perrin (جائزة نوبل للفيزياء عام 1926)، الذي قدم دليلاً قاطعًا على وجود اللبنات الأولى لبناء الكون، شهدت القليل من النظريات الكثير من المغامرات!

لا تزال أصول النظرية الذرية غير مفهومة جيدًا. تعود هذه العقيدة إلى الفيلسوف السابق لسقراط ديموقريطس (460 - 370 قبل الميلاد) وأبيقور (341-270 قبل الميلاد). ولكن للعثور على نص كامل صادر مباشرة من عالم ذري، علينا انتظار الفيلسوف روماني لوكريس Lucrèce، في القرن الأول قبل الميلاد، وقصيدته عن طبيعة الأشياء. يصف المادة بأنها مكونة من جسيمات غير مرئية للعين المجردة، ذرات - من اليونانية a-tomos، غير قابلة للتجزئة، غير قابلة للتقسيم - تتحرك في فراغ ويمكن أن تتحد مع بعضها البعض.

لكن هذه النظرية لا تمثل سوى عصور ما قبل التاريخ للذرة الحديثة. تخمين بحت، لا يمكن اختباره بالتجربة أو يؤدي إلى أي عمل. ومع ذلك، فهي تعتمد جزئيًا على الملاحظات، لأنها فجّة في وسائلها كما هي رؤيويّة في تفسيرها. وهكذا نجد عند لوكريس وصفًا مذهلاً لرقصة حبات الغبار في أشعة الشمس، والتي تصور الحركة البراونية التي تم وصفها بعد 17 قرنًا.

رائحة الكبريت في عصر النهضة:

حتى فجر الثورة الصناعية الأولى، ستختبر الفكرة الذرية رحلة طويلة عبر الصحراء. هل هذا خطأ أرسطو؟ صحيح أن الفيلسوف العظيم، الذي ستكون نصوصه موثوقة طوال العصور الوسطى، رفض بشكل قاطع نظرية ديموقريطس. في ضوء البيانات الضئيلة التي كانت متاحة آنذاك، فإن رؤيته لمادة مستمرة وطبيعة بها "رعب من الفراغ" لم تكن، مع ذلك، سخيفة، واستندت إلى منطق بعد كل شيء منطقي تمامًا، على الرغم من خطأه: إذا تحركت الذرات في فراغ، فلن تواجه حركتها أي مقاومة، وبالتالي ستصل إلى سرعة غير محدودة، وهو أمر مستحيل. سيظهر خطأها فقط مع فيزياء غاليليو، والتي بموجبها يكون الجسم المتحرك المتخلى عن القصور الذاتي هو الوحيد الذي لديه سرعة ثابتة وتسارع صفري. بالنسبة لأرسطو، كانت الحركة ممكنة فقط تحت تأثير قوة ثابتة، والتي استبعدت فكرة القصور الذاتي.

سبب آخر، أكثر دوغمائية، يفسر رائحة الكبريت التي أحاطت بالنظرية الذرية حتى عصر النهضة: لم تدعم هذه النظرية فلسفة مادية فحسب، بل إنها نقية بشكل خطير بحيث تبطل العقيدة الكاثوليكية لاستحالة الجوهر. لأنه كيف يمكن أن نفسر أن ذرات الخبز والنبيذ يمكن أن تتحول إلى لحم ودم أثناء الأوخارستيا l’eucharistie؟ لم يكن هذا الكسوف الطويل للفكرة الذرية مكتملاً: في شكلها الفلسفي والتخميني، كان لها العديد من المؤيدين، من عالم الرياضيات الفرنسي بيير غاسندي Pierre Gassendi (1592-1655) إلى غاليليو ونيوتن. ولكن في نهاية القرن الثامن عشر فقط ظهرت الذرات كفرضية علمية، يمكن التحقق منها بالتجربة ويمكن قياسها. كان أول من صاغها السويسري دانييل برنولي Daniel Bernoulli في مجال الفيزياء في عام 1738. وباعتماد هذه الفرضية، قدم تفسيرًا رائعًا لقانون بويل ماريوت Boyle-Mariotte، المنصوص عليه في القرن السابق، والتي بموجبها، عند درجة حرارة ثابتة، يتناقص ضغط الغاز بالتناسب مع زيادة حجمه (والعكس صحيح). بالنسبة إلى برنولي، يرجع الضغط إلى تواتر تأثيرات جزيئات الغاز على جدران الحاوية: فكلما كانت الحاوية أكبر، زادت المسافة التي يتعين قطعها، وبالتالي الفاصل الزمني بين الصدمتين، وكلما زاد ينخفض الضغط. وطوال القرن التاسع عشر، سيستخدم فيزيائيون مثل ماكسويل Maxwell أو بولتزمان Boltzmann، الذرة لشرح قوانين الديناميكا الحرارية، ولكن دون إقناع معظم زملائهم.

ذرة الكيميائي، وذرة الفيزيائي:

يُنسب للكيميائي البريطاني جون دالتون John Dalton حقًا الفضل في أصل النظرية الذرية الحديثة. بشكل مستقل عن برنولي، الذي لم يذكر عمله في أي مكان، افترض دالتون في عام 1808 وجود كريات مجهرية تتحد أثناء التفاعلات. في ذكرى أسلافه اليونانيين، قام بتعميد هذه الجسيمات بالـ "ذرات"، والتي سيكون هناك نوع مميز لكل عنصر معروف.

جون دالتون، بين الذرية والدالتونية أو عمى الألوان: John Dalton, entre atomisme... et daltonisme

وُلد جون دالتون (1766-1844) لعائلة من الكويكرز البريطانيين، وكان باحثًا متحفظًا ومتواضعًا. بالإضافة إلى عمله في الكيمياء، وهو الذي أسس الذرية الحديثة، فقد درس بشكل خاص أمراض العيون التي تأثر بها، والتي أثرت على رؤيته اللونية والتي أطلق عليها اسمه (بالفرنسية فقط، لأنه من الغريب، الأنجلو- ساكسونيون يسمونها color blind من خلال التعبير البسيط لعمى الألوان aveugle aux couleurs، "عمى الألوان"): بينما يسمي الفرنسيون عمى الألوان بالدالتونية daltonisme.

لكن هناك القليل من الحماس لهذه الفرضية. يجب أن نعترف أنه، كما هو، بعيد عن الكمال. على وجه الخصوص، لم يخمن دالتون أن ذرات نفس العنصر يمكن أن تتحد مع بعضها البعض. كان أميديو أفوغادرو Avogadro الإيطالي (1776-1856) هو من فهم هذه الحقيقة التي تبدو غير ضارة، لكنها مكنت من حل الألغاز التي طرحتها ردود الفعل العديدة. ومع ذلك، فإن التقلبات في المفردات تلحق الضرر بالنظرية الذرية الناشئة: حيث تحدث دالتون عن "الذرات" ("بسيطة" أو "مركبة)، يقسم أفوغادرو بـ "الجزيئات" ("المكونة" أو "المتكاملة"). في عام 1833، وضع الفرنسي غودان Gaudin بعض الترتيب في المصطلحات، واصفًا الذرات بالمكونات البسيطة، والجزيئات بــ مركباتها.

ساهم أفوغادرو بشكل أساسي في النظرية الذرية الناشئة من خلال صياغة قانون، كان افتراضي بحت: عند درجة حرارة وضغط ثابتين، تحتوي أحجام متساوية من الغازات المختلفة على نفس العدد من الجزيئات. لكن الأمر سيستغرق أكثر من قرن حتى يتم التحقق من صحة هذا الحدس الرائع من خلال التجربة.

في خلال القرن التاسع عشر كله تقريباً، عارض أنصار الأطروحة الذرية شكوك أولئك الذين رفضوا الحكم على نظرية تستند إلى كيانات افتراضية علمية. في الفيزياء، تم تمثيل هذا التيار الأخير بواسطة "علم الطاقة"، الذي فضل الاستمرار في التفكير من حيث الطاقة على تخيل جسيمات المادة متناهية الصغر. في الكيمياء، اعتقد "المتكافئون équivalentistes " أنه يمكن للمرء دراسة مجموعات العناصر المختلفة دون افتراض أنها مكونة من ذرات أو جزيئات. لكن طريقة تسجيل النقاط المكافئة الخاصة بهم، والتي تتكون من اختيار عشوائي لأحد "مكونات" التفاعل كمرجع للآخرين (على سبيل المثال، تتحد وحدة واحدة من الأكسجين مع مكافئتي الهيدروجين لتكوين مكافئ واحد من الماء.)، كان له أيضًا عيوبه. أدى ذلك لبعض المركبات إلى العديد من الصيغ والأسماء (19 لحمض الخليك l’acide acétique!) اعتمادًا على العنصر المختار. في سياق صناعة كيميائية مزدهرة، كان هناك شعور مؤلم بالحاجة إلى وحدة في التسمية ...

في عام 1860، تحت رعاية الكيميائي الألماني العظيم فريدريش كيكولي Friedrich Kekulé، تم تنظيم ما كان بلا شك أول مؤتمر علمي دولي كبير في كارلسروه Karlsruhe، بهدف حسم الجدل بين علماء الذرة والمكافئين. إذا انتهى الاجتماع بطلب مصالحة بين "المعسكرين"، فإنه يسمح للعلماء الذريين بالعودة إلى مقدمة المسرح، وخاصة التواصل بينهم. يعبر الإيطالي ستانيسلاو كانيزارو Stanislao Canizzarro، الذي يبرز في هذه المناسبة كقائد لهم، بشكل خاص عن رغبته في ألا نعتبر "ذرة الكيميائي" (التي تحدد العناصر وردود أفعالها) و " "ذرة الفيزيائي" (شرح الديناميكا الحرارية) كموضوعين مختلفين - لأن الحوار بين علماء الذرة في المجالين لم يكن موجودًا في ذلك الوقت. لم تبقى هذه الرغبة حبرا على ورق: لقد فرض بيران Perrin الذرية على وجه الخصوص من خلال الجمع بين مساهمات الفيزياء والكيمياء.

قرب نهاية القرن التاسع عشر، تم ابتكار عدة طرق لقياس ثابت أفوغادرو، أي عدد المكونات الأولية (الذرات أو الجزيئات) الموجودة في كمية محددة بشكل عشوائي من المادة. ومع ذلك، فقد كان الفهم والتوضيح التجريبي لظاهرة غامضة معقدة وطويلة، وهي الحركة البراونية، هي التي أثارت دعمًا شبه إجماعي من المجتمع العلمي. يعود تاريخ هذا اللغز الحقيقي، الذي يوفر حله مفتاح الذرة، إلى بداية القرن التاسع عشر. في عام 1828، لاحظ عالم النبات روبرت براون Robert Brown أن حبوب اللقاح المعلقة في الماء قد تم تحريكها في حركة لا هوادة فيها تبدو عشوائية. هذا لم تكن نتيجة أشكال الحياة المجهرية، حيث يمكن ملاحظتها أيضًا بشظايا معدنية من نفس الحجم. لسنوات، فشل العلماء في توضيح هذه الظاهرة.

غير مرئي حتى اختراع مجهر المسح النفقي Invisibles jusqu’à l’invention du microscope à effet tunnel:

في عام 1905، - الذي كان عامًا حافلًا بالتأكيد - اقترح ألبرت أينشتاين تفسيرًا نظريًا للحركة البراونية التي تنطوي على الذرات. إذا كانت هذه الأشياء لا تزال غير مرئية حتى في ظل أعلى مستويات التكبير التي توفرها المجاهر في ذلك الوقت، فيمكنها نقل حركاتها إلى أجسام وسيطة (تُعرف باسم البراونيون browniens)، المرئية تحت المجهر الضوئي ولكنها صغيرة بما يكفي للتأثر بصدماتها، مثل حبوب اللقاح. من خلال مراقبة هذه الحركة البراونية في السوائل، حيث تكون الاصطدامات أكثر تواترًا من الغازات، أصبح من الممكن دراستها وقياسها. لقد وجدت عبقرية الفيزياء للتو الطريق الأصح الذي سيؤدي مباشرة إلى الذرات!

لا يزال وجودهم ليتم إثباته من خلال التحقق التجريبي من صحة هذه النظرية. كان الفيزيائي الفرنسي جان بيران هو الذي ارتقى إلى مستوى التحدي. منذ عام 1908، نجح في إثبات صحة نظرية أينشتاين من خلال سلسلة من التجارب الدقيقة والصارمة، من خلال متابعة حركات الجسيمات البراونية في عدة سوائل (ماء، غلسرين) أو عن طريق قياس كثافتها عند درجات مختلفة. ارتفاعات عمود مائي. مكنته هذه التجارب من تحديد رقم ثابت أفوغادرو Avogadro بدقة مرضية. على الأقل نسبيًا، نظرًا لترتيب حجم الرقم نفسه!

جان بيران، المدافع عن العلم المتاح:

بعد اكتشاف أشعة الكاثود، والتي تحولت فيما بعد إلى تدفق للإلكترونات، كرس جان بيران كل طاقته للنظرية الذرية، وعلى وجه الخصوص لقياس عدد أفوغادرو. إلى جانب إثباته بالحركة البراونية التي نظّرها أينشتاين، فهو يحدد هذا العدد بما لا يقل عن اثنتي عشرة طريقة أخرى بناءً على ظواهر فيزيائية ذات طبيعة مختلفة تمامًا، ولكن جميعها تعطي نفس النتيجة (باستثناء حالات عدم اليقين التجريبية).

وهكذا تمكن من "شرح المعقد المرئي من خلال غير المرئي البسيط"، فإنه يقنع المجتمع العلمي بواقع الذرات. نُشر كتابه الذرات Les Atomes في عام 1913، والذي يلخص فيه بحثه بأسلوب واضح يمكن الوصول إليه من قبل غير المبتدئين، ويظل أحد روائع الأدب العلمي. لعب بيران أيضًا دورًا بارزًا في سياسة العلوم الفرنسية. وعين كوكيل لوزارة الدولة للبحوث في الجبهة الشعبية، وعمل على نطاق واسع من أجل تأثير العلم، لا سيما من خلال تأسيس قصر الاكتشافات Palais de la Découverte في عام 1937 ثم من خلال إعطاء دفعة لإنشاء المركز الوطني للأبحاث العلمية المستقبلي CNRS.

وبالتالي، رفعت الجهود المشتركة للمُنظِّر أينشتاين والمُجرب بيران الذرة من مرتبة الفرضية، التي يعتبرها الكثيرون خيالية، إلى مرتبة الحقيقة العلمية المُثبتة. إن عرض بيران هو الأكثر إتقانًا حيث ظلت الذرات غير مرئية حتى اختراع المجهر النفقي (1981)، والذي أتاح أخيرًا تصور الذرات وحتى معالجتها، وكذلك الجزيئات بشكل فردي. كما قال هنري بوانكاريه Henri Poincaré في عام 1913: "الذرات لم تعد خيالًا مناسبًا؛ يبدو لنا، إذا جاز التعبير، أننا رأيناها منذ أن عرفنا كيف نحسبها".

سباق الــ Nanocar: الجزيئات في كتل البداية! Nanocar Race : des molécules dans les starting-blocks:

فقط في نهاية القرن العشرين، بعد 2500 عام من الوجود النظري، أصبحت الذرة حقيقة مرئية، ومؤخراً ... ملموسة! نظرًا لأن مجهر المسح النفقي، الذي تم اختراعه في عام 1981، لا يجعل من الممكن فقط تصور بنية الذرات والجزيئات - بعيدًا، علاوة على ذلك، من الكرات الصغيرة أو المخططات الكوكبية المقترحة لأول مرة لتمثيلها - ولكن أيضًا للتلاعب بالمادة على المستوى الجزيئي: هكذا ولدت علوم النانو وتقنيات النانو. لإثبات التقدم المحرز في هذا المجال، تم تنظيم سباق "النانوكار"، التجمعات الجزيئية القادرة على الحركة، في 28 و 29 أبريل 2017 في مختبر سيميس Cemes (مركز تطوير المواد والدراسات الهيكلية) في CNRS في تولوز. كان على البوليدات bolides الجزيئية الستة التي تم تطويرها و "توجيهها" بواسطة باحثين من جميع أنحاء العالم أن تسافر في مسار 100 نانومتر (أي 0.0000001 متر). وفازت "السيارة النانوية" للفريق السويسري من جامعة بازل بالمسابقة.

طاقة كبيرة ومدمرة بشكل لا يصدق:

ومن المفارقات، أنه ما أن فرضت الذرة نفسها عندما تم اكتشاف أنها ليست ذرة أي أصغر جسيم مكون أولي، ولكنها بدورها يمكن أن تتحلل إلى مكونات أصغر، الجسيمات الأولية! بعد اكتشاف الإلكترونات في عام 1897 وقبل فهم دورها، أظهر رذرفورد Rutherford في عام 1911 وجود نواة الذرة. لم تكن الذرات قابلة للكسر فحسب، بل كانت في الأساس ... فارغة! كان حينها عالمًا جديدًا تم الكشف عنه للفيزيائيين، وكان مفاجئًا جدًا أنه ولد نظرية ثورية، وهي ميكانيكا الكموم. لكن تشريح المادة لم يتوقف عند هذا الحد: فقد تم اكتشاف أن النواة يمكن تقسيمها بدورها إلى نيوكليونات (بروتونات ونيوترونات)، تتكون نفسها من جسيمات أصغر، وهي الكواركات. كما تنبأ جان بيران، حيث يمكن العثور على روح علماء الذرة الأوائل اليوم في السباق الذي لا هوادة فيه في البحث عن الجسيمات الأولية، بما في ذلك بوزون هيغز boson de Higgs الشهير الذي اكتشف في عام 2012 بعد سنوات طويلة من التعقب، إذ تنبأ هيغز بوجوده سنة 1964.

كان اكتشاف الذرة بمثابة علامة على ظهور الكيمياء الفيزيائية، مما رفع الانضباط إلى مرحلة النضج الكامل. أنشأ مندلييف Mendeleïev في عام 1869، الجدول الدوري للعناصر أخذ معناها الكامل عندما يمكن ربط كل خلية من خلاياه بنوع من الذرة. وقد جعل اكتشاف التركيب الذري من الممكن توضيح طبيعة الروابط الكيميائية: مشاركة (أو تبادل) للإلكترونات بين الذرات. كان من المفهوم أيضًا، خلال القرن العشرين، أنه لضمان تماسك الجسيمات التي تتكون منها، تخفي الذرات بداخلها طاقة كبيرة، والتي يمكن استغلالها (في محطات الطاقة النووية)، ولكنها أيضًا مدمرة بشكل لا يصدق (الأسلحة الذرية).

أخيرًا، أتاح تأكيد وجود الذرات تبرير الديناميكا الحرارية الإحصائية. يمكننا بالتالي تفسير الظواهر العيانية، التي يمكن ملاحظتها على مقياسنا (مثل درجة الحرارة أو الضغط)، من خلال السلوك الجماعي للجزيئات، والتي تتطلب كميتها، التي تتحدى الخيال، معالجة إحصائية "لمتابعة" تطورها. كان برنولي على حق!

تجربة الكموم ترى وجود نسختين من الواقع في نفس الوقت:

نحن نعلم أن فهمنا للواقع متحيز للغاية. تشكل حواسنا وثقافاتنا ومعرفتنا كيف نرى العالم. وإذا كنت تعتقد أن العلم سيمنحك دائمًا حقيقة موضوعية، فقد ترغب في إعادة النظر.

تمكن الفيزيائيون أخيرًا من اختبار تجربة فكرية تم اقتراحها لأول مرة في عام 1961 من قبل الحائز على جائزة نوبل يوجين وينر. تُعرف التجربة باسم "صديق فاينر Wigner" والإعداد ليس معقدًا للغاية. تبدأ بنظام كمومي له حالتان في حالة تراكب superposition، مما يعني أنه حتى تقيسه، توجد كلتا الحالتين في نفس الوقت. في هذا المثال، يكون استقطاب الفوتون (المحور الذي يدور عليه) أفقيًا وعموديًا.

صديق فاينر Wigner موجود في المختبر لإجراء التجربة وبمجرد قياسها، سينهار النظام وسيتم تثبيت الفوتون في إحدى هاتين الحالتين. لكن بالنسبة إلى فاينر Wigner، الذي لا يعرف نتيجة القياس خارج المختبر، والأهم من ذلك والأهم من ذلك، لا يزال النظام الكمومي (والذي يتضمن أيضًا المختبر) في حالة تراكب. على الرغم من النتائج المتناقضة، إلا أن كلاهما صحيح. (هذا مشابه لقطة شرودنغر، وهي تجربة فكرية أيضًا حول التراكب، إذا كان شرودنغر وقطته في الصندوق أيضًا في صندوق معاً.) لذلك، يبدو أن هناك واقعين موضوعيين، وهما صديق فاينر وفاينر، يتعايشان. وهذه مشكلة.

لم يكن اختبار هذه الفكرة ممكنًا لفترة طويلة جدًا. ليس من السهل استنتاج صيغة ميكانيكا الكموم لرؤية فاينر Wigner صديقه يقوم بتجربة. ولكن بفضل الإنجازات الأخيرة، تمكن الباحثون من بناء تجربة ميكانيكا الكموم من شأنها إعادة إنتاج ذلك بالضبط.

يحتوي النظام على أربعة مراقبين متشابكين وتجربة حديثة بستة فوتونات وأظهروا أنه بينما أنتج أحد أجزاء النظام قياسًا، أظهر الآخر أن القياس لم يتم. تم قياس حقيقتين في وقت واحد. يجادل الفريق بأن هذا يعزز حالة نظريات الكموم التي يعتمد إطارها بالفعل على المراقب.

كتب العلماء في ورقتهم البحثية، والتي لم تخضع بعد لمراجعة النظراء ولكنها متاحة للقراءة على ArXiv: "هذا يدعو إلى التساؤل عن الوضع الموضوعي للحقائق التي وضعها المراقبان".

"هل يمكن للمرء التوفيق بين سجلاتهم المختلفة، أم أنها غير متوافقة بشكل أساسي - بحيث لا يمكن اعتبارها" حقائق عن العالم "موضوعية ومستقلة عن المراقب؟"

في حين أن العلم هو أفضل أداة لدينا لفهم الواقع، إلا أن تأثيرات وقيود المراقبين كانت معروفة لفترة طويلة. أظهرت النسبية أن المراقبين قد لا يواجهون أحداثًا متزامنة في نفس الوقت. تخبرنا ميكانيكا الكموم أن المراقبين يؤثرون على تجاربهم. يبدو الآن، على المستوى الكمومي على الأقل، أن حقيقتين مختلفتين يمكن أن تكونا حقيقيتين في آن واحد.

......................

المصادر

Hubert Krivine et Annie Grosman, De l’atome imaginé à l’atome découvert. Contre le relativisme, De Boeck, 2015

Jean-Marc Lévy- Leblond, L’Atome expliqué à mes petits-enfants, Seuil, 2016

Claude Lécaille, L’Atome, chimère ou réalité ? Vuibert, 2009

Sur les nanocars : http://nanocarrace. cnrs.fr

 [H / T: MIT Technology Review]

جان بيير فارابود وجيرار كلاين، الرعب والمصائب في فيزياء الكم، أوديل جاكوب، 2017

نيكولا جيزين، الفرصة التي لا يمكن تصورها، أوديل جاكوب، 2012

سفين أورتولي وجان بيير فارابود، Le Cantique des quantiques، La Découverte / Poche، 2007 (إعادة إصدار الكتاب المنشور في 1987)

هيوبيرت كريفين و آني غروسمان :" من الذرة المتخيلة إلى الذرة المكتشفة. ضد النسبية، دي بوك، 2015

جان مارك ليفي- لبلون، شرح الذرة لأحفادي، منشورات سوي، 2016

كلود ليكاي، الذرة، الوهم أم الواقع؟ منشورات فويبيرت، 2009

حول سباق سيارات النانو: راجع موقع http: // nanocarrace. cnrs.fr

معجم LEXIQUE:

ذرة : Atome إنها أصغر وحدة للمادة المميزة للعنصر. إنها غير قابلة للتحلل كيميائيًا، على الرغم من أنها تتكون من جسيمات أصغر (جسيمات أولية) يمكن فصلها بالوسائل الفيزيائية.

جسم واحد / جسم مركب Corps simple/corps composé يتكون الجسم البسيط من عنصر واحد، وبالتالي من نوع واحد من الذرات (على سبيل المثال، الأكسجين، أو O2، أو الأوزون، O3)، وهو جسم يتكون من عنصرين مختلفين على الأقل.

عنصر Élément المكون الأساسي للمادة. هذه هي الأجسام الكيميائية التي لم يعد من الممكن تحللها بواسطة طرق التحليل (التقطير، التحليل الكهربائي، إلخ). أظهر لافوازييه Lavoisier، على سبيل المثال، أن الماء ليس عنصرًا، ولكنه مركب من الأكسجين والهيدروجين.

رقم (أو ثابت) أفوغادرو Avogadro الكمية المرجعية المقابلة لعدد الذرات الموجودة في 12 جرامًا من الكربون 12، وقياس عدد المكونات الأولية (الذرات أو الجزيئات) في كمية معينة من المادة، تسمى المول la mole. تقدر أحدث القياسات أنه سيكون حوالي 6.02214076 × 1023، أو أكثر من 600 ألف مليار المليار.

الجدول الدوري للعناصر: تم إنشاء تصنيف العناصر الكيميائية في عام 1869 من قبل ديميتري مندلييف. يتم تقديم العناصر هناك من خلال زيادة الوزن الذري، حيث يجمع كل عمود العناصر التي لها خصائص متشابهة.

أو حكايات الكوانتوم الغريبة

يحدثنا علم الكونيات أن الكون المرئي بدأ من "فرادة" كونية "وهذه الأخيرة كينونة كمومية أو كوانتية تطبق فيها قواني الكموم في اللامتناهي في الصغر وليس قوانين الفيزياء ما فوق الذرية أي قوانين نيوتن وآينشتاين ومعادلات الفيزياء المعاصرة وقوانين الكون الجوهرية الأربعة في اللامتناهي في الكبر. ففي عالم الفرادة ومادونها لا نمتلك سوى قوانين ميكانيك الكموم ومعادلاته الفيزيائية.

غرائب الكوانتوم أو فيزياء الكموم l’étrangeté de la physique quantique

أعداد وترجمة د. جواد بشارة

ثورة ميكانيكا الكم أو عندما يتحول اللامتناهي في الصغر إلى عالم متقطع un monde discontinu وغير متصل

بينما تبدو المادة في نظرنا صلبة وخفيفة التدفق غير المنقطع، فإن ميكانيكا الكموم، التي تمت صياغتها في القرن العشرين، تكشف على نطاق العالم اللامتناهي في الصغر، عن عالم متقطع. هناك حيث يسود فيها عدم اليقين l’incertitude وعدم التحديد واللاحتمية l’indétermination. تستخدم الخصائص لجعل الرموز السرية غير قابلة للانتهاك، والتي يمكن أن تضاعف قريبًا قوة أجهزة الكمبيوتر. هذا المقال مأخوذ من العدد الخاص رقم 191 "9 الثورات العلمية التي تغير العالم" بتاريخ أكتوبر / نوفمبر 2017. قصة ميكانيكا الكموم رواها الفيزيائي جان بيير فارابود. Jean-Pierre Pharabod

تبدو بعض الثورات العلمية مبهرة. فيزياء الكموم أو الكوانتوم، العلم الذي ينظر إلى الطبيعة على نطاق مجهري وما دون مجهري، هو عكس ذلك تمامًا. فهذه الفيزياء تبدو بطيئة، شاقة، بدأت بخطوات صغيرة في فجر القرن العشرين، أثارت هذه الفيزياء الجديدة، على مدى عقود طويلة، ألكثير من الشكوك. حتى روادها – مثل فيرنر هايزنبيرغ  Werner Heisenberg   الذي اكتشف المبدأ – مبدأ اللايقين أو عدم الدقة – أصيب بالأرق، لدرجة أنه أعتقد بأنه انتهك الفطرة السليمة وأزعج التمثيلات les représentations  التي تم تطويرها حتى ذلك الحين لحساب العالم.

شكل توضيحي لانشطار جسيمي في مصادم

فيرنر هايزنبرغ، الرجل المستعجل:

حصل الألماني فيرنر هايزنبرغ (1901-1976)، الشغوف بالرياضيات، على درجة الدكتوراه في الفيزياء عام 1923، بعد ثلاث سنوات فقط من دخوله جامعة ميونيخ. في العام التالي أصبح مساعداً لماكس بورن. في يونيو 1925، بعد هجوم عنيف من حمى القش de rhume des foins، ذهب هايزنبرغ للراحة في جزيرة هيليغولاند Heligoland الألمانية، حيث لم يكن هناك حبوب لقاح. وكان يعمل كالمجنون. "كانت الساعة تقترب من الثالثة صباحًا عندما ظهرت النتيجة النهائية أمامه، كما قال لاحقًا." كنت متحمسًا جدًا لدرجة أن الأمر لم يعد يتعلق بالنوم. غادرت المنزل وانتظرت شروق الشمس على الصخرة ". لقد وضع هايزنبرغ للتو أسس ميكانيكا الكموم في عشرة أيام فقط. لهذا حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1932. بعد ذلك، كرس نفسه لتطبيقات هذا المجال الجديد وانضم إلى الدنماركي نيلز بور. لكن بينما يفر الأخير من الدنمارك التي احتلها الجيش النازي، قرر هايزنبرغ البقاء في ألمانيا، حيث سيتعاون في مشروع الأسلحة الذرية. سُجن لمدة ستة أشهر بعد انتصار الحلفاء، ثم شارك في إعادة بناء الهياكل البحثية في بلاده. في عام 1957، وقع على بيان غوتنغن، الذي طلب فيه ثمانية عشر فيزيائيًا من المستشار أديناور عدم تزويد الجيش الألماني بأسلحة نووية.

في نهاية القرن التاسع عشر، الذي كان مثمرًا بشكل خاص للفيزياء، انغمس المجتمع العلمي في الأوهام، متخيلًا أنه يمكن للمرء الوصول مباشرة إلى الطبيعة واقتحامها وسبر أغوارها وفك أسرارها، بما في ذلك تفاصيلها الأكثر خصوصية. حتى أن بعض العلماء اعتبروا أن معرفة العالم على وشك الاكتمال، وهي ليست سوى قضية نسبية ومجرد"مسألة تقسيم السدس العشري "une question de sixième décimale", "، كما كان يؤكد ألبرت ميكلسون Albert Michelson عام 1894، الذي طور علم البصريات بخطوات كبيرة.

في ذلك الوقت، شكل الفيزيائيون مجتمعًا صغيرًا إلى حد ما، تحركه نقاشات حية تغذيها تبادل الرسائل والمخطوطات وتخللتها مؤتمرات مثمرة، مثل مؤتمرات سولفاي congrès Solvay الذي نظم عام 1911 في بروكسل بمبادرة رجل الصناعة إرنست سولفاي. وهي الاجتماعات التي تم اختيار المشاركين فيها بعناية: في عام 1927، كان 17 منهم، من أصل 29، من الفائزين بجائزة نوبل - أو سيكونون كذلك لاحقًا. من اجتماعات القمة تلك، نشأت خلافات أجبرت مؤسسي فيزياء اللامتناهي في الصغر وفيزياء الجسيمات الأولية على إعادة اكتشاف أنفسهم في محاولة لإقناع أقرانهم.

كان ماكس بلانك Max Planck  هو من وضع اللبنة الأولى لفيزياء الكموم في عام 1900، من خلال التفكير فيما يحدث عندما تصدر المادة ضوءًا: عندما يتم تسخين كتلة من الحديد، على سبيل المثال، تبدأ بالاحمرار، ثم تتحول إلى اللون الأزرق. نظرًا لأن اللون الأحمر أقل نشاطًا من اللون الأزرق، فهذا يعني أن موجة الضوء تحتوي على المزيد والمزيد من الطاقة. ومع ذلك، يشير بلانك إلى أن هذا لا يمكن أن يأخذ أي قيمة: يبدو أن البعض فقط مرخص لهم في الخوض في ذلك المجال، كما لو أن الطاقة لا يمكن أن تتغير باستمرار. بينما لم يدرك بلانك على الفور نطاق اكتشافه، استغل ألبرت أينشتاين ذلك لتطوير الفرضية الثورية في عام 1905 التي من شأنها أن تجعله يفوز بجائزة نوبل في عام 1921: اقترح أن الضوء في الواقع يتكون من حبيبات صغيرة، مماثلة للجسيمات عديمة الكتلة - الفوتونات. هذه تحمل كتلًا غير قابلة للتجزئة من الطاقة، التي أسماها الكميات quantas، والتي لا يمكن إصدارها أو امتصاصها إلا في قطعة واحدة. وهكذا، يتحرك الضوء فقط في قفزات نوعية، بطريقة متقطعة. سيستغرق ماكس بلانك عدة سنوات لقبول هذه الفكرة.

وسوف تتحول تلك الفكرة إلى نظرية في عام 1913 مع الدنماركي نيلز بور Niels Bohr، الذي استند على " الكمات les quantas  لتقديم تمثيل غير مسبوق للذرة. حتى ذلك الحين، كان يُعتقد أن تركيب الذرة يشبه النظام الكوكبي، يتكون من نواة مركزية محاطة بالإلكترونات تتحرك باستمرار، بسلاسة، في مدارها، مثل الكواكب حول الشمس. في نموذج بور، يمكن للإلكترونات أن تقفز من مدار إلى آخر، بشكل مفاجئ وبدون سبب، تصدر أو تمتص كمات محددة، أو كمات من الطاقة. ومع ذلك، لم يكن الأمر كذلك حتى ثمانينيات القرن الماضي لرصد هذه القفزات الكمومية بشكل مباشر.

طيف قوس قزح منقط بخطوط سوداء: نموذج بور انتصار لنظرية الكموم!:

لأول مرة، تكون الفيزياء قادرة على تفسير طيف ذرة الهيدروجين، مجموعة الألوان المنبعثة أو الممتصة بواسطة الأخير عند تسخينه: وهكذا، عندما نمرر الضوء الأبيض – طيف الأشعة هو قوس قزح - في الهيدروجين، يتم امتصاص ألوان معينة فقط، وتنقيط الطيف بخطوط سوداء. وبالمثل، عند إنشاء الضوء، تصدر ذرة الهيدروجين ألوانًا معينة فقط، والتي تتوافق مع نفس الطاقات مثل خطوط الامتصاص. بحلول عام 1924، بعد سنوات من العمل الشاق من قبل بور وزملائه الآخرين، كان النموذج الذري قادرًا على شرح خطوط الذرات - سواء كان لديها إلكترون واحد، مثل الهيدروجين، أو عدة إلكترونات. لكنه لا يزال يفشل في التنبؤ بكثافة هذه الخطوط، وعدد الفوتونات المنبعثة أو الممتصة في كل لون.

بعد عدة إقامات في كوبنهاغن ومناقشات مكثفة مع بور، قرر الفيزيائي الألماني الشاب فيرنر هايزنبرغ معالجة المشكلة تحت إشراف ماكس بورن، أستاذ الفيزياء النظرية بجامعة غوتنغن (ألمانيا). في عام 1925، طور - في غضون عشرة أيام فقط - شكليات formalismes جديدة تسمى "ميكانيكا الكموم" والتي ستكون خصائصها الرياضياتية حاسمة بالنسبة لمستقبل الفيزياء. وسرعان ما تم تحسين النموذج بدعم من ماكس بورن Max Born  وباسكوال جوردان Pascual Jordan، وهو أحد تلاميذه الذين جاءوا كتعزيزات لأفكاره وفرضياته. لكن رياضياتهم كانت مجردة أو تجريدية لدرجة أن النموذج رفض من قبل العديد من الزملاء.

في جامعة زيورخ، كان النمساوي إروين شرودنغر Erwin Schrödinger أحد المعترضين. بالنسبة له، لا فائدة من الاعتماد على هذه الرياضيات غير المفهومة حيث يمكن للمرء أيضًا وصف الجسيمات بأنها موجات، بطريقة أكثر واقعية من حبيبات هايزنبرغ الكمومية الصغيرة. في عام 1926، توصل إلى معادلة يمكن أن تمثل حالة الجسيم - كل خصائصه الفيزيائية، مثل الموقع والسرعة وما إلى ذلك. - في شكل دالة رياضياتية يسميها دالة الموجة fonction d’onde. ولقد اشتهرت المعادلة باسم معادلة شرودينغر.

إروين شرودنغر، الفيزيائي الفيلسوف:

طوال حياته، كان قلب إروين شرودنجر، المولود في النمسا عام 1887، يتأرجح بين العلوم الدقيقة والفلسفة. لدرجة أنه فكر في التخلي عن الفيزياء بعد القتال في الحرب العالمية الأولى. ولكنه في عام 1920، انضم إلى جامعة بريسلاو Breslau (فروكلاو Wroclaw الآن)، ثم جامعة زيورخ بعد ذلك بعامين. هذا هو المكان الذي سيطور فيه المعادلة التي تحمل اسمه. كوفئ عمله في عام 1933 بجائزة نوبل، تقاسمها مع البريطاني بول ديراك Paul Dirac . في عام 1935، تخيل شرودنغر مفارقة، عرفت بمفارقة قطة شرودينغر، والتي اشتهرت وظلت مشهورة بإلقاء الضوء على الطبيعة الغريبة لفيزياء الكموم، والتي تسمح للكائن أن يكون في حالة تراكب أي في عدة حالات في نفس الوقت. تتضمن التجربة (الفكرية!) قطة محبوسة في صندوق، حيث يمكن للجهاز أن يطلق السم بشكل عشوائي في أية لحظة. طالما لم ننظر من خلال النافذة، فإن القطة إما حية أو ميتة بمعنى الفيزياء الكلاسيكية، لكنها حية وميتة في نفس الوقت بمعنى فيزياء الكموم! في عام 1938، عارض النازية، وإثر موقفه هذا غادر شرودنغر إلى أيرلندا. بعد ست سنوات، نشر كتابه ما هي الحياة؟ وهي تجربة اقترح فيها تخزين المعلومات الجينية في جزيئات. وقد ألهم هذا الكتاب كل من جيمس واتسون James Watson  وفرانسيس كريك Francis Crick، مكتشفي بنية الحمض النووي.

إنها ولادة ميكانيكا الموجة أو الميكانيك الموجي la mécanique ondulatoire. ثم يوضح شرودنغر أن معادلته، مثل معادلة هايزنبرغ، تشرح خطوط طيف الهيدروجين. بعد قراءة مخطوطته، كتب له أينشتاين أن عمله "يحمل علامة العبقرية الحقيقية". لكن انتصار شرودنغر لم يدم طويلا! لأن ماكس بورن لا ينوي الاستسلام. تمسك بمعادلة شرودنغر - الذي كان يأمل أن تكون دالة الموجة كمومية يمكن الوصول إليها بشكل مباشر وتكون قابلة للقياس - ويوضح أن هذه الدالة تتوافق مع الاحتمال: لم يعد الأمر يتعلق بالقول إن الجسيم تجده هنا أو هناك، ولكن لديه احتمالية معينة لوجوده هنا أو هناك، وحتى أنه ... هنا وهناك في نفس الوقت!

ينقسم مجتمع الفيزيائيين إلى معسكرين:

إن هذا التفسير المسمى بالاحتمالي - وبعبارة أخرى، من حيث الاحتمالات - لفيزياء الكموم سوف يؤجج النار. إنه في الواقع يتعارض بشكل مباشر مع الحتمية déterminisme، وهو مبدأ علمي وفلسفي يعتبر حتى ذلك الحين غير ملموس يمكن بموجبه وصف أي تعاقب للأحداث على وجه اليقين على أساس الماضي وقوانين الفيزياء. ينقسم مجتمع علماء الفيزياء الآن إلى معسكرين يبدو أنهما لا يمكن التوفيق بينهما. من ناحية أخرى، المدافعون عن الحتمية، مثل شرودنغر وأينشتاين أو بلانك. من ناحية أخرى، مؤيدو التفسير الاحتمالي لفيزياء الكموم، مثل هايزنبيرغ Heisenberg، بورن Born، جوردان Jordan، بور Bohr والبريطاني الشاب بول ديراك Paul Dirac، الذي اقترح للتو إعادة كتابة أكثر تجريدًا لأفكار هايزنبيرغ Heisenberg.

بول ديراك Paul Dirac، العبقري الخفي:

كان البريطاني بول ديراك (1902-1984) ليس ثرثاراً وشحيحًا جدًا في كلامه لدرجة أن زملائه في كامبريدج ابتكروا وحدة ديراك،: كلمة واحدة في الساعة! ومع ذلك، لم يساهم أحد غيره اكثر منه في فيزياء الكموم، ولا تزال شكلياته مستخدمة حتى اليوم. في عام 1923، التحق بالجامعة الإنجليزية الشهيرة، حيث طور شغفه بالنسبية العامة وعلم الفلك. لكنه سرعان ما اكتشف مقالة عن ميكانيكا الكموم والتي من شأنها أن تجعل من هايزنبرغ مشهوراً، وانغمس في هذه الفيزياء الجديدة. كان الأعزب الراسخ، بول ديراك مدمن عمل يكرس أيام الأحد للتفكير، أثناء المشي الانفرادي الطويل. بعد التفكير بأطروحته، التحق بــ  بور في كوبنهاغن، ثم استقر عام 1927 جنبًا إلى جنب مع هايزنبرغ في غوتنغن. في عام 1928، اقترح معادلة تنبأت، من بين أمور أخرى، بوجود المادة المضادة، وعلى وجه الخصوص مضاد الإلكترون البوزيترون positron - وهو جسيم ذو كتلة مماثلة للإلكترون، ولكنه ذو شحنة كهربائية معاكسة - والذي سيتم تأكيد حقيقته بعد أربع سنوات أخرى. تم تعيينه في عام 1932، على كرسي الرياضيات في كامبريدج، وسيحقق أقصى استفادة من حياته المهنية هناك. شارك شرودنغر في جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1933.

في عام 1927، وجه الضربة النهائية للحتمية بمبدأ اللاحتمية le principe d’indétermination. أزواج معينة من المعلمات المعايير أو الإعدادات paramètres التي تصف الجسيم - على سبيل المثال، بالنسبة لجسم ثقيل، موقعه وسرعته (أو بشكل أكثر تحديدًا ناتج كتلته من خلال سرعته) - مرتبطة بعلاقة عدم يقين؛ إذا وجدنا طريقة لتحديد موقع الإلكترون بدقة كاملة، فلا توجد طريقة لمعرفة سرعته بدقة في نفس الوقت. وبالمثل، فإن الرادار القادر على قياس سرعة الإلكترون بشكل مثالي سيكون عديم الفائدة تمامًا لأننا لن نعرف كيفية توجيهه، دون أن يكون لدينا أدنى فكرة عن موقع هدفه! في ذلك العام، في مؤتمر سولفاي، اشتبك الجانبان مرة أخرى ونشبت سجالات شهيرة بين بور وآينشتاين. يصرخ آينشتاين، الذي يعارض التفسير الاحتمالي لفيزياء الكموم بجملته الشهيرة: "الله لا يلعب النرد!" والتي رد عليها نيلز بور: "من أنت، يا ألبرت أينشتاين، لتقول لله ماذا يفعل؟"

يدحض بور تجارب أينشتاين الفكرية واحدة تلو الأخرى:

على مر السنين، ستهدأ المناقشات في نهاية المطاف. كان "حكماء" كل معسكر، وبشكل خاص بور وألبرت أينشتاين، متعارضين ومختلفين فيما بينهم. الأول يدافع عن تكامل أفكار هايزنبيرغ Heisenberg وشرودنغر Schrödinger بينما يعتقد الثاني أنه سيكون من الضروري تجميع الاثنين. يواصل أينشتاين الخروج بتجارب فكرية لإثبات أنه على حق. بينما قام بور بدحضها بصبر واحدة تلو الأخرى، حتى عام 1935 عندما وجه أينشتاين ضربة كان يعتقد أنها قاتلة لأفكار خصومه، في مقال وقع عليه بالاشتراك مع معاونيه، الفيزيائيين الأمريكيين بوريس بودولسكي Boris Podolsky وناثان روزين Nathan Rosen. يصف "ثلاثي EPR" مبدأ التجربة التي تتضمن جسيمين - على سبيل المثال فوتونان - قد تفاعلا في البداية قبل الابتعاد في اتجاهين متعاكسين. بالنسبة لشرودنغر، فإن هذه الجسيمات ستتابع إلى الأبد تفاعلها السابق، بغض النظر عن بعدها عن بعضها والمسافة التي تفصل بينها. يقول إنهم متشابكون ــ التشابك الكمومي ــ، وسيكونون دائمًا قادرين على التفاعل على الفور. على العكس من ذلك، بالنسبة لثلاثي EPR، فإن أي إجراء فوري يكون بالضرورة محليًا. بمعنى آخر، يختفي التأثير المتبادل بين جسيمين عندما يتحركان بعيدًا. وإلا فإن ذلك يعني أنه يمكنهما "التواصل" على الفور، وبالتالي يكون الاتصال بينهما أسرع من الضوء: وهذا مستحيل! لأنه لا شيء أسرع من الضوء.

استنتج آينشتاين وبودولسكي وروزين من ذلك أن نظرية الكموم غير قادرة على احترام مبدأ المحلية، وبالتالي فهي غير مكتملة، وأنه يجب استبدالها بشيء آخر. سوف يمر ما يقرب من خمسين عامًا قبل أن تثبت تجربة حاسمة خطأهم.

في عام 1982، أجرى الفرنسي آلان أسبكت Alain Aspect  واثنان من زملائه من كلية العلوم في أورساي تجربة باستخدام أزواج من الفوتونات المتشابكة المنبعثة من نفس الذرة ولكن في اتجاهين متعاكسين. على كل جانب، يتم تثبيت كاشف لقياس حالة الاستقطاب للفوتونات الواردة، بتعبير آخر الطريقة التي يهتزون بها. الإحصائيات التي تم الحصول عليها أثناء التجربة لا جدال فيها: الفوتونات التي تصل إلى الكاشفين في نفس الوقت لها نفس الاستقطاب دائمًا. تم الحفاظ على التشابك! ومع ذلك، يفصل بين الكاشفين ثلاثة عشر مترًا، وهي مسافة أكبر من أن تتمكن الفوتونات من تبادل "إشارة" تنتقل بسرعة أسرع من سرعة الضوء. يوضح آلان أسبكت أن الثلاثي EPR كان خاطئًا: فيزياء الكموم ليست محلية، إنها غير محلية. تم التأكيد عدة مرات منذ ذلك الحين على أن تجربة آسبكت ستكون نقطة البداية لنظام جديد غني بالتطبيقات والآمال الملموسة: نظرية المعلومات الكمومية، التي تثير الحماس الحقيقي وتجذب جماهير كبيرة. وحصلت على الدعم، وخاصة التمويلات العسكرية.

من أجل بضع مئات من الكيوبتات: Pour quelques centaines de qubits

وهكذا، منذ عام 1991، وبفضل عمل أنجلو بول و أرثر إكيرت Anglo-Pole Artur Ekert، تعلمنا استخدام تشابك فوتونين لنقل الرموز السرية بعيدًا عن آذان المتطفلين : تؤدي أية محاولة للاستماع أو الرصد إلى تدمير تشابك الفوتونات المستخدمة لتبادل الشفرة بين اثنين من المحاورين، وبالتالي يتم تحذيرهما على الفور من أنه قد تم التجسس عليهما. كان التقدم سريعًا، لدرجة جعل هذه التقنية قابلة للاستخدام بطريقة ملموسة: من 13 مترًا من تجربة Aspect، ذهبنا إلى 400 متر في عام 1997 مع النمساوي أنطون زيلينجر Anton Zeilinger، ثم 10 كيلومترات للسويس نيكولاس جيزن Gisin في عام 1998. منذ عام 2017، الرقم القياسي هو 1400 كيلومتر. التطبيق الرائع الآخر للتشابك، الحوسبة الكمومية، لا يزال في طي النسيان. إنه يقوم على أساس قدرتنا على عزل ومعالجة الجسيمات الكمومية واحدة تلو الأخرى. ومن ناحية أخرى، ما يسمى النقل الآني الكمومي la téléportation quantique، وهي طريقة تسمح لخاصية مادية أن تنتقل من جسيم إلى آخر، على سبيل المثال اتجاه دورانه على نفسه، بفضل التشابك. جعلت هذه التطورات من الممكن إنشاء أول كيوبتات. هذه هي المعادلات الكمومية للبايت، المعلومات الأولية التي تتلاعب بها أجهزة الكمبيوتر الخاصة بنا. ولكن في حين أن البايتة يمكن أن تأخذ قيمة واحدة فقط، 0 أو 1، يمكن للكيوبايت أن يأخذ أكثر من قيمة واحدة في كل مرة. يأمل الباحثون في أن يتمكنوا من تجميعها يومًا ما لصنع أجهزة كمبيوتر كمومية قوية. لن يتطلب الأمر سوى بضع مئات من الكيوبتات - على الورق - لصنع آلة كومبيوتر قوية مثل جميع أجهزة الكمبيوتر لدينا مجتمعة!

عندما ينقل الصينيون مفاتيح الكموم الصينية آنياً فضائياً:

سعى البشر إلى التواصل بعيدًا عن آذان المتطفلين لثلاثة آلاف عام على الأقل. ينشغل علماء الرياضيات في مجالين - يحمي المشفرون الرسائل ويحاول محللو التشفير "كسرها" - لكن تبادل الرموز والمفاتيح السرية لم يتم حله بعد. كيف يمكنك التأكد من عدم تجسس أي شخص في اللحظة التي يتم فيها إرسال رمز بين طرفين؟ توفر فيزياء الكموم إجابة، لأن أي ملاحظة لحالة الجسيم، على سبيل المثال الطريقة التي يهتز بها (الاستقطاب)، تدمر هذه الحالة. لذلك لا يمكن أبدًا اعتراض الشفرة السرية التي يتم نشرها من خلال التشابك الكمي. بعد ذلك، لا شيء يمنعك من استخدام أي قناة، مثل الإنترنت، لتبادل المعلومات المشفرة باستخدام الرمز. أخبرنا السويسري نيكولاس جيزين، أحد نجوم هذا التخصص، "من المؤكد جدًا، على المستوى النظري، أنه يمكنك حتى الحصول على جهازك لتوزيع المفتاح الكمي من أسوأ أعدائك".  ونيكولاس جيزين هو الذي أنشأ أو أسس شركة رائدة في الصناعة هي، ID Quantique.

لقد أدركت الصين قيمة هذه الاتصالات السرية للغاية. في تشرين الثاني (نوفمبر) 2019، بناءً على التقدم الذي أحرزه باحثوها، ولا سيما جيان ويل بان Jian-Wei Pan، التي تدربت في النمسا عند أنطون زيلنجر Anton Zeilinger، أحد أفضل المتخصصين في هذا القطاع، قامت بتكليف الفروع الأولية لشبكة إنترنت محمية بالتوزيع كم من مفاتيح التشفير. الأول في العالم! وباتت تتوسع بسرعة منذ العام الماضي، وضعت بكين قمرًا صناعيًا مخصصًا لهذا الوضع المحمي جيدًا من الاتصالات في المدار. كانت النتائج أكثر من مشجعة: أكملت المركبة للتو بنجاح أول تجربة تبادل مفتاح كمومي، بالإضافة إلى أول انتقال كمومي عن بعد، على مسافة تزيد عن 1400 كيلومتر بين الفضاء والأرض.

علاوة على ذلك، تجدر الإشارة إلى أن هذه، مثل العديد من الأدوات في مجتمعنا، لم تكن ممكنة إلا بفضل إصرار ومثابرة آباء ميكانيكا الكموم. من هذه الفيزياء الغريبة، التي لم تنتهِ من مفاجأتنا، ظهرت، من بين أمور أخرى، أشعة الليزر الخاصة باتصالاتنا، وأشباه الموصلات لشرائحنا الإلكترونية وخلايانا الشمسية، ولكن أيضًا مغناطيسات فائقة التوصيل من أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) IRM، والتي تقوم بفحص أدمغتنا.

المصطلحات LEXIQUE

دالة الموجة Fonction d’onde: هي أداة رياضية تمثل حالة جسيم المادة أو الضوء، مع الأخذ في الاعتبار الموجة المرتبطة بها.

الشكلية Formalisme: مجموعة من الأدوات والتعاريف المستخدمة لوصف موضوع الدراسة.

ظاهرة التشابك Intrication : حيث يحتفظ جسمان متشابكان بنفس الخصائص الكمومية بغض النظر عن المسافة بينهما.

المحلية Localité: المبدأ الذي وفقًا له لا يمكن أن يكون لكائنان بعيدان تأثير مباشر على بعضهما البعض. تتحدى فيزياء الكموم.

كمية الطاقة Quantum d’énergie : كمية غير قابلة للتجزئة من الطاقة تميز جميع عمليات تبادل الطاقة على النطاق الكمي، على سبيل المثال انبعاث الضوء بواسطة الذرات.

مبدأ اللاحتمية: Principe d’indétermination يشير إلى أنه لا يمكن قياس الموضع ومقدار الحركة بدقة.

النقل الآني الكمومي Téléportation quantique طريقة قائمة على التشابك تنقل على الفور حالة كائن كمي دون نقل الكائن نفسه. نتحدث عن النقل الآني لأن الجسم الكمي يرى حالته مدمرة بالعملية.

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

السفر عبر الزمن:

في عام 1988، كشف موريس ثورن Thorne Morris ويورتسيفر Yurtsever عن نتائج حساباتهم باستخدام الطاقة السلبية بالإضافة إلى مشاركتهم المذهلة في مقالة الثقوب الدودية وآلات الزمن وحالة الطاقة الضعيفة.

لم يكن من الممكن نظريًا فقط فتح ممر بين نقطتين في الفضاء وعبوره بأمان للسفر بين النجوم على الفور تقريبًا، ولكن كان علينا أيضًا أن نكون قادرين على السفر في الوقت المناسب! دعونا نلقي نظرة فاحصة

الحل المتري لمعادلات أينشتاين التي وجدوها هو كما يلي:                

إنه يشبه حل شفوارزشيلد Schwarzschild في الجزء الداخلي من النجم ويجب أن يفي بشروط الانحلال اللانهائي للاتصال بزمكان مينكوفسكي Minkowski المسطح.

كيب ستيفن ثورن عالم فيزياء نظري أمريكي معروف بإسهاماته في مجالات الجاذبية والفيزياء والفيزياء الفلكية. إنه أحد أبرز الخبراء في نظرية النسبية العامة لأينشتاين. © ويكيبيديا-كينان بيبر

هذه هي الطريقة التي يجري بهاالأمر، وهي بسيطة للغاية:

بعد فتح ثقب دودي قابل للاجتياز، وافتراض أنه مستقر للغاية، يمكن للمرء أن يتخيل ترك إحدى فتحات الدخول على الأرض بينما يمكن حمل الفتحة الثانية داخل مركبة فضائية تطير نسبيًا. رحلة ذهابًا وإيابًا (لنقل) لمدة 1000 عام بالنسبة لمراقب على الأرض.

إذا كانت السرعة أثناء الرحلة قريبة جدًا من الضوء، فقد تكون بضع ساعات أو أيام فقط في السفينة. نحن على وجه التحديد في حالة مفارقة التوأم لانجفان الشهيرة  paradoxe jumeaux de Langevin.

لذلك سيكون هناك فارق زمني بين فمي الحفرة أو الثقب مما يجعل من الممكن العودة في الماضي لمدة تصل إلى 1000 عام قبل عودة السفينة إلى الأرض أو في المستقبل حتى 1000 عام بعد رحيل السفينة لشخص بقي على الكوكب.

هذا ما نراه في مخطط الزمكان ملاحظة أدناه مأخوذة من فصول Thorne في Caltech (تبقى ميثيلاد على الأرض بينما تقوم فلورنسا برحلتها بين النجوم).

  يُظهر الرسم التخطيطي للزمكان مسارات الفضاء والزمان في Methusalem ميتوسالم التي تظل ثابتة على الأرض ولكنها تتحرك في خط عمودي في الوقت الذي تتسارع فيه فلورنسا لتغادر الأرض بسرعة الضوء تقريبًا ثم تعود. وبالتالي فإن مساره هو منحنى كما هو موضح في الجزء الأيسر من الرسم التخطيطي. على اليمين، هذان هما فمي الثقب الدودي القابل للعبور والذي يظهر مع خطوط حركتهما في الزمكان.

لا تزال هناك مشكلة "صغيرة". قام مات فيسرMatt Visser ، الفيزيائي المتخصص في نظرية الثقوب الدودية، قام بالتقديرات التالية.

إذا كان على المرء أن يبني ثقبًا دوديًا مستقرًا يبلغ قطره 1 متر، فسيكون كافياً أن "يحيط" فم الثقب الدودي ب 10-21 متراً فقط من الطاقة السلبية، أي أقل من جزء من المليون من البروتون. حيث يتعطل الأمر أننا يجب أن نحصل على الطاقة التي يطلقها 10 مليار نجم في السنة!

مات فيسر Matt Visser ، أحد كبار المتخصصين في الثقوب الدودية. © ويكيبيديا كومونس

ظروف بيئة حماية الحياة لهوكينغ conjoncture de la protection chronologique de Hawking

في عام 1992، أجرى هوكينغ سلسلة كاملة من العمليات الحسابية لمحاولة إثبات أن الماضي لا يمكن تغييره لأنه لا يمكن أن توجد حلقة من نوع الزمن بخلاف الجسيمات الأولية. بدون تقديم شرح كامل، من الواضح كانت النتائج التي حصل عليها غير مواتية.استنتاجه الأخير مشهور: "أفضل دليل على استحالة السفر عبر الزمن هو أننا لم نكتظ بجحافل من السياح من المستقبل". يمكننا ربط تفكيره بالظاهرة التالية.

تأثير لارسن Un effet Larsen ؟

إن أخطر مشكلة في إمكانية إنشاء ثقب دودي قابل للاجتياز هي تلك المتعلقة بتأثير معروف جيدًا يسمى تأثير لارسن (سمي على اسم الفيزيائي الدنماركي سورين لارسن (1871-1957). واجه يومًا أو آخر مشكلة مكالمة هاتفية تم تضخيمها بشكل حاد بواسطة مكبر صوت، حيث يقوم الهاتف بتسجيل الصوت الصادر من مكبر الصوت والذي يتم إرجاعه بعد ذلك للمراسل ليتم تسجيله بدوره وإعادة إرساله. باستخدام مكبر الصوت، إلخ. وبالمثل، فإن الموجات الكهرومغناطيسية (على سبيل المثال) التي تنتقل للخلف أو للماضي عبر الثقب الدودي يمكن أن تمر عبره مرة أخرى في المستقبل وهكذا. لذلك سوف تتراكم الطاقة الإيجابية في الثقب الدودي، مما سينتهي به الأمر إلى موازنة الطاقة السلبية المسؤولة عن اجتياز الثقب الدودي. السؤال المركزي هو "حسنًا، ولكن كم من الوقت سيستغرق ذلك؟" ". تُظهر الحسابات التي تم إجراؤها حتى الآن أنه سريع جدًا بحيث لا يكون لدى الجسم "العياني" objet «macroscopique وقت للمرور عبر فتحة الثقب قبل أن تغلق. ومع ذلك، فإن الإجابة النهائية مدفونة في قوانين الجاذبية الكمومية غير المضطربة non perturbative، وهي نظرية لم تولد بعد.

لذلك ربما لا يزال السفر بسرعة تفوق سرعة الضوء supraluminiques ممكنًا في الفضاء، ولكن بمجرد أن يحاول المرء السفر عبر الزمن، فإن قوانين الكون ستتآمر لمنعه. هذا أيضًا هو الاستنتاج الذي توصل إليه إيغور نوفيكوف Igor Novikov ، المتعاون الرئيسي السابق لزيلدوفيتش Zeldovichالعظيم.

مبدأ نوفيكوف في التماسك الذاتي Le principe d'autocohérence de Novikov

صورة تجمع من اليسار إلى اليمين شاندراسيخار ، نوفيكوف وزيلدوفيتش.

إن مشكلة أو مفارقة الجد Le problème du grand-père اعتراض كلاسيكي على السفر عبر الزمن. إذا عدت بالزمن إلى الوراء لتقتل جدك، فأنت غير موجود حتى لا تعود بالزمن إلى الوراء وجدك لا يزال على قيد الحياة لذا ستقتله حتى لايولد أبوك ولا تولد أنت، إلخ. لا يمكننا مع ذلك النظر في الأنواع المحتملة للسفر عبر الزمن؟ هذا ما أراد نوفيكوف وآخرون معرفته. نتائج معادلات النسبية العامة (RG) موضحة في المثال التالي.

يمكن للمرء أن يتخيل قطعة من الرخام ألقيت على فم ثقب دودي وظهرت في ماضيها لتتصادم وتمنع نفسها من دخول فمه. إنها نسخة جسدية مباشرة من مفارقة الجد. بالمقابل، يمكن أن يكون لدينا كرة تضرب نفسها لإجبار نفسها على الدخول في الثقب الدودي. تم إجراء جميع الحسابات، فقط هذا الحل الأخير هو مصرح به بواسطة RG الكلاسيكي على ما يبدو.

للوصول إلى هذا الاستنتاج، اعتمد نوفيكوف ومعاونوه على حسابات أولية نسبيًا، لكنهم استندوا إلى أحد المبادئ الأساسية للفيزياء، وهو مبدأ العمل الأقلmoindre action.

كل هذه التكهنات حول الثقوب الدودية تبدو بعيدة المنال ، وهي إلى الأبد بعيدة عن متناول تقنياتنا. دعونا لا نفقد الأمل في القريب العاجل! ربما يعتبر مؤرخو المستقبل السنوات 2010-2020 بمثابة فجر لتغيير عميق في تاريخ البشرية.

لقد رأينا أن إمكانية إنشاء ثقب دودي وإبقائه مفتوحًا يعتمد إلى حد كبير على فهم الجاذبية الكمية وإمكانية الوصول إليها من الناحية التكنولوجية.

ومع ذلك، حتى عام 1998 تقريبًا، بدا أن كل شيء يشير إلى أنه كان من الضروري بناء معجل كبير بحجم المجرة لتوفير الطاقة الكافية لكي تتجلى الجاذبية الكمومية la gravitation quantique على نحو مباشر. في نفس العام، فتحت الأعمال المستقلة لكن التكميلية لنيما أركاني حامد Nima Arkani-Hamed وسافاس ديموبولوس Savas Dimopoulos  وجيا دفالي Gia Dvali من ناحية وليزا راندالLisa Randall ورامان سوندرم Raman Sundrum  من ناحية أخرى ، احتمال أننا كنا مخطئين.

بشكل غير متوقع، قد تكون الطاقات التي ستحدث فيها وتصادمات البروتونات في المصادم LHC أو من يخلفه كافية.

بعد بضع سنوات، في 2001-2002 على وجه الدقة، قدم ستيفن غيدينغزSteven Giddings وسافاس ديموبولوسSavas Dimopoulos في الواقع مقالتين ثوريتين إلى arxiv يفكران بجدية في إمكانية إنشاء ثقوب سوداء صغيرة تتبخر بفعل تأثير هوكينغ في LHC.

سبق، يجب أن تكون الروابط بين الثقوب السوداء والثقوب الدودية واضحة الآن.

ربما تكون الثقوب السوداء الصغيرة في مصادم الهادرونات الكبير ممكنة الصنع، ولكن لماذا لا تحدث الثقوب الدودية أثناء الاصطدام بين البروتونات؟ يبقى أن نجد توقيع تجريبي. لقد تم بالفعل النظر في مثل هذا الاحتمال، ولا سيما من قبل إيرينا أريفيفا Irina Aref'eva وإيغور فولوفيتش Igor Volovich.

بدأ اكتشاف الانشطار النووي أيضًا بشيء ضعيف جدًا، لذا ربما يمكننا أن نحلم ليس فقط باكتشاف الثقوب الدودية المجهرية في تصادمات LHC ولكن أيضًا بإمكانية جعلها أكبر للحصول على الثقوب الدودية العيانية macroscopiques التي يمكن عبورها كما في مسلسل بوابة النجم Stargate.

شرح ستيفن غيدينغز نظرية المشهد الكوني (paysage cosmique (Landscape بسطح ريمان surface de Riemann. كان Giddings من أوائل الذين درسوا إنشاء الثقوب السوداء الصغيرة في مسرع أو معجل ومصادم الجسيمات  LHC.

اشتهر ديموبولوس بعمله على تطوير نظريات تتجاوز النموذج القياسي أو المعياري modèle standard  الذي يتم اختباره حاليًا في مصادمات الجسيمات والتجارب الأخرى. على سبيل المثال في عام 1981، اقترح نموذجًا لـ GUT مع هوارد جيورجي Howard Georgi ، وساهم في بناء نموذج الحد الأدنى من التناسق الفائق (MSSM). كما اقترح نموذج ADD مع نيما آركاني حامد Nima Arkani-Hamed وغيا دفالي Gia Dvali.

في بداية عام 2012، لم تكن النتائج الأولى التي تم الحصول عليها باستخدام كاشف CMS في CERN مواتية لفكرة أنه يمكننا تصنيع ثقوب سوداء صغيرة في مصادم الجسيمات العملاق LHC. ربما تكون كتلة بلانك أعلى بكثير من عدد قليل من TeV. على أي حال، فإن المخاوف من رؤية الأرض مدمرة من خلال إنشاء ثقوب صغيرة سوداء لا أساس لها من الصحة.

 منذ نشر نظرية النسبية العامة من قبل ألبرت أينشتاين، عمل الفيزيائيون على البحث عن حلول مختلفة من نوع الثقب الأسود لمعادلات مجال الجاذبية. ثقب أسود ثابت، ثقب أسود دوار، ثقب أسود ثابت مشحون، ثقب أسود دوار مشحون، إلخ. يُعتقد أن بعض هذه الثقوب السوداء موجودة في كوننا، والبعض الآخر، نظريًا للغاية، في أكوان ذات تكوينات مختلفة. نظر الفيزيائيون النظريون إلى الثقوب السوداء المشحونة المحاطة بنوع خاص جدًا من الفضاء، واكتشفوا أن الجزء الداخلي من هذه الأجسام كان فوضويًا للغاية في الزمكان ويشكل كونًا فركتليًا غريبًا.

درس العلماء ثقبًا أسود مشحونًا كهربائيًا محاطًا بنوع معين من الفضاء، يُعرف باسم "الفضاء المضاد دي سيتر". بدون التعمق في الموضوع، هذا النوع من الفضاء له انحناء هندسي سلبي ثابت، مثل سرج الحصان، والذي نعرف أنه ليس وصفًا جيدًا لكوننا. (سيكون للكون المضاد دي سيتر ثابت كوني سلبي، مما يعني أن كل المادة تميل إلى التكثف في ثقب أسود، مقارنة بالتوسع المتسارع الذي نراه في كوننا).

فهم أفضل للظواهر الفيزيائية لكوننا:

حتى لو لم تتناسب مع كوننا المرئي، فقد اتضح أن هذه الثقوب السوداء الغريبة لا تزال تحتوي على بعض الهياكل المعقدة بشكل مدهش والتي تستحق الاستكشاف. أحد الأسباب التي تجعل هذا الاستكشاف مرحبًا به هو أن الثقوب السوداء المشحونة تشترك في العديد من أوجه التشابه مع الثقوب السوداء الدوارة، الموجودة في كوننا المرئي، لكن الثقوب السوداء المشحونة يسهل إدارتها رياضياتياً. لذلك، من خلال دراسة الثقوب السوداء المشحونة، يمكننا الحصول على معلومات حول دوران الثقوب السوداء في العالم الحقيقي. بالإضافة إلى ذلك، وجد علماء الفيزياء أنه عندما تصبح هذه الثقوب السوداء باردة نسبيًا، فإنها تخلق "ضبابًا" من الحقول الكمومية حول أسطحها. يلتصق هذا الضباب بالسطح، مرسومًا إلى الداخل بفعل جاذبية الثقب الأسود نفسه، لكنه يدفع للخارج بفعل التنافر الكهربائي من نفس الثقب الأسود.

يُعرف أيضًا ضباب المجال الكمومي المستقر الذي يعمل على السطح باسم الموصل الفائق. الموصلات الفائقة لها تطبيقات في العالم الحقيقي، لذا فإن رؤية الدور الذي تلعبه الموصلات الفائقة في هذه السيناريوهات الغريبة يساعدنا على فهم هياكلها الرياضياتية، والتي يمكن أن تؤدي إلى معرفة جديدة باستخدام تطبيقات العالم الحقيقي. في دراسة نُشرت على خادم arXiv preprint، استخدم فريق من الباحثين بالتالي لغة الموصلية الفائقة لاكتشاف ما يكمن تحت سطح هذه الثقوب السوداء الافتراضية.

ثقب دودي مركزي غير سالك:

الثقوب السوداء المشحونة لها هيكل داخلي غريب نوعًا ما. أولاً، ما وراء أفق الحدث يوجد الأفق الداخلي، وهي منطقة ذات طاقات كمومية مكثفة. أبعد من ذلك، هناك ثقب دودي، جسر إلى ثقب أبيض في قسم آخر من الكون (على الأقل، وفقًا للرياضيات).

لا نعرف حقًا ما إذا كانت الثقوب الدودية مثل هذه موجودة بالفعل، لأن رياضيات الثقوب السوداء المشحونة تضعف في الأفق الداخلي، ولا يمكن تعلم أي شيء آخر حتى نطور فيزياء جديدة. لحسن الحظ، تتجنب الثقوب السوداء المشحونة والمحاطة بفضاء مضاد دي سيتر، والذي سنسميه الآن الثقوب السوداء فائقة التوصيل، هذه مشكلة، إلا أن الخبر السار هو أن الأفق الداخلي للثقب الأسود فائق التوصيل ينهار، مما يسمح للجسم بالمرور خلاله بسلاسة دون أن يتقطع إلى "سباغيتي" كما يفعل في الثقب الأسود العادي. الأخبار السيئة هي أن الثقب الدودي الموجود داخل الثقب الأسود فائق التوصيل يتمزق أيضًا، لذا لا يمكنك استخدامه للسفر.

زمكان فوضوي وكون فركتلي:

لكن هذا لا يعني أنه لا يوجد شيء مثير للاهتمام يحدث للجسم. داخل الأفق الداخلي، يتألق الجزء الداخلي من الثقب الأسود فائق التوصيل قليلاً. عادة، يمكن للجسيمات الموجودة في الموصل الفائق الفعلي أن تتأرجح، مما يدعم الموجات التي تتأرجح في تأثير يُعرف باسم اهتزازات جوزيفسون. وفي أعماق هذه الثقوب السوداء، يهتز الفضاء ذهابًا وإيابًا. إذا كان المرء سيقع فيه جسديًا، فسيخضع لامتداد فوضى شديدة.

بالإضافة إلى ذلك، اعتمادًا على درجة حرارة الثقب الأسود، يمكن لبعض مناطق الفضاء هذه إطلاق دورة جديدة من الاهتزازات، والتي تخلق بعد ذلك مساحة جديدة متوسعة من الفضاء، مما يؤدي إلى إطلاق دورة جديدة من الاهتزازات، وهذا يقود إلى منطقة جديدة تتوسع، وهلم جراً، وعلى نطاقات أصغر باستمرار.

سيكون كونًا فركتليًا صغيرًا، يعيد نفسه إلى ما لا نهاية، من اللامتناهي في الكبر إلى اللامتناهي في الأصغر. من المستحيل وصف ما سيكون عليه السير في مثل هذا المشهد الطبيعي، لكنه بالتأكيد سيكون غريبًا جدًا. في قلب هذه الفركتلة الغامضة والفوضى الفوضوية تكمن الفرادة: نقطة الكثافة اللانهائية، أي المكان الذي توجد فيه كل قطعة من المادة سقطت في الثقب الأسود.

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

كون غوديل L'univers de Gödel

التعميم في إطار RG للحل النيوتوني الذي يصف مجال الجاذبية للنجم يصف فقط مع شوارزشيلد جسمًا خاليًا من الدوران. هذا ليس واقعيًا جدًا من وجهة نظر فلكية لأن النجوم، تمامًا مثل الكواكب، يتم تحريكها بواسطة حركة دوارة.

أحد الحلول الأولى التي تصف المجال الذي يولده جسم دوار هو حقل فان ستوكوم (Stockum، WJ van (1937) The gravitational field of a distribution of particles rotating around an axis of symmetry. Proc. Roy. Soc. Edinburgh A 57: 135. مجال الجاذبية لتوزيع الجسيمات التي تدور حول محور التناظر. Proc. Roy. Soc. Edinburgh) ج 57 ، 135). وهي قصة لمؤلفها تستحق ان تكون رواية في حد ذاتها.

كيرت غوديل وألبرت أينشتاين في جامعة برينستون، م، أرشيف معهد الدراسة المتقدمة

إنه أيضًا المثال الأول الذي نرى من خلاله ارتباطًا بين السفر عبر الزمن ووجود دوران مرتبط بالزمكان. من المحتمل أن يكون هذا الاكتشاف مستوحى من العديد من المناقشات مع ألبرت أينشتاين (الذي كان زميلًا له وصديقًا في جامعة برينستون) حول المكان والزمان وعلاقتهما بالفيزياء والفلسفة، فاجأ عالم الرياضيات العظيم كورت غودل اوسط العلمي في عام 1949 من خلال إظهار حل لمعادلات أينشتاين التي تصف الكون الدوار. والغريب في الأمر أن هناك مسارات داخله تسمح للمسافر بالعودة إلى ماضيه!

كيف يكون ذلك ممكنا؟ في هذا الحل يوجد محور دوران متميز في الكون، مع إيقاع ابتعادنا واقترابنا عن هذا المحور، يتغير الهيكل السببي للزمكان. هناك دائمًا حد للسرعة، ولكن إذا أدخلنا مجالًا من مخاريط الضوء un champ de cônes de lumière ، فإننا نرى أنها تميل أكثر فأكثر كلما ابتعدنا عن المحور، لذلك بحيث يتزامن اتجاه المستقبل بالنسبة للمراقب داخل مخروط الضوء الخاص به مع مسار يعود إلى الماضي! هذا الميل للمخاريط الضوئية هو بالضبط سمة مميزة للمرور من النسبية الخاصة إلى النسبية العامة، كما رأينا أن المقياس ديناميكي. إنها ظاهرة ذات أهمية كبرى، سنراها لاحقًا للثقوب السوداء أو علم الكونيات. 

مقتطف من تقرير Cern الأصفر 91-06. © روث م. ويليامز

وبهذه الطريقة، يوجد في حل Gödel مجموعة مما يسمى بالمسارات الزمنية المغلقة de trajectoires dites de genre temps closes والتي يسافر بها مراقب باستخدام صاروخ، من شأنها أن تسمح له بالعودة في الوقت المناسب. في حل Gödel هذا، من المهم ملاحظة أنه لا يُسمح إلا بالرحلات إلى الماضي، بصرف النظر بالطبع عن الرحلات المعتادة إلى المستقبل مثل توأمي لانجفان Langevin. 

يسمح إمالة المخاريط الضوئية في كون غوديل بتشكيل حلقات زمنية على طول خطوط معينة للكون (خط عالمي world-line) للمسافر. مقتطف من تقرير Cern الأصفر 91-06 © Ruth M. Williams

هذه ملاحظة مثيرة للاهتمام، حيث يصف هذا الحل الكوني كونًا بدون تفرد أو فرادة بدئية أساسية sans singularité initiale. إن وجود حلقات شبيهة بالزمن سببية مغلقة يرتبط ارتباطًا وثيقًا بغياب التفردات أو الفرادات بشكل عام في حلول معادلات أينشتاين. بقدر ما يحذر القارئ على الفور، فإن البيانات الناتجة عن ملاحظة خلفية الإشعاع الكوني لا تشير إلى أي علامة على الدوران العالمي للكون.

حل كير La solution de Kerr

كجزء من فهم أفضل للحلول التي تصف الأجسام الفيزيائية الفلكية الواقعية، تميزت بداية الستينيات بثورة نظرية مزدوجة. إدخال كروسكال Kruskal لنظام إحداثيات يسمح بالوصف الكامل وبشكل أكثر دقة للبنية الهندسية والطوبولوجية لحل شفارزشيلد Schwarzschild واكتشاف حل كير Kerr.

مخطط :Diagramme de Kruskal

باستخدام نظام الإحداثيات الذي قدمه إيدنغتون Eddington وأعاد اكتشافه بواسطة فينكلشتاين Finkelstein ، تمكن مارتن كروسكال Martin Kruskal من حل المشكلات المتعلقة بوصف بنية الزمكان عندما يغامر المرء تحت السطح الذي يحده نصف قطر شفارزشيلد Schwarzschild . مرة أخرى، كان النظر في مسارات أشعة الضوء هو المفتاح للتغلب على الصعوبة. يمكننا الآن تمثيل الهندسة السابقة والمستقبلية للزمكان لهذا الحل من خلال المخططات أدناه.

2

  Diagrammes de la géométrie passée et future. Voir ci-dessous pour plus de détail. Extrait de Jean-Pierre Luminet - Black Holes : A General Introduction. © Jean-Pierre Luminet

مخططات الهندسة في الماضي والمستقبل. انظر أدناه لمزيد من التفاصيل. مقتطف من جان بيير لومينيت - الثقوب السوداء: مقدمة عامة. © جان بيير لومينيت

يحدد المخروطان المستقبل والماضي لأفق حدث الثقب الأسود، والخطوط المستقيمة ذات الشرطات والنقاط تحدد أقسام زمنية ثابتة من الزمكان، وتتوافق المنحنيات الرأسية التي تشبه القطع المكافئ مع كرات نصف قطر ثابت في الزمن المحيط بالثقب الأسود. نظرًا لأن معادلات أينشتاين متماثلة في الزمن المناسب، فإن المخروط العلوي يتوافق مع ثقب أسود لا يمكن أن يصلح فيه كل شيء إلا دون أن يغادر أبدًا؛ في حين أن المخروط السفلي يتوافق، من خلال عكس الزمن، مع حل يعرف بالثقب الأبيض أو حتى النافورة البيضاء. هنا يخرج كل شيء دون أن يتمكن من الدخول. ترتبط المنطقة الموجودة على اليسار ارتباطًا مباشرًا بصفيحة أخرى من الكون في جسر أينشتاين-روزن pont d'Einstein-Rosen أو حالة نوع ثقب ميسنر الدودي trou de ver de Misner. المناطق باللون الأسود هي تلك "المنتشرة" بواسطة نظام الإحداثيات حيث توجد الفرادة النهائية la singularité finale، حيث يتم إبادة الزمكان هناك!

سيثبت نظام الإحداثيات الجديد أنه لا يقدر بثمن لدراسة الحل الذي يصف نجمًا دوارًا وجده عالم الرياضيات النيوزيلندي روي كيرRoy Kerr. كانت دراسته المكثفة من عمل براندون كارترBrandon Carter وسوبرهماني شاندراسيخار Subrahmanian Chandrasekhar. يصف هذا الحل فقط بالضبط ما سيُطلق عليه لاحقًا ثقبًا أسودًا ولم ينجح أحد في إثبات أن هذا هو الحل الدقيق الذي يصف الهندسة الخارجية لنجم دوار واحد. يمكن كتابة المقياس الذي يصف ثقبًا أسودًا دوارًا وجده كير على النحو التالي (إحداثيات بواير -لاندكويست Boyer-Lindquist ، عن طريق الإعداد ، G = c = 1): أو اعتمادًا على القيم الخاصة بكل من M و a ، يمكننا الحصول على حلقات تشبه زمن ينتهك متطلبات السببية في إطار هندسة الزمكان هذه. لن نتفاجأ من ارتباط a ارتباطًا مباشرًا بالزخم الزاوي J  للثقب الأسود الدوار.

يحتوي ثقب كير الأسود trou noir de Kerr، بالإضافة إلى أفق الحدث، على غلاف جوي إيرغوسفير ergoshère إهليلجي. أي جسم يسقط شعاعيًا يعبر هذه المنطقة، والمعروف باسم سحب الإطار frame dragging وبالفرنسية entraînement des référentiels، سيتم جره بشكل لا يقاوم من خلال دوران الزمكان الناجم عن الثقب الأسود. لذلك سيكون لها مكون سرعة عرضية tangentielle de vitesse   وسنجد أنفسنا في موقف مرتبط (ولكن ليس مطابقًا) لحالة كون غوديل. 

رسم بياني يوضح الفرق بين أفق الحدث (كروي) والغلاف الجوي (الإهليلجي) لثقب كير الأسود.

بالاقتران مع الاكتشاف الأخير للكوازارات (التي كان تفسيرها في ذلك الوقت كنجوم فائقة الكتلة موصوفة بالضرورة بالنسبية العامة) ، مع الاكتشاف في عام 1965 للإشعاع الأحفوري الذي تنبأت به النماذج الكونية من نوع الانفجار العظيم وأخيراً النجوم النابضة في عام 1967 (تأكيدًا لوجود النجوم النيوترونية)، ستؤدي هذه الأدوات النظرية الجديدة إلى تسارع مفاجئ في تطوير الفيزياء الفلكية النسبية وإحياء البحث في النسبية العامة ، التي غابت إلى حد كبير عن ثلاثينيات القرن الماضي بنجاحات فيزياء الكموم.

إعداد وترجمة: د. جواد بشارة

جسر أينشتاين روزين - ناثان روزين Le pont d'Einstein-Rosen

في سعيه لتوحيد القوى والمادة مع هندسة الزمكان، اقترح أينشتاين، جنبًا إلى جنب مع مساعده ناثان روزن، تمديدًا طفيفًا لحل شوارزشيلد بعد تحليل أكثر تعمقًا لـ هذا الحل. يمكن بعد ذلك تفسير الطابع الذري للمادة على أنه وجود جسر بين صفحتين من الزمكان. لقد حقق حلم أينشتاين القديم بنظرية غير ثنائية للمادة حيث كانت الجسيمات عبارة عن حلول لمعادلات مجال الجاذبية المفهومة والمعممة بشكل صحيح، وليست افتراضات مستقلة وفوقها.

يمكن رؤية مقدمة هذه المقالة الشهيرة أدناه.

مقالة أينشتاين وناثان روزين:

هذا هو المكان الذي بدأت فيه التكهنات الجادة حول الاختصارات المحتملة في الزمكان أو الممرات بين الأكوان المتوازية. دعونا ننظر مرة أخرى إلى حل شوارزشيلد المتعلق بجسر أينشتاين-روزن. عندما تصبح r أقل من 2GM، نرى أن العلامات الموجودة أمام المصطلحين الأولين تنعكس، r تأخذ مكان الزمان الذي يصبح مساحة أو مكان! الهندسة ديناميكية في الواقع لمراقب داخلي يتجه نحو r = 0. يبدأ حجم مضيق الجسر في الانخفاض ويتم سحق المسافر المغامر تمامًا عند هذه النقطة r = 0 حيث توجد الفرادة. باختصار إلى بعدين، يتم تمثيل هندسة الزمكان من خلال مخطط التضمين أعلاه. يمر المقطع بضيق مع مرور الوقت للمراقب السابق. لذلك لا يمكنك السفر عبر الثقب الأسود لأنك سحقك بالتفرد قبل أن تتمكن من عبور الجسر الذي اكتشفه أينشتاين وروزن.

يرتبط الإحداثي v بتدفق الوقت في هندسة Schwarzschild ولكنه موصوف وفقًا لنظام إحداثيات Kruskal.

كما قلنا أعلاه، بدا حل Schwarzschild مرضيًا بالنسبة لمعاصري أينشتاين لأنه عندما كانت r تساوي 2GM، تم إلغاء معاملات المقياس أو أصبحت لانهائية. لفترة طويلة كان يعتقد أن هذا يعني أنه لا يمكننا اعتبار نجم تقع كتلته تحت هذا الحد الأقصى من نصف القطر المشار إليه Rs. وقد لاحظ إيدنغتون  Eddington ولوميتر Lemaître أنه كان مجرد اختيار سيئ للإحداثيات وبشكل مطلق ليست مشكلة في التركيب الهندسي للحل، لكن ملاحظاتهم مرت دون أن يلاحظها أحد.

يمكننا أن نرى ذلك ببناء الكميات التي نسميها الثوابت بدءًا من موتر الانحناء tenseur de courbure.

كما يوحي اسمه، يمكن حساب الثابت في نظام إحداثيات لكن قيمته مستقلة عنه. في حالة Schwarzschild شفارزشيلد، إذا أخذنا في الاعتبار الثابت أو اللامتغير l'invariant الذي تم الحصول عليه من موتر انحناء ريمان الشهير.

نرى أن المشكلات لا تظهر إلا عندما تكون r صفرًا، وهو بالضبط، كما قلنا، وجود فرادة في مركز الحل. في وقت لاحق فقط، من خلال أنظمة الإحداثيات التي قدمها فنكلشتين Finkelstein وكروسكال Kruskal، في نهاية الخمسينيات من القرن الماضي، كان من الممكن وصف ما كان يحدث بشكل صحيح، أي لا شيء، عند عبور السطح المحدد بــ Rs.

هذا السطح بعيد عن أن يكون غير ضار وسننتهي بإعطائه اسم أفق الحدث لأن لا شيء يخترقه داخل المنطقة التي يحددها لم يعد بإمكانه تركه أو التأثير على المنطقة. بالخارج عن طريق إرسال إشارة. إن وجود أفق لجسم مضغوط هو في الواقع التعريف الدقيق لما سيطلق عليه لاحقًا الثقب الأسود.

الثقوب الدودية ويلر ميسنر Les trous de ver de Wheeler-Misner

في نفس الوقت تقريبًا، ما زال جون ويلر John Wheeler، المؤلف المشارك لنظرية الانشطار الأولى مع نيلز بور والمشرف على أطروحة فينمان، يستخدم مفهوم جسر أينشتاين-روزن لوصف الجسيمات المشحونة وكتلها مثلها. وله أيضًا نحن مدينون بتعبير الثقب الدودي trou de ver wormhole، والهيكيلية على شكل رغوة structure en écume ، دون أن ننسى بالطبع مصطلح الثقب الأسود trou noir (black hole!. بصفته زميلًا لأينشتاين في جامعة برينستون، ليس من المستغرب أنه سمح لنفسه بعد ذلك بالتأثر بفكرته المتمثلة في اختزال كل فيزياء القوى والجسيمات إلى هياكل هندسية.

بسبب عمله على الديناميكا المائية الهدروديناميك l'hydrodynamique للانفجارات النووية وبسبب التوازي بين التركيب غير الخطي لمعادلات ميكانيكا الموائع والنسبية العامة، فقد طور عادة لمقارنة ديناميات هندسة الزمان والمكان للسوائل.

لذا فإن تكوين الثقوب الدودية أو حتى الثقوب السوداء في الزمكان يشبه تكوين الرغوة، والفقاعات عندما تنكسر الأمواج. بهذا المعنى، نحن مدينون له ببعض المقالات الأساسية التي قدم فيها مفهوم الديناميكا الجيوديناميكية géométrodynamique، سواء بالإشارة إلى الديناميكا المائية والديناميكا الكهربية l'électrodynamique (الكلاسيكية والكمومية).

جون أرشيبالد ويلر. تمامًا كما يبدو البحر أملسًا على ارتفاع كبير، حتى لو اهتزت به عاصفة، فإن الزمكان على نطاق مجهري يهتز بسبب التقلبات العنيفة. © د

ربما تساءلت عن السبب في أن فتح بوابة النجوم Stargate في المسلسل التلفزيوني Stargate SG1 يأتي دائمًا بشيء مثل سطح مائي متقطع قليلاً، والآن لديك الإجابة!

لم تعد المواد الموجودة في وسط Stargate لغزا بالنسبة للمشاهد

يمكن إثبات أن الجسيمات المصممة على هذا النحو هي أيضًا ناقلات جماعية. هذا ما عبّر عنه ويلر عندما تحدث عن "شحنة بلا شحنة، كتلة بلا كتلة". على الرغم من جاذبية هذه الصورة، إلا أنها لم تجعل من الممكن أبدًا العثور على القيم الدقيقة لكتلة الإلكترونات (على سبيل المثال) ولا لشحنتها لأننا بالأحرى نجد جسيمات مرتبطة بمقياس بلانك وبالتالي بدون روابط واضحة مع الملاحظات. من خلال تعميم هذا مع صورة ويلر الصغيرة الشبيهة بالرغوة للزمكان، نحصل على الصورة التالية المعذبة طوبولوجيًا.

هيكل الرغوة للزمكان. كيب ثورن

دعونا نلقي نظرة فاحصة على قصة هيكل الرغوة للزمكان. يمكننا النظر في الانحراف من مقياس الزمكان مقابل المقياس المسطح بحجم صغير جدًا منه. تعلمنا ميكانيكا الكموم أنه لكل مكون محتمل من الطول الموجي L لحقل في حجم من الزمكان L4، هناك نصف كم من الطاقة المرتبطة بتقلبات الطاقة في الفراغ ودالة لطول الموجة هذا. من الممكن في الواقع، في الزمكان المسطح على الأقل، أن تحلل الجزء الرئيسي من المجالات الفيزيائية في تراكب التذبذبات والاهتزازات الأولية لأطوال موجية معينة. يتم تعريف كل تذبذب على أنه وضع، فكر في سلسلة تهتز.لا ينبغي أن يكون مجال الجاذبية استثناءً للقاعدة، خاصة أنه يمكن للمرء أن يكتب معادلة خطية تصف تقلبات هذا المجال فيما يتعلق بمسطح الزمكان مشابه جدًا لتلك التي تصف الحقول الأخرى في نفس موقف.

كثافة الطاقة لطول هي L، الذي يعطي حجمًا من الفضاء L3 تقلبًا في الطاقة وبالتالي فإن التذبذب المتري المرتبط بهذا الوضع هو إننا إذا حاولنا قياس طول، فسيكون لدينا خطأ لا مفر منه يظهر حد للمفهوم الكلاسيكي لطول الزمان والمكان لأنه فقط لـ L يمكن الحفاظ على صورة سلسة ومستقرة لهندسة الزمكان. نرى طول مميز يظهر (إذا حددنا G = c = 1 بوحدات مناسبة. هذه القيمة تسمى طول بلانك ويلر longueur de Planck-Wheeler. على هذا المقياس، يصبح الزمكان "مضطربًا" ويجب وصفه بنظرية كمومية للجاذبية. هذا هو بالضبط ما يجب أن يحدث أيضًا بالقرب من التفردات أو الفرادات الكلاسيكية الموجودة داخل الثقوب السوداء وفي أصل الكون المرئي وبدايته.

نتيجة هذا "الاضطراب" هو ظهور التناظرية للتجويف (تكوين الفقاعات) في الديناميكا المائية، وهذا بطبيعة الحال هو ظهور / اختفاء ثقوب دودة صغيرة، والتي يمكن بعد ذلك تفسيرها على أنها أزواج من الجسيمات / الجسيمات المضادة تظهر وتختفي باستمرار.

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

الجاذبية النيوتنية والثقالة الآينشتاينية والنسبية الخاصة: Gravitation et relativité restreinte

سرعان ما واجه أينشتاين مشكلة التوفيق بين نظرية نيوتن للجاذبية ونظريته النسبية الخاصة.

أظهر العالم الفرنسي لابلاس Laplace أن تأثير الجاذبية يجب أن ينتشر على الأقل عدة ملايين مرة أسرع من الضوء لمطابقة مدارات الكواكب المرصودة في النظام الشمسي.

بالإضافة إلى ذلك، تتعامل نظرية أينشتاين مع وصف الحركات في أطر مرجعية بدون تسريع. ترتبط هاتان المشكلتان بأعجوبة ويمكن التغلب عليها بالملاحظة التالية البسيطة للغاية: إن الكتل الخاملة والجاذبية للأجسام هي نفسها. ماذا يعني ذلك؟

الكتلة الخاملة La masse inerte   هي المعامل الذي يتدخل في قانون نيوتن الذي يربط تسارع الجسم بالقوة التي يتعرض لها، والمعروف باسم الجاذبية يرتبط بتقدير شدة القوة التي يتعرض لها الجسم في مجال الجاذبية. هذا أمر مزعج للغاية كما في حالة القوة الكهربائية أو المغناطيسية، حيث تظهر الشحنة. لذلك نشك في وجود صلة بين قوانين الميكانيكا وقانون مجال الجاذبية.

التطبيق اللافت لهذه المساواة اليوم هو التجارب في هبوط الطائرات مؤقتًا. داخل الطائرة، تبدأ جميع الأجسام التي تسقط بنفس السرعة بالنسبة إلى الأرض في الطفو بالنسبة لبعضها البعض.

محليًا يمكننا أن نجد إطارًا مرجعيًا تلغي فيه تأثيرات مجال الجاذبية بعضها البعض!

على العكس من ذلك، يمكننا أن نجد إطارًا مرجعيًا متسارعًا بحيث يمكن للمراقب أن يعتقد أنه غير متحرك ولكنه يخضع لحقل جاذبية. تتمثل الخطوة الأساسية التالية في الوصول إلى أساسيات النسبية العامة في النظر إلى ما يحدث عندما نحاول تطبيق النسبية الخاصة على الأجسام المتسارعة. بشكل عام، نعتبر حالة القرص في دوران موحد.

تخضع كل نقطة على طول نصف القطر لسرعة v تزداد مع زيادة المسافة من مركز القرص. لذلك فإن الساعة في كل من هذه سيكون لها تحول أكثر وضوحًا كلما ابتعد المرء عن هذا المركز. بالإضافة إلى ذلك، يشير قياس محيط القرص، بسبب تقلص الأطوال، إلى أن هذا لا يبدو للتحقق من المعادلة أو العلاقة التالية: C = 2πR. وبالتالي، لم تعد الهندسة المكانية إقليدية لبعض المراقبين وهذا يتعلق بحقيقة أننا في وجود حركات متسارعة. ومع ذلك، كما رأينا، يمكن تفسير التسارع في إطار مرجعي محليًا على أنه وجود مجال جاذبية. لذلك أظهرنا للتو صلة بين الجاذبية وهندسة الفضاء. يستنتج أينشتاين من هذا أن ظواهر الجاذبية يجب أن تكون مرتبطة بشكل عام بهندسة غير إقليدية للزمكان وليس الفضاء فقط، وإلا سيكون لدينا تناقض مع مفهوم الزمكان ذاته في نظام بدون الجاذبية.

نظرية الفراغات المنحنية بأبعاد N: La théorie des espaces courbes à N dimensions

من الطبيعي تمامًا أنه تم توجيهه لاستخدام النظرية العامة للمساحات المنحنية ذات الأبعاد N التي قدمها ريمان Riemann في القرن التاسع عشر.

في هذه النظرية الريمانية، لم تعد الهندسة إقليدية، ومجموع زوايا المثلث لم يعد 180 درجة ولم يعد محيط الدائرة يساوي2πR- 2πR. يمكن رؤية هذا بسهولة مع الأشكال الهندسية على الأسطح أدناه. امتلاك انحناء موجب على التوالي (كما هو الحال بالنسبة للكرة)، أو سلبي (كسرج حصان)، لا يمكن تطبيقها على طائرة دون تمزيقها أو بدون تجعدها.

Une surface à courbure positive à gauche ne peut pas s'aplatir sur un plan sans se déchirer. Une surface à courbure négative ne peut pas s'aplatir sans se friper. Extrait de Cern yellow report 91-06. © Ruth M. Williams

لا يمكن أن يتم تسطيح السطح المنحني بشكل إيجابي إلى اليسار على مستوى بدون تمزق. لا يمكن أن يتم تسطيح السطح المنحني بشكل سلبي بدون تجعد. مقتطف من تقرير Cern الأصفر 91-06. © روث م. ويليامز يظهر المقياس السابق في الفاصل الزمني بشكل متناهي الصغر.                                      سيتم تعميمها في، وسيتم وصفه بواسطة موتر والذي من الواضح أنه يتقلص إلى السابق عندما تكون المساحة مسطحة.

يعود تاريخ تقديمها إلى تحقيقات غاوس Gauss في أوائل القرن التاسع عشر حول هندسة الأسطح المنحنية، وهي نتيجة واضحة لعمله في الجيوديسيا la géodésie.

لاحظ أيضًا أن هناك مفهوم الفعل ورد الفعل في فيزياء نيوتن. ترتبط قوى الطرد المركزي بإطارات مرجعية متسارعة وبمبدأ التكافؤ الذي يمكن تفسيره على أنه قوى الجاذبية، إلى ما يمكن بالتالي أن يتوافق مع تفاعل المادة مع التسارع من خلال تغيير الإطار المرجعي؟ في السياق السابق، تظهر الاستجابة بشكل طبيعي، يجب تشويه الزمكان نفسه! نجد بطريقة أخرى علاقة بين زمكان ذي هندسة متغيرة ومجال الجاذبية.

نظرًا لأن توزيع المادة مرتبط بتوزيع الطاقة، فبالإضافة إلى أن المادة تولد مجال جاذبية، فإننا نستنتج أنه لا بد من وجود معادلات تعمم معادلات الجاذبية النيوتونية وتربط توزيعات المادة / الطاقة بهندسة الزمكان.

كان استغلال أينشتاين الرئيسي هو الحصول على هذه المعادلات، وهي مكتوبة:

العضو الأيسر يحتوي على هندسة الزمكان، نجد موتر متري le tenseur métrique   بالإضافة إلى مشتقاته المكانية والزمانية. هذا موتر أينشتاين الشهير الذي تم بناؤه باستخدام موتر انحناء ريمان كريستوفيل Riemann-Christoffel الذي تقلص مرة واحدة (عن طريق الجمع وفقًا لأينشتاين للمؤشرين،) يعطي موتر ريتشي le tenseur de Ricci  بمؤشرين.

يحتوي الجانب الأيمن للمعادلة، على سبيل المثال، على الطاقة وكمية الحركة المنسوبة إلى توزيع المادة أو المجال الكهرومغناطيسي. هذا موجود في موتر T مع مؤشرين يسميه أحدهما موتر الطاقة النبضية le tenseur d'impulsion-énergie. وبالتالي يصبح مقياس الزمكان كائنًا ديناميكيًا يحدده توزيع وحركة المادة / الطاقة.

Albert Einstein devant ses équations de la gravitation dans le vide. Elles se réduisent à la nullité du tenseur de Ricci. © DR

ألبرت أينشتاين أمام معادلاته في الجاذبية في الفراغ. يتم تقليلها إلى بطلان موتر ريتشي. © د

الجيوديسية  La géodésique

دعونا ننتقل الآن إلى مفهوم مهم آخر في النسبية العامة.

يُطلق على تعميم الخط المستقيم في الزمكان المنحني اسم الجيوديسية. إذن على سطح الأرض، إذا بدأنا من خط الاستواء للوصول إلى القطب باتباع خط الطول الذي يتقاطع مع نقطة البداية، فسيكون هذا المنحنى على وجه التحديد. بشكل عام، هو منحنى الطول الأدنى بين نقطتين على السطح. وفقًا لغاليليو ونيوتن، فإن الجسم في حالة عدم وجود قوة يكون في حالة راحة أو يتحرك على طول مسار مستقيم متماثل، خط مستقيم. وبالتالي ، فإن التعميم في الزمكان المنحني هو بالفعل جيوديسي ، وإذا تم وصف القوة في فيزياء نيوتن بانحراف عن مسار مستقيم متشابه ، ففي هذا السياق ، لم تعد الجاذبية وفقًا لأينشتاين قوة بالمعنى الذي قدمه نيوتن لأن الأجسام تتبع فقط مسارات "مستقيمة" في الزمكان تحت تأثير الجاذبية.

هذا ما توضحه الرسوم البيانية أدناه لحركة الكواكب حول الشمس.

Une particule cherchant à se déplacer selon la ligne la plus droite possible peut emprunter une tangente à un cercle centré sur le puits à gauche. Atteignant le cercle, elle se trouvera piégée en orbite en suivant la courbe la plus droite, c'est à dire ici précisément ce cercle. À droite, un bloc d'espace-temps avec la trajectoire dans le temps d'un astre fixe et un objet tournant autour de lui. Cern yellow report 91-06. © Ruth M. Williams

يمكن أن يأخذ الجسيم الذي يسعى إلى التحرك في أبسط خط ممكن مماسًا لدائرة متمركزة على البئر إلى اليسار. عند الوصول إلى الدائرة، سيتم حصرها في مدار باتباع المنحنى الأكثر استقامة، أي هنا بالضبط هذه الدائرة. على اليمين، كتلة زمكان مع مسار في الزمن لنجم ثابت وجسم يدور حوله. تقرير سيرن الأصفر 91-06. © روث م. ويليامز

نظرية الإمكانات النيوتونية الكامنة للنجوم La théorie du potentiel newtonien pour les étoiles

من المتوقع بالطبع تعديل نظرية حركة الكواكب. كما أوضح كارل شوارزشيلد Karl Schwarzschild، من الممكن إيجاد حل يعمم نظرية الإمكانات النيوتونية للنجم. خارج نجم كروي تمامًا، ذو كتلة M وبدون دوران (نتحدث عن حالة ثابتة)، يتم وصف هندسة الزمكان من خلال: وجود حل داخلي نكتبه ببساطة في النموذج أدناه: مخطط تضمين ثنائي الأبعاد لحل شوارزشيلد.  إذا أخذنا في الاعتبار كرة نصف قطرها r

داحل النجم، فسوف تحتوي على كتلة M (r). هذا ما يفسر مظهره في الفترة الزمنية السابقة للمكان والزمان.

كانت هذه الحلول في الواقع مناجم ذهب قد تستغرق ثرواتها عقودًا لتكشف عن نفسها. كانت الإشارة الأولى تأتي من أينشتاين في عام 1935.

Karl Schwarzschild (1873-1916). © DR

كارل شوارزشيلد (1873-1916). © د

في غضون ذلك، تم ملاحظة مشكلتين. عندما تمر كتلة النجم الموصوفة بالحلول السابقة تحت نصف قطر Rs = 2GM / c2 (أو GM2 عندما حددنا c = 1 في نظام الوحدات المستخدمة عادة)، تسمى نصف قطر Schwarzschild ، ماذا سيحدث ؟ يبدو بالفعل أن الحل الأول في الفراغ يصبح مرضيًا عندما يكون r = Rs لأننا نحصل على اللانهاية للمصطلح الثاني من المقياس.

وبالمثل، عندما يكون r = 0 وما زلنا في الحالة الأولى، نجد أن انحناء الزمكان يصبح لانهائيًا. هنا نبدأ الحديث عن الفرادة لهندسة الزمكان في هذه المرحلة حيث معادلات أينشتاين وهيكل الزمكان ينهار.

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

عندما نعرف حقيقة الثقوب السوداء سنكتشف حقيقة الكون المرئي وهل هو ثابت أم تعاقبي:

من المؤكد أن الثقوب السوداء هي واحدة من أغرب الأشياء في الكتالوج الكوني. تنبأت معادلات النسبية العامة لألبرت أينشتاين بها، ولم يعد وجودها موضع نقاش اليوم، فقد نشر تعاون Event Horizon Telescope الصورة الأولى للجانب الهيكلي للثقب الأسود في عام 2019. ولكن على الرغم من كل القرائن الملاحظة التي لدينا حول هذه الأشياء، ما زلنا لا نعرف بالضبط ما بداخلها. قدمت العديد من النظريات، مثل نظرية الأوتار الفائقة والجاذبية الكمومية الحلقية، إجابات نظرية، لكن السؤال لا يزال حتى يومنا هذا عصياً وعلقاً.

يتناسب نصف قطر الثقب الأسود مع كتلته، وهذا يعني أن كثافة الثقب الأسود تتناسب عكسيًا مع كتلته. بعبارة أخرى، كلما كان الثقب الأسود أصغر، كان أكثر كثافة، وكلما زادت كثافة جاذبيته ستكون بالقرب من أفق الحدث. إن محاولة الدخول إلى ثقب أسود نجمي هي المخاطرة بالتعرض للفرم مثل المعكرونة على الفور، أي التمدد ثم التدمير بفعل قوى المد والجزر الشديدة للثقب الأسود.

الثقوب السوداء الهائلة أقل كثافة بكثير لذلك من الممكن الاقتراب منها، وحتى تجاوز أفق الأحداث دون التعرض لأدنى خطر (عن طريق وضع جانباً بالطبع الإشعاعات فائقة الطاقة القادمة من قرص التراكم الذي من شأنه أن يطبخ أي رائد فضاء على الفور). ومع ذلك، كان أينشتاين واضحًا في هذه النقطة: بغض النظر عما إذا كنت قد تمكنت من دخول ثقب أسود أم لا، فإن فرادته المركزية أو تفرده المركزي سيكون نقطة نهاية الرحلة. ولكن هل هذا هو الحال فعلا؟

الثقوب الدودية: ممرات الزمكان داخل الثقوب السوداء؟

على مر السنين، درس العلماء احتمالية أن تكون الثقوب السوداء ثقوبًا دودية تؤدي إلى مجرات أخرى وربما إلى أكوان أخرى. قد تكون، كما اقترح البعض، طريقًا إلى عالم آخر. كانت هذه الفكرة موجودة منذ بعض الوقت: تعاون أينشتاين مع ناثان روزن لوضع نظرية للجسور التي تربط بين نقطتين مختلفتين في الزمكان في عام 1935.

trou noir ver blanc voyage interstellaire matière exotique

على الرغم من أنها حل محتمل لمعادلات النسبية العامة، تتطلب الثقوب الدودية أن تظل المادة الغريبة مستقرة. ومع ذلك، وفقًا للعديد من الفيزيائيين (مثل Jefferis et al.) ، قد يكون هناك تكوين مستقر للثقب الدودي لا يتطلب مثل هذه المواد. الائتمان: Andrzej Wojcicki / Getty.

اكتسبت النظرية قوة في الثمانينيات من القرن الماضي عندما أثار الفيزيائي كيب ثورن Kip Thorne - أحد الخبراء البارزين في الآثار الفيزيائية الفلكية لنظرية النسبية العامة لأينشتاين - نقاشًا حول ما إذا كانت الأجسام يمكن عبورها جسديا. ومع ذلك، يبدو من غير المحتمل وجود الثقوب الدودية في الوقت الحاضر.

في الواقع، كتب ثورن، الذي قدم مشورته الخبيرة لفريق إنتاج فيلم أنتير ستيلير ــ بين النجوم ـــ Interstellar: "لا نرى أي شيء في كوننا يمكن أن يصبح ثقبًا دوديًا مع تقدمنا ​​في العمر"، في كتابه " علم بين النجوم ". يوضح ثورن أن السفر عبر هذه الأنفاق النظرية سيظل على الأرجح خيالًا علميًا، وبالتأكيد لا يوجد دليل قوي على أن الثقب الأسود يمكن أن يسمح بمثل هذا المرور. وهناك فرضية أخرى أكثر إدهاشاً وثورية.

ثقوب السوداء: بوابات للثقوب البيضاءTrous noirs des passerelles vers des trous blancs

إذا أدت الثقوب السوداء إلى مجرات أو أكوان أخرى، فقد تكون عكسها تمامًا في نهاية النفق،من الجهة الأخرى المقابلة، على سبيل المثال ، الثقوب البيضاء ، وهي نظرية طرحها عالم الكونيات الروسي إيغور نوفيكوف Igor Novikov في عام 1964. اقترح نوفيكوف أن الثقب الأسود مرتبط بثقب أبيض كان موجودًا في الماضي. على عكس الثقب الأسود، يسمح الثقب الأبيض للضوء والمادة بالخروج، لكن الأخير لا يمكنه الدخول.

واصل الفيزيائيون استكشاف الصلة المحتملة بين الثقوب السوداء والثقوب البيضاء. أكد الفيزيائيان كارلو روفيلي وهال إم هاغارد Carlo Rovelli et Hal M. Haggard في دراستهما لعام 2014 المنشورة في مجلة Physical Review D، أن "هناك مقياسًا كلاسيكيًا يرضي معادلات أينشتاين خارج منطقة زمكان محدودة حيث تنهار المادة في ثقب أسود ثم تنبثق من ثقب أبيض ". بعبارة أخرى، يمكن رفض المادة التي تمتصها الثقوب السوداء، ويمكن أن تتحول الثقوب السوداء نفسها إلى ثقوب بيضاء عندما تموت.

بعيدًا عن تدمير المعلومات التي يمتصها، سيتم إيقاف انهيار الثقب الأسود. بدلاً من ذلك، سيخضع لارتداد كمومي، مما يسمح للمعلومات بالهروب. إذا كان الأمر كذلك، فسوف يدعم اقتراحًا قدمه عالم الكونيات والفيزياء النظرية السابق بجامعة كامبريدج ستيفن هوكينغ، الذي استكشف في السبعينيات احتمال أن تصدر الثقوب السوداء جسيمات وإشعاعات إلى سلسلة التقلبات الكمومية على حافة أفقها.

حسب هوكينغ أن الإشعاع سيؤدي إلى فقدان الثقب الأسود للطاقة ، والتقلص ، والاختفاء ، كما هو موضح في بحثه عام 1976 المنشور في مجلة Physical Review D. استنادًا إلى ادعاءاته بأن الإشعاع المنبعث عشوائي و لا يحتوي على معلومات حول ما تم امتصاصه ، فالثقب الأسود ، أثناء تبخره ، سيمحو جميع المعلومات الواردة.

transition trou noir trou blanc gravité quantique boucles

انطباع الفنان عن الانتقال بين الثقب الأسود والثقب الأبيض. باستخدام الجاذبية الكمومية الحلقية gravité quantique à boucles ، أظهر أشتيكار وأولميدو وسينغ Ashtekar, Olmedo et Singh أن الثقوب السوداء تتطور إلى ثقوب بيضاء. المصدر: F. Vidotto

هذا يعني أن فكرة هوكينغ كانت على خلاف مع ميكانيكا الكموم بحيث لا يمكن تدمير المعلومات. أدت فكرة هوكينغ إلى "مفارقة معلومات الثقب الأسود" وقد حيرت العلماء لفترة طويلة. قال البعض إن هوكينغ كان ببساطة مخطئًا، بل إن الرجل نفسه قال إنه ارتكب خطأ في مؤتمر علمي في دبلن عام 2004.

في دراستهم لعام 2013 المنشورة في مجلة Physical Review Letters، طبق خورخي بولين Jorge Pullin  من جامعة ولاية لويزيانا ورودولفو جامبيني Jorge Pullin من جامعة جمهورية مونتيفيديو في أوروغواي الجاذبية الكمومية الحلقية على ثقب أسود ووجدوا ديناميكية جاذبية متماسكة مع وجود مخرج للمادة. أعطت النتائج مصداقية إضافية لفكرة عمل الثقوب السوداء كجسور في الزمكان. في هذه الدراسة، لا توجد التفردات أو الفرادات، لذا فهي لا تشكل حاجزًا منيعًا ينتهي به الأمر إلى سحق كل شيء يواجهه. كما يعني أن المعلومات لا تختفي.

ومع ذلك، يعتقد الفيزيائيون أحمد المهيري ودونالد مارولف وجوزيف بولشينسكي وجيمس سولي Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski et James Sully أن هوكينغ كان على حق. لقد عملوا على نظرية تعرف باسم جدار الحماية AMPS pare-feu ، أو فرضية جدار حماية الثقب الأسود. وفقًا لحساباتهم، يمكن لميكانيكا الكموم أن تحول أفق الحدث إلى جدار ضخم من النار وأي شيء يلامسه سيحترق في لحظة. بهذا المعنى، لا تقود الثقوب السوداء إلى أي مكان، لأنه لا شيء يمكنه ولوجها. وقد يكون الكون الفركتلي الصغير موجودًا في الثقوب السوداء المشحونة افتراضيًا، سنتناول ذلك بالتفصيل لاحقاً.

إلا أن هذا، مع ذلك، ينتهك نظرية النسبية العامة لأينشتاين. يجب ألا يشعر الشخص الذي يعبر أفق الحدث بأي تأثيرات معينة، لأنه سيكون في حالة سقوط حر، ووفقًا لمبدأ التكافؤ، لن يشعر هذا الشخص بالتأثيرات القصوى للجاذبية. وحتى لو لم تنتهك النسبية العامة، فإن هذه الفرضية تتعارض مع نظرية المجال الكمومي la théorie quantique des champs. لقد ذهب هوكينغ إلى حد القول إن الثقوب السوداء قد لا تكون موجودة أصلاً. وكتب بهذا الصدد: "يجب إعادة تعريف الثقوب السوداء على أنها حالات مرتبطة ثابتة في مجال الجاذبية". لن يكون هناك تفرد أو فرادة، وبينما يتحرك الحقل الظاهر إلى الداخل بسبب الجاذبية، فإنه لن يصل أبدًا إلى المركز، وبالتالي لا يشكل أبدًا فرادة.

بعض الثقوب السوداء فائقة الكتلة هي في الواقع ثقوب دودية:

يفترض علماء الفلك الفلكيون الروس أن بعض الثقوب السوداء الفائقة الكتلة هي في الواقع ثقوب دودية، وهي أجسام افتراضية تعمل كجسر بين نقطتين في الكون. إذا كانت هذه الاختصارات الكونية عبر المكان والزمان موجودة، فيمكنها يومًا ما أن تسمح بالسفر بين النجوم والسفر عبر الزمن، حسبما أفاد موقع Vice في 6 أكتوبر. يمكن أن تؤكد الدراسة التي نشرها علماء الفلك الفلكيون في مرصد بولكوفو de l’ob­ser­va­toire de Poul­kovo في سانت بطرسبرغ التنبؤات التي قدمها أينشتاين في 1935 في الإطار العريض لنظريته عن النسبية العامة - في السنوات الأخيرة، المزيد والمزيد من الاكتشافات الفلكية تؤكد تجريبيًا ما كان يتخيله في بداية القرن العشرين بما في ذلك وجود الثقوب السوداء.

يشير علماء الفيزياء الفلكية الروس إلى أن سفينة فضائية ربما يكون بوسعها أن تمر عبر أحد هذه الثقوب الدودية يمكن أن تنقل المسافرين عبر الزمن. وأوضحوا أن "إحدى النتائج الرائعة لوجود هذا النوع من الثقوب الدودية هي أنها في الواقع آلات طبيعية للسفر عبر الزمن" ، كما شرح ميخائيل بيوترويفيتش Mikhail Piotro­vich ، المؤلف المشارك في الدراسة.

يتابع الباحث: "الثقوب الدودية التي نتحدث عنها هي ثقوب دودية يمكن عبورها، وهذا يعني أنه من الناحية النظرية، يمكن للسفن الفضائية السفر الإبحار عبرها". "لكن بالطبع، عليك أن تفهم أننا لا نعرف سوى القليل جدًا عن البنية الداخلية للثقوب الدودية، ولا نعرف حتى على وجه اليقين ما إذا كانت موجودة. "

حتى لو كانت موجودة، فإن الثقوب السوداء الخارقة التي يتحدث عنها الباحثون هي تلك الموجودة في المجرات النشطة، مع نواة تنبعث منها أشعة نشطة قوية.. إن الثقوب السوداء العملاقة في مركز هذه المجرات هي في الواقع "أفواه" الثقوب الدودية التي يمكن عبورها. لكن أقربها يبعد ملايين السنين الضوئية من مجرة ​​درب التبانة، والتي يُقال إن ثقبها الأسود الهائل هو مجرد ثقب أسود. محبط أم مطمئن؟

تم الكشف عن فرضية (عمرها 50 عامًا بالفعل) تتنبأ بوجود أجسام تسمى GEODEs (الكائنات العامة للطاقة المظلمة) من خلال تصحيح مقترح للنظريات التي نستخدمها لنمذجة كيف كيف يتوسع الون المرئي.

إذا كانت هذه النسخة الجديدة من النموذج الكوسمولوجي الكلاسيكي صحيحة، فهذا يعني أن بعض الثقوب السوداء قد تحتوي بشكل جيد على نوى من الطاقة المظلمة النقية، مما يتسبب في توسع الكون واستدامته.

تعاون عالم الفيزياء الفلكية في جامعة هاواي كيفن كروكر وعالم الرياضيات جويل وينر لإبراز أن كمية البيانات، بالنسبة إلى حجم ونمو الكون المرئي بشكل عام، ضعيفة جدا. وبالتالي، في نفس الوقت، يحتمل أن تكون غير ذات صلة.

قال كروكر: "لمدة 80 عامًا، كنا نميل بشكل عام إلى الاعتقاد بأن الكون لم يتأثر بعناصر معينة في منطقة صغيرة". "ولكن من الواضح الآن أن النسبية العامة يمكن أن تربط بشكل ملحوظ النجوم المنهارة (مناطق بحجم هونولولو) بسلوك الكون ككل، والذي يزيد حجمه عن مليار مرة.".

كائنات مثل Powehi ، وهو جسم مدمج فائق الكتلة تم تصويره مؤخرًا في مركز المجرة M87 ، يمكن أن يكون في الواقع GEODEs. تم تصوير GEODE Powehi، الموضح هنا بالتفصيل (الصندوق الأخضر) ، بواسطة تلسكوب Event Horizon. المنطقة التي تحتوي على الطاقة المظلمة مصورة هنا باللون الأخضر (في المربع). تعتمد خصائص أي قشرة (أرجوانية)، إن وجدت، على نموذج GEODE. الائتمان: EHT / NASA / CXC / جامعة فيلانوفا

قد لا يؤدي هذا التفسير البديل للفيزياء الأساسية فقط إلى تغيير فهمنا لتوسع الكون، ولكن قد نحتاج أيضًا إلى إعادة التفكير في كيفية تأثير هذا التوسع على الأشياء المحيطة في الكون، مثل نوى النجوم المنهارة.

حقيقة أن الفضاء كان يتوسع باطراد لمدة 13.8 مليار سنة هي الآن سمة مقبولة على نطاق واسع للكون. مجموعة المعادلات التي نستخدمها لوصف هذا التوسع وضعها الفيزيائي الروسي ألكسندر فريدمان على الورق منذ أكثر من قرن بقليل. قدمت هذه المعادلات حلاً لنظرية النسبية العامة لأينشتاين، والتي تدعم الآن نموذجنا العالمي المعياري لعلم الكونيات.

ومع ذلك، على الرغم من أن معادلات فريدمان كانت مفيدة للغاية، إلا أنها تستند إلى افتراض أن كل المادة في الفضاء المتسع لها تركيبة مماثلة، وبالتالي تتوسع بشكل منصف عبر lلكون. هذا يعني أننا نميل إلى تجاهل مدارات النجوم والمجرات، تمامًا كما قد لا ندرج البط في الديناميكا المائية للبحيرة، على سبيل المثال.

ومع ذلك، يتساءل كروكر ووينر عما يمكن أن يحدث للمساحة والأشياء الموجودة داخلها إذا قمنا بإجراء بعض التغييرات المعقولة على البيانات التي تغذي هذه الافتراضات. والعواقب ليست تافهة! في الواقع، وفقًا لنموذجهم المناسب، يمكن أن تؤثر مساهمات البط (المجازية) بشكل جيد على مياه البحيرة بعد كل شيء ... علاوة على ذلك، فإن توسع البحيرة قد يتسبب في فقدهم أو اكتسابهم الطاقة اعتمادًا على نوعهم.

من الناحية النظرية، قد يتضمن هذا التفسير مراعاة نمو الكون عند وصف ظواهر معينة، مثل موت نجم على سبيل المثال.

في عام 1966، تساءل الفيزيائي الروسي، إيراست جلينر، كيف ستبدو بعض الكثافات في الفضاء (بالقرب من الانفجار العظيم ومن ناحية النسبية)، مثل الفراغ الذي يمكنه مواجهة تأثيرات الجاذبية.. بدا حله وكأنه ثقب أسود عند النظر إليه من الخارج. باستثناء الداخل، كانت فقاعة الطاقة تنتشر ضد الكون المحيط.

بعد نصف قرن، شرع علماء الفيزياء الفلكية أخيرًا في البحث عن قوة الدفع هذه. اليوم نسمي هذه الطاقة غير الموصوفة "الطاقة المظلمة" أو "الطاقة المظلمة"، لكن هل يمكن أن يكون جيب غلينر النسبي من العدم هو مصدر التوسع المتسارع لكوننا؟

وفقًا لعمل كروكر ووينر ، إذا كان هناك عدد قليل من النجوم القديمة تم انهيارها لتوليد GEODEs (بدلاً من الافتراضات الأكثر نموذجية والمقبولة اليوم) ، فإن متوسط ​​تأثيرها على توسيع الفضاء سيبدو مثل الطاقة المظلمة.

لكن العلماء ذهبوا إلى أبعد من ذلك، حيث طبقوا نموذجهم المصحح على أول اكتشاف ورصد لموجات الجاذبية (نتيجة تصادم الثقوب السوداء) التي تم قياسها بواسطة LIGO. من أجل تطابق الحسابات، افترض الباحثون أن النجوم التي شكلت الثقوب السوداء المنصهرة شكلت نفسها في بيئة منخفضة المعادن، مما يجعلها نادرة.

من الناحية التكنيكية الفنية، يجب أن تتطور طاقة GEODE بالتوازي مع نمو الكون، وضغط نفسه بكفاءة باعتباره المكافئ الكوني لـ "الانزياح الأزرق" (وهو التأثير المعاكس للانزياح الأحمر، يحدث عندما تصبح المسافة بين مصدر الضوء والمراقب أصغر وأصغر).

"نتوقع العديد من النتائج الأخرى لمراقبة سيناريو في GEODEs ، بما في ذلك طرق عديدة لاستبعاده! لقد بدأنا بالكاد في خدش السطح ".

في وقت سابق في فبراير – شباط سنة 2016 ، حقق علماء الفلك اكتشافًا تاريخيًا: بعد ما يقرب من 100 عام من تنبؤات ألبرت أينشتاين ، نجح الباحثون في اكتشاف موجات الجاذبية. تم الكشف عن هذه التذبذبات في انحناء الزمكان من خلال إشعاعها المنبعث من اندماج ثقبين أسودين.

كان ذلك، بطريقة ما، تأكيدًا لنظرية النسبية العامة لأينشتاين، لكن اكتشافًا غير متوقع اقترح للتو حقيقة أن نظريته تفشل في تفسير أفق الحدث للثقوب السوداء. في الواقع، منذ فبراير، تمكن مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) من تحليل ما مجموعه ثلاث ظواهر لموجات الجاذبية.

لكن الآن بعد أن تمكن الباحثون من تحليل البيانات بدقة، زعموا أنهم وجدوا آثارًا لصدى في موجات الجاذبية التي تتحدى توقعات أينشتاين.

تم نشر هذه المطالبات الجديدة على ArXiv.org ، حيث يمكن النظر فيها من قبل بقية المجتمع العلمي وكذلك الجمهور ، قبل إخضاعها لمراجعات الأقران. تظهر الحسابات الأولية أن هامش الخطأ هو 5 سيغما، مما يعني في عالم الفيزياء أن هناك فرصة واحدة من كل 3.5 مليون تكون النتيجة بسبب الصدفة.

إذا أظهر بحث جديد أن هذه الأصداء موجودة بالفعل، فسيكون هذا اكتشافًا ذا أهمية كبيرة للفيزياء. قال ستيف جيدينجز، الباحث في الثقوب السوداء بجامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا، والذي لم يشارك في الدراسة: "إن اكتشافات مرصد ليغو تمثل فرصة مثيرة للتحقيق في نظام فيزيائي جديد".

من ناحية أخرى، إذا اختفت الأصداء، فإن نظرية النسبية العامة كانت ستجتاز اختبارًا إضافيًا. في الواقع، حاول الفيزيائيون في جميع أنحاء العالم منذ عقود خلق ثغرات في نظرية أينشتاين، في محاولة لإيجاد طرق قد لا تكون متوافقة مع النتائج الحالية، ولكن حتى الآن لطالما ازدهرت النسخة الأصلية لأينشتاين.

مما تتكون هذه الأصداء وما علاقتها بالنسبية العامة؟ يجب أن نشير إلى مفارقة المعلومات. مفارقة المعلومات هي مفارقة أبرزها ستيفن هوكينغ في عام 1976، حيث عارض قوانين ميكانيكا الكموم لقوانين النسبية العامة. في الواقع، تشير النسبية العامة إلى أن المعلومات يمكن أن تختفي بشكل أساسي في الثقب الأسود. يشير فقدان المعلومات هذا إلى عدم قابلية الانعكاس (يمكن أن تأتي الحالة نفسها من عدة حالات مختلفة) وتطور غير موحد للحالات الكمومية، وهو بالتالي في تناقض جوهري مع افتراضات ميكانيكا الكموم.

وفقًا للنظرية النسبية العامة لأينشتاين، يجب أن يختفي كل شيء يعبر أفق حدث الثقب الأسود دون ترك أي أثر. حتى الضوء لا يمكن أن يفلت منه. لكن في الآونة الأخيرة، طعن الباحثون في هذه الفكرة لأنه وفقًا لميكانيكا الكموم، فإن المادة التي تم التقاطها بواسطة الثقب الأسود ستظل تترك آثارًا لنفسها خارجها. إذن كيف يمكن لأفق الحدث أن يرضي كلاً من النسبية العامة (وبالتالي فإن كل ما يعبر هذه الحدود سيتم تدميره تمامًا) وميكانيكا الكموم (حيث ستبقى الآثار)؟ هذه واحدة من أكبر المشاكل في الفيزياء، ولا أحد لديه إجابة حتى الآن.

أحد التفسيرات المقترحة في عام 2012 هو فرضية جدار النار. يشير الأخير إلى وجود حلقة من الجسيمات عالية الطاقة حول أفق حدث الثقب الأسود، وبالتالي تمتلك كثافة طاقة عالية، والتي تحرق حرفياً أي مادة تمر عبرها. لكن الفيزيائي ستيفن هوكينغ يعتقد أن الأمر مختلف: يقال إن الثقوب السوداء محاطة بـ "شعر" ناعم. هذه "الشعيرات" عبارة عن إثارة كمومية منخفضة الطاقة، والتي تخزن نمطًا مميزًا لكل ما تم امتصاصه في الثقب الأسود.

أيًا كانت الفرضية التي تصدمك أكثر من غيرها، فإن الرسالة هي نفسها: فبدلاً من امتلاك أفق الحدث الخاص بها (الذي تنبأ به النسبية العامة)، قد تكون الثقوب السوداء ومحيطها أكثر ازدحامًا منا. كانت المشكلة، أنه لم يكن لدينا طريقة لاختبار هذه الفرضيات، حتى اكتشف LIGO موجات الجاذبية هذه في وقت سابق من عام 2015.

الآن، مع توفر أحدث البيانات، توصل فريق من الباحثين الدوليين إلى طريقة لقياس ما يحدث حول الثقوب السوداء: إذا كانت حافة الثقوب السوداء تتحدى النسبية العامة، فيجب أن تكون سلسلة من الأصداء. المنبعثة أثناء انتشار موجات الجاذبية الأولى. يتنبأ الفريق بأن الضبابية حول الثقب الأسود ستعمل كغرفة مليئة بالمرايا، محاصرة بعض موجات الجاذبية التي تفلت من اندماج الثقوب السوداء وترتدها مرة أخرى (بحيث لا يتمكن سوى عدد قليل من الهروب منها. في كل مرة)، مما يعني أنهم سيصطدمون بـ LIGO بعد ذلك بقليل.

وفقًا لحسابات الفريق، كان من الممكن أن يكتشف LIGO هذه الأصداء عند 0.1 و 0.2 و 0.3 ثانية بعد اكتشاف موجة الجاذبية الأولية وهذا بالضبط ما تظهره البيانات. الشيء نفسه ينطبق على الأحداث الثلاثة التي لاحظها LIGO. بالطبع، ثلاثة أحداث موجات ثقالية لا تمثل عينة كبيرة: هناك احتمال أن تكون هذه الأصداء مجرد نوع واحد من ضوضاء الخلفية الإشعاعية الميكروية، فرصة واحدة من كل 270 (2.9 سيغما) لتكون دقيقة، ولكن يجب أن تساعد الملاحظات الإضافية في تقليل هذه الفرص. قال نيايش أفشوردي: "الشيء الإيجابي هو أنه سيكون لدينا بيانات جديدة من LIGO استنادًا إلى الحساسية المحسنة ويجب أن نكون قادرين على تأكيد ذلك أو استبعاده خلال العامين المقبلين". ، جامعة واترلو (كندا).

حتى لو تأكدت الأصداء، ما زلنا لا نعرف كيف ولماذا تظهر. إنهم لا يعطون أي معلومات عن نوع الحدود التي قد تكون للثقوب السوداء. لذلك لا يزال هناك الكثير لاكتشافه من أجل فهم مفارقة المعلومات بشكل كامل. في كلتا الحالتين، يظل اختبار فرضيات كهذه، المقبولة على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم، جزءًا أساسيًا من الفيزياء. سوف نتعلم المزيد عندما يتم إجراء المزيد من الأبحاث حول هذا الموضوع.

.......................

المصادر: arXiv.org، Physics.org، Nature

التفردات والثقب الدودي والسفر

رسم بياني يظهر تذبذبات جوزيفسون في نظام التوصيل الفائق. نفس التذبذبات ستؤثر على الزمكان في الثقوب السوداء المشحونة. ائتمانات: Sean A. Hartnoll et al. 2020

العالم لفيزيائي Wolfgang Pauli، أحد الرواد لأوائل لفيزياء ميكانيكا الكم ، من أهم ما قدمه هو مبدأ باولي للاستبعاد، ذلك عام 1925، بعد أن استغرق في إعداده حوالي 15 عام تقريبًا.

ينص هذا المبدأ على “أنه لا يمكن لاثنين من الفيرميونات مثل الإكترونات، أن يحتلا نفس الحالة الكمومية في نفس الوقت، في عام 1945 استلم باولي جائزة نوبل في الفيزياء

الثقوب السوداء هي أشياء رائعة. على سبيل المثال، تحدث أحداث تدمير المد والجزر عندما يقترب نجم من الثقب الأسود لدرجة أنه يتعرض لقوى المد والجاذبية. هذه تؤدي إلى تدمير تدريجي للنجم، والذي ينبعث منه بعد ذلك إشعاع كهرومغناطيسي يمكن اكتشافه. ائتمانات: NASA / CXC / M. وايس

المصادر: المجلة الفلكية ، PhysOrg

أصداء موجات الجاذبية يمكن أن "تبطل" نظرية النسبية العامة لأينشتاين!

- انطباع الفنان عن نجم كوازار يحيط بثقب أسود هائل. على الرغم من أنه لا يمكن لأي شيء "يسقط" في الثقب الأسود الهروب، فإن جاذبيته الشديدة تولد تكوين قرص تراكم من جسيمات الضوء والغازات التي تحيط به. الائتمان: يوشيكي ماتسوكا

ترجمة وإعداد د. جواد بشارة

الثقوب السوداء والثقوب الدودية وفرضية السفر عبر الزمن

درس المؤلفون ثقبًا أسود مشحونًا كهربائيًا محاطًا بنوع معين من الفضاء، يُعرف باسم "الفضاء المضاد دي سيتر". بدون التعمق في الموضوع، هذا النوع من الفضاء له انحناء هندسي سلبي ثابت، مثل سرج الحصان، والذي نعرف أنه ليس وصفًا جيدًا لكوننا. (سيكون للكون المضاد دي سيتر ثابت كوني سلبي، مما يعني أن كل المادة تميل إلى التكثف في ثقب أسود، مقارنة بالتوسع المتسارع الذي نراه في كوننا).

نحو فهم أفضل للظواهر الفيزيائية لكوننا:

حتى لو لم تتناسب مع كوننا المرئي، فقد اتضح أن هذه الثقوب السوداء الغريبة لا تزال تحتوي على بعض الهياكل المعقدة بشكل مدهش والتي تستحق الاستكشاف. أحد الأسباب التي تجعل هذا الاستكشاف مرحبًا به هو أن الثقوب السوداء المشحونة تشترك في العديد من أوجه التشابه مع الثقوب السوداء الدوارة، الموجودة في كوننا المرئي، لكن الثقوب السوداء المشحونة يسهل إدارتها رياضياتياً. لذلك، من خلال دراسة الثقوب السوداء المشحونة، يمكننا الحصول على معلومات حول دوران الثقوب السوداء في العالم الحقيقي. بالإضافة إلى ذلك، وجد علماء الفيزياء أنه عندما تصبح هذه الثقوب السوداء باردة نسبيًا، فإنها تخلق "ضبابًا" من الحقول الكمومية حول أسطحها. يلتصق هذا الضباب بالسطح، مرسومًا إلى الداخل بفعل جاذبية الثقب الأسود نفسه، لكنه يدفع للخارج بفعل التنافر الكهربائي من نفس الثقب الأسود.

يُعرف أيضًا ضباب المجال الكمومي المستقر الذي يعمل على السطح باسم الموصل الفائق. الموصلات الفائقة لها تطبيقات في العالم الحقيقي، لذا فإن رؤية الدور الذي تلعبه الموصلات الفائقة في هذه السيناريوهات الغريبة يساعدنا على فهم هياكلها الرياضياتية، والتي يمكن أن تؤدي إلى معرفة جديدة باستخدام تطبيقات العالم الحقيقي. في دراسة نُشرت على موقع arXiv preprint ، استخدم فريق من الباحثين بالتالي لغة الموصلية الفائقة لاكتشاف ما يكمن تحت سطح هذه الثقوب السوداء الافتراضية.

ثقب دودي مركزي غير سالك:

الثقوب السوداء المشحونة لها هيكل داخلي غريب نوعًا ما. أولاً، ما وراء أفق الحدث هو الأفق الداخلي، وهي منطقة ذات طاقات كمومية مكثفة. أبعد من ذلك، هناك ثقب دودي، جسر إلى ثقب أبيض في قسم آخر من الكون (على الأقل، وفقًا للرياضيات).

لا نعرف حقًا ما إذا كانت مثل هذه الثقوب الدودية موجودة بالفعل، لأن رياضيات الثقوب السوداء المشحونة تضعف في الأفق الداخلي، ولا يمكن تعلم أي شيء آخر حتى نطور فيزياء جديدة. لحسن الحظ، تتجنب الثقوب السوداء المشحونة والمحاطة بفضاء مضاد دي سيتر، هذه المشكلة، والذي سنسميه الآن الثقوب السوداء فائقة التوصيل.

الخبر السار هو أن الأفق الداخلي للثقب الأسود فائق التوصيل ينهار، مما يسمح بالمرور خلاله بسلاسة دون أن تكون "سباغيتي" كما هو الحال في الثقب الأسود العادي. الأخبار السيئة هي أن الثقب الدودي الموجود داخل الثقب الأسود فائق التوصيل يتمزق أيضًا، لذا لا يمكنك استخدامه للسفر.

زمكان فوضوي وكون فركتلي univers fractal:

لكن هذا لا يعني أنه لا يوجد شيء مثير للاهتمام يحدث داخل الأفق الداخلي، يتألق الجزء الداخلي من الثقب الأسود فائق التوصيل قليلاً. عادة، يمكن للجسيمات الموجودة في الموصل الفائق الفعلي أن تتأرجح، مما يدعم الموجات التي تتأرجح في تأثير يُعرف باسم اهتزازات جوزيفسون. وفي أعماق هذه الثقوب السوداء، يهتز الفضاء ذهابًا وإيابًا. إذا وقع فيه المرء جسديًا، فسيخضع لامتداد فوضى شديدة.

رسم بياني يظهر تذبذبات جوزيفسون في نظام التوصيل الفائق. نفس التذبذبات ستؤثر على الزمكان في الثقوب السوداء المشحونة. ائتمانات: Sean A. Hartnoll et al. 2020

graphique oscillations Josephson supraconducteur

ولكن بمجرد أن تتخطى اهتزاز الزمكان، فإن ما يأتي بعد ذلك سيكون مفاجئًا حقًا. وجد الباحثون أن المناطق الأعمق من الثقب الأسود فائق التوصيل يمكن أن تتميز بكون مصغر متوسع، وهو مكان يمكن أن يمتد فيه الفضاء ويلتوي بسرعات مختلفة في اتجاهات مختلفة.

بالإضافة إلى ذلك، اعتمادًا على درجة حرارة الثقب الأسود، يمكن لبعض مناطق الفضاء هذه إطلاق دورة جديدة من الاهتزازات، والتي تخلق بعد ذلك مساحة جديدة متوسعة من الفضاء، وما إلى ذلك، على نطاقات أصغر باستمرار.

سيكون كونًا فركتليًا صغيرًا، يعيد نفسه إلى ما لا نهاية، من المقاييس الأكبر إلى الأصغر. من المستحيل وصف ما سيكون عليه السير في مثل هذا المشهد الطبيعي، لكنه بالتأكيد سيكون غريبًا جدًا. في قلب هذه الفركتلة الغامضة والفوضى العشوائية أو الفوضوية يكمن التفرد أو الفرادة singularité: نقطة الكثافة اللانهائية، المكان الذي توجد فيه كل قطعة من المادة سقطت في الثقب الأسود.

في العام الماضي، كشف تعاون تلسكوب أفق الحدث Event Horizon Telescope (EHT) عن أول تصور فلكي لثقب أسود فائق الكتلة: M87 *. دفعت هذه الصورة المذهلة بعض علماء الفيزياء الفلكية إلى دراسة الرؤية بمزيد من التفصيل ومقارنتها بالأجسام الكونية النظرية الأخرى. هذا هو الحال بشكل خاص مع النجوم البوزونية، أي الأجسام المدمجة المكونة من البوزونات ولها خصائص فيزيائية معينة. من خلال محاكاة ديناميكيات نجوم البوزون، أظهر فريق من الباحثين أنها تشبه الثقوب السوداء من نواح كثيرة. تشير هذه النتائج الجديدة إلى أنه إذا تم تأكيد وجود هذه الأجسام الكونية، فإن نجوم البوزون يمكن أن تسكن الكون تمامًا مثل الثقوب السوداء.

طرح فريق بقيادة عالم الفيزياء الفلكية هيكتور أوليفاريس من جامعة رادبود في هولندا وجامعة غوته في ألمانيا السؤال التالي: كيف نعرف أن M87 * عبارة عن ثقب أسود؟ يقول أوليفاريس: "بينما تتوافق الصورة مع توقعاتنا لما سيبدو عليه الثقب الأسود، من المهم التأكد من أن ما نراه هو حقًا ما نفكر فيه".

"مثل الثقوب السوداء، تنبأت النسبية العامة بالنجوم البوزونية، وهي قادرة على النمو إلى ملايين الكتل الشمسية وتحقيق ضغط عالٍ جدًا. حقيقة أنها تشترك في هذه الخصائص مع الثقوب السوداء فائقة الكتلة دفعت بعض العلماء إلى اقتراح أن بعض الأجسام المدمجة فائقة الكتلة الموجودة في مركز المجرات قد تكون في الواقع نجوم بوزونية  d’étoiles à bosons.

النجوم البوزونية: أجسام مضغوطة ذات خصائص خاصة:

في مقال نُشر في مجلة MNRAS، قام أوليفاريس Olivares  وفريقه بحساب الشكل الذي قد يبدو عليه نجم بوزون لأحد تلسكوباتنا وكيف سيختلف عن الصورة المباشرة لثقب أسود متزايد. النجوم البوزونية هي من أغرب الأشياء النظرية. لا تبدو مثل النجوم التقليدية ظاهرة لعيان سهولة ولكن حيث تتكون النجوم في الغالب من جسيمات تسمى الفرميونات - الإلكترونات والكواركات وما إلى ذلك. -، ستتكون نجوم البوزونات بالكامل من ... البوزونات. تخضع الفرميونات لمبدأ استبعاد باولي *، مما يعني أنه لا يمكنك الحصول على جسيمين متطابقين يشغلان نفس المساحة. ومع ذلك، يمكن تكديس البوزونات؛ عندما يجتمعون، فإنهم يعملون كجسيم واحد كبير أو موجة من المادة. تم إثبات ذلك بشكل تجريبي باستخدام مكثفات بوز-آينشتاين.

في حالة النجوم البوزونية، يمكن أن تتراكم الجسيمات في فضاء يمكن وصفه بقيم مميزة، أو نقاط على مقياس. بالنظر إلى النوع الصحيح من البوزونات في الترتيبات الصحيحة، يمكن أن يشكل هذا "الحقل القياسي" ترتيبًا مستقرًا نسبيًا. على الأقل هذه هي النظرية. لم يتم رصد البوزونات ذات الكتلة اللازمة لتشكيل مثل هذا الهيكل، ناهيك عن كتلة الثقب الأسود الهائل (SMBH).

"من أجل تكوين بنية كبيرة مثل مرشحات SMBH ، يجب أن تكون كتلة البوزون صغيرة للغاية (أقل من 10-17 إلكترون فولت). تظهر بوزونات ذات السبين الدوار 0 وذات كتل متشابهة أو أصغر في العديد من النماذج الكونية ونظريات الأوتار، وقد تم اقتراحها كمادة مظلمة مرشحة تحت أسماء مختلفة (المادة المظلمة للحقل القياسي matière noire de champ scalaire، الآكسيونات الخفيفة للغاية axions ultralégers، المادة المظلمة الضبابية matière noire floue، المادة المظلمة لموجة الكموم matière noire d’onde quantique). قد يكون من الصعب للغاية اكتشاف مثل هذه الجسيمات الافتراضية، لكن مراقبة جسم يشبه نجم بوزون يشير إلى وجودها "، كما يقول أوليفاريس.

مظهر هيكلي مشابه لمظهر الثقوب السوداء:

لا تدمج النجوم البوزونية النوى ولا تصدر أي إشعاع. على عكس الثقوب السوداء، يقال إنها شفافة - ليس لديها سطح ماص يوقف الفوتونات أو أفق الحدث. يمكن للفوتونات الهروب من نجوم البوزونات، على الرغم من أن مسارها قد ينحرف قليلاً عن طريق الجاذبية.

accretion magnitude trou noir etoile bosons

رسم بياني يقارن معدل التراكم (أ) والقدر المطلق (ب) لثقب أسود دوار (أحمر) ، النوع أ (أسود) ونوع ب (أزرق) نجم بوزون. ائتمانات: هيكتور أوليفاريس وآخرون. 2020

لكن يمكن أن تُحاط بعض نجوم البوزونات بحلقة دوارة من البلازما - تشبه إلى حد كبير قرص التراكم الذي يحيط بالثقب الأسود. أجرى أوليفاريس وفريقه محاكاة لديناميكيات حلقات البلازما هذه، وقارنوها بما قد نتوقع رؤيته من ثقب أسود. "تكوين البلازما الذي نستخدمه لا يتم اختياره عشوائيًا، ولكنه ينتج من محاكاة ديناميكيات البلازما. هذا يسمح للبلازما بالتطور بمرور الوقت وتشكيل هياكل كما لو كانت في الطبيعة، كما "يقول أوليفاريس.

وبهذه الطريقة، يمكننا ربط حجم المنطقة المظلمة في صور نجم البوزون (الذي يحاكي ظل الثقب الأسود) بنصف القطر حيث يتوقف عدم استقرار البلازما عن العمل. بدوره، هذا يعني أن حجم المنطقة المظلمة ليس عشوائيًا - فهو يعتمد على خصائص الزمكان لنجم البوزون - ويسمح لنا أيضًا بالتنبؤ بحجمه بالنسبة لنجوم البوزونات الأخرى. لم نقم بمحاكاته ".

apparence trou noir etoile bosons

المظهر المحاكي لثقب أسود ثابت (أ) وثقب أسود دوار (ب) ونجم بوزون (ج). الاعتمادات:

هيكتور أوليفاريس وآخرون. 2020 سوف يتم بتأكيد أو إنكار وجود نجوم بوزونات باستخدام EHT

وجد الباحثون أن ظل نجم البوزون سيكون أصغر بكثير من ظل ثقب أسود له كتلة مماثلة. وبالتالي، يمكن استبعاد M87 * كنجم بوزون ؛ على الأقل حسب نموذج الفريق. "تتوافق كتلة M87 * المستخلصة من الديناميكيات النجمية مع التوقعات المتعلقة بحجم ظلها لحالة الثقب الأسود، وبالتالي فإن المنطقة المظلمة كبيرة جدًا بحيث لا تتوافق مع نجم بوزوني غير دوار مشابه لذلك الذي درسناه ".

لكن الفريق أخذ في الاعتبار أيضًا القدرات التقنية وقيود تلسكوب أفق الحدث، الذي قدم هذه الصورة الأولى لثقب أسود. لقد شرعوا عن عمد في تصور نتائجهم لأنهم اعتقدوا أن نجوم البوزون قد تبدو مثل تلك الموجودة على تلسكوب أفق الحدث EHT. هذا يعني أنه يمكن مقارنة نتائجهم بملاحظات EHT المستقبلية، لتحديد ما إذا كان ما نفحصه هو ثقب أسود هائل.

إذا لم يكن الأمر كذلك، بالطبع، فإن هذا لا يعني أن SMBHs غير موجودة، ولكنه سيدعم وجود النجوم البوزونية. وهذا يعني أن الحقول العددية الكونية موجودة وتلعب دورًا مهمًا في تكوين الهياكل في الكون. لا يزال نمو الثقوب السوداء فائقة الكتلة غير مفهوم جيدًا، وإذا اتضح أن بعضًا على الأقل من النجوم المرشحة هم في الواقع نجوم بوزونية، فسنحتاج إلى التفكير في آليات مختلفة لتشكيل الحقول العددية champs scalaires.

تأكيد إشعاع هاوكينغ: الثقوب السوداء ليست سوداء تمامًا!:

rayonnement hawking trou noir pas si noir

الثقوب السوداء، بحكم التعريف، هي أجرام سماوية مضغوطة للغاية بحيث تمنع قوة مجالات الجاذبية الخاصة بها أي شكل من أشكال المادة أو الإشعاع من الهروب منها. وبالتالي لا يمكنها إصدار أو عكس الضوء منه وعنها، وبالتالي فهي سوداء (غير مرئية). هذا هو أبسط تفسير للثقب الأسود. ولكن بمجرد إضافة الديناميكا الحرارية la thermodynamique والآليات الكمومية les mécanismes quantiques إلى هذا المزيج، تصبح الأمور أكثر تعقيدًا.

مع وضع كل هذه الأمور في الاعتبار، افترض الفيزيائي ستيفن هوكينغ (في عام 1974) أن الثقوب السوداء ليست سوداء في الواقع (على الأقل، ليس تمامًا): بدلاً من ذلك، فإنها تصدر إشعاعات، تفقدها الطاقة وتتراجع بمرور الوقت. ومع ذلك، فإن كمية الإشعاع صغيرة جدًا بحيث لا يمكن ملاحظتها، فكيف تختبر هذه الفكرة؟ كان البروفيسور جيف ستينهاور Jeff Steinhauer من معهد إسرائيل للتكنولوجيا هو من وجد طريقة لاختبار ذلك! في تقرير نُشر في مجلة Nature Physics، كشف عن دليل على أن إشعاع هوكينغ حقيقي.

في البداية، كان يتوجب عمل ثقب أسود في المختبر، وهو أول إنجاز بحد ذاته لأنه في المجرات، تمتلك هذه الأجسام كتل تصل إلى مليارات المرات من كتلة الشمس، وتجذب كل ما يمر بقربها أو في متناول أيديها وقبل كل شيء، تمنع المادة وحتى الضوء من الخروج منها. لحسن الحظ، ثقب التكنيون الأسود (المعهد الإسرائيلي للتكنولوجيا، حيفا Technion) هو مجرد نظير لهذه العمالقة الكونية. في الواقع، بدلاً من التقاط الضوء أو المادة، فإنها تحبس الصوت (لكن من الواضح أنها ليست غرفة عازلة للصوت بسيطة).

إنه فخ حقيقي له تردد معين أكبر بكثير من طاقة جسيمات "الصوت" (الفونونات les phonons)، والتي لا يمكنها التحرك إلا بسرعة الصوت. في أسطوانة يبلغ طولها 100 ميكرومتر، تم تبريد حوالي مليون ذرة روبيديوم من خلال الليزر، مما جعلها تقترب من الصفر المطلق (أو حوالي -273 درجة مئوية) لصنع نوع من التركيبة تشبه الدبس mélasse تسمى مكثف بوز-آينشتاين. Condensat de Bose-Einstein. الذرات تتصرف بطريقة موحدة. ثم "قسم" الموضوع إلى منطقتين. في إحداها، تمتلك الموجات الصوتية الفرصة للانتشار بشكل طبيعي في كلا الاتجاهين. من ناحية أخرى، يقول جيف ستينهاور Jeff Steinhauer ، "إنها مثل سباح يحاول سحب تيار أقوى منه". لذلك، لا يمكن للصوت الهروب، كما هو الحال في الثقب الأسود.

قد يبدو هذا الرنين بسيطًا بعض الشيء، لكنه مع ذلك نموذج ملموس ودقيق، يشير إلى شيء حقيقي للغاية. من أجل زيادة سرعة التيار بقوة على جانب واحد، يرسل الباحث طلقة ليزر في منتصف القناة، كما لو كانت تصنع شلالًا، مما يؤدي إلى تسارع السائل: تيار النهر ثم يصبح قويًا جدًا بالنسبة لـ "الأسماك" الصوتية التي ترغب في الصعود أو الخروج. النتيجة: الثقب الأسود وحدوده الرهيبة، التي تسمى أفق الحدث، وكلاهما موجود.

تم تأكيد إشعاع هوكينغ Le rayonnement de Hawking confirmé

كانت فكرة هوكينغ "ضرورية" لأنه، كما نعلم، النسبية وميكانيكا الكموم لا تعملان معًا بشكل جيد. من ناحية أخرى، فإن استخدام العناصر المختلفة التي تقترحها هاتان النظريتان ضروري لمواصلة البحث عن الثقوب السوداء وبالتالي محاولة فهمها بشكل أفضل. وفي نهاية المطاف، "الغرض من دراسة الثقوب السوداء هو معرفة المزيد عن قوانين الفيزياء الجديدة، وليس فقط الثقوب السوداء نفسها! كما يضيف ستينهاور.

في الواقع، تنبأ ستيفن هوكينغ (بالفعل في عام 1974)، بأن الإشعاع يجب أن يهرب من أفق الأحداث، وهو "هروب" حقيقي شرحه على هذا النحو: الفراغ الكوني ليس فارغًا حقًا، باستمرار، بسبب ميكانيكا الكموم، تظهر أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة، وتفنى، وتظهر، وتفنى، إلخ. إذا سقط أحد أعضاء الزوج (من الجسيمات والجسيمات المضادة) في الثقب الأسود، تاركًا الآخر حراً، فإن الجسيمات المنبعثة تشكل ما يسمى بإشعاع هوكينغ. المشكلة هي أن هذا الإشعاع ضعيف جدًا وبالتالي سيكون من الصعب جدًا مراقبته.

ما لاحظه جيف ستينهاور لمدة ستة أيام متتالية بفضل ثقبه الأسود الصغير هو أن بعض الموجات الصوتية تنبعث في وقت واحد وفي أزواج، على جانبي الأفق،"كنت سعيدًا عندما لقد رأيت هذين الاستيقاظين sillages لأنني عملت بجد، بمفردي، لشهور "، يعترف الفيزيائي. "هذه أول تجربة مقنعة لرصد إشعاع هوكينغ! إنه اختراق حقيقي.»، كما يقول إياكوبو كاروسوتو Iacopo Carusotto ، الباحث في المركز القومي الإيطالي للبحوث في ترينتو Trente. "هذا تتويج لمشروع امتد لأكثر من عشرين عامًا وتأكيدًا لتوقعات هوكينغ! يقول رينو بارنتاني Renaud Parentani ، الأستاذ في جامعة أورساي ، مشيرًا إلى مقترحات ويليام أونروه William Unruh (في عام 1981 وخاصة في عام 1995) ، والتي أطلقت السباق على الثقوب السوداء الاصطناعية.

لكن مقال مجلة فيزياء الطبيعة Nature Physics يذهب إلى أبعد من ذلك ويظهر أن هذه الارتباطات بين جانبي "الثقب الأسود" ذات طبيعة كمومية! ويضيف إياكوبو كاروسوتو، تمامًا كما هو الحال في نموذج هوكينغ ، "إنه أكثر استثنائية". يشير أولف ليونهارت Ulf Leonhardt من معهد وايزمان (إسرائيل) ، أحد الرواد في هذا المجال ، إلى أن "تاريخ هذه النظائر يظهر أن الأشياء غالبًا ما تبدو أكثر تعقيدًا مما تبدو عليه في البداية". شيء واحد مؤكد، تاريخ هذا البحث والاكتشاف لم ينته بعد. إنه يفتح الكثير من وجهات النظر، ولا سيما الأمل في فهم أفضل لهذه الأجرام السماوية المعقدة للغاية والتي هي ثقوب سوداء.

إعداد وترجمة: د. جواد بشارة

مفتاح لمرحلة ما قبل الانفجار العظيم وتقصي مكونات الكون المرئي:

الثقوب الدودية، التعبير يجعلك تحلم، ولكن ما هي بالضبط مكانتها في العلم الحالي؟ هل يمكننا حقًا أن نأمل في السفر عبر الزمن والوصول إلى النجوم بفضلهم تمامًا مثل أبطال مسلسل بوابة النجوم Stargate أو Valérian؟ وماهي الخصائص المميزة، للثقب الدودي والسفر عبر الفضاء بين النجوم والمجرات واختراق الزمكان. زمكان مينكوفسكي، وجسر أينشتاين-روزن والثقوب الدودية وثقب ويلر-ميسنر الدودي، التفردات أو الفرادات في النسبية العامة واسطوانة Tipler، إشعاع هوكينغ، علوم ميكانيكا الكموم وتقلبات الفراغ، والسفر عبر الزمن، المصادم LHC في عام 2012: الثقوب السوداء والثقوب الدودية في المختبر؟ النسبية العامة لأينشتاين والكون حسب غوديل.

trou noir ver blanc voyage interstellaire matière exotique

يستفيد الخيال العلمي بشكل كبير من السفر عبر الزمن بالإضافة إلى مفهوم الثقوب الدودية، وهي اختصارات في الزمكان تتجاوز السرعة القصوى للسفر بين النجوم التي تفرضها قوانين النسبية الخاصة.

هل هذا شيء مستحيل، هل محكوم علينا أن نرى آلات الزمن فقط أو "بوابات النجوم" في السينما؟ وكتب الخيال العلمي؟ الهدف من هذا الملف هو فحص ما هو موثوق وما هو غير موثوق من أحدث بيانات الفيزياء النظرية الحديثة. ستكون نظرية النسبية، خاصة تلك التي تتناول الجاذبية (أي النسبية العامة لأينشتاين) ، دليلنا خلال رحلتنا إلى طبيعة المكان والزمان.

Peut-on voyager dans le temps grâce aux trous noirs ? © DR

هل يمكننا السفر عبر الزمن بفضل الثقوب السوداء؟

سنحاول أولاً معرفة ما إذا كان السفر عبر الزمن أو الفضاء من ثقب أسود أمرًا واقعيًا. حتى وقت قريب، كانت هذه هي الطريقة التي سمح بها الخيال العلمي لشخصياته بالتحرر من حدود الزمكان l'espace-temps. من أجل ذلك سيتعين علينا استكشاف جزء من النسبية التي تتعامل مع التفردات أو الفرادات des singularités. سيتبين أيضًا أن فكرة السفر عبر الزمن باستخدام التأثيرات التي تنبأت بها النسبية العامة قديمة، على الرغم من أنه لم يكن هناك، حتى منتصف الثمانينيات أية مناقشات جادة حقًا حول كيفية الذهاب في السفر باستخدام التشوهات في بنية المكان والزمان.

زمكان مينكوفسكي L'espace-temps de Minkowski:

هناك علاقات عميقة بين مفاهيم النسبية الخاصة ومفاهيم نظرية ماكسويل لورينتز الكهرومغناطيسية. تاريخيا، كان أحدهما هو أصل الآخر. نحدد المجال الكهربائي على أنه بيانات شدة هذا المجال في أي نقطة في الفضاء. لماذا؟

دعونا نعطي أنفسنا كرة صغيرة محملة في نهاية زنبرك عند نقطة في الفضاء. إذا امتد الزنبرك (أو ضغط) سيقال إن هناك قوة كهربائية موجودة. بالامتداد، إذا تمكنا من تخيل سلسلة من الأجهزة من نفس النوع في كل مكان في الفضاء، سيكون لدينا عدد لا حصر له من قيم القوة التي يمكن ممارستها على أحمال الاختبار في نهاية الزنبركات. إذا تغيرت القوى بمرور الوقت، فيمكننا إذن وصف ديناميكيات كل منهم من خلال ديناميكيات مجال القوة la dynamique d'un champ de forces، حيث يكون المجال هو توزيع القوة هذا في أي نقطة في الفضاء. وبالتالي، فإن النظرية الكهرومغناطيسية هي، في بعض النواحي، النظرية الميكانيكية المتخفية كمجموعة غير محدودة ومتواصلة من النقاط الأولية المشحونة التي تمثل حالة المجال الكهرومغناطيسي في أي نقطة في الفضاء.

transition trou noir trou blanc gravité quantique boucles

Le concept d'espace-temps:

مفهوم الزمكان

ما رآه أينشتاين هو أن هذه الميكانيكا المقنعة، المتعلقة بإمكانية انتشار موجة ضوئية، كانت متناقضة مع ميكانيكا نيوتن المعتادة. من أجل حل هذا التناقض، تم دفعه إلى التشكيك في مفاهيم الزمان والمكان في الفيزياء الكلاسيكية. لهذا يجب أن نأخذ في الاعتبار عددًا لا نهائيًا من المراقبين في كل نقطة في الفضاء وأن نمتلك، بدلاً من الجهاز الموصوف سابقًا، مسطرة وساعة وإجراء قياسات للوقت والمكان لكل حدث مادي. كل هذه الأحداث، مثل انفجار أو وصول قطار إلى محطة، حيث يتم تنسيق قيم الزمان والمكان، هو بالضبط ما يسمى الزمكان. بهذه الطريقة، ومن خلال تعديل الصلاحية العالمية لتدفق الزمن والقيم المكانية المنسوبة إلى الأحداث، يمكن للمرء حل التناقضات بين ميكانيكا نيوتن والكهرومغناطيسية لماكسويل. كان هذا على سبيل المثال هو الحال مع ثبات سرعة الضوء لجميع المراقبين، والذي أظهرته تجربة ميكلسون مورلي. هذا الثبات هو مصدر تحولات لورنتز الشهيرة transformations de Lorentz، والتي تنبع مباشرة من المطلب التالي: يجب أن يظل مجال الضوء واحدًا عند الانتقال من إطار مرجعي في حركة مستقيمة منتظمة إلى أخرىréférentiel en mouvement rectiligne uniforme à un autre.

هندسة الزمكان La géométrie de l'espace-temps:

وهكذا قادت النظرية التي تم الحصول عليها من تجربة مينكوفسكي – كلاين، إلى إدخال هندسة جديدة لأحداث العالم، وهي هندسة الزمكان. يمكن اعتبار جميع تأثيرات النسبية الخاصة لأينشتاين مشتقة من هذه الهندسة. في الواقع، تشكل هذه التحولات ما يسمى بالمجموعة un groupe   ونعلم منذ فيليكس كلاين أن مجموعة من التحولات المعطاة يجب أن تتوافق مع هندسة معينة. وفقًا لبرنامج إيرلانغين Erlangen الشهير لكلاين، يمكننا بالتالي دراسة الهندسة بعمق إذا عرفنا مجموعتها الأساسية من التحولات. بالمقابل، إذا علمنا أن المعادلات ثابتة وفقًا لمجموعة معينة، فيمكننا ترجمة محتوى هذه المعادلات هندسيًا بطريقة محددة.

تسمى النظرية العامة التي تربط بين المجموعات والأشكال الهندسية في أواخر القرن التاسع عشر بنظرية الثوابت أو اللامتغيرات théorie des invariants. لذلك كان من الطبيعي أن يستخدم مينكوفسكي مساحته بشكل منهجي لمناقشة عواقب اكتشافات أينشتاين على مجموعة القوانين التي تحكم الظواهر في المكان والزمان. لن نفاجئ القارئ المبتدئ نوعًا ما بالإشارة إلى أن نظرية الثوابت تستخدم بطريقة مركزية مفهوم الموترات de tenseurs، التي تكون نواقلها les vecteurs  حالات خاصة. على الرغم من تقديم مينكوفسكي نفسه لها، إلا أنه لن يقال الكثير عنها هنا.

ولكن من المهم أن نرى بالفعل أنه يمكننا إشراك الموجهات الرباعية quadrivecteurs   في هذه الهندسة رباعية الأبعاد géométrie quadridimensionnelle  والتي هي التعميم الطبيعي للفضاء.

Hermann Minkowski et Félix Klein ont théorisé certaines questions autour du concept d'espace-temps. © DR

وضع هيرمان مينكوفسكي وفيليكس كلاين نظرية لأسئلة معينة حول مفهوم الزمكان.

دياغرام أو مخطط الزمكان Le diagramme d'espace-temps

إحدى الطرق القوية جدًا للقيام بالنسبية هي تقديم مفهوم مخطط الزمكان.

تتعلق بهذا المفاهيم الأساسية الثلاثة التالية:

- 1 °) المقياس La métrique

وهو يحدد قيمة مربع قاعدة العداد الرباعي بين نقطتين من الزمكان. نتحدث عن فاصل زمني بين حدثين في كل نقطة من هذه النقاط ويتم التعبير عنها في إطار مرجعي معطى بواسطة:

باستخدام "المصفوفة" أدناه، المقابلة بدقة لمقياس الزمكان، يمكننا إعادة كتابة الفترة السابقة بالشكل:

منذ أينشتاين، نعتمد الاتفاقية التالية لمثل هذه التعبيرات. يشير وجود الفهارس المتكررة لأعلى ولأسفل في الواقع إلى تجميع في الفهرس بكل القيم، z. 0,1,2,3 pour t,x,y,z

نتحدث أيضًا عن موتر متري tenseur métrique لـكي نقوم من خلاله بتغيير الإطار المرجعي، للتبديل إلى الإطار ذي الترجمة المستقيمة المنتظمة بسرعة v فيما يتعلق بالثاني، يتم إعطاء قيم جديدة لإحداثيات الأحداث السابقة. ومع ذلك، فإن الفاصل الزمني الذي يحدده المقياس لا يتغير، فهو على وجه التحديد ثابت في ظل تحولات لورنتز. هي تعبيرات هذه التحولات الشهيرة (وضعنا ج = 1 on a posé c=1) يتم التعبير عنها بالشكل أعلاه أو مع- 2 °) مخروط الضوء Le cône de lumière إذا أردنا تمثيل وميض من الضوء ينبعث عند نقطة في الزمكان، ويتوافق مع مجال متسع من الضوء، فمن الملائم إزالة بُعد من الفضاء. يمكننا بعد ذلك تمثيله بواسطة مخروط كما في الرسم التخطيطي للزمكان أدناه. مع مرور الوقت، ينمو مجال الضوء وهذا يتوافق بشكل جيد مع زيادة حجم جزء من هذا المخروط.

Le cône de lumière, vu selon un observateur (observer) en un point de l'espace. Au fil du temps qui passe, la sphère de lumière grandit. Les deux cônes représentent le passé (past light cone) et le futur (future light cone) sur l'ordonnée du temps (Time). © DR

مخروط الضوء، يُرى وفقًا لمراقب (راصد) في نقطة في الفضاء. مع مرور الزمن، ينمو مجال الضوء. يمثل المخروطان الماضي (مخروط الضوء الماضي) والمستقبل (مخروط الضوء المستقبلي) على إحداثي الزمن.

كما كما ذكرنا سابقًا، يمكن للمرء تقديم حساب مع نواقل تعمم ذلك في فضاء فيزياء ما قبل النسبية. سنتحدث بعد بذلك عن الموجهات الرباعية، وأبسط مثال هو بالطبع الذي يربط بين حدثين في الزمكان وبالتالي نقطتين في فضاء مينكوفسكي.

إذا أخذنا مربع القاعدة لمثل هذا المتجه vecteur، فإننا نعود إلى الفاصل الزمني بين الزمكان. لنأخذ موقع المراقب في الرسم البياني أعلاه كأصل. اعتمادًا على ما إذا كانت النقطة الأخرى داخل مخروط الضوء أم لا، سيكون لدينا الفروق التالية:

- داخل الفاصل الزمني سالب، ويقال إنه من نوع الوقت ويتوافق مع إمكانية تأثير المراقب بطريقة أو بأخرى على ما سيحدث في المستقبل في هذه المرحلة؛ • على مخروط الضوء، يُقال أن الفاصل الزمني هو صفر ويتوافق مع إمكانية التأثير على المستقبل للمراقب عن طريق إرسال إشارة بسرعة الضوء نحو النقطة المعتبرة؛ • خارج مخروط الضوء، يكون الفاصل الزمني موجبًا ويقال إنه من النوع الفضائي. لا يمكن أن تكون هناك علاقة سبب وتأثير بين المراقب والنقطة قيد النظر لأن هذا قد ينطوي على تجاوز سرعة الضوء عند إرسال إشارة.

بشكل عام، تحتوي جميع الموجهات الرباعية على مربع معياري له قيمة تقع في الفئات الثلاث الموصوفة سابقًا. سيقال على التوالي الزمن، معدوم (أو ضوء)، الفضاء.

أخيرًا، يحدد المخروطان على التوالي المناطق الماضية والمستقبلية التي يمكن أن تكون على علاقة سببية مع المراقب.

Les deux cônes définissent respectivement les régions passées et futures pouvant être en relations causales avec l'observateur. © DR

يحدد المخروطان على التوالي المناطق الماضية والمستقبلية التي يمكن أن تكون على علاقة سببية مع المراقب.

- 3 °) التركيب السببي أو البنية السببية La structure causale

إنه مفهوم ذو أهمية قصوى بالنسبة لبقية البحث، ويمكننا حتى القول إنه يسبق فكرة المقياس عندما نريد بناء هندسة الأحداث الزمانية المكانية. لهذا، نقدم مجالًا حقيقيًا من أقماع الضوء في كل نقطة من زمكان مينكوفسكي. بالمناسبة، نتذكر أنه في الفيزياء، المجال هو ارتباط كمومية رياضياتية، مثل رقم أو ناقل، في كل نقطة في الفضاء. ومن الأمثلة المعروفة درجة الحرارة والضغط وسرعة الرياح. في الحالة الحالية، يجعل المقياس من الممكن بناء مخروط في كل نقطة من الزمكان.

Quand l'espace-temps est plat et statique, les cônes sont tous « rigidement » fixés. Extrait de Cern yellow report 91-06. © Ruth M. Williams

عندما يكون الزمكان مسطحًا وثابتًا، تكون جميع الأقماع ثابتة "بشكل صارم". مقتطف من تقرير Cern الأصفر 91-06.

يمكننا بعد ذلك إدخال الساعات والقواعد ومجموعات المنحنيات في الزمكان، أي المسارات الزمانية المكانية للأشياء الموجودة فيه. نتحدث عن التطابقات لمثل هذه المجموعة من المنحنيات عندما تكون متوازية إلى حد ما، تذكر هذا المصطلح. الضوء عبارة عن ساعة (نبضة) ومسطرة طبيعية (طول موجي) والتي من السهل قياس خصائصها بدقة، ستكون مسارات شعاع الضوء مهمة جدًا لعرض خصائص الزمكان. سيلعبون دورًا مشابهًا للدور الانسيابي في الديناميكا المائية لتفسير ظاهرة ميكانيكا الموائع.

يجري الحديث عن تطابق المنحنيات congruence de courbes   لكل من الخطوط الحالية ومسارات الفوتونات في الزمكان. إن بنية الأحداث في الزمان والمكان، وكذلك ديناميكياتها - لأننا نتعلم من النسبية العامة، هذا منحنٍ وقابل للتغيير - تتم ترجمته من خلال بيانات هذه الساعات والقواعد. حقل مخروطي حقيقي في كل نقطة من الزمكان. عندما يكون الزمكان مسطحًا وثابتًا، تكون جميع الأقماع ثابتة "بشكل صارم" (انظر الرسم البياني أعلاه). لن يكون هذا هو الحال عندما يكون الزمكان منحنيًا ويعتمد على الوقت.

ملخص نظرية الزمكان لمينكوفسكي Résumé de la théorie de l'espace-temps de Minkowski:

باختصار، تستند نظرية الزمكان عند مينكوفسكي على:

- فكرة الحدث.

- القواعد والساعات.

- مخاريط الضوء.

- فاصل الزمكان المحدد بواسطة مقياس؛

- خطوط الكون مع تطابقات المنحنيات.

إن النتيجة الأكثر إثارة لهذه الهندسة للزمكان هو تمدد الزمن الذي يتضح من مفارقة التوأم لـ لانجفان le paradoxe des jumeaux de Langevin.

هذا هو المثال المعروف لتوأمين، أحدهما يبقى على الأرض بينما يقوم الآخر برحلة ذهابًا وإيابًا بسرعة قريبة من الضوء بين الأرض ونقطة على بعد 20 سنة ضوئية على سبيل المثال. عندما يعود إلى الأرض، سيكون قد مر ما يقرب من 40 عامًا على الأرض بينما قد يكون عمره بضعة أيام فقط.

هذا ليس خيالا علميا! تم استخدام الساعات الذرية فائقة الدقة في رحلات الطائرات والصواريخ حول العالم لتأكيد صحة المبدأ (تباطؤ الزمن مع السرعة)، ولم يتم التحقق باستمرار من هذه الظاهرة فحسب، بل تم التحقق من صحة التنبؤات الدقيقة لمعادلات النسبية لأينشتاين. ناهيك عن اضمحلال الميونات muons في الأشعة الكونية أو في المسرعات التي تعيش لفترة أطول لمراقب ثابت على الأرض لأنها تتحرك بسرعة بالنسبة له. مرة أخرى، الاتفاق مع تنبؤات معادلات النسبية أمر رائع.

Muon

Un muon est un lepton. C'est la réplique de l'électron de la deuxième famille.

يعد هذا التمدد الزمني أمرًا بالغ الأهمية لأي شخص يريد أن يفهم كيف يمكن استخدام الثقب الدودي للسفر عبر الزمن على النحو الذي اقترحه كيب ثورن في أواخر الثمانينيات.

.................

مصادر

النسبية العامة لأينشتاين

ملف - التفردات أو الفرادات، والثقب الدودي والسفر إلى الزمكان

l'univers cyclique 

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

التطورات الأخيرة للكون المرئي:

المقصود بالكون الدوري أو التعاقبي هو أن الكون المرئي الحالي سبقه كون آخر مر بمثل ما يمر به هو الآن وكان موجوداً قبل البغ بانغ، الانفجار العظيم للكون المرئي الحالي، والذي سوف يمضي قدماً نحو حالة من الانكماش والتقلص بعد التوسع والتضخم  لينضغط في نقطة الفرادة التي انطلق منها الانفجار العظيم وعلى نحو دوري، أي تعاقب الأكوان، هذا فيما يخص كوننا المرئي وهو ليس الوحيد الذي يمر بمثل هذه الدورات فهناك أكوان أخرى لاتعد ولاتحصى موازيه له أو مجاورة أومتداخلة معه في أبعاد أخرى، في إطار الكون التعددي الكلي المطلق الحي، الدائم التطور  والذي لابداية له ولا نهاية ولا حدود سرمدي أزلي وأبدي، يحتوي كل تلك الأكوان المتحركة التي تكون بمجملها نسيجه كجسيمات أولية على غرار الجسيمات الأولية التي تكون كوننا المرئي ولكل منه وظيفته ودوره، ولها قوانينها الخاصة وثوابتها الخاصة التي قد تتشابه وقد تختلف جوهرياً وكلياً عن قوانين وثوابت كوننا المرئي .

يعتقد روجر بنروز Roger Penrose الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء أن لديه دليل على وجود الكون قبل الانفجار العظيم!عالم الرياضيات والفيزياء روجر بنروز هو الآن جائزة نوبل في الفيزياء. ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، يعتقد أنه وجد أدلة لصالح نموذجه في "علم الكونيات الدوري المطابق cosmologie cyclique conforme ". سيكون الأخير هو وجود "نقاط هوكينغ" المرئية في الإشعاع الأحفوري، مما يدل على تبخر الثقوب السوداء الهائلة التي حدثت قبل الانفجار العظيم، في عالم كان من الممكن أنه يسبق عالمنا.

أصدر أعضاء تعاون بلانك مؤخرًا نتائج عملهم الشاق في تحليل البيانات التي تم جمعها بواسطة هذا القمر الصناعي الذي لاحظ الإشعاع الأحفوري، وهو أقدم ضوء في الكون المرئي. لقد خرج منه علم الكونيات القياسي قويًا بشكل كبير، لكن لا تزال هناك أسئلة وإمكانيات عديدة حول الكون، لا سيما حول المراحل البدائية جدًا من تاريخه، وأكثر من ذلك بكثير حول بدايته المحتملة في الزمان والمكان أو الافتراضية "قبل الانفجار العظيم".

من بين الباحثين المشاركين في هذا المسعى الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء روجر بنروز. إنه أقل شهرة من ستيفن هوكينغ، الذي درس هذا السؤال أيضًا، ولكن، بالنسبة لأولئك المطلعين على مجالات البحث لهذين العالمين العظيمين، من الممكن الاعتقاد بأن بنروز أعمق وأكثر موهبة من هوكينغ المشهور. مؤلف كتاب تاريخ موجز للزمن وكان قد اشترك معه في تأليف عدة أبحاث ودراسات وكتب.

في الواقع، كانت العديد من التقنيات الرياضياتية التي طورها بنروز لفهم النسبية العامة والثقوب السوداء وحدوث التفردات أو الفرادات des singularités  هي أصل ومرجعية بحث وعمل هوكينغ وغيره من الباحثين المشهورين. يمكن القول إن بنروز اشتهر باكتشافه النظري لأشباه البلورات des quasi-cristaux وأعماله التي تستكشف بعض الأفكار الجريئة حول فيزياء الوعي la physique de la conscience وعلاقتها بنظرية الكم للجاذبية théorie quantique de la gravitation، مما يلقي بظلال من الشك على أطروحات الذكاء الاصطناعي القوية.

الهندسة المطابقة La géométrie conforme، مفتاح ما قبل الانفجار العظيم؟

على مدى السنوات العشر الماضية، كان روجر بنروز يطور نظرية أصلية جدًا قادرة، وفقًا له، على حل بعض ألغاز الانفجار العظيم والتي تقدم وجهات نظر رائعة حول أصل ومستقبل الكون: نموذج علم الكون الدوري المطابق le modèle de cosmologie

Cosmologie

Le terme de cosmologie désigne la branche de l’astrophysique qui s’intéresse à l’origine, la nature, la structur...

 cyclique conforme (CCC) ). خصصت المستقبل أول مقال طويل لهذا النموذج، يفترض هذا النموذج أن الزمكان لانهائي، مسطح، على الرغم من أنه يتمدد تحت تأثير ثابت كوني حقيقي وإلى الأبد.

ومع ذلك، إذا افترض المرء أن كل محتوياته الجسيمية تصبح عديمة الكتلة في المستقبل البعيد جدًا، فعندئذٍ بطريقة أو بأخرى، لا يتم حساب الزمن بالنسبة لهم. على الرغم من أنه قد يبدو متناقضًا، إلا أن التوسع اللانهائي يتغير بعد ذلك إلى تقلص نحو كثافة لا نهائية، دائمًا في مساحة زمكان مسطحة وغير محدودة. انفجار كبير جديد يمكن أن يحدث بعد ذلك، مما يؤدي إلى علم الكونيات الدوري بدون بداية أو نهاية une cosmologie cyclique sans début ni fin.

يكمن مفتاح فهم هذا النموذج المربك في التحولات المطابقة في الهندسة. التمثيل المبسط ممكن في بعدين حيث الدوائر على الكرة متصلة بدوائر في مستوى لانهائي. يجعل التحول المطابق من الممكن بطريقة لإظهار أن جميع الظواهر الهندسية في هذا المستوى يمكن تمثيلها من خلال الظواهر الهندسية على الكرة. يمكننا بعد ذلك إظهار أن الدائرة التي تنمو إلى ما لا نهاية في مستوى بدءًا من نقطة تصبح عند اللانهاية مكافئة لنقطة البداية هذه. وإذا استمرت في النمو، إذا جاز التعبير، فلا يمكنها القيام بذلك إلا من خلال العودة إلى حالتها الأولية من التوسع.

أحافير ثقالية Des fossiles gravitationnels من الانفجار العظيم؟

بناءً على هذه الأفكار، توصل بنروز إلى استنتاج مفاده أن موجات الجاذبية اللانهائية المنبعثة من عمليات الاندماج الأخيرة للثقوب السوداء الهائلة في عمليات الاندماج الأخيرة للمجرات، ستمر بطريقة ما عبر الانفجار العظيم التالي أو اللاحق وتنتهي في الدورة الجديدة. يجب أن تنتج هذه الموجات الثقالية بعد ذلك توقيعًا محددًا جدًا في الإشعاع الأحفوري الذي تمت دراسته من قبل تلسكوب بلانك الفضائي والمختصين به.

Les points de Hawking que les chercheurs pensent avoir trouvés sont indiqués par des cercles sur cette carte du rayonnement fossile. © Daniel An, Krzysztof A. Meissner et Roger Penrose

تشير نقاط هوكينج التي يعتقد الباحثون أنهم عثروا عليها بدوائر على هذه الخريطة للإشعاع الأحفوري.

لم يعثر البلانكيون Planckiens على هذا التوقيع، بينما اعتقد بنروز Penrose وزميله غورزاديان Vahe G. Gurzadyan أنهما وجدوه، لكن عدم وجود دليل لا يعني إثبات الغياب. ربما تكون الإشارة المنشودة ببساطة أضعف وأصعب مما هو متوقع.

لم يثبط عزيمته على الإطلاق، اقترح السير روجر بنروز(حصل على لقب فارس من قبل ملكة إنجلترا لمساهماته العلمية) العام الماضي توقيعًا جديدًا محتملاً لنموذجه، ليتم البحث عنه هذه المرة في الخلفية العشوائية لموجات الجاذبية أو الموجات الثقالية.

يقدم روجر بنروز الآن توقيعًا ثالثًا، مرة أخرى في الإشعاع الأحفوري، كما أوضح مع زملائه في مقال تم إيداعه في موقع arXiv. لا يزال يعتمد على وجود الثقوب السوداء فائقة الكتلة في الكون المرئي. لكن هذه المرة، يتدخل إشعاع هوكينغ الناتج عن تبخر الثقوب السوداء. هذا الإشعاع يتناسب عكسياً مع الكتلة، مما يعني أنه حتى بالنسبة للثقوب السوداء ذات الكتل الشمسية، فهو بالفعل في حدود جزء من المليار من كلفن. وبالتالي، فإن الثقوب السوداء الضخمة التي تحتوي على ملايين أو مليارات الكتل الشمسية تكون أكثر برودة. ومع ذلك، فإن الإشعاع الأحفوري الحالي يصل إلى 2.7 كلفن. الخلاصة: لا تشع الثقوب السوداء النجمية والهائلة، بل على العكس من ذلك، يتم تسخينها بواسطة هذا الإشعاع الذي تمتصه.

في المستقبل البعيد، سيتغير هذا لأن درجة حرارة الإشعاع الأحفوري ستستمر في الانخفاض، وتميل نحو الصفر المطلق. في يوم من الأيام، وفقًا لنموذج بنروز، ستبدأ هذه الثقوب السوداء الهائلة في التبخر بفعل إشعاع هوكينغ، بشكل أساسي على شكل فوتونات وجسيمات عديمة الكتلة تنطلق نحو اللانهاية. سيتم العثور على هذا الإشعاع مركّزًا في مناطق الزمكان الجديد، مما يخلق أنواعًا من النقاط الأكثر إشراقًا في الإشعاع الأحفوري الحالي، والذي أطلق عليه الباحثون الثلاثة نقاط هوكينغ.

يبدو أن إحدى نقاط هوكينج تقع في مركز الانحرافات الدائرية في درجة الحرارة الناتجة عن موجات الجاذبية من الثقوب السوداء الهائلة المتوفاة، كما تنبأ نموذج CCC على ما يبدو. أكثر من ذلك، يبدو أيضًا أنه في مركز الأنماط B التي تم اكتشافها في استقطاب الإشعاع الأحفوري من قبل أعضاء تعاون Bicep2. Daniel An، Krzysztof A. Meissner، Roger Penrose، BICEP2 Collaboration، V.Gurzadyan، يبدو أن إحدى نقاط هوكينغ تقع في مركز الانحرافات الدائرية في درجة الحرارة الناتجة عن موجات الجاذبية من الثقوب السوداء الهائلة المتوفاة، كما تنبأ نموذج CCC على ما يبدو. أكثر من ذلك، يبدو أيضًا أنه في مركز الأنماط B التي تم اكتشافها في استقطاب الإشعاع الأحفوري من قبل أعضاء تعاون

 Bicep2. Daniel An، Krzysztof A. Meissner، Roger Penrose، BICEP2 Collaboration، V.Gurzadyan

 الحقول المغناطيسية الأحفورية من الانفجار العظيم؟

يعتقد بنوروز، مع دانيال آن من سوني Suny من كلية Suny Maritime College (نيويورك) و Krzysztof Meissner من جامعة وارسو، أنهم وجدوا بالفعل مرشحين واعدين لنقاط هوكينغ في الإشعاع الأحفوري. سيكون حوالي ثلاثين حالة، خمس منها تتزامن مع مواقع إشارات موجات الجاذبية الناجمة عن تصادم الثقوب السوداء فائقة الكتلة من الحقبة السابقة للكون والتي اعتقد بنروز وفاهي جي.غورزاديان Vahe G. Gurzadyan أنهما عثروا عليها قبل بضع سنوات.

يحدد الباحثون الثلاثة نتيجة محتملة أخرى لنظرية ألـ CCC. لا يشتمل نموذج بنروز على مرحلة تضخمية، لذلك يجب أن يكون الإشعاع الأحفوري خاليًا من الأنماط B للاستقطاب الناتجة عن موجات الجاذبية البدائية. اعتقد أعضاء تعاون Bicep2 أنهم اكتشفوا البعض، قبل أن يدحض البلانكيون Planckians هذا الاكتشاف من خلال إظهار أن أنماط B المرصودة نتجت على الأرجح عن غبار مجرة ​​درب التبانة. لكن وفقًا لبنروز وزملائه، يمكن أن تنتج هذه الأنماط B أيضًا من الحقول المغناطيسية الأحفورية بين المجرات التي تنتجها المجموعات التي تحتوي على الثقوب السوداء الهائلة في أصل نقاط هوكينغ المفترضة. لا ترتبط هذه المجالات المغناطيسية بالجسيمات الضخمة، لذلك يمكن العثور عليها محليًا في البلازما البدائية في أصل الإشعاع الأحفوري الموجود.

لا تقع نقطة هوكينغ على وجه التحديد في مركز الدوائر متحدة المركز التي تم بالفعل تطوير اكتشافها بواسطة بينروز Penrose وغورزاديان Gurzadyan ولكن أيضًا في المنطقة حيث كان Bicep2 قد اكتشف أنماط B المثيرة للجدل.

إنها كلها رائعة ومدهشة ولكنها تخمينية للغاية. كما هو الحال مع الاقتراحات السابقة لاكتشاف إشارة CCC، فإن المجتمع العلمي غير مقتنع تمامًا بل ويعتقد أن جميع الأدلة التي قدمها Penrose وزملاؤه لم تصمد أمام التحليل وتم دحضها. لكن السير روجر حصل بلا شك على الحق في أن يكون مخطئًا، فقد كان غالبًا على حق ...

تضخم الكون: لم ير تلسكوب بلانك الفضائي ومختبر Bicep2 موجات الانفجار العظيم:

يبدو أن الكون اللامتناهي والمسطح والمتوسع سيبقى كذلك إلى الأبد. ولكن أظهر روجر بنروز أنه يمكن أن يكون الأمر خلاف ذلك. نموذج علم الكون الدوري المطابق (CCC). يصف هذا الكون المتوسع إلى الأبد، وللمفارقة، مع عدد لانهائي من الانفجارات الكبيرة.

يعتقد روجر بنروز أن نموذجه قد يكون قابلاً للاختبار بفضل خلفية الموجات الثقالية، والتي يمكن أن تحتوي على موجات تنبعث من جسيمات المادة السوداء أو المظلمة، ويقال إن وجودها مشتق من نموذجه، ولكن لم يتم الكشف عن هذه الموجات بعد.

هناك تنبؤان آخران يتعلقان بالتأثيرات الأحفورية لموجات الجاذبية الثقالية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء الهائلة الأخيرة في مجموعات المجرات في العصر السابق للكون وتأثيرات تبخرها النهائي بواسطة إشعاع هوكينغ.

الأول يعطي دوائر متحدة المركز من الشذوذ في درجة الحرارة والثاني يعطي شذوذًا آخر للإشعاع الأحفوري في مركز هذه الدوائر.

إذا نظرنا إلى الوراء عبر السنين، يعتقد المجتمع العلمي أن الأدلة التي قدمها بنروز وزملائه غير موجودة.

.....................

مصادر:

التفردات أو الفرادات، والثقب الدودي والسفر في الفضاء

مصنف تحت عنوان: المادية، الأساسية، الثقوب الدودية

ستيفن هوكينغ، عالم الفيزياء الفلكية الذي جعل الناس يحبون العلم توفي الفيزيائي العظيم ستيفن هوكينغ في 14 مارس 2018. كان أسطورة حقيقية في الفيزياء، كما أنه كان أيضًا ذائع الصيت موهوبًا جدًا. إلقاء نظرة على الحياة غير العادية لهذا العالم الذي كان قادرًا على جعل نفسه محبوبًا من قبل الجمهور وجعل عمله البحثي متاحًا: الثقوب السوداء، نظرية الأوتار الفائقة، إشعاع هوكينغ، نظريات حول التفردات أو الفرادات singularités

الفيزياء الجديدة للكون  روجر بينروز La Nouvelle Physique de l’Univers

عرض فيديو قدمه روجر بنروز وزملاؤه لنموذج علم الكون الدوري المطابق modèle de cosmologie cyclique conforme (CCC).

بقلم فابريس نيكوت

هل الكون منتهي أم لا؟ الملاحظات لا تسمح لنا أن نقرر. لكن أحدث البيانات تشير إلى أنه يمكن أن يكون كرويًا وبلا حدود. ولا تستبعد وجود أكوان أخرى ... غير محدودة العدد!

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

هذا المقال مأخوذ من "" Sciences et Avenir رقم 202، المخصص لموضوع "اللانهاية".

هل للكون حدود؟ مهما كانت الإجابة، فهذا يجعلك تشعر بالدوار. نعم "؟ ها نحن هنا في خضم تناقض، كما لاحظ اليوناني أرشيتاس في تارانتو بالفعل في القرن الرابع قبل الميلاد. لأنه إذا وصلنا إلى الحد الأقصى، فماذا يوجد بعد ذلك، إذا لم يكن الكون لا يزال يتمخض (لتحريك "الكل" في اليونانية)؟ الجواب لا "؟ هذا يعني أن الكون قد يكون لانهائي. ولكن إذا كان هذا المفهوم أساسيًا في الرياضيات، فإن له صدى غريبًا في الفيزياء. "عندما تؤدي نظرية فيزيائية إلى ما لا نهاية، يمكن للمرء أن يعتقد أنه لم يعد قادرًا على وصف العالم، كما يلخص جان فيليب أوزان، مدير الأبحاث في علم الكونيات في معهد الفيزياء الفلكية في باريس. الميكانيكا التي تخيلها غاليليو، يمكن أن تكون السرعة لانهائية. منذ أينشتاين، نعلم أنه لا يمكننا بأي حال تجاوز سرعة الضوء " وهي محدودة وثابتة 300000 كلم/ثانبة.

تخيل الكون المطلق الكلي بافتراض أن ركننا الصغير، أي كوننا المرئي، يمثل الكل الكبير، لا يعدو الأمر سوى تنشيط المخيلة. ولنبدأ بأفكارنا في رحلة نحو حدود الكون. بعد عشرات المليارات من السنين الضوئية، وصلنا إلى حد أو حافة الكون الذي يمكننا مراقبته، ويتكون من كل النجوم التي وصلنا ضوءها من الانفجار العظيم، منذ 13.8 مليار سنة. إنها كرة نشغل مركزها ونصف قطرها حوالي 46 مليار سنة ضوئية، منذ أن كان الكون يتوسع باستمرار منذ ولادته، خاصة بعد عملية التضخم المفاجئ والكبير. يستمر هذا الكون المرئي في النمو، لكنه هل سيصل بالفعل إلى أبعد من ذلك ؟، لا يمكن لأي معلومات أن تصل إلينا، لأنه سيتعين عليها السفر بسرعة تفوق سرعة الضوء. ومع ذلك، من الممكن تخيل شكل الكون الكلي الكامل والشامل من خلال افتراض أن خصائص ركننا الصغير من الزمكان تمثل خصائص الكل الكبير.

يوضح جان فيليب أوزان أن "محدودية الكون تعتمد بشكل خاص على انحناءته. إذا كانت موجبة، فإن الكون يكون كرويًا، وحجمه محدود بالضرورة. وإذا كان الإنحناء سالبًا، فهو قطعي. إذا كان كذلك فهو سيكون ذو فراغ إقليدي وبالتالي مسطح. هاتان الحالتان الأخيرتان يمكن أن تتوافقا مع كون غير محدود ". يعتمد هذا الانحناء على كمية المادة الباريونية (الكلاسيكية العادية) والمادة السوداء أو المعتمة والمظلمة (التي لم تُلاحظ أبدًا، والكتلة فقط معروفة) الموجودة في الكون، والتي تنحت بطريقة ما الزمكان، كما هو موصوف في نظرية النسبية العامة. من الضروري أيضًا مراعاة الثابت الكوني، الذي تم إدخاله في معادلات النسبية من أجل حساب التسارع الحالي للتوسع الكوني. يمكن استنتاج هذه المعلومات من خصائص أشعة الخلفية الكونية الأحفورية الميكروية المنتشرة، وهي أول ضوء ينبعث من الكون، بعد 380.000 سنة من الانفجار العظيم. تم تعيينها بدقة كبيرة بواسطة القمر الصناعي بلانك في عام 2013، مما جعل من الممكن تحديد قيمة الانحناء. وأول حكم نجم عن ذلك هو إنه قريب جدًا من الصفر، في غضون بضعة آلاف، أكثر أو أقل ، بسبب هامش الخطأ.. وبعبارة أخرى ، موجب أو سلبي قليلاً.

الانفجار العظيم:

الإشارة الصوتية اليتيمة القادمة من أعماق الفضاء الخارجي إلى الأرض في 15 أغسطس 1977، عماق الفضاء إلى الأرضعندما

تلقى تلسكوب Big Ear Radio Telescope في ديلاوير بولاية أوهايو أقوى إشارة اكتشفها على الإطلاق خلال عقود من الملاحظات. استمرت الإشارة 72 ثانية فقط، ولكن عندما اكتشفها عالم فلك على نسخة مطبوعة من الكمبيوتر بعد بضعة أيام، تأثر كثيرًا لدرجة أنه كتب بسرعة "واوWow!" بالقلم الأحمر على الصفحة. كانت البيانات تشبه إلى حد كبير ما توقع علماء فلك مؤسسة سيتي SETI رؤيته من الذكاء الفضائي. ومع ذلك، على الرغم من المحاولات العديدة لتعقب الاكتشاف، فإن ما يسمى بـ "Wow!" الإشارة "لم يعاود الظهور أبدًا.

استحوذت لحظات قليلة من البحث عن الذكاء خارج الأرض (SETI) على خيال الجمهور مثل إشارة Wow! الراديوية الصوتية. بالنسبة للبعض، هذا هو الكشف المحتمل الواعد للحياة خارج كوكب الأرض. لكن آخرين يرون أنه انتصار للدعاية على العلم.

"هل كانت إشارة فضائية من خارج الأرض من كائنات فضائية متطورة ETأم لم تكن ET؟" لا أحد يعرف ، "يقول سيث شوستاك ، كبير علماء الفلك في معهد SETI ، لعلم الفلك. "لم يجد أحد تفسيرا آخر لما كان يمكن أن يكون. يبدو الأمر كما لو كنت تسمع سلاسل تنقر في العلية وتعتقد أن "أشباح الله حقيقية". ولكن بعد ذلك لن تسمعهم مرة أخرى، فما رأيك؟ الأهم من ذلك، يقول شوستاك لو لم تكن الإشارة قد أذهلت! من كتب عليها Wow، لما سمع بها أحد. كانت إشارات النقاط مثل هذه شائعة في الأيام الأولى لـ SETI، عندما كانت حواسيب المرصد بدائية للغاية لإخطار علماء الفلك بالاكتشافات في الوقت الفعلي أو إجراء عمليات متابعة سريعة.

لكن هذا لم يمنع علماء الفلك من العودة مرارًا وتكرارًا إلى هذا الجزء من السماء بحثًا عن عودة الإشارة الصوتية الغريبة المدهشة! القادمة من برج القوس.

في أواخر صيف عام 1977، جلس جيري إيمان لمراجعة أحدث مجموعة من المطبوعات الحاسوبية التي توضح بالتفصيل البيانات التي تم جمعها بواسطة مرصد راديو الأذن الكبيرة، حيث كان متطوعًا كعالم فلك. تم التحكم في المرصد عن بعد، ويمكن أن يجمع في عدة أيام الكثير من البيانات قبل نفاد مساحة التخزين في الكمبيوتر. عند هذه النقطة، سيظهر الخبير الفني ويعيد ضبط الأشياء ويبدأ جولة المراقبة التالية مع التركيز على رقعة جديدة من السماء.

كان مرصد Big Ear Radio معروفًا جيدًا بين علماء الفلك في يومه. تم تصميم التلسكوب من قبل عالم الفلك الراديوي الرائد في جامعة ولاية أوهايو جون كراوس. وقد تم بناؤه إلى حد كبير من قبل موظفي الجامعة والمتطوعين والعاملين بدوام جزئي في الستينيات. في الأصل، تم إنشاؤه بأموال من ميزانية مؤسسة العلوم الوطنية لتنفيذ المهمة المخصصة لإنشاء أدق خريطة راديو على الإطلاق.

الأذن الكبيرة:

سمح التصميم الفريد لـ Big Ear Radio Telescope للموظفين ببنائه بتكلفة منخفضة نسبيًا، لكنه كان لا يزال قادرًا على تحقيق اختراقات أساسية في علم الفلك الراديوي. لكن Big Ear لم يشبه التلسكوبات الراديوية الأخرى. بدا الأمر كما لو أن شخصًا ما غطى ملعبًا لكرة القدم بطلاء أبيض وقام بتركيب المدرجات في أي من الطرفين خلف المرمى. كانت هذه "المبيضات" في الواقع تغذي الأبواق لتحويل إشارات الراديو من عاكس التلسكوب الكبير إلى مستقبله.

ومع ذلك، بعد انتهاء Big Ear من رسم خرائط سماء الراديو في عام 1972، احتاج التلسكوب إلى مهمة جديدة. ابتداءً من عام 1973، وافقت وكالة ناسا على تمويل جهد كبير من المتطوعين للبحث في السماء عن إشارات لاسلكية من كائنات فضائية متطورة تقنيًا. إلى جانب علماء الفلك المحترفين وراء المشروع، شاركت أيضًا مجموعة من الأطباء والمحامين ومدرسي المدارس وأساتذة الجامعات من مهن غير ذات صلة تمامًا على مدار عقود.

قال عالم الفلك إيمان في عام 2016: "كنا نعمل بميزانية صغيرة. لم يكن لدينا المال لكي ندفع للناس، ولهذا السبب كان المشاركون متطوعين."

أظهرت الخطوط الحمراء على شاشة الكومبيوتر أين تمركز النجاح الباهر! ربما نشأت إشارة من القوس. عاد العلماء إلى هذه المنطقة عدة مرات، ولكن لم يتم اكتشاف مصدر معقول للإشارة على الإطلاق.

بالنسبة لإيمان، كانت مراجعة المطبوعات الكبيرة للبيانات كل بضعة أيام جزءًا روتينيًا من كونه متطوعًا. وفي 17 أغسطس 1977، بينما كان ينظر في أحدث مجموعة من الأوراق، اكتشف مجموعة من الأرقام والحروف: 6EQUJ5. بالنسبة للعين غير المدربة، يبدو الأمر وكأنه هراء. لكن بالنسبة لإيمان، فإن البيانات تعني أن Big Earقد التقطت إشارة قوية جدًا بدأت منخفضة، وازدادت قوتها، ثم انخفضت مرة أخرى، أي كانت مبرمجة. وهذا يعني أنه من المحتمل أن يتم التقاط الإشارة عندما مرت منطقة معينة من السماء فوق الكاشف. وبالتالي لم تكن أرضية. ظهرت الإشارة أيضًا في واحدة من 50 قناة ممكنة فقط.

قال إيمان: "كانت إشارة ضيقة النطاق، ما كنا نبحث عنه [مع SETI]". "لم يستغرق الأمر وقتًا طويلاً حتى أدركنا أن هذا كان ممتعًا للغاية. وجاءت كلمة "واو!" إلى ذهني بسرعة كبيرة، لذلك قمت بتدوينها ".

ولكن بينما كان يتدفق عبر البيانات من الأيام التالية، تفاجأ عندما اكتشف أن الإشارة لم تظهر مرة أخرى. تعمقت مكائده بعد لقائه مع مدير المرصد وطاقمه. قاموا معًا بالبحث في السماء عن أي أجسام محتملة في تلك المنطقة من السماء يمكن أن تفسر الإشارة. فحص علماء الفلك كل شيء من المذنبات والكواكب إلى الأقمار الصناعية وأكثر من ذلك. لا شيء يضاهي.

بقى فريق Big Ear يراقب نفس البقعة السماوية لمدة شهر، ومع ذلك لم يجدوا شيئًا. وبعد عام عندما حاولوا مرة أخرى، ما زالوا يعودون بخفي حنين. استمر مشروع SETI في Big Earفي النهاية لمدة 24 عامًا، مما جعله أطول بحث مستمر في SETI في التاريخ. لكن خلال ذلك الوقت، لم يلتقط المحققون أي شيء آخر مثل Wow! الإشارة اليتيمة. من جانب إيمان، يؤكد أيضًا أننا قد لا نعرف بالضبط ما اكتشفته ذلك اليوم. قال إيمان بهذا الصدد: "لم يكن هناك أي استنتاج ممكن على الإطلاق بخلاف أنه كان بالتأكيد إشارة من ذكاء متقدم وعاقل خارج كوكب الأرض".

في النهاية، جاء موت بيغ إير Big Ear بعد سنوات قليلة من اعتقاد الكونغرس أن البحث عن ذكاء خارج الأرض لا يستحق أموال دافعي الضرائب في عام 1993. وخسر المرصد 100000 دولار في التمويل السنوي من وكالة ناسا، بالإضافة إلى 50000 دولار أخرى مقررة لأداة كان من الممكن أن تقدم Big Ear عقد إيجار جديد للبحث عن الحياة. وبحلول عام 1998، هدمت جامعة ولاية أوهايو التلسكوب.

Wow! متابعات الإشارة:

سيث شوستاك / معهد سيتي

إذا كانت إشارة الواو Wow المذهلة! قد تم اكتشافها في ذلك اليوم، يمكن لمصفوفة Allen Telescope Array التابعة لمعهد SETI في كاليفورنيا تنبيه علماء الفلك على الفور لأي إشارة مماثلة، مما يسمح لهم بالتراجع في الوقت الفعلي للبحث عن مصدر الشذوذ.

على مر السنين، تابع العديد من علماء الفلك الآخرين إشارة الواو Wow Signal، إما محاولة لشرحها بعيدًا أو نقلها. لكن بالنسبة لعلماء الفلك مثل شوستاك، فإن الإشارة هي في الحقيقة مجرد واحدة من العديد من الاكتشافات المماثلة التي تمت على مر السنين.

يقول شوستاك: "في تلك الأيام، كان من الشائع جدًا التقاط هذه الأنواع من الإشارات مرة واحدة فقط". "لم يكن لدى أجهزة الكمبيوتر آنذاك القدرة على إجراء عمليات المتابعة في الوقت الفعلي. إذا التقطته اليوم، سيقول الراصد "رائع!" ، وسيبدأ علماء الفلك في توجيه التلسكوب في اتجاه Wow! إشارة لمحاولة معرفة ما كان ". بمجرد أن أصبحت حواسيب المرصد متطورة بما يكفي للمتابعة في الوقت الفعلي، انخفض عدد الإشارات الغامضة. يقول شوستاك مازحا: "عرف الفضائيون أن لدينا معدات أفضل".

على سبيل المثال، في السنوات القليلة الماضية، اكتشف علماء الفلك الدفقات الراديوية السريعة (FRBs)، والتي كان يُنظر إليها في البداية على أنها إشارات راديو قوية ظهرت مرة واحدة فقط. كان اكتشاف FRBs، بالإضافة إلى التقدم المحرز في تتبع أصولها، أحد أكبر الاختراقات الأخيرة في علم الفلك.

في هذه الأثناء ، يرى شوستاك إن واو! هي محاولة لتثبيت الإشارة كشيء يهتم به الجمهور أكثر بكثير من اهتمام علماء الفلك.

يقول: "أتلقى رسائل بريد إلكتروني مرة واحدة على الأقل شهريًا من الأشخاص الذين يطلعون على تلك النسخة المطبوعة ويفسرون تلك البيانات بشتى الطرق". غالبًا ما يرى الناس أنه رمز غريب يتم إرساله كرسالة مباشرة إلى البشر. إنهم لا يدركون أن الجمع بين الأرقام والحروف على النسخة المطبوعة كان مجرد اتفاقية وضعها علماء الفلك [البشريون] العاملون في المرصد. لا يمكن أن تتعامل المطبوعات مع الأرقام الأكبر من تسعة، لذلك يتنقل العرض بين الأحرف، بدءًا من "ب"، لكل ترتيب متزايد من الشدة.

يضيف شوستاك: "يعتقد الناس أنهم اكتشفوا ماهية الرسالة أو حجم الكائنات الفضائية". "إنه مثل عشرات الأرقام، وكل ما تفعله هذه النسخة المطبوعة هو أنها تمنحك مستوى من القوة."

ولكن حتى لو كانت هذه هي الرسالة الأولى للبشرية من الفضائيين، فلا يزال العالم إيمان لا يخمن ما يمكن أن يقوله. قال "من يعلم؟" "ليس لدي أي فكرة عما يمكن أن تتضمنه الرسالة، إن وجدت."

استكشاف خريطة المجرة التي يمكن أن توجه الفضائيين إلى الأرض:

أرسلت ناسا خريطة إلى الفضاء لمساعدة الكائنات الفضائية في العثور على الأرض. واليوم تحتاج هذه الحريطة إلى تحديث. يمكن أن تقود الخريطة التي أطلقتها ناسا في عام 1972 كائنات فضائية إلى الأرض. خريطة جديدة، بعد ما يقرب من 50 عامًا، توفر اتجاهات أفضل.

الكتلة المتلألئة التي تحتوي على نصف مليون نجم على الأقل - وحوالي عشرين من النجوم النابضة - تُعد الكتلة الكروية المعروفة باسم 47 Tucanae واحدة من حوالي 150 كتلة نجمية قديمة تدور حول مجرة ​​درب التبانة.

تقول إبنة العالم فرانك دريك: قبل نصف قرن من الزمان صمم علماء الفلك خريطة تشير إلى الأرض من أي مكان في المجرة. ثم أرسلوها إلى الفضاء، معتبرين أن أي كائنات فضائية ذكية بما يكفي لاعتراض مركبة فضائية يمكنها فك شفرة الخريطة وكشف مصدرها. استخدمت العديد من الأفلام والعروض التلفزيونية أشكالًا مختلفة حول هذا الموضوع كنقطة انطلاق لحبكة روائية، لكننا لم نستعرها من الخيال العلمي. انها حقيقة واقعة.

الحقيقة هي أن هذه الحكاية كانت جزءًا من تقاليد عائلتي منذ ما قبل ولادتي. كبرت، سمعت قصصًا عن الخريطة وشاهدت تصويرها على عدة مركبات فضائية بين النجوم، وقبل عدة سنوات، وجدت المسار الأصلي المرسوم بالقلم الرصاص إلى الأرض حيث أخباه والداي.

كان هذا اكتشافًا مثيرًا! ثم جاءت إشارة الواو المذهلة: هذه الخريطة الأصلية لن تكون جيدة لفترة أطول من الناحية الكونية. ستختفي العلامات التي تستخدمها في غضون عشرات الملايين من السنين، وحتى إذا لم يحدث ذلك، فستشير الخريطة إلى موقعنا لجزء بسيط فقط من 200 إلى 250 مليون سنة تستغرقها الشمس والنجوم الأخرى المجاورة للدوران مرة واحدة حول درب التبانة.

من المؤكد أن احتمالات اعتراض الكائنات الفضائية للخريطة غير محتملة من الناحية الفلكية - ولكن إذا حدث ذلك، فستكون الخريطة القديمة عديمة الفائدة وليست مفيدة. ولم يكن هذا هو الهدف.

لماذا توجد هذه الخريطة على الأرض؟

كان ذلك في ديسمبر من عام 1971، وكانت ناسا تستعد لإطلاق مركبة بايونير 10، وهي مركبة فضائية ستكتسح كوكب المشتري وتقوم بأول استطلاع لأكبر كوكب في المجموعة الشمسية. والأكثر إثارة للدهشة، مع ذلك، أن مدار بايونير 10 للمشتري سيحملها لرحلة في مسار بين النجوم، مما يجعلها أول جسم من صنع الإنسان متجهًا لمغادرة النظام الشمسي.

تحمل مركبة بايونير 10 الفضائية رسالة من الإنسانية إلى النجوم. تم حفر الرسالة على لوح من الألمنيوم المطلي بأكسيد الذهب مقاس ستة في تسع بوصات، وتحيي ذكرى العالم الأصلي للمركبة الفضائية - وتخبر كل من يجدها كيف يجدنا.

بقليل من المساعدة من أصدقائه، قرر عالم الفلك كارل ساغان أن المركبة يجب أن تحمل تحية من الإنسانية - رسالة تحدد وتحيي صانعي الرواد يمكن تفسيرها من قبل أي شخص يجدها. وافقت وكالة ناسا ومنحت كارل أقل من شهر لتصميم الرسالة.

هذا عندما يدخل صديق كارل، عالم الفلك فرانك دريك، القصة. فرانك هو أيضًا والدي، ومن بين الإنجازات البارزة الأخرى، يُنسب إليه إجراء أول بحث علمي عن كائنات فضائية صاخبة وإضفاء الطابع الرسمي على إطار عمل لتقدير عدد الحضارات الفضائية التي يمكن اكتشافها في مجرة ​​درب التبانة.

طلب كارل من أبي المساعدة في صياغة الرسالة بينما كان الاثنان في سان خوان، في بورتوريكو، لحضور اجتماع الجمعية الفلكية الأمريكية. يتذكر أبي أنه في بهو فندق San Gerónimo Hilton، سرعان ما توصل هو وكارل إلى أفكار حول ما يجب تضمينه في الرسالة الموجهة للكائنات الفضائية الذكية المتطورة النفترضة: رسومات خطية تصور البشر، عرض للمركبة الفضائية - ثم "في اللحظة التالية، ضربنا فكرة خريطة مجرة درب ​​تحدد موقع الأرض في الفضاء ".

كارل ساغان وفرانك دريك صمموا اللوحة التي سينقلها الرواد في مركبتي بايونير 10 و11 إلى الفضاء بين النجوم وذلك في عام 1972 وهناك صورة فوتوغرافية تجمع بين كارل ساغان وابنته ليندا ساليزمان ساغان لتخليد تلك المناسبة.

وتضيف إبنة فرانك دريك: صمم أبي تلك الخريطة، وفي عام 1972 طارت إلى الفضاء على متن بايونير 10. وفي العام التالي تم إطلاق مركبة بايونير 11، التي حملت في النهاية الخريطة بعد زحل والآن إلى النجوم. ثم في عام 1977، غادرت كلتا المركبتين الفضائيتين فوايايجر الأرض تحمل دليل أبي للعثور على كوكبنا، والذي تم حفره على غلاف "السجل الذهبي". الطريقة التي صمم بها أبي الخريطة تعني أنها تشير إلى الأرض في كل من المكان والزمان، مما يجعلها رائدة لنظام تحديد المواقع المجري (نوع مختلف من GPS) بأربعة أبعاد.

في ذلك الوقت، لم يقلق أبي وكارل حقًا من الفضائيين الذين إذا عثروا على رسالتهما في المركبة بأنهم قد يكونون من النوع الأكثر حقدًا أو عدوانية.

كيف تم صنع الخريطة:

لا توجد لافتات شوارع واضحة في حينا المجري، وصياغة خريطة تشير إلى كوكب واحد من بين مليارات (ومليارات) العوالم التي تسكن مجرة ​​درب التبانة ليس بالأمر السهل.

العثور على الأرض يعني إيجاد النظام الشمسي، والشمس غير ملحوظة إلى حد ما على أطراف مجرة درب التبانة. لا توجد طريقة حقًا لتمييزها عن مئات المليارات من النجوم الأخرى في المجرة، كل منها يرسم مساره الخاص حول مركز المجرة ويتحول ببطء في الموقع بالنسبة لجيرانه. يعني هذا التدافع النجمي أن الأبراج المتلألئة في سماء الأرض لن تكون هي نفسها في المستقبل القريب - ولا تصطف النجوم بنفس التكوينات المعروفة من أي مكان آخر غير الجوار الشمسي. في الواقع، في حوالي 2000 عام، لن يكون بولاريس Polaris هو النجم الشمالي، تمامًا كما لم يكن النجم القطبي لمراقبي السماء المصريين والبابليين والصينيين القدماء. اذا مالعمل؟ على الرغم من أن النجوم العادية التي تحتوي على محركات نووية مموجة في قلبها قد لا يكون لها بصمات مميزة، فقد أدرك أبي أن النجوم النابضة البولسارات- وهي جثث النجوم التي كانت في يوم من الأيام أكبر بكثير من الشمس - يمكن التعرف عليها بشكل فريد. تم اكتشاف النجوم النابضة عام 1967، وهي تدور بسرعة كبيرة، غالبًا مئات المرات في الثانية. باستخدام التلسكوبات الراديوية القوية، يمكن لعلماء الفلك قياس مدى سرعة دوران النجوم النابضة بدقة بالغة، مما يعني أن كل من هذه الآثار النجمية الدوارة تكتب توقيعها الخاص في الفضاء. اختار أبي 14 نجمًا نابضًا يمكن أن تثليث موقع الأرض، وقام بترميز المعلومات حول معدلات دورانها في الخريطة.

تبدو خريطة النجم النابض لأبي بشكل مناسب، كعلامة نجمية رائعة، وهو انفجار شعاعي للخطوط المظلمة التي تتقاطع في موقع نظامنا الشمسي. باختصار، إليك كيفية عمل خريطته:

كل خط من الخطوط يربط الأرض بالنجم النابض. علامات الفتحة هي أرقام ثنائية تكشف عن معدل دوران النجم النابض (في وقت تصميم الخريطة)، وتتناسب أطوال الخطوط تقريبًا مع المسافة. بعض النجوم النابضة المتوقفة على خريطة أبي - على سبيل المثال، السلطعون والفيلا - تقع في مراكز السدم الجميلة التي نشأت خلال التكوينات العنيفة للنجوم النابضة. من المفترض أن تعرف أي حضارات ذكية ومتقدمة بما يكفي لاكتشاف أي مركبة فضائية بين النجوم ووقوعها في شرك النجوم النابضة. ومن خلال مطابقة فترات الدوران على الخريطة مع الإشارات النجمية في السماء، يمكن للكائنات لفضائية أن تجد طريقها إلى الأرض بسهولة نسبيًا.

بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن الطاقة التي نراها من النجوم النابضة تأتي من دورانها وتتباطأ بمرور الوقت، فإن خريطة أبي تشير أيضًا إلى الأرض في البعد الرابع. من خلال حساب الفرق بين فترات الدوران المرصودة والمشفرة - وهو اختلاف سيظهر بعد آلاف السنين - يمكن للأجانب معرفة المدة التي انقضت على رسم الخريطة.

ربما كان من المدهش إلى حد ما أن تصبح خريطة أبي محصورة في الخيال الشعبي وهي موجودة الآن بشكل شائع في كل شيء من القمصان إلى الوشوم. أعتقد أن هناك شيئًا آسرًا حول كونك دائمًا قادرًا على العثور على طريقك إلى المنزل، حتى بالمعنى الكوني الذي يمكن تخيله. ونحن نحتفظ بها في الأسرة كأنها قصة حب.

قبل عدة سنوات، حدث شيئان مهمان. لقد عثرت على خريطة النجوم النابضة الأصلية والمخطوطة بالقلم الرصاص، مطوية بعيدًا ومُدسوسة في صندوق طماطم في خزانة والديّ. وقد ارتبطت بمتسلق صخور يدعى سكوت رانسوم، أحد أكثر علماء الفلك المتخصصين بالنجوم النابضة إنتاجًا في العالم.

خريطة البولسارات:

تستخدم الخريطة الأصلية للأرض، التي صممها فرانك دريك، 14 نجمًا نابضًا للإشارة إلى موقعها. حتى وقت قريب، كانت المسودة الأولى لخريطة دريك تعيش في خزانة ملابسه، مدسوسة في صندوق طماطم.

كان سكوت رانسوم يفكر في مشروع مركبة فوياجيرز، و "السجل الذهبي"، وخريطة النجوم النابضة منذ أن كان عمره 10 سنوات في مان فيلد، أوهايو، يشاهد برنامج الكون التلفزيوني الذي يقدمه كارل ساغان Carl’s Cosmos. مرت السنوات وحصل سكوت رانسوم على شهادة دكتوراه في علم الفلك. لاحقًا، أدرك أن خريطة أبي لها تاريخ انتهاء صلاحية في المستقبل القريب. كعب أخيل الخاص به هو نفس الخاصية التي تتيح له تحديد الأرض في الوقت المناسب: النجوم النابضة تتباطأ، والأخرى التي اختارها أبي (من بين القليل المعروف في ذلك الوقت) سوف تتلاشى وتختفي في غضون عدة ملايين من السنين، أو تستغرق بضعة آلاف من السنين.

من قبيل الصدفة، كان سكوت قد شرع في عمل خريطة نجم نابض جديدة وأكثر دقة وأطول عمراً حتى قبل أن نتحرك معًا وننقل أنفسنا إلى Dranksomes. الآن أكتب الكلمات التي تحكي قصصنا، ويقوم سكوت بعمل أشياء مهمة لرسم الخرائط مثل اختيار النجوم النابضة واشتقاق أكوادها أو شيفراتها الثنائية. يقوم أحيانًا بصياغة بعض المقاطع النصية، لكنك لن تراني أبدًا وأنا أحقق أعمالًا أكاديمية في علم الفلك.

أحدث وأفضل خريطة للأرض هي خريطة سكوت الجديدة وهي نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للفضاء مابين النجمي ومابين المجري. ينتقل إلى الأرض باستخدام النجوم النابضة داخل وخارج مجرة ​​درب التبانة، مع التواء.

بدلاً من النجوم النابضة الأكثر شيوعًا التي اختارها أبي، تستخدم الخريطة الجديدة النجوم النابضة ذات المللي ثانية والتي تدور بشكل أسرع وتدوم لفترة أطول ولديها أيضًا رفقاء مداريون ميتون. توفر هذه النجوم النابضة الثنائية مجموعة ثانية من المحددات: الفترة المدارية للنظام، والتي لا تتغير على مدى مليارات السنين. والأهم من ذلك، أن النجوم النابضة ذات المللي ثانية تتقدم ببطء أكثر بكثير من تلك الموجودة في خريطة أبي، مما يعني أن الأمر يستغرق آلاف المرات حتى تصبح عمليات دورانها غير قابلة للتمييز.

بالإضافة إلى ذلك، قام سكوت بتضمين طبقة أخرى من العلامات: النجوم النابضة في مجموعات كروية تدور حول درب التبانة. تكتلات النجوم القديمة التي سبقت مجرة ​​درب التبانة، والعناقيد الكروية رائعة وغامضة، وهي عبارة عن مصانع نجمية حقيقية من ميلي ثانية.

من خلال تضمين علامات في هذه الكرات النجمية التي يصعب تفويتها خارج المجرة، تسمح خريطة سكوت بأن تكون الأرض قابلة للاكتشاف لمليارات السنين، حتى بعد أن تتحرك نجوم درب التبانة حول قلب المجرة عدة مرات، مما أدى إلى تبديل مواقعها وطمس الأبراج. وللعلم فإن أبي يعتقد أن هذا مذهل.

لكن أولاً، يجب على شخص ما قراءتها لا تزال خريطة أبي، بالطبع، موجودة - ولكن فرص اعتراض بايونير أو فوياجرز التي تحملها ضئيلة إلى الصفر. على الرغم من أن جميع المركبات الفضائية الأربعة تسير في مسارات بين النجوم، إلا أن الفضاء كبير، والأنظمة النجمية التالية في الأفق على بعد آلاف السنين. بالإضافة إلى ذلك، فإن المركبة الفضائية صغيرة وستكون هادئة تمامًا خلال العقدين المقبلين، مما يجعل من الصعب للغاية اكتشافها.

بالنسبة لإرسال الخريطة الجديدة: ليس هناك مسبار فضائي شبيه بـ Voyager فواياجر مجدول لإطلاقه في أي وقت قريب. ولكن إذا كانت هذه الخريطة قد قطعت طريقًا خارج نظامنا الشمسي، وإذا تم التقاطها بواسطة كائنات فضائية ذكية، فيجب أن تكون الخريطة سهلة القراءة والمتابعة.

يثير هذا كل أنواع الأسئلة: هل سيكون للكائنات خارج الأرض على تلك المسافات الوسائل للوصول إلى الأرض؟ إذا كان الأمر كذلك وهم يتجهون في طريقنا، فماذا لو لم يأتوا بسلام؟ ماذا لو كانوا طماعين وذوي نوايا استعمارية أو إبادية؟ وماذا لو كانوا جائعين ولم يكونوا نباتيين؟

إليكم السؤال الأساسي الذي لم يوقف كارل وأبي عن طرحه: هل من الجيد إرسال عنواننا عشوائيًا إلى الكون؟ اليوم، بعض الناس ليس لديهم تحفظات، بالنظر إلى أن الإرسالات الأرضية تتسرب بالفعل إلى الفضاء، والسفر بسرعة الضوء، يمكن اكتشافها من قبل أي شخص لديه تلسكوب لاسلكي لائق يعيش في غضون مائة سنة ضوئية بعيداً منا. الأشخاص الآخرون، ربما بحذر أكثر، سوف يتأخرون عن الإعلان عن وجودنا حتى نعرف ما إذا كان لدى المتطوعين لزيارتنا نوايا شريفة. (هذا ما يبدو عليه المريخ - وفقًا لكارل ساغان).

بالنسبة إلى Dranksomes: سنرسل بكل سرور الخريطة الجديدة عن الأرض، كمحاولة للتأكد من أن وجودنا كنوع سيعيش بشكل ما. إذا تم التقاط هذه الرسالة صدفة أخيرًا، بعد التمايل والانجراف عبر المحيط المجري لملايين أو بلايين السنين ، سيعرف شخص ما أن أبناء الأرض موجودون بالفعل - أو ، مع الحظ ، ما زالوا موجودين.

............................

ظهرت هذه القصة في عدد أكتوبر 2020 من مجلة:

 National Geographic.

https://www.nationalgeographic.com/.../explore-the.../؟ cmpid = org = ngp :: mc = social :: src = facebook :: cmp =

التحرير:

 add = fb20201004ngm-galacticmapgraphicOct2020  rid = & sf238447763 = 1 & fbclid = IwAR1pOMsTPeXj_fQXrVzOFss3ZfnnAGUwmxKEDwEG1nGE1

1024pxWow__signal_source.svg

ويكيميديا ​​كومنز / فيليب تيري جراهام / بناء على عمل بنجامين كروويل

الدعوة لعلم الفلك والكونيات البديل

 تاريخ موجز لعلم الكوسمولوجيا:

"منذ زمن بعيد، في مجرة بعيدة، بعيدة جداً..." مثل ما يمكن للمرء أن يقرأه في بداية كل فيلم من سلسلة أفلام حرب النجوم، يهتم علم الكونيات بتطور الكون ككل.

خلال قرن من الزمان، تغيرت الدراسة الفيزيائية للكون بشكل لا يصدق. لقد بدأته نسبية أينشتاين، وهو يرتكز الآن على ثلاث ركائز صلبة: توسع الكون، والتخليق النووي البدائي، والإشعاع الأحفوري الكوني المنتشر. لكن الملاحظات والمشاهدات الرصدية، التي أصبحت فائقة الدقة، تعطيه وقتًا عصيبًا لتوضيح ألغاز مثل: المادة السوداء أو المظلمة، الطاقة المظلمة أو المعتمة أو السوداء، تكوين الهياكل، بدايات الكون الخ... لفهم النموذج الكوني السائد اليوم، دعونا أولاً نلقي نظرة على المراحل الرئيسية التي أدت إلى نشأته، ثم تطوره. سنلخص بعد ذلك محتواه وما يسمح بقوله عن تاريخ الكون، بمجرد مواجهة الملاحظات.

النسبية والتوسع والمادة السوداء المظلمة:

الأساس النظري الأول لعلم الكونيات الفيزيائي العلم المعاصر هو نظرية النسبية العامة، الذي يوفر إطارًا لوصف الكون والتنبؤ بتفاعلات الجاذبية للمادة والطاقة الموجودة في الكون. هذه القفزة المفاهيمية، التي اكتملت في نهاية عام 1915، قام بها بالطبع ألبرت أينشتاين.

منذ نهاية عشرينيات القرن الماضي، اعتقد علماء الفلك أن الكون يتوسع، بعد الملاحظة والمشاهدة والرصد- التي قام بها إدوين هابل على وجه الخصوص - للمجرات البعيدة، والتي تبتعد عنا جميعًا بشكل أسرع كلما زادت المسافة بيننا وبينها. خلال نفس السنوات، يبحث المرء عن حلول نظرية تحدد الحركة (يتحدث المرء عن الديناميات) لكون متوسع في إطار النسبية العامة. لا تزال الحلول التي وجدها ألكسندر فريدمان وجورج لوميتر بشكل مستقل بين عامي 1922 و1931 مستخدمة حتى اليوم. هذا الإطار النظري، مقترنًا بملاحظات انحسار المجرات (التي "تتتبع" توسع الكون)، تشكل الأساس الأول لعلم الكونيات الفيزيائي الحديث.

في منتصف الثلاثينيات، اكتشف فريتز زويكي تناقضاً بين سرعة المجرات التي تدور في مجموعة من المجرات والكتلة التي تم الحصول عليها عن طريق إضافة تلك المجرات المركزية. إنها الأولى (في سلسلة طويلة جدًا) التي تسلط الضوء على تأثير "الكتلة المفقودة" في الكون. هذه الملاحظة الهاربة من الكتلة، والتي يمكن رؤية آثارها الديناميكية في جميع المجرات والعناقيد (على وجه الخصوص في الكون البعيد، المأهولة بأشياء لا تزال "حديثة")، تسمى اليوم "المادة السوداء أو المظلمة". كما شكلت الثلاثينيات بداية علم الفلك الراديوي، بعد اكتشاف كارل جانسكي (في سنة 1932موجات الراديو المنبعثة من مجرتنا درب التبانة.

ركود المجرات:

في السنوات من 1910 إلى 1930، قام المراقبون (بمن فيهم إدوين هابل) بقياس مسافات المجرات وسرعاتها بالنسبة إلى الأرض. في ذلك الوقت، كانت "السدم" (المسماة بالمجرات وغيرها من الأشكال الضبابية) غير مفهومة جيدًا. يحتدم الجدل حول: هل هم في مجرتنا أم لا؟ وفقًا لعلماء الفلك، لا يمتد الكون المرئي بالضرورة إلى ما وراء درب التبانة. أدت الإجراءات المذكورة إلى ثلاث نتائج مهمة، مع تداعيات قوية.

أولاً: إن المجرات تقع على مسافات فلكية حقًا، أبعد من مجرة درب التبانة. من خلال قياس سطوع نجوم معينة ومقارنتها مع رشقات من النجوم القياسية، يحسب علماء الفلك مسافات عدة سدم. الحكم: تقع على بعد حوالي عشرة ميغا فرسخ، وهي مسافة أكبر بكثير من حجم مجرة درب التبانة (بضع عشرات من الكيلوبارسك). ثانيًا: تظهر سرعات المجرات أنها تبتعد عنا تقريبًا بشكل منهجي. يتم الحصول على السرعات الشعاعية (في اتجاه خط البصر) عن طريق التحليل الطيفي: يتم تحديد الخطوط الذرية المميزة (مثل خطوط الهيدروجين) ومقارنة أطوالها الموجية بتلك المقاسة في المختبر. إذا تم إزاحة الخطوط التي لوحظت في المجرة إلى "زرقاء" (أطوال موجية أصغر / ترددات أعلى) من طيف المختبر "عند السكون"، فإن المجرة تقترب منا. إذا تم "إزاحة الخطوط باللون الأحمر" (أطوال موجية أطول / ترددات أقل)، تتحرك المجرة بعيدًا عنا. يجعل "تأثير دوبلر-فيزو" (الموجود أيضًا للصوت) من الممكن قياس سرعات المجرات، لأن التحول الدقيق للخطوط يوفر سرعة الإزاحة الشعاعية. ثالثًا: هناك علاقة بسيطة بين مسافة المجرة وسرعتها البعيدة. كلما ابتعدت المجرة، زادت سرعة هروبها! أظهر هابل (في عام 1929) ثم هابل وميلتون هيوماسون (في عام 1931) ذلك لمجرات قريبة إلى حد ما (وفقًا للمعايير الحالية).

هذه النتائج الرئيسية الثلاث، لخصها التعبير المتداول في الوسط الفيزيائي «ركود المجرات"، والذي يلقي بالعديد من الباحثين في هاوية الحيرة. هذا مفهوم، فالمفهوم السائد هو (تقريبًا) كون ثابتًا مليئًا بالسدم، والذي يجعل المرء يتساءل عما إذا كانت قريبة أم لا. ومن هنا السؤال: هل تأثير الركود هذا واضح فقط، أم أنه خاصية عالمية للكون المتوسع؟

ترتبط بعض الشخصيات والذهنيات المتقدة بالنماذج النظرية التي تم تطويرها في أعقاب النسبية العامة لأينشتاين. من خلال البحث عن حلول لمعادلات آينشتاين وألكسندر فريدمان (في عام 1922) وجورج لوميتر (في1931) أدركت أن الحل "الثابت" ليس بالضرورة مناسبًا، وأن هناك حلولًا حيث يتمدد الكون. لذلك تم إنشاء صلة بين الملاحظات والنماذج ... ولكن هل هذا المنطق مقبول، وملائم، وصحيح، وقوي؟ لطمأنة القارئ (أو عدم طمأنته): في الوقت الحالي، نسأل أنفسنا باستمرار أسئلة من هذا النوع!

التركيب النووي وإشعاع الكون Nucléosynthèse et rayonnement de l’univers:

في السياق المظلم للحرب العالمية الثانية، شهدت الأربعينيات ظهور الفيزياء النووية (تلك الخاصة بنواة الذرة) وظهور بعض التقنيات، بما في ذلك مستقبلات الراديو. تجعل الفيزياء النووية من الممكن فهم التركيب المعقد جدًا للنواة الذرية في الكون (يُطلق عليه "أطروحة النيوكليوسينتيز أو التركيب النووي nucléosynthèse")، في ظل قوة دفع أعمال رالف ألفر وهانس بيث وجورج غامو والتحسينات التي تم إجراؤها في الخمسينيات من القرن الماضي. فريد هويل، هيرمان بوندي، والزوجان مارغريت وجيفري بوربيدج، وكذلك ويليام فاولر.

يمكننا التمييز بين التركيب النووي البدائي الذي حدث خلال الدقائق الثلاث الأولى من الكون، والذي خلق بعض العناصر الذرية الخفيفة (كل الهيدروجين والهيليوم، وبعض الليثيوم)، وتكوين النواة النجمية الذي يحدث باستمرار في النجوم، والذي يصنع العناصر الذرية الأثقل. بصرف النظر عن الهيدروجين والهيليوم، يمكننا أن نقول بطريقة شعرية - كما يذكرنا هيوبرت ريفز - أننا كلنا "غبار نجمي": كل الذرات التي يتكون منها (الكربون والأكسجين والنيتروجين ...) تأتي من التخليق النووي النجمي (باستثناء الهيدروجين والهيليوم) أي أننا أبناء  النجوم.

هذا التفسير لأصل المادة الذرية، الذي يميز بين العمليات البدائية والنجمية، كان له دور بالغ الأهمية في علم الكونيات وفي تاريخ مفاهيمنا عن الكون. لعقود من الزمان، كان يعتبر العمود الثاني لعلم الكونيات الفيزيائي المعاصر. إنه يوضح الروابط المتكررة بين علم الكونيات (دراسة اللامتناهي في الكبر) والفيزياء دون الذرية (دراسة اللامتناهي في الصغر).

في أواخر الأربعينيات من القرن الماضي، روج غامو لـ"نموذج الانفجار العظيم الساخن" Big Bang chaud، الذي مر فيه الكون بمرحلة من الكثافة والحرارة الفرديتين singulières، قبل أن يبرد بسبب التوسع. تتنبأ الفيزياء بتكوين كمية كبيرة من الضوء، مثلما يحدث عندما ينبعث الضوء من غاز مسخن - على سبيل المثال، لهب شمعة، أو سطح الشمس.

هذا النموذج يحدد كمية التبريد ويجعل من الممكن حساب معدلات إنتاج الجسيمات المختلفة بنجاح مع نسب العناصر الذرية الخفيفة. كما يتنبأ بأن الضوء والمادة بقيا لفترة طويلة "في حالة توازن": أي البلازما- وهي عبارة عن وسط حيث تدور الجسيمات المشحونة كهربائيًا وتتفاعل بحرية مع الضوء- و"مقترن" عبر العمليات الكهرومغناطيسية.  تتنبأ الفيزياء أنه في حالة التوازن هذه التي تتطور مع درجة الحرارة، يكون للضوء خصائص ما يسمى بإشعاع "الجسم الأسود"rayonnement de corps noire. يتنبأ غاموGamow بأن الضوء الذي نشأ أثناء الانفجار العظيم الساخن لا بد أنه لم يختف بعد ذلك كلياً: فالتوسع يقوم "بتخفيفه diluée"، دون تغيير خصائصه المحددة (إذا تم امتصاص الضوء، فسوف يعيد انبعاثه). لذلك يجب على الإشعاع الضعيف والبارد أن يغمر الكون دائمًا، ويشهد على شبابه الدافئ والكثيف. عندما يدور هذا الضوء في كل مكان، يجب ألا تكون خلفية السماء (لذلك في الليل) مظلمة كما نظن! لذلك فالليل ليس مظلماً! سنرى أن هذا التوقع كان صحيحًا. يشكل هذا "الإشعاع الأحفوري rayonnement fossile» الركن الثالث لعلم الكونيات الحديث.

تصبح الملاحظات والنماذج أكثر وضوحا:

اتخذ علم الكونيات منعطفًا كبيرًا في عام 1964، عندما اكتشف أرنو بينزياس وروبرت ويلسون بالصدفة هذا الإشعاع الأحفوري في مجال موجات الراديو (مما جعلهما مشهورين وحازا على جائزة نوبل للفيزياء سنة 1978.

إن إحدى أقوى التكهنات أو التنبؤات لنموذج البغ بانغ الانفجار العظيم الساخن قد تم تأكيده بالمراقبة والمشاهدة والرصد. منذ نهاية الستينيات، كان اكتشاف المجرات البعيدة بشكل متزايد منيرًا ومثيرًا، ولكنه أيضًا مصدر ألغاز. رأى علماء الكونيات في البداية المجرات على أنها "التتبع السلبي" traceurs passifs، وهي أنواع من جسيمات الاختبار تجعل من الممكن معرفة هندسة الكون (أو عمره) من خلال الإحصائيات التي أجريت على عدد كبير من الأجسام والأجرام الفضائية. لكنهم اكتشفوا بعد ذلك أن هذه المجرات تتطور مع العصر الكوني: خصائصها المضيئة (الكثافة واللون والتشكل) ومحتواها (كتل النجوم والغاز) ليست ثابتة بأي حال من الأحوال! قد يبدو الأمر واضحًا الآن، لكن الأوقات المتضمنة في العمليات المعنية (مليارات السنين) أشارت في البداية إلى أن هذه الخصائص المتغيرة ببطء شديد كانت ثابتة.

ظهرت مشاكل أخرى، مثل تقدير عمر الكون باستخدام ثابت هابل. هذا، الذي يُعرَّف على أنه معدل توسع الكون، يصعب قياسه بشكل خاص، بسبب "الحركات المناسبة" للمجرات، بغض النظر عن التوسع العام. في عام 1995، كان علماء الفيزياء الفلكية والأساتذة الناشطون في مجال البحث - يقولون إن هذا الثابت الشهير لم يكن معروفًا إلا في عامل2 تقريباً. وقدرت قيمته بين 50 و100  km / s / Mpc/ ... هل هي مجرد إشارة بسيطة؟ ليس حقًا، لأنه وفقًا للنموذج الكوني القياسي، يقيس ثابت هابل عمر الكون بشكل غير مباشر. نتج عن بعض قيمه عمر يقارب 10 مليارات سنة، أي أقل من عمر أقدم النجوم المعروفة! لذلك كانت المشكلة حادة: نموذج ذو ثلاث ركائز رئيسية تم التحقق من صحتها، ولكنه غير قادر على التوفيق بين عمر الكون ومكوناته، هو في أحسن الأحوال مهتز، وفي أسوأ الأحوال غير مناسب.

دعنا نعود إلى التسلسل الزمني. في سنوات السبعينيات كانت تشهد تراكم بيانات الجودة عن المجرات والأجسام الفيزيائية الفلكية الأخرى. كما شهدت أيضاً إطلاق الأفكار أو برامج التلسكوبات الطموحة - على الأرض وفي الفضاء – حيث النتائج المدهشة لم تشهد أو تواجه أي توقف. ظهرت فكرة جديدة عن اللحظات الأولى للكون في الثمانينيات: سيناريو التضخم الكوني inflation cosmique، والذي سيسود بعد ذلك. إنه يستدعي تمددًا هائلاً جداً وفي فترة قصيرة جداً من الزمن ولكنه غير متناسب للكون، بعد حوالي 10-35 ثانية من الانفجار العظيم. تجعل الفكرة من الممكن حل العديد من الألغاز، مثل تجانس الكون على نطاق واسع جدًا أو خصائصه الهندسية. يقدر العلماء قدرة هذا النموذج على عمل تنبؤات قابلة للقياس، والتي قد تؤكدها الملاحظات المستقبلية أو تنكرها. وفي نفس الوقت، كانت القياسات على المجرات وحشود أو أكداس المجرات، أصبحت أكثر دقة، مما يثخن لغز المادة المظلمة. من خلال رصد أطوال موجية جديدة من الفضاء، نكتشف أنواعًا جديدة من الأجسام، مثل مجرات الأشعة تحت الحمراء التي تشع ما يصل إلى 99٪ من ضوءها خارج الطيف المرئي. ضاعف كتالوج IRAS (تقريبًا) عدد المجرات المعروفة بمقدار الضعف! لم يكن مفهوم بغ داتا سنترBig Data Center -قاعدة البيانات الكبرى – معروفاً بعد، لكن علماء الفيزياء الفلكية كانوا يبحرون بالفعل في حدود الإمكانيات التقنية لمعالجة البيانات وإدارتها.

التقدم المبهر في التسعينيات:

في عام 1989، كان إطلاق القمر الصناعي الأمريكي COBE، المزود بثلاثة أدوات استثنائية (والذي نتج عنه جائزتي نوبل)، بداية فترة رائعة. في غضون بضع دقائق، تقيس أداة FIRAS طيف الخلفية الكونية على نطاق من الأطوال الموجية التي لم يسبق تغطيتها من قبل، بدقة أكبر بمئات المرات من القياسات السابقة. ترسم أداة DMR الخلفية الكونية لبضع سنوات وتكتشف تقلباتها الأولى (الضعيفة جدًا)، والتي أنهت في عام 1992 الجدل حول الحاجة إلى "المادة السوداء أو المظلمة غير الباريونية". تراقب أداة DIRBE الأشعة تحت الحمراء المنتشرة الأخرى. بفضل FIRAS وDIRBE، اكتشف فريق فرنسي في عام 1996 - بشكل غير متوقع، قبل تأكيد أمريكي في عام 1998- إشعاع الخلفية للمجرات أو "الخلفية

الإشعاعية تحت الحمراء خارج المجرة ". كان لهذه القياسات والاكتشافات لها تأثير مدوي، مثل رصد الإشعاع الأحفوري في عام 1964.

تم اختيار مهمتين فضائيتين أخريين تستهدفا الخلفية المنطقية الكونية في عام 1996: WMAP (NASA) وكالة ناسا الأمريكية للفضاء وبلانكPlanck  من وكالة الفضاء الأوربية(ESA). أتيحت لي الفرصة لحضور عروض البعثة في وكالة الفضاء الأوروبية، والتي خرج منها بلانك منتصرًا (كان اسمه آنذاك "COBRAS-Samba"). قال أحد الزملاء خلال الاجتماعات التحضيرية: "دعونا لا ننسى أن شباب الغد الباحثين هم من سيحللون أيضًا بيانات بلانك على نحو أطق وتفصيلي، من الواضح أنها تنبؤات مؤكدة منذ أن تطورت التقنيات بشكل كبير بين COBE وWMAP وPlanck، وتغيرت تمامًا. من ناحية أخرى، لا تزال بعض الأساليب المنهجية المستخدمة، وكذلك موضوع الدراسة، أي الخلفية الكونية وتقلباتها الصغيرة، شائعة.

مرصد الفضاء الأوروبي بالأشعة تحت الحمراء IS0 تم إطلاقه في عام 1995. تم تبريده بالهيليوم السائل للحفاظ على الحساسية الممتازة لأجهزة الكشف وتجنب الإشعاع الحراري الطفيلي، أكمل مهمته في عام 1998، في وقت متأخر جدًا عما كان متوقعًا. جعل ISO من الممكن فهم أفضل لمجرات الأشعة تحت الحمراء التي لاحظها IRAS.

عام 1998 هو أيضًا عام الاكتشاف الكبير، الذي حققه فريقان مستقلان يقيسان مسافات المستعرات الأعظم خارج المجرة (انفجارات النجوم الساطعة بشكل لا يصدق، والتي يمكن اكتشافها في المجرات الأخرى). من خلال مقارنة السطوع المرصود للمستعرات الفائقة البعيدة للغاية وسطوعها المرئي والمرصود، اعتمادًا على المسافة (تم تقييمها باستخدام الانزياح الأحمر أو الانزياح نحو الأحمر)، وجد الباحثون فرقًا. حل واحد فقط: تغيير جذري وهي أيضًا قيمة "الثابت الكوني" (يُشار إليه بالرمز A، وهو أحد معايير النموذج الكوني الساري)، والذي اعتبره العلماء صفرًا حتى ذلك الحين.

كانت هذه النتيجة مدهشة: قيمة غير صفرية للثابت الكوني تعني وجود مكون " ذو ضغط سلبي" يسمى "الطاقة السوداء أو المظلمة أو المعتمة l’énergie noir ou sombre" أو "الداكنة" (الطاقة المظلمة بالإنجليزية dark energy ) مما يسرع من توسع الكون! لذلك فهي تنمو بشكل أسرع وأسرع. يبقى النموذج الكوني متسقًا ومتوافقًا مع البيانات، على حساب سؤالين رئيسيين: ما هي المادة السوداء المظلمة وماهي الطاقة السوداء المظلمة؟ منذ هذا الاكتشاف العظيم، الذي أدى إلى ظهور ثلاث جوائز نوبل في عام 2011، تساءلنا عن أصل هذه الطاقة. وشهدت نهاية العقد أيضًا تحليق التجارب على متن بالونات الستراتوسفير، والتي تطورت على ارتفاع 40 كم. تسمح لك هذه البالونات برصد سماء نقية كما لو كنت في الفضاء لعدة ساعات. يتم استخدامها أيضًا للتحقق من صحة مفهوم أداتي قبل مهمة فضائية.

اكتشافي لعلم الكونيات:

يعود لقائي مع علم الكونيات إلى عامي الأول في دراسة الفيزياء. بعد عام من الفصول التحضيرية (حيث بالكاد ازدهرت)، التحقت بالجامعة كطالب حر خارج الطر الأكاديمية التقليدية المتبعة، حيث شاركت دورات وخيارات تتعلق بالفيزياء المعاصرة، على اتصال بالبحث الذي يتم إجراؤه وأولئك الذين يقومون به. ومن بينها دورة استثنائية في الفيزياء الفلكية، والتي تم فيها فقط تقطير بعض المفاهيم الأساسية للفيزياء، والتي تم فحصها بعد ذلك من عدة زوايا في إطار الفيزياء الفلكية. على سبيل المثال، تأثيرات الجاذبية، من المد والجزر (على الأرض، أو التي تفسر حلقات زحل) إلى ديناميكيات الكون المتوسع (في تقريب كلاسيكي).

اليوم، وبعد اقترابي من العقد السابع في العمر أحاول أيضًا إعطاء القراء العرب رؤية عالمية ومعاصرة مرتبطة بالفيزياء الفلكية أو تقنيات الفضاء، بدون ننسى الحديث عن آخر التطورات في الفيزياء. إذا اقتربت من فكرة تغيير الإطار المرجعي (ليس معقدًا جدًا في حد ذاته، ولكن يصعب فهمه لأنه ليس بديهيًا)، أذكر أيضًا الإطار المرجعي المرتبط بالخلفية الكونية، والذي لم يسمع عنه القراء العرب سوى القليل.

إذا كان الأمر يتعلق بتوضيح قوانين الحفظ (الطاقة، الزخم الزاوي) وقوانين كبلر (مشكلة الجسمين)، فيجب اللجوء إلى أمثلة خارجة عن كواكب النظام الشمسي، كخيار حركة الكواكب الخارجية حول نجومها، لقاء سويوز مع محطة الفضاء الدولية، مشاهد من أفلام الجاذبية بين النجوم، حركة ثقبين أسودين حول مركزهما الباري (ضمن الحد الكلاسيكي، ولكن فيما يتعلق بالكشف الأخير عن موجات الجاذبية)، عناقيد المجرات (مع الحجج التي أدت إلى فكرة المادة المظلمة)فالأمر يتطلب أن نكون على اتصال بالباحثين، الذين يدفعون حدود المعرفة إلى الأمام على أساس يومي. هذا الاتصال المباشر، من أجل تدريب فكري تعددي وإنساني ومرضي وعالي الجودة، يجمع بين التميز والانفتاح على الجميع (بالإضافة إلى كونه صلبًا واحترافيًا)، يبدو لي أنه فرصة ومصلحة مدنية.

بداية رائعة لهذا القرن الواحد والعشرين:

تم إطلاق مهمة NASA من WMAP في عام 2001، وهي تمثل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين: لمدة 9 سنوات، تقيس بدقة شديدة تقلبات الخلفية الكونية وتحقق نتائج مبهرة. آخر إطلاق لناسا القمر الصناعي - تلسكوب سبيتزر Spitzer الفضائي، المراقب الذي يغطي المجرات البعيدة في الأشعة تحت الحمراء في 2003 لا يزال يعمل حتى يومنا هذا.

سنوات 2010 وما بعدها، شهدت النجاحات العظيمة لبعثات بلانك Planck وهيرشل Herschel التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية، بمساهمة فرنسية قوية للغاية. يعد Herschel أكبر تلسكوب فضائي تم إطلاقه على الإطلاق (حقيقة غير معروفة): يبلغ قطره 3.50 rn، وهو يتجاوز تلسكوب Hubble Spatial (تلسكوب هابل الفضائي باللغة الإنجليزية، 2.40 rn). مثل إيسو ISO وسبيتزر Spitzer، فهو يستهدف المجرات بشكل أساسي، مما يجعله مكملاً لـ Planck. التجارب التي ترصد الخلفية الكونية من الأرض لا ينبغي تجاوزها: تلسكوب القطب الجنوبي (SPT)، يعطي تلسكوب Atacama Cosmology (ACT) أو BICEP2 نتائج جيدة، لا سيما بفضل الدقة الزاويّة البطيئة الممتازة. إن التطورات المخطط لها لتجارب المراقبة الأرضية هذه، ولا سيما مع كاميرات أكثر حساسية وأكبر قدرة على الرصد، ومجهزة بترددات أكثر وقادرة على قياس الاستقطاب، تعد واعدة للغاية.

تجارب أخرى تميز الساحة العلمية في العشرين سنة الماضية: دعونا نقتبس من مقياس التداخل ALMA (صحراء أتاكاما، تشيلي) وشقيقه الصغير NOEMA (فرنسا) للرصد في موجات الراديو، أو الأقمار الصناعية Chandra (NASA) وXMM (ESA)، التي تم إطلاقها في 1999، للأشعة السينية، ومؤخراً القمر الصناعي germano-Russe eROSITA، الذي تم إطلاقه في عام 2019. تم التخطيط للعديد من البعثات لعقد عشرينات وثلاثينات القرن الواحد والعشرين-2030- 2020-، بما في ذلك أقليديس Euclid الأوروبي وJames Webb Space Telescope (JWST)، لتحل محل هابل. على الأرض، سيحدث تلسكوب المسح الشامل الكبير (LSST) ثورة في علم البيانات والفيزياء الفلكية لأنه سيرصد بألوان متعددة السماء المرئية بأكملها، من تشيلي، كل أسبوع تقريبًا. تكملة مثالية لإقليدس!

تحديات وتساؤلات اليوم:

يمكن تلخيص تاريخ الكون الذي طوره العلماء (علماء الفيزياء الفلكية، وعلماء الكونيات، وعلماء الفيزياء، والمراقبون، والمجربون، والمنظرون) في "نموذج الانفجار الكبير الساخن القياسي"، والذي يظل ثابتًا بشكل ملحوظ على الرغم من الاختلافات والعيوب. ويفي بجميع اختبارات المراقبة وقد تم إثراؤه بمرور الوقت، مع تغذية بيانات أكثر دقة وانعكاسات أكثر تعقيدًا، في محاولة للاستجابة لتحديين رئيسيين.

يتعلق الأول بالتجانس الكبير جدًا لـ الكون "الشاب"، الذي تمت ملاحظته عند 0.0027٪ من عمره الحالي، أو ما يقرب من 370.000 سنة بعد الانفجار العظيم ولو قورن ذلك بعمر الإنسان المتوسط فإن 60 عامًا، هذه الفترة تقابل 14 ساعة بعد ولادته، إنه وقت انبعاث الشعاع الكوني الأحفوري. يكون تجانس الكون كله، في درجة الحرارة والكثافة، أفضل من 0.001٪ (نتحدث عن "تباين نسبي" 10-5). الأمر الذي يبدو غامضًا: لم يكن هناك وقت للإشارة لكي تنتقل بين مناطق بعيدة جدًا عن بعضها البعض (لا توجد "علاقة سببية")، فلماذا سيكون لها نفس الخصائص؟ كيف تشرح الكمال في التماثل والتجانس و"سيء التزامن " في درجة الحرارة؟ على العكس من ذلك، ما هو أصل عدم التجانس الضعيف؟

لقد أدت التطورات النظرية إلى رفع الحجاب إلى حد ما عن تلك الألغاز. يتفق العلماء الآن على أن تجانس الكون مرتبط بلحظاته الأولى بل وربما بما قبل البغ بانغ. وفقًا لسيناريو التضخم الكوني، بعد حوالي 10-35 ثانية من الانفجار العظيم، سيطرت طاقة الفراغ الكمومي على الكون. هذا له تأثير طارد مذهل، والذي تسبب في تمدد بمعدل أسي، وضرب حجم الكون بعامل حوالي 1060 ... في النموذج القياسي البسيط، من "التقلبات الكمومية" لـ طاقة الفراغ، نتج عن التضخم اضطرابات مادية (أو germes"جراثيم") تم تضخيمها؛ ربما تكونت المجرات منها.

التحدي الثاني يتعلق - على العكس من ذلك - بالجانب الكبير من عدم تجانس الكون الحالي، المنظم في مجموعات من المجرات والسدم المجرية وعناقيد المجرات، ثم في النجوم، الغاز والغبار على وجه الخصوص، بالإضافة إلى المادة السوداء أو المظلمة (السائدة والغامضة). كيف تشكلت النجوم الأولى، والمجرات الأولى؟ كيف تم تكوين النجوم من الغاز البارد في المجرات والعناقيد؟

لشرح واحدة أو أخرى من هذه النقاط، تطور النموذج القياسي أو المعياري إلى متغيرات، والتي في بعض الأحيان لا يمكن اختبارها بعد أو تحتوي على معلمات ومعايير وإعدادات مجانية يصعب تقييدها. يريد العلماء تحدي النماذج، بإجراءات يمكن أن تفصل بينها وربما استبعادها. يحددون "المراقبين" الذين، بمجرد قياسهم، سيكونون قادرين على مقارنة هذه النماذج. لا تزال الخلفية الكونية ملحوظة رئيسية، حيث يرتبط عدم تجانسها الضعيف بكل من الجراثيم germes التي ولدت المجرات، والعمليات الفيزيائية للكون البدائي.

إلى جانب هذين التحديين، يمكن تلخيص الأسئلة الحالية الرئيسية في الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات في أربع نقاط:

- كيف كان سلوك الكون في لحظاته الأولى؟

- ما هي طبيعة وماهية المادة السوداء أو المظلمة؟

- ما هي طبيعة وماهية الطاقة السوداء أو المعتمة أو المظلمة؟

- كيف تتشكل الهياكل الكبيرة (عناقيد المجرات والمجرات)، بما في ذلك الأجسام المضيئة الأولى في الكون؟

هذه الأسئلة الأربعة، التي من المحتمل أن تتحدى النموذج القياسي المعياري لعلم الكونيات أو فيزياء الجسيمات، وهي في صميم البحث الحالي والمشاريع الكبرى الجارية أو التي بدأت أو تم التخطيط لها أو المتوخاة.

الأول يستدعي سيناريو التضخم الكوني، وهو وقت قصير للغاية شهد توسع الكون بسرعة كبيرة. لقد ترك التضخم آثارًا مختلفة يمكن ملاحظتها في الكون، تم قياس بعضها بواسطة القمر الصناعي الفضائي بلانك.

والثاني يبقى لغزا كبيرا. عدة مسارات موجودة، والتي تنطوي بشكل أساسي على الجسيمات الغريبة. يتم النظر في العديد من الآليات المرشحة ومجموعات الآليات، ولكن لم يتم حتى الآن إجراء كشف مباشر مقنع.

والثالث لغز أيضا. ظهر تقدم نظري ورصدي خجول، في انتظار سيل من بيانات "الجيل الجديد)" المستهدفة قريبًا.

الرابع يتضمن مقاربات معقدة جدا ومتعدد النطاقات، مع المادة السوداء أو المظلمة والمادة العادية وتفاعلاتها. يتطلب الأمر ملاحظات ومراقبة صعبة، خاصة عندما يتعلق الأمر باكتشاف تأثيرات الأجسام الأولى التي تشكلت في الكون. تحدث تطورات كبيرة بشكل شبه يومي، لكن تعقيد وتنوع العمليات الفيزيائية المعنية، المرتبطة ببيانات أو محاكاة دقيقة للغاية ولكنها مجزأة في كثير من الأحيان، تجعل الموقف حساسًا.

سنعود الآن بالتفصيل إلى التاريخ الطويل للكون المرئي، مثل النموذج القياسي المعياري لعلم الكونيات الذي يسمح بإعادة بنائه، للمشاكل التي لا يزال هذا النموذج يطرحها، وكذلك إلى الخلفية الكونية، موضوع كل الاهتمام.

نجاحات النموذج القياسي المعياري:

لقد حققت النظرية الحالية، التي تصف تاريخ الكون المرئي بشكل جيد إلى حد ما، نجاحًا كبيرًا إزاء الرصد والمراقبة والمشاهدة والملاحظة. ومع ذلك، لا يوجد نقص في قيود النماذج والأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها، ويعالجها علماء الكونيات. للإشارة إلى رسم ألكسندر أستير وموريل بونيه عندما تحدثوا بروح الدعابة عن فيزياء الكم، كان بإمكاني أن أعنون هذا الفصل "النموذج القياسي لعلم الكونيات: سجل مختلط".

تم تطوير النموذج القياسي لعلم الكونيات الحالي من خلال الاختراقات المفاهيمية، ثم الاكتشافات الرصدية، وأصوله الصلبة، ولكن أيضًا مناطق رمادية وأسئلة مفتوحة. يمكن تلخيص السيناريو البسيط نسبيًا في خمسة أعمال، تخضع نفسها لبعض الاختلافات. هذا ما يخبرنا به عن الكون.

تاريخ الكون في خمسة فصول:

الفصل الأول: الانفجار العظيم والتضخم

يعتمد النموذج القياسي على مفهوم توسع الكون، الذي بدأ منذ 13.8 مليار سنة في مرحلة شديدة الكثافة والسخونة تسمى "الانفجار العظيم". ما بين 10-35 و10-32 ثانية بعد هذا الانفجار العظيم، كان التوسع الأسي يسمح للكون بالنمو بعامل كبير. هذه هي نظرية التضخم الكوني المذكورة سابقًا. هذه الحلقة مصحوبة بخلق طاقة استثنائية، في شكل ما يسمى بموجات الجاذبية "البدائية «أو الموجات الثقالية. وبالتالي، فإن التوسع الشامل للكون يجعله دائمًا أقل كثافة وأبرد. محتواه متجانس للغاية وهندسته إقليدية (نقول أحيانًا "مستوي").

الفصل الثاني: أول ثلاث دقائق

تحدث العديد من الظواهر الرائعة في وقت مبكر جدًا في الكون، عادةً خلال الدقائق الثلاث الأولى من بينها، توليف الجسيمات وتفاعلها، ولا سيما التركيب النووي البدائي: مجموع نوى الهيدروجين (التي نعرفها تحت اسم"البروتونات") وجميع نوى الهيليوم تقريبًا، بالإضافة إلى تلميح من نوى الليثيوم. يتم وصف هذه العمليات بشكل مثالي من خلال فيزياء الجسيمات والفيزياء النووية والفيزياء الإحصائية وفيزياء الإشعاع الكهرومغناطيسي (باختصار، ميكانيكا الكموم والديناميكا الحرارية).

تتسبب التقلبات الكمومية الصغيرة في الفراغ، الممتدة عن طريق التضخم، في تقلبات صغيرة في الكثافة. تحت تأثير قوى الجاذبية، سوف يقومون ببناء هيكلية(بعد ذلك بوقت طويل) لتشكيل مجرات وعناقيد من المجرات. لذلك تميزت بدايات الكون بأربعة لاعبين رئيسيين (سيجد الأصوليون الفصل بين المادة والطاقة مصطنعًا،

فالاثنان متكافئان بحكم معادلة آينشتاين الشهيرة عن الكتلة والطاقة E = mc2): الزمكان الذي ينحني، الجاذبية التي تعمل على المادة بشكل جاذب، الإشعاع الذي ينقل معظم الطاقة ويقاوم ضغط المادة بالجاذبية، والتوسع الذي يبرد المشهد ويجعل العمليات الفيزيائية "خارج التوازن".

الفصل الثالث: حول إعادة التركيب recombinaison

لفترة طويلة، كان الكون عبارة عن بلازما من مادة وفوتونات مشحونة كهربائيًا. ثم جاء إعادة التركيب: بعد حوالي 370 ألف سنة من الانفجار العظيم، في درجة حرارة محيطة تبلغ حوالي 3000 كلفن، ترتبط الإلكترونات بنوى ذرية لتشكيل الذرات.

حتى وقت إعادة التركيب، المادة الإشعاع مقترنان، في حالة توازن مع بعضهما البعض: تميل الجاذبية إلى تكثيف المادة، لكن الإشعاع المرتبط بهذه المادة يعارضها، مما يؤدي إلى «ضغط الإشعاع". لذلك تتذبذب البلازما بشكل ضعيف منة - مثل سطح الأسطوانة المهتزة - وفقًا لهذه القوى المتعارضة، وفقًا لأنماط الاهتزاز اعتمادًا على خصائص الكون في ذلك الوقت. يمكن لهذه التذبذبات (تسمى "الصوتية") للمادة المتأينة والفوتونات أن توفر معلومات عن المراحل الأقدم.

تحدث اهتزازات صوتية من نفس النوع في الشمس والنجوم تحمل معلومات حول الفيزياء من القلب إلى السطح، حيث تجعلها الاختلافات في الإشعاع الكهرومغناطيسي قابلة للاكتشاف. نظرًا لتفاعلاته مع المادة المتأينة، يستغرق الضوء حوالي 100000 عام (!) للهروب من داخل الشمس، ثم 8 دقائق قصيرة للوصول إلى الأرض، بعيدًا جدًا ولكنه يقع في بيئة شفافة 'علم الشمس وعلم الهليوسيزمولوجيا الهزات الشمسية وعلم الزهرة النجمية - دراسة اهتزازات الشمس والنجوم - يجعل من الممكن استكشاف إشعاعها الداخلي المعتم دون رؤيته مباشرة. يمكننا حتى اكتشاف البقع الشمسية الموجودة في نصف الكرة غير المرئي لنجمنا ... وبالمثل، يتيح علم الكون دراسة اهتزازات الكون البدائي، عندما كان معتمًا للإشعاع.

ملاحظة رائعة: إن معادلات الاهتزاز: هي نفسها تقريباً بالنسبة لنجم (يمكن ملاحظته كل ليلة) والكون في مرحلة في وقت مبكر جدًا ... هذا النوع من المعادلات - "المذبذب التوافقي" - هو علاوة على ذلك بسيط جدًا من الناحية الحسابية (معادلة تفاضلية من الدرجة الثانية ذات معاملات ثابتة) ويستخدمها الطلاب منذ سنوات دراستهم الجامعية الأولى.

لتوضيح حركة بندول بسيط (مشكلة يواجهها غاليليو)، أدير بندولًا صغيرًا يدويًا وأقوم بتفصيل نقاط معينة. مثال: تعتمد فترة تذبذب البندول فقط على طوله (تقريبًا) إذا ظلت زاوية التذبذب صغيرة. أشير إذن إلى أن حركة التوازن هذه تشبه في كل الأحوال اهتزازات الكون البدائي! أحيانًا أقدم تجربة حية أخرى: صنع فقاعات صابون "عملاقة" (بالكاد يتجاوز قطرها 40 سم) ومشاهدتها تتشوه قليلاً. يهتزون بطريقتهم الخاصة ويخبروننا عن طبيعتهم المادية، مثل اهتزازات النجوم والكون الشاب.

أثناء إعادة التركيب، تصبح المادة محايدة كهربائيًا. عندما تختفي المادة المشحونة، ينفصل الإشعاع عنها ثم ينتشر بحرية ويشكل الخلفية الكونية الشهيرة. يتوقف ضغط الإشعاع والتذبذبات الصوتية عن الوجود، لعدم وجود معركة بين الجاذبية والإشعاع. لكن آثار التذبذبات لا تزال ملحوظة حتى اليوم، في تقلبات درجات الحرارة في الخلفية الكونية والتوزيع الواسع النطاق للمجرات.

الفصل الرابع: الشفافية وتكوين الهياكل:

على الرغم من توسع الكون، فإن كثافات المادة الزائدة، التي بدأت بتذبذبات متقطعة، ثم تزداد بانهيار الجاذبية. إنها تشكل تراكيز كبيرة (تسمى "الهالات") والتي ستصبح فيما بعد هياكل الكون: مجرات وحشود من المجرات. تسيطر المادة السوداء أو المظلمة على هذه الهالات، والتي يتسبب "غرقها المحتمل للجاذبية" في انهيار المادة العادية، التي تتكثف وتبرد، ثم تشكل النجوم. في البداية، صغيرة نسبيًا، تندمج الهالات والمجرات لتكوين أنظمة ضخمة بشكل متزايد. هذا هو جوهر ما تتنبأ به معظم نماذج التكوين - المعروفة باسم "الهرمية" - للبنى في علم الكونيات. ظاهرة أخرى مثيرة للاهتمام تحدث بعد بضع مئات الملايين من السنين من الانفجار العظيم، في كون أبرد بكثير مما حدث أثناء إعادة التركيب (بضع عشرات من درجات كلفن، مقابل 3000 درجة كلفن في البداية). تضيء النجوم الأولى بعد ذلك في كون شفاف، لكنه يتكون قبل كل شيء من الهيدروجين المحايد. يتسبب إشعاعهم في تأين الذرات المجاورة: فهو يفصل الإلكترونات عن البروتونات مرة أخرى. تمتد هذه الفقاعات المتأينة من كل نجم، حتى تتسرب أخيرًا وتملأ الكون (سنرى أن هذه الإلكترونات الحرة قابلة للكشف دائمًا). الحقبة المعنية تسمى "إعادة التأين".

الفصل الخامس: التوسع المعجل:

يمكن اكتشاف تأثيرات توسع الكون بوضوح على نطاق واسع للغاية، يتجاوز مائة أو نحو ذلك ميغا فرسخ. نلاحظ أن هذا التوسع يتسارع ونستدعى الطاقة المظلمة لشرح هذه الظاهرة: لقد سيطرت على ديناميكيات الكون لعدة مليارات من السنين، بعد عهود الإشعاع، ثم المادة.

وصفة الكون الحار حسب ستيفن واينبرغ:

أكثر الكتب مبيعًا لهذا العالم ستيفن واينبيرغ هو" في الدقائق الثلاث الأولى من الكون، ستيفن واينبيرج (ترجم من الأمريكي جان بينوا يلنيك) - جائزة نوبل عام 1979 لنظرية القوة الكهروضعيفة - ببراعة وبروح الدعابة يقدم "وصفته لكون حار". على الرغم من أنه يرجع تاريخه إلى أواخر السبعينيات، إلا أنه يظل وثيق الصلة تمامًا بوصف النيوكليوسنتيز التركيب النووي. وهذا ملخص أطروحة واينبيرغ مع إضفت بعض التفاصيل (بين قوسين):

"إذن، إليك ملخص لوصفتنا لبداية الكون بكل مكوناته: خذ شحنة [كهربائية] لكل فوتون يساوي صفرًا، ورقم باريوني لكل فوتون يساوي واحدًا لكل مليار [أي واحد مليار فوتون لكل بروتون] وعدد ليبتون [عدد الإلكترونات والنيوترونات، على سبيل المثال] لكل فوتون غير محدد ولكن صغير. اضبط درجة الحرارة بحيث تكون في جميع الأوقات أعلى من درجة الحرارة بمقدار 3 درجات كلفن [مقياس درجة الحرارة المطلقة] لخلفية الإشعاع الحالية [الخلفية الكونية] في نسبة حجم الوحدة الحالية إلى حجمها عند الوقت يعتبر [العامل 1 + ض]. رج العبوة جيدًا بحيث يتم تحديد التوزيعات التفصيلية للجزيئات من أنواع مختلفة حسب ظروف التوازن الحراري. ضع كل شيء في كون يتمدد، حيث يتم التحكم في سرعته بواسطة مجال الجاذبية الناتج عن الوسط. بعد فترة كافية، يجب أن يعطي هذا الخليط كوننا الحالي. "

سنحدد اليوم في الجملتين الأخيرتين: إضافة المادة المظلمة لجعل الهياكل الكبيرة تظهر بشكل أسرع، تمامًا كما تصنع الخميرة العجين، وتغطي بالطاقة المظلمة لتسريع توسعها.

بعض القضايا المزعجة:

بشكل عام، فإن النموذج القياسي وتنوعاته ناجحة للغاية. لا يقتصر الأمر على اتفاقهم مع العديد من الملاحظات (التقلبات في درجة حرارة الخلفية الكونية وفي كثافة المادة ...)، ولكنهم توقعوا الظواهر التي لوحظت لاحقًا، مثل التذبذبات في التوزيع المكاني واسع النطاق لـ المجرات.

 على الرغم من كل شيء، لا تزال هذه النماذج تواجه قيودًا أساسية. من بين هؤلاء جهلنا بطبيعة المادة السوداء أو المظلمة والطاقة السوداء أو الداكنة المظلمة. مشكلة أخرى: تفاصيل فيزياء الباريونات (الأمر"عادي")، ولا سيما صلاتهم بالمادة المظلمة، وعمليات تراكم المادة وتشكل النجوم. في الواقع، النماذج تصف بدقة فقط سلوك المادة السوداء أو المظلمة. لكن الضوء القادم من المجرات الذي يصل إلى تلسكوباتنا يأتي أساسًا من تبريد الباريونات (مما يؤدي إلى تكوين الغيوم والنجوم بين النجوم)، وليس من المادة السوداء أو المظلمة! لمقارنة النظرية والملاحظة أو المشاهدة، من الضروري وصف انهيار الغاز في المجرات والنجوم، من خلال النماذج المعقدة. هذه واحدة من الصعوبات الرئيسية في دراسة الهياكل الكبيرة للكون والمجرات.

يخطو علم الكونيات أيضًا خطوات كبيرة في الدراسة من الفترة العالقة بين نهاية إعادة التركيب وعصر الهياكل الكبيرة. تمتد عدة ملايين من السنين (وتقع في انزياحات حمراء redshifts تتراوح من 1000 إلى حوالي 20)، وتسبق هذه الفترة المسماة "العصور المظلمة" ما يسمى بشكل متواضع "الأشياء الأولى"، دون معرفة الكثير. هذه (النجوم، الكوازارات). تتميز هذه العصور المظلمة بكون محايد ومظلم، ولا يوجد مصدر للضوء هناك حتى الآن.

تتشكل الأجسام المضيئة الأولى (النجوم أو الكوازارات أو كليهما) في "بنيات" هياكل كبيرة للمجرات. المادة الباريونية الوحيدة المتاحة هي الهيدروجين والهيليوم، يجب أن تكون هذه النجوم خاصة (يحتوي الكون الحالي على العديد من الأنواع ذرية، مركبة في أجيال متعاقبة من النجوم). علاوة على ذلك، فهي تتألق بقوة في نطاق الأشعة فوق البنفسجية، وهذا الإشعاع يؤين بيئتها: فقاعات أو تجاويف "معادة التأين" تمتد.

الشكل 4.1. عرض تخطيطي لتاريخ الكون الموصوف بواسطة النموذج القياسي لعلم الكونيات، مدعومًا بالعديد من الملاحظات (الأحدث من القمر الصناعي بلانك). الائتمان: وفقًا لوكالة ناسا. يمكننا إعادة النظر في التاريخ الطويل للكون في الرسم البياني الكمي أدناه، الذي يربط بين المراحل الرئيسية والعمر والانزياح الأحمر ودرجة الحرارة. يتدفق الوقت من اليسار إلى اليمين، والانفجار العظيم والتضخم على اليسار (غير موضح). نحن نتخيل في الحال درجات الحرارة والطاقات وعوامل القياس والمراحل الرئيسية: إنتاج المادة السوداء أو المظلمة، والتخليق النووي، والخلفية الكونية، وإعادة التأين، وظهور الهياكل الكبيرة. يشير لون هذا "البوق الكوني" إلى العنصر المسيطر على التمدد. حتى انزياح أحمر يبلغ حوالي 3370، هذا هو الإشعاع. بعد ذلك تأتي المادة، ثم الطاقة السوداء أو المعتمة والمظلمة "مؤخرًا".

مقاييس النموذج القياسي الكوني:

يسمى الجزء الأكثر استخدامًا من النموذج القياسي"نموذج ACDM". تمثل A الثابت الكوني، بينما تمثل CDM المادة السوداء أو المظلمة الباردة (المادة المظلمة الباردة، أي أن جسيماتها تتحرك أبطأ بكثير من سرعة الضوء). يحتوي هذا النموذج على ستة معايير رئيسية، بما في ذلك الكثافة الإجمالية للمادة العادية (الباريونات) وتلك الخاصة بالمادة السوداء أو المظلمة الباردة. إنها تجعل من الممكن حساب قيم تسع معلمات أخرى (تسمى `` المشتقات '')، بما في ذلك ثابت هابل H0 (مع إعطاء معدل التوسع الحالي)، وعمر الكون والكثافة الكلية للمادة

(باريونات + مادة مظلمة + نيوترينوات). يمكننا إعادة استخدام عنوان Star Wars Episode III - Revenge of the Sith - بتعديله قليلاً؛ هذا من شأنه أن يعطي: "انتقام المعايير الستة". تم إجراء القياسات الأكثر دقة لجميع هذه المعلمات بواسطة القمر الصناعي بلانك ونشرها للجمهور.

 في عام 2015. يقدر عمر الكون بـ 13799واليوم، وبفضل بيانات بلانك 13.852

± 0.038 مليار سنة، ثابت هابل عند 67.8 ± 0.9 كم / ثانية / مليون قطعة.

يمكن للقارئ المهتم بالتفاصيل الرجوع إلى المقالة العلمية التي تلخص نتائج بلانك Planck (https://arxiv.org/pdf/1807.06209.pdf ؛ الجدول 2، العمود الأيمن، يعطي جميع المعلمات).

تأتي هذه المعلمات من المقارنة بين البيانات والنموذج، حيث يمكن تفسير الملاحظة فقط في إطار نظري. إذا ظهر نموذج جديد في غضون بضع سنوات، فيمكننا إعادة تحليل بيانات بلانك (دون تغيير) واستنتاج قيم أخرى للمعلمات (هذه القابلية للدحض هي قوة النهج العلمي). ولكن إذا قال هذا النموذج (على سبيل المثال) أن الكون أصغر من النجوم التي تعتبر الأقدم، فسيتعين علينا تطويره! لذلك، فإن الضمانات تلزم بعدم اختراع نماذج بعيدة المنال (بمعنى "بعيدة للغاية عن التدابير المعتمدة").

يتم قياس المعلمات من خريطة الخلفية الكونية بشكل تخطيطي في ست خطوات:

أ) نقطة البداية: خريطة الخلفية الكونية المنتشرة فوق السماء بأكملها.

ب) نقوم بإسقاط الخريطة وفقًا لمقاييس زاوية مستقلة

قلادة (ما يسمى بإسقاط "التوافقيات الكروية").

ج) تستخدم الحسابات الإسقاط في التوافقيات الكروية (المصطلح) وشدة تقلبات الخلفية بمقياس وموضع معينين في السماء (الشروط أ،). يوفر ناتج العديد من الشدات القدرة على مقياس زاوي معين. في النهاية، نحصل على طيف القدرة للتقلبات (في جميع المقاييس الزاوية).

د) توليد عشرات الآلاف من نماذج أطياف القدرة ومقارنتها بالبيانات. هـ) نحافظ على النماذج التي تناسب البيانات على أفضل وجه. في بعض الأحيان، تعطي مجموعات متعددة من المعلمات ملاءمة جيدة جدًا (نتحدث عن "الانحرافات"). يقلل بلانك بدرجة كبيرة من عدم اليقين عن طريق قياس عدة قمم على منحنى الخلفية الكونية.

و) يتم تحديد قيم المعلمات التي "نجت" باستخدام أشرطة الخطأ، نحصل على المعلمات علم الكونيات النهائي.

 الخلفية الكونية، "ضوء البقايا" الرئيسي من مكونات الكون - في المادة والطاقة متنوعة: ضوء، مادة عادية (ذرات، جزيئات، الإلكترونات ...)، النيوترينوات (الجسيمات الأولية تتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع المادة، ذات كتل صغيرة وبدون شحنة كهربائية)، مادة مظلمة، طاقة مظلمة. نحن نعرف القليل جدًا عن المكونين الأخيرين: غير معروفين في المختبر، ولا يستفيدون من أي تفسير نظري واضح (على الرغم من العديد من السبل)، ولكن يتم استدعاؤهم لشرح الآثار المرصودة جيدًا.

الشكل 4.4. من صور بلانك إلى المعلمات الكونية في 6 خطوات. الى. صورة بلانك للخلفية الكونية. ب. نقوم بتحليل الصورة وفقًا لعدة قرارات. ضد. يتم إجراء عملية الارتباط الرياضي للحصول على طيف القدرة الزاوي. د. نقوم بتوليد الملايين من نماذج الكون، ونقارنها بالبيانات: نحتفظ فقط بأفضل النماذج التي "تنجو" من هذه المقارنة. ه. العديد من النماذج مرضية، ولكنها تعطي قيمًا مختلفة قليلاً للمعلمات: لذلك نحسب الاحتمال وعدم اليقين. F. هذه المعلمات في النهاية تعطينا "المخطط الدائري" الكوني: بطاقة هوية الكون بتكوينه نشوئها في المادة الباريونية، المادة المظلمة، الطاقة المظلمة. أن تكون مبهمة، خلال حلقة قصيرة - تسمى "آخر فترة بث" - والتي حدثت بعد حوالي 370.000 سنة من الانفجار العظيم. لا يزال الضوء الذي يغمر الكون في ذلك الوقت - الخلفية الكونية المنتشرة، أو الإشعاع الأحفوري - يدور وقد تمت ملاحظته بواسطة أجيال من الأقمار الصناعية: COBE وWMAP وPlanck. يسمح لنا هذا الإشعاع (المسمى "الجسم الأسود") بالعودة إلى أوائل شباب الكون.

في الكون البدائي، كثيف جدًا، الضوء ليس كذلك لا يمكن أن تنتشر بحرية. ثم توقف الكون بحلول الوقت الذي انبعثت فيه ("آخر انتشار لها")، اكتسبت فوتونات الخلفية الكونية استقطابًا يعتمد على سرعة بلازما الإلكترون / الفوتون في ذلك الوقت. توفر درجة واتجاه استقطاب الفوتونات القادمة من نقطة في السماء معلومات إضافية عن حالة الكون في ذلك الوقت. تتيح لنا هذه البيانات الرئيسية تحسين النماذج، التي كانت تستفيد في السابق فقط من قياسات تغيرات درجات الحرارة بين نقاط مختلفة.

ما هو الجسم الأسود؟

دعونا نعطي بعض التفسيرات حول هذا المفهوم، الضروري لفهم الخلفية الكونية. بشكل عام، يُقال إن الإشعاع هو "الجسم الأسود" عندما يكون غاز الفوتونات في حالة توازن ديناميكي حراري. يمكن أيضًا التعبير عنها على النحو التالي: في النظام الفيزيائي، يكون توزيع طاقة الفوتونات هو توزيع الجسم الأسود عندما تكون المادة والإشعاع في حالة توازن ديناميكي حراري. هذا يستحق التوضيح! من أين جاء اسم "الجسم الأسود"؟ بحكم التعريف، يمتص هذا الجسم قدرًا من الطاقة يبعث (التوازن الديناميكي الحراري). لذلك يبدو من حيث المبدأ "أسود" لمراقب خارجي، إذا كان النظام المادي مغلق. لكن لا يجب الخلط بيننا بهذا الاسم! يمكننا وصف الجسم الأسود بأنه غاز مثالي من الفوتونات (بدون تفاعل فيما بينها) عند التوازن الحراري. إذا كانت في وسط مادي (هذا هو الحال دائمًا تقريبًا)، يكون تفاعل الفوتونات مع المادة ضعيفًا. هذا الوسط المادي ضروري للتوازن الحراري، لأن الفوتونات لا تتفاعل مع بعضها البعض. في الجسم الأسود، يتم حفظ الطاقة الكلية. ولكن بخلاف غاز المادة المثالي، الذي يكون عدد جسيماته ثابتًا، فإن غاز الفوتونات له عدد متغير من الجسيمات، تحددها ظروف التوازن الحراري.

مثال رئيسي على الجسم الأسود: الكون في لحظة المادة / توازن الإشعاع. لاحظ أن الراصد يكون إذن في "العلبة" لهذا الجسم الأسود! بعض الأنظمة غير المتوازنة لها أيضًا نصف قطر قريب من الجسم الأسود، على الرغم من أنها ليست رسمية (لم يتم الوصول إلى التوازن، والنظام يتطور باستمرار، وتتبدد الطاقة). من بين هذه الأجسام السوداء "الزائفة" التي تشبهها بشدة: الغلاف الجوي لنجم، جهاز قياسي مخصص، سطح الأرض، الغلاف الجوي الكوكبي.

تتنبأ النماذج بالتغيرات في درجات الحرارة "الجسم الأسود الكوني" (الخلفية الكونية) كدالة للعصر الكوني، معطى من خلال الانزياح الأحمر. تختلف درجة الحرارة T على النحو التالي: T = (1 + z) x T0

(يمثل z الانزياح الأحمر المدروس وT0 درجة حرارة الخلفية الكونية اليوم). هذا التوقع يتحقق بشكل ملحوظ عبر مجموعة واسعة من الانزياحات الحمراء. الشكل 4.5. جسم أسود 20 كيلو مصنوع لمعايرة أداة Planck / HF! تمت المعايرة في عام 2006 في معهد أورساي للفيزياء الفلكية الفضائية (CNRS / Université Paris-Sud).

الخلفية الكونية من الأرض:

تمكنت العديد من التجارب على الأرض من قياس الخلفية الكونية منذ اكتشافها في عام 1964. ومع ذلك، فإنها تقتصر على ترددات معينة (تلك التي يكون فيها الغلاف الجوي شفافًا ولا يتألق كثيرًا، يتم عرض جزيء الماء هنا. مزعج جدًا) وللمناطق المحظورة في السماء، للحفاظ على معايرة جيدة وللتحكم في التأثيرات المنهجية. يتم إجراء الملاحظات الحالية من القطب الجنوبي وصحراء أتاكاما - بعض المناطق الأكثر جفافاً على هذا الكوكب - باستخدام تلسكوبات لاسلكية، ومجهزة بآلاف من أجهزة قياس الضغط شديدة الحساسية لكثافة واستقطاب الضوء، كشف التقلبات الصغيرة. اليوم، يمكن اكتشاف هذا الإشعاع باستخدام المعدات الاستهلاكية، مما يجعل من الممكن قياس شدة جسمه الأسود (ولكن ليس تقلباته). يقوم المراقب باستخدام هوائي تلفزيون متصل بالأقمار الصناعية (الفقرة القطبية) مقترن بإلكترونيات استهلاكية معدلة بالكاد. لقد قمت بتركيب تلسكوبات راديو مخصصة للتدريس في أورساي لاكتشاف موجات راديو الشمس. جعل زميلي ميشيل بيات (من جامعة باريس ديدرو) نظام الكشف أكثر استقرارًا وأضاف معايرة النيتروجين السائل. النتيجة: في غضون ساعات قليلة، وحتى في وسط باريس، أعاد الطلاب إنتاج الاكتشاف الذي أجراه بينزياس وويلسون في عام 1964!. الآن بعد أن قمنا بإعادة النظر في تاريخ الكون المرئي وتقديم مفاهيم معينة لعلم الكونيات، حان الوقت للاهتمام بالمغامرة الهائلة للقمر الصناعي الفضائي بلانك.

تم اكتشاف الطاقة السوداء المظلمة أو الداكنة والمعتمة في أواسط القرن العشرين، وقد تسببت في التوسع المتسارع للكون لمليارات السنين. لا يزال يتعين استكشاف أصلها وتأثيراتها الدقيقة، لكن الباحثين ليس لديهم نقص في الأفكار لتعقبها وفهمها.

سنناقش الآن مكون قد يبدو أكثر غموضًا من المادة السوداء أو المظلمة. يستدعيه علماء الكونيات ليس فقط لتفسير توسع الكون، ولكن لتسريع هذا التوسع على نطاق واسع جدًا.

سيقول أي فيزيائي عادي أن التسارع موجود أبدا بسبب الصدفة! توصل الباحثون إلى استنتاج مفاده أنه يأتي من مكون كوني له خاصيتين رئيسيتين. من ناحية، إنه موجود في كل مكان (على نطاق واسع) ولا ينبغي أن يتغير من الناحية المكانية. من ناحية أخرى، تظل كثافته كما هي طوال العصور الكونية، على عكس المادة والإشعاع، حيث تنخفض كثافتهما (وليس بنفس المعدل). هذا المكون يسمى "الطاقة السوداء المظلمة". بداهة، لا علاقة لها بالمادة السوداء أو المظلمة، ولكن يجب أن تكون مرتبطة بطاقة الفراغ والتضخم. إنه على أي حال جزء رئيسي من أحجية وألغاز علم الكونيات الحالي.

مسألة حجم ... وعن العصر الكوني: دعونا نطمئن: لن يغير توسع الكون ولا تسارع هذه الظاهرة حياتنا البشرية أو حياة كائنات فضائية افتراضية. تظهر التأثيرات فقط على نطاقات كبيرة جدًا، تصل إلى عدة مئات من الميغا فرسك. لذلك، لا يمكننا اكتشاف آثارها في نظامنا الشمسي، أو في مجرتنا، أو حتى في مجموعة مجراتنا المحلية المحيطة بنا: في هذه المقاييس، الجاذبية دائمًا لها الأسبقية! لن نتفكك، سيستمر القمر والكواكب في الدوران بنفس الطريقة، كما ستستمر مجرة درب التبانة، وستستمر مجرة أندروميدا في الاقتراب منا.

لقد مر الكون في تاريخه بطريقة مختلفة "مراحل الطاقة": كثافة طاقة الشعاع سيطر في البداية، ثم أخذ الأمر نمذجة المجهول: معادلة الحالة في الفيزياء، يتميز السائل المثالي - على سبيل المثال الغاز بالحقيقة - بمعلمات مثل درجة الحرارة أو الكثافة أو الضغط. يعني مصطلح "مثالي" أننا نهمل التفاعلات بين جزيئات السائل. نربط جميع المعلمات فيما يسمى "معادلة الحالة". في علم الكونيات، تربط معادلة حالة أحد مكونات الكون (الإشعاع، المادة، أو الطاقة المظلمة) ضغطه بكثافته بالتعبير P = wp ؟، حيث P هو الضغط، p الكثافة، c سرعة الضوء، وث معلمة خاصية "بلا أبعاد" (ثابتة) لهذا المكون.

على المستوى الكوني، يمكننا إهمال ضغط المكونات غير النسبية. هذا هو الحال مع المادة، التي ننسب إليها معامل صفري w: wM = O. بالنسبة للإشعاع (المكون النسبي)، هذه المعلمة.

الطاقة السوداء المظلمة التي نحصل عليها في هذه المرحلة الحالية للكون، التي تهيمن عليها هذه الطاقة المظلمة، هي أخيرًا حديثة جدًا: فهي تقابل انزياحًا أحمرًا z بمقدار 0.3 (أي أنها بدأت حوالي 3، 5 مليارات سنة).

يمكننا أيضًا أن نتساءل متى بدأ تسارع تمدد الكون. نحصل على z = 0.7 تقريبًا (أي 6.5 مليار سنة في الماضي). لفهم أصل الطاقة المظلمة، من الضروري إجراء القياسات ذات الصلة على الأجسام والأجرام الموجودة عند z <0.7 ولكن أيضًا من z> 0.7 إلى 1 (أو حتى أكثر)، للمراقبة بشكل صحيح الانتقال.

 wA = -1. يمثل الفهرس A الثابت الكوني، تعتبر غير صفرية إذا تسارع تمدد الكون. إذا كانت الإشارة السالبة في معادلة الحالة، تشير إلى ضغط سلبي متساوٍ: فإن هذا المكون له تأثير "الجاذبية الطاردة" التي تحفز تسارع التمدد. إن هذا الوصف للطاقة المظلمة والاستنتاجات

التي يمكن أن تكون مدهشة بشكل واضح. هذا لا يمنعهم من طرح أي مشكلة على الشكلية الرياضية أو النموذج الكوني أو القياسات. تتميز المكونات واسعة النطاق للكون - والتي يمكن تلخيصها بالإشعاع والمادة والطاقة المظلمة - بشكل جيد للغاية من خلال معادلاتها للحالة. على الرغم من أننا لا نعرف الكثير عنهما، يمكن وضع المادة المظلمة والطاقة المظلمة في معادلات: نحن نمثل ونقيس المجهول.. هل نحن حقا راضون عن المعنى الذي نحن فيه يعطي هذا السائل الطاقة المظلمة؟ هل يمكننا تفسير وجوده وخصائصه باعتبارات نظرية عميقة، أو عمل تنبؤات حوله؟ الإجابات تكمن إلى حد ما في الأسئلة.

مفاجأة المستعرات الأعظم:

دعونا نعود إلى الملاحظات التي كشفت عن التوسع المتسارع للكون في نهاية التسعينيات.وهم فريقان من الباحثين - فريق سوبر نوفا High-z وSupernova Cosma / ogy Project - اللذان قاما بقياس اللمعان والمسافة الكوزمولوجية (ناتج عن الانزياح الأحمر) للمستعرات الأعظم البعيدة للغاية ذات الخصائص المعروفة (تسمى "النوع la").

يعتمد السطوع الظاهر (المرصود) لجسم بعيد على سطوعه الداخلي وانزياحه الأحمر، ولكن أيضًا على المعلمات الكونية، وهي أساسًا كثافة إجمالي المادة nM وكثافة الطاقة المظلمة nA. نحن نصور البيانات فيما يسمى "مخطط هابل"، ويظهر السطوع الظاهري مقسومًا على السطوع الجوهري، بناءً على الانزياح الأحمر. يحتوي هذا الرسم البياني على العديد من "المناطق المسموح بها" المقابلة لها قيم مختلفة للمعلمات الكونية. يكفي إذن ملاحظة مكان وجود البيانات وتقديرات وNA.

النتائج المنشورة في عامي 1998 و1999 رسمية:

خلص كلا الفريقين (بمستوى ثقة أكبر من 99٪) إلى أن nA ليست صفراً. لذلك يجد الكون نفسه في حالة التوسع المتسارع. حصل هذا العمل على جائزة نوبل في الفيزياء لشاول بيرلماتر وبريان شميدت وآدم ريس لعام 2011.

كيف تقيس تأثيرات الطاقة المظلمة؟

بصرف النظر عن المستعرات الأعظم، فإن أنواعًا مختلفة من الملاحظات تجعل من الممكن قياس كيفية تطور تسارع التمدد والتوسع، والفرز بين النماذج. تشترك هذه الملاحظات في أنها تتعلق بالبنى الكبيرة للكون، ولا سيما التوزيع الإحصائي للمجرات واسعة النطاق. في الواقع، الجاذبية في العمل في تكوين الهياكل يجب أن تكون "منزعجة" من الطاقة المظلمة، وتأثيرها هو توسيع هذه المقاييس الكبيرة. لذلك فهي مسألة قياس دقيق جدًا لتطور تكوين الهياكل وفقًا للانزياح الأحمر، ومراقبة بعض الانحرافات عما ستفعله الجاذبية وحدها.

فيما يلي الأنواع الرئيسية للقياسات التي يفكر فيها المجتمع العلمي أو بدأ في اتخاذها، لفهم تأثيرات هذه الطاقة المظلمة بشكل أفضل.

التذبذبات الصوتية الباريونية

التذبذبات الصوتية الباريونية (BAO لـ Baryonic

التذبذبات الصوتية) هي موجات تنتشر فيها حفريات الكون البدائي، قبل الفصل بين الضوء والمادة. أدت التقلبات في الخلفية الكونية إلى تكوين هياكل كبيرة بمقياس متميز (أكبر من 100 Mpc)، لكن BAOs تركت أيضًا بصماتها في توزيع المجرات على هذا النطاق. يتم الكشف عنها بحساب "وظيفة الارتباط" لمواضع العشرات (حتى مئات) الآلاف من المجرات، موزعة بأحجام هائلة. منذ فترة طويلة، تم قياس BAOs لأول مرة في عام 2005، بفضل البيانات المأخوذة من مسوحات كبيرة جدًا للسماء في القياس الضوئي والــ troscopy. وهي تعتبر "مقاييس قياسية" لأن النماذج تتنبأ جيدًا بتطور حجمها وفقًا للانزياح الأحمر. أي انحراف عن التوقعات سيكون بسبب الطاقة المظلمة (أو جاذبية "مختلفة" قليلاً).

التشوهات في فضاء الانزياحات الحمراء:

تأتي تشوهات الانزياح الأحمر في الفضاء (RSD للتشوهات الفضائية ذات الانزياح الأحمر) من حقيقة أن المجرات تنجذب نحو مركز هالات ضخمة من المادة المظلمة. وبالتالي فإن حركاتهم - المقاسة بالتحليل الطيفي - تكون بداهة متناحرة في اتجاه هذه الهالات. مرة أخرى، يمكن لأي تباين واسع النطاق (فيما يتعلق بالتناحي في الخواص) أن يشير إلى وجود طاقة مظلمة تتعارض مع عمل الجاذبية. ضعف تأثير العدسة: يمكننا تحليل تأثير العدسة الضعيف، لاستنتاج كمية المادة المظلمة في هياكل كبيرة. lei، الهدف هو قياس كتلة الهياكل، وخاصة تطورها مع الانزياح الأحمر. يمكن مقارنة هذه القياسات مباشرة للتنبؤات والمحاكاة، لتحليل بالتفصيل تأثيرات الطاقة المظلمة بالتفصيل على نمو هذه الهياكل وفقًا للانزياح الأحمر.

الارتباط بين المجرات والخلفية الكونية في وجود الطاقة المظلمة، يجب أن يكون المرء قادرًا على ملاحظة ارتباط واضح بين التقلبات واسعة النطاق للخلفية الكونية وتوزيع المجرات. دعونا نرى من أين يأتي هذا الارتباط، يسمى "تأثير ساكس وولف المتكامل" (ISW لـ Integrated Sachs-Wolfe ejfect). قبل أن تصل إلينا، فإن فوتونات الخلفية هي cos

النفسية قد مرت عبر عدد من "آبار الجاذبية المحتملة" بسبب الهياكل الكبيرة. ومع ذلك، فإن الفوتون يكتسب الطاقة عندما يدخل بئر كامن، ثم يفقد الطاقة عندما يخرج. بداهة، التوازن هو صفر: يحتفظ الفوتون على مستوى العالم بنفس الطاقة. لكن التوسع المتسارع يمتد و"يتسطح" كل منهما كما أن الفوتون يمر عبرها. عند مغادرة البئر، يفقد هذا الفوتون طاقة أقل مما يكتسبه عند دخوله! وبالتالي، فإن توازن طاقتها ليس صفراً، ويعتمد بشكل مباشر على الهياكل الرئيسية التي مرت بها منذ انبعاثها. في هذه الحالة، يجب أن يكون هناك ارتباط قوي بين تقلبات معينة واسعة النطاق للخلفية الكونية، وتوزيع المادة المسؤولة عن اكتساب الطاقة هذا. عناقيد المجرات

مجموعات المجرات حساسة أيضًا لوجود الطاقة المظلمة. بتعبير أدق، سيكون من الضروري إنشاء إحصائيات لعددهم وفقًا لانزياحهم الأحمر ومدى كتلهم. من خلال قياس هذه المعلمات بدقة، يمكننا تعقب التاريخ الكوني للتوسع، كما هو الحال مع المسابير الكونية الأخرى (BAOs، تأثير ISW، إلخ). ومع ذلك، لا يزال من الصعب قياس كتلة مجموعة من المجرات بشكل صحيح.

وجهات نظر: الارتباطات عبر السماء:

الرهان الأكبر الآن هو الجمع بين هذه الأساليب المختلفة، لرسم خريطة دقيقة للغاية لمعدل التوسع كدالة للانزياح الأحمر. هذا من شأنه أن يجعل من الممكن قياس المعلمة الشهيرة wA (في معادلة الطاقة المظلمة للحالة) وتغيرها المحتمل مع الانزياح الأحمر. يمكننا بعد ذلك فرز الفرضيات المتعلقة بأصل هذه الطاقة بشكل أفضل.

لا يوجد نقص في العلماء. لديهم افكار جيدة لإجراء القياسات المناسبة، بطرق مستقلة في كثير من الأحيان (مما يزيد من حيث المبدأ من موثوقية النتائج النهائية). ستتطلب هذه القياسات كميات هائلة من البيانات. على وجه الخصوص، المسوحات للمجرات الأوسع نطاقًا - حتى تشمل السماء بأكملها، كما فعل بلانك للخلفية المنطقية الكونية - وأعمق، مع تلسكوبات أكبر من أي وقت مضى مزودة بكاميرات فائقة الحساسية إلى كبيرة جدًا في تغطيتها للحقول الكونية. من أجل فهم أفضل للطاقة المظلمة، تم التخطيط لبرامج مراقبة السماء المنتظمة لعقد 2020. سنلتقي الآن بهذا القمر الصناعي الشهير إقليدس، والذي من شأنه أن يساعد علماء الكونيات على الرؤية بشكل أوضح في "القطاع المظلم" للكون.

د. جواد بشارة

الدعوة لعلم الفلك والكونيات البديل

للعلم خصائص نظرية وتجريبية تميزه عن المناهج الأخرى في العالم ... دون أن يتعارض معها بالضرورة! لكن في الحقيقة، هل الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات علميتان حقًا؟ قضيتهم تستحق التفكير.

ما هي العملية العلمية؟

فيما يتعلق بأصل (أو أصول) العالم، لا يحتكر العلماء التفكير أو الأفكار الجيدة؛ يمكن لأي مجموعة بشرية أو حركة ثقافية أن يكون لها مفاهيمها الخاصة. ولكن ما هو التمييز (الفروق) بين الرأي، والمعتقد، والأسطورة، والخرافة، والعقيدة، والسياق الثقافي، والتفكير الفلسفي، والتفكير العلمي الاستنتاجي؟ ما الذي يجلبه المنهج العلمي عندما يكون موضوع الدراسة هو كوننا، دون إمكانية تغييره؟

مسألة أصل الكون وماهيته:

المحتوى الكوني (النجوم والمجرات ...) لا يزال رائعًا. والسؤال "من أين أتينا؟" يمكن مقاربته علميًا، ولكن أيضًا فنيًا وفلسفيًا وثيولوجيًا ... يختلف النهج العلمي عن المنهج الآخر، خاصة الثيولوجي، لأنه يحاول الإجابة بطريقة قابلة للدحض على السؤال "كيف حدث ذلك؟»، ولكن في أي حال من الأحوال بخصوص سؤال "لماذا حدث هذا؟»، ففيه إشارة إلى البحث المحتمل عن المعنى. وبالتالي، فإن الفصل بين كيف ولماذا واضح، ويبقى الجميع أحرارًا في التذرع بالسبب أثناء سماع الكيفية.

من خلال النهج العلمي، لا نفهم إلا قليل القليل وأفضل الأفضل (مع الهزات أو العدادات أو التسويف) القوانين الأساسية للكون والظواهر الفيزيائية المطروحة؛ نحن لا نتظاهر بالإجابة "هل للحياة معنى؟" أو "هل من الأخلاقي أن تقتل أو تساعد جارك؟". مثل هذه الأسئلة المشروعة، التي لا يعالجها العلم، يمكن التعامل معها بالفلسفة أو الدين. سنرى أنه لا يوجد تناقض بين هذه الأساليب المختلفة من حيث المبدأ.

لفهم الكيفية، يسعى العلم إلى ذلك، أي إلى تطوير النظريات على أساس المبادئ الأساسية والتنبؤ بالظواهر؛ ثم تتم مقارنة التنبؤات النظرية بالقياسات. وعندما يكون هذا جزء فرعي من نظرية أكبر، نستخدم مصطلح نموذج. إذا تم تحليلها في إطار نظرية أو نموذج، فإن القياسات تجعل من الممكن (أو غير الممكن) تأكيدها، أو إنشاء اتفاق بدرجة ثقة قابلة للقياس الكمومي.

لاحظ أنني أستخدم مصطلح "اتفاقية" وليس "تأكيد". في الواقع، من الصعب (إن لم يكن من المستحيل) تأكيد نظرية ما: لسنا متأكدين أبدًا من أن القياسات الجديدة لن تتعارض معها. في بعض الأحيان تتنبأ عدة نماذج بظواهر مماثلة قابلة للقياس؛ سيتم فصلهم فقط من خلال تدابير أكثر حساسية. من ناحية أخرى، يمكننا التحديد الكمومي، والتوافق بين القياسات والنظرية: كلما زادت القياسات المستقلة التي تتوافق مع التوقعات، زاد دعم النظرية وقبولها كنموذج. على العكس من ذلك، فإن قياسًا مؤكدًا وجد نفسه في خلاف صارخ مع التنبؤ النظري يكفي لإبطال النظرية والإطاحة بها.

في الممارسة العملية، فإن الوضع أكثر دقة. درجة الثقة في القياسات، أو الاتفاق مع النموذج، هي موضع نقاش وليس من الممكن دائما الوصول إلى استنتاج. وبالتالي، فإن القياسات الكونية الحديثة تختلف قليلاً - نستخدم المصطلح "التوتر" عندما يكون الخلاف صغيراً ولكن لا يستهان به - مع "النموذج القياسي أو المعياري" لعلم الكونيات. من خلال حساب احتمال انحراف القياسات عن النظرية، نجد 1٪: إنه بعيد الاحتمال، ولكنه ليس مستحيلًا إحصائيًا، بعيدًا عن ذلك. ماذا نستنتج؟ س: النظرية خاطئة عندما تتنبأ بأن القياسات يمكن أن توفر هذه القيم (حتى لو كان الاحتمال منخفضًا)؟ هل تم تأكيد النظرية بقياس التوتر ولكن مع ذلك مقبول؟ في هذه الحالة، سيكون من الضروري على الأرجح إجراء قياسات مستقلة أخرى، لمعرفة ما إذا كان هذا التوتر مستمرًا ويزيد أو ينحسر.

لذلك فإن النظريات قابلة للدحض: البيانات الجديدة (أو البيانات القديمة المفهومة بشكل أفضل أو المعاد تحليلها) تجعلها تتطور. أما التجارب والقياسات فيجب أن تكون قابلة للتكاثر.1 يحدث أن يتم نشر قياسات استثنائية، ولكن لم يتم تأكيدها بشكل مستقل من قبل فرق أخرى 2 بتحليل نفس البيانات أو إجراء قياسات أخرى ...

تدين العملية العلمية الحديثة بالكثير إلى أسلاف القرن السابع عشر، مثل ديكارت وغاليليو. يستدعي الأمر عنصرين أساسيين: الوجود (وجود (وقابلية تفنيد) نظرية تنبؤية قائمة على المبادئ الأساسية وإمكانية تكرار القياسات. تتم إضافة عناصر أخرى إليها، مثل إمكانية تغيير المعلمات والإعدادات التجريبية، لمعرفة كيف تتصرف الظاهرة فيما يتعلق بالتنبؤات. هذا المخطط (الشاعري إلى حد ما) مشوه في الممارسة اليومية. في بعض الأحيان تكون الملاحظة متقدمة على النظرية: لا تتلقى الظواهر تفسيرًا متماسكًا تمامًا، مثل المادة السوداء أو المظلمة أو سائل الطاقة المظلمة. في كثير من الأحيان، تتقدم النظرية على الملاحظات: من خلال هذه، نحاول اكتشاف الإشارات التي تم توقعها بالفعل، أحيانًا لمدة 100 عام، على سبيل المثال موجات الجاذبية أو الموجات الثقالية، التي، أو الحصول على صورة حقيقية لبيئة الثقب الأسود.

لكن الفيزياء الفلكية (دراسة فيزيائية لقوانين ومحتويات الكون) وعلم الكونيات (دراسة الكون ككل، من وجهة نظر مادية) تشترك مع العلوم الطبيعية في حقيقة أنها كذلك، من المستحيل تغيير المعلمات والاعدادات والبيانات والقيم لمراقبة النتيجة. كيف يمكننا تغيير معلمات المجرة الأولية أو النجم الأولي أو الكواكب الأولية (مثل كتلتها أو تكوينها) لدراسة تكوينها، ثم مقارنتها بما نعرفه (من خلال الملاحظة والنظرية)؟ وبالمثل، في علوم المناخ أو البيئة أو الجيوفيزياء، حيث تكون المقاييس الزمنية أطول بكثير من حياة الإنسان (ولكنها أقصر بكثير من الفترات الفلكية!)، يكاد يكون من المستحيل تغيير الشروط الأولية أو لتغيير المعلمات (إلا في حالة المحاكاة العددية). هل هو حقًا علم، إذا كنا بالكاد نستطيع التجربة؟

الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات: هل هي علوم؟

يمكن تعريف الفيزياء الفلكية على النحو التالي: "العلم الذي يدرس التركيب والتطور والقوانين الفيزيائية الأساسية التي تحكم المقاييس التي تنتقل من النظام الشمسي إلى الكون كله". لذلك فهو مرتبط ارتباطًا وثيقًا بعلم الكونيات (دراسة الكون على نطاق واسع) وعلوم الكواكب والنجوم والمجرات، ويدعو إلى العديد من "الواجهات" مع الرياضيات والفيزياء النظرية والفيزياء دون الذرية (النووية والجسيمات)، الفروع الأخرى للفيزياء (البلازما، السوائل، المواد الصلبة، تفاعل المادة مع الإشعاع ...)، الكيمياء، الجيولوجيا، حتى علم الأحياء وعلوم الكمبيوتر (البيانات الضخمة، التعلم العميق والتفاعل البشري) الآلات والكنولوجيا). ناهيك عن تقنيات القياس، بما في ذلك البحث عن أجهزة الكشف أو إدارة نظم المعلومات، وكذلك العلوم الهندسية، على الأرض وفي الفضاء، وحتى الإدارة!

لقد رأينا أن الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات يشتركان في جوانب معينة من العلوم الطبيعية مع علوم المناخ والجيوفيزياء: فهما يدرسان (أساسًا) الظواهر الطبيعية، التي تتطور على مدى فترات زمنية طويلة فيما يتعلق بحياة الإنسان. ليس من المستغرب أن تكون موضوعات البحث هذه تجري في المركز الوطني للبحث العلمي في فرنسا (CNRS)، المجمع في معهد واحد، المعهد الوطني لعلوم الكون (INSU)، مع روابط عديدة مع معاهد أخرى مثل المعهد الوطني للفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات (IN2P3) والمعهد الوطني للفيزياء (INP). غالبًا ما يتم إجراء هذا البحث في شراكة متساوية مع مؤسسات ذات هيكل مماثل، مثل الجامعات أو اللجنة الفرنسية للطاقة الذرية والطاقات البديلة لتطوير المشاريع الفضائية، بدعم من وكالة الفضاء الفرنسية، المركز الوطني لدراسات الفضاء (CNES).

كيفية دراسة الظواهر التي تحدث في نطاق مقاييس طويلة من الزمان والمكان، دون التمكن من تجربة الظروف الأولية أو المعايير المختلفة؟ كيف تتعامل مع كون واحد ومتى لا يمكنك إنشاء نجم بنفسك؟ هل نهج الفيزياء الفلكية علمي؟ الجواب (الإيجابي) لن يفاجئ القارئ، لكن يجب أن يكون له ما يبرره. تتطلب دراسة هذه الظواهر الطويلة والبعيدة - الكون ومكوناته يتطلب - إطارًا نظريًا. لذلك فهي مسألة وجود نظرية متماسكة، أو التي يستدعي وجودها، وإجراء تنبؤات قابلة للاختبار من خلال الملاحظات. هذه الحالة - ضرورية ولكنها ليست كافية - تم التحقق منها جيدًا في الفيزياء الفلكية.

لأننا لا نستطيع إجراء التجارب مباشرة (على سبيل المثال فيما يتعلق بتكوين النجوم)، من الضروري أيضًا استدعاء مبادئ أو افتراضات معينة، كما تفعل العلوم الأخرى. لنبدأ بمبدأ العملانية ergodicité. يمكن ذكره بعدة أشكال. الشيء الذي يثير اهتمامنا هو ما يلي: العملية الــ ergodique تكون إذا كان النظام المادي، الذي يُترك لنفسه لفترة كافية، يستكشف بالكامل "مساحة الطور"، أي مجموعة القيم والمعلمات والاعدادات الممكنة. هذا يعني أنه إذا لم نتمكن من تجربة وتغيير المعايير بأنفسنا، فإن "كل الاحتمالات موجودة في الطبيعة". من الناحية المفاهيمية، نستبدل التجارب المباشرة ... بملاحظة العديد من الإدراكات والانجازات: أخيرًا، الكون هو الذي يختبر لنا بدلا منا! مع الأخذ في الاعتبار المبدأ الكوني، يقول بشكل أساسي أنه لا يوجد شيء مثل مكان متميز في الكون. وهذا يعني أن الظروف (الديناميكية أو غير ذلك) السائدة هناك من الناحية الإحصائية هي نفسها في كل مكان، مع العلم أن قوانين الفيزياء هي نفسها أيضًا في كل مكان. صيغة أخرى: هناك مقياس للحجم (يقدر بعدة مئات من الميغا فرسخ mégaparsecs) يمكننا بعده اعتبار الكون متجانسًا تمامًا. لاحظ أن صحة هذا المبدأ لا تزال تثير الجدل.

بشكل عام، يتكون النهج العلمي من تراكم مجموعة متنوعة من الملاحظات (ربما يكون لكل منها تحيزات أو قيود)، لدراستها بشكل منهجي و"لفهمها"، للإجابة على سؤال أو التحقق من صحة التنبؤ النظري. فيما يلي بعض الأمثلة والأمثلة المضادة. مثال رقم 1: التنبؤ بسعر سوق الأسهم. عندما أناقش السؤال "هل الفيزياء الفلكية علم؟" مع طلابي، قدموا العديد من الحجج الصحيحة: "العلم يصنع تنبؤات"، "نحن نلاحظ ونحلل ونتوقع"، إلخ. أشرح لهم أن هذه الحجج ضرورية ولكنها غير كافية، مع الأخذ في الاعتبار التنبؤ بالأسعار في الأسواق المالية: إنها ليست مسألة علمية، مثله في ذلك مثل علم التنجيم 4 •

المراقبة والتنبؤ لا يكفيان لتشكيل علم. المنجم ومسوق سوق الأسهم أو المعلق الرياضي، بلا شك وبحسن نية، يراقبون بياناتهم المفضلة ويتنبؤون بما يمكنهم أو يريدون. لكن تنبؤاتهم لا تستند إلى أي نظرية مثبتة - التي كان من الممكن أن تظهر صحتها - وتم تزويدها بمعايير كمية دقيقة. لا يتم دعم هذه التنبؤات من قبل أي مجموعة نظرية أو تجريبية من المقاييس التي اجتازت اختبارات موضوعية. (ملاحظة: يوجد بالفعل علم اقتصادي، غير مستثنى من الخلافات، يأخذ في الاعتبار البعد الإنساني والاجتماعي أثناء استدعاء التحليل العقلاني، مقارنة بالمفاهيم النظرية واستخدام النماذج.) قد يكون لدى هؤلاء الممارسين بعض المهنة وعلم النفس والخبرة لتشعر بالأشياء، لكن نهجهم ليس علميًا: ماذا عن العالمية والموضوعية وقابلية التفنيد والتكاثر وخصائص العملية العلمية؟

مثال 2: التنبؤ بالطقس:

النموذج الأولي للنهج العلمي، الذي يتم طرحه في بعض الأحيان للتساؤل (على سبيل المثال، إذا انتهى توقع هطول الأمطار في شمس مشعة، ولكن دعونا نواجه الأمر أن هذا لم يعد يحدث بعد الآن)، فإن توقعات الأرصاد الجوية لها قواعد نظرية وتجريبية صلبة في الفيزياء (خاصة الديناميكا الحرارية)، علم المناخ، الجيوفيزياء، علم المحيطات. مع زيادة قوة أجهزة الكمبيوتر وتوافر بيانات أكثر دقة، يتم تنقيح النماذج بانتظام، وأصبح العلماء على دراية بالاستقرار والشكوك في الحلول والتنبؤات، التي أصبحت الآن موثوقة للغاية على مدار خمسة أيام أو أكثر. يبقى تحدٍ آخر: توصيل هذه المعلومات (وشكوكها) للجمهور!

إذا تركنا الأرصاد الجوية لنقترب من المناخ، الذي يتعلق بالمقاييس الزمنية الطويلة جدًا، أن نموذج مناخ الأرض يستخدم أيضًا لكواكب المريخ والزهرة، والكوكب القزم بلوتو والأقمار تيتان وتريتون. نقوم بتعديل قيم متغيرات عددية مختلفة اعتمادًا على النجم المدروس، لحساب جاذبيته وضغطه وتكوين الغلاف الجوي، إلخ. يسعى الزملاء الآن إلى تطبيق هذا النوع من النماذج على الكواكب العملاقة، وحتى الكواكب الخارجية، أي خارج منظومتنا الشمسية (التي تدور حول نجوم أخرى)! كل هذه الدراسات تشارك في التحسين المستمر للنموذج، وتجد تطبيقاتها على الأرض.

مثال رقم 3: أنظمة الكواكب، قبل عام 1995 وبعده، حتى اكتشاف أول كوكب خارجي حول النجم بيجاسي 51 Pegasi (من مرصد Haute Provencé، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2019)، اعتبر الباحثون نظامنا الشمسي - كواكب غازية عملاقة تقع بعيدًا عن النجم، تكون الكواكب الصخرية أحيانًا قريبة جدًا منه – مثل "نموذجي". وكان الذهول لدى الراصدين: أظهر اكتشاف هذا الكوكب الخارجي أن كوكبًا ضخمًا (مثل كوكب المشتري) يمكن أن يكون قريبًا جدًا من نجمه لدرجة أنه يدور حوله، ما يزيد قليلاً عن 4 أيام! كان لابد من مراجعة النظرية بالكامل، والتي اعتبرت من المستحيل بقاء كوكب عملاق في هذه المنطقة الكونية. تم إجراء هذه المراجعة وحققت بعض النجاح: تم تحديد أكثر من 4000 كوكب خارجي و"مسموح" من الناحية النظرية. من خلال دمج التفاصيل الجديدة والخواص الدقيقة للفيزياء المعروفة بالفعل، وصلنا إلى مفهوم هجرة الكواكب العملاقة. تتشكل دائمًا بعيدًا عن النجم، ولكنها تهاجر تدريجياً إلى مناطق أقرب، دون أن تتبخر. كان من المفهوم أيضًا أن "كوكب المشتري الساخن" (فئة الكواكب الخارجية العملاقة القريبة من نجومها) هي الأكثر سهولة في الاكتشاف: تفضيلات "انحياز الاختيار" الملاحظة (الدراسة الإحصائية سيكون لها تحيز في الاختيار إذا كانت العينة المستخدمة لا تمثل المجموعة المراد دراستها، بسبب اختيار معين). تعمل أدوات وأجهزة جديدة على خفض عتبة الكشف عن الكواكب الخارجية (نكتشف كواكب أخف وزناً)، بهدف الكشف عن "الكواكب الخارجية" (ذات الكتل المشابهة لكوكبنا). استنتاج شخصي: الكون أصلي أكثر مما نتخيل! يجب تذكرها أيضًا في علم الكونيات.

وظيفتي: قاتل النماذج ...

عندما يُسألون عن طبيعة عمل عالم الفيزياء فلكية، الجواب أحيانًا هو: " قاتل النماذج، وخاصة نماذجه هو أسوة بنماذج الآخرين!" أعتقد أن هذا يلخص نشاطه جيدًا، على الرغم من الزاج الهادئ للغاية الذي يتحلى به العالم عادة، بعيدًا عن صورة القتلة و"منظفي مسرح الجريمة" في السينما.

القياسات التي نأخذها حول الخصائص العالمية للمجرات أو الهياكل البعيدة، تهدف إلى الاستجابة لمشكلة علمية من خلال مواجهة التنبؤات، والتي هنا تعني النماذج. لذلك من الطبيعي تطوير هذه النماذج، بحيث تتوافق بشكل أفضل مع البيانات. يتضمن هذا "قتل" نماذج معينة، أو بالأحرى إظهار أنها لا تتناسب مع الملاحظات. ماذا يمكن أن يحدث للنماذج التي عرضها فريقي العلني، لكنني أعتقد أنهم يقاومون أيضًا (أو بشكل سيئ، في هذه الحالة) مثل النماذج الأخرى ... الشيء الرئيسي هو أن مقارنة النماذج، أكثر أو أقل حسماً من أجل بقائهم، وتعزيز معرفتنا.

1 نهج المراقبةla démarche observationnelle   

يتألف من مقارنة التوقعات النظرية والقياسات، التي من المفترض أن تكون عديدة بما يكفي لتغطية مساحة المعلمات والمعايير المعنية بشكل جيد. وهذا يطرح مشكلة في بعض الأحيان: في علم الكونيات، لدينا كون واحد فقط وهذا القيد أساسي بالنسبة لبعض الدراسات. في المقابل، أدى اكتشاف الآلاف من الكواكب الخارجية إلى إصلاح علوم الكواكب، والتي يجب أن تكون قد فسرت تنوع الأنظمة المرصودة.

نهج المحاكاة الرقمية قريب جدا. بدءًا من المبادئ الفيزيائية، وأحيانًا من النماذج المبسطة، يتم إنشاء عمليات المحاكاة، مقارنة بالبيانات المتاحة والتنبؤات النظرية. أحيانًا نجرب في المختبر على أنظمة (سوائل، بلازما ...) لها خصائص الظواهر الفيزيائية الفلكية.

وبالتالي، فإن ثراء هذه الأساليب يأتي من مقارنة القياسات بالتنبؤات، وإمكانياتها ذهابًا وإيابًا. دعونا نلخص الخطوات المثالية.

1) تحديد مشكلة علمية واضحة، نحن نركز على موضوع معين.

2) تحديد الملاحظات التي تتكيف مع هذه المشكلة، نحن نقرر ما هو الأفضل لملاحظته ورصده لتحقيق الأهداف المحددة. غالبًا ما توجد عدة حلول.

3) تطوير إستراتيجية مراقبة لجمع المعلومات المفقودة المحددة في الفقر الثانية نظرًا لأنه قد يكون هناك العديد من الملاحظات ذات الصلة، فمن الممكن وجود استراتيجيات مختلفة.

 4) حملة المراقبة. نقود الحملة على الأرض أو في الفضاء، مع وجود مخاطر محتملة. إذا لاحظنا مجموعة من المجرات، وكان جزء بسيط فقط من الوقت المتوقع صالحًا للاستخدام، فماذا نفعل؟ راقب أهدافًا قليلة، بالحساسية الصحيحة؟ أو جميع الأهداف بحساسية أقل ومخاطرة عدم القدرة على التوصل إلى نتيجة بشأن القضية؟ غالبًا ما يظهر هذا النوع من الأسئلة أثناء الحملة أو بمحاذاتها، عندما تتخذ لجان تخصيص وقت التلسكوب خياراتها (الطلبات أكبر من 3 إلى 20 مرة من الوقت المتاح).

5) معالجة البيانات، ربما بصورة تلقائية أو آلية.

يتم إجراء المعالجة بواسطة متخصصين في الأداة المستخدمة، غالبًا مع سلسلة من برامج الكمبيوتر تسمى "خط انابيب". يتكون من تصحيح البيانات الأولية للتأثيرات في تدهور الإشارة (بسبب الأجهزة)، ومن ثم القيام بمعايرتها. عندئذ تصبح لدينا بيانات خاصة بالاستخدام العلمي.

6) تحليل البيانات للغرض المحدد في النقاط 1 و2، تحليل الإشارة الفلكية هو بلا شك الخطوة الأكثر دقة: هذه الإشارة تشوبها الضوضاء وحساسة لإخراجها. أين الإشارة والضجيج؟ نقاش ضخم! هذا هو التعريف الذي يناسبني بشكل أفضل: في سياق معين، الإشارة هي المعلومات المطلوبة بينما الضوضاء هي أي معلومات أو عملية غير مرغوب فيها.

هنا مثال معبر. مدرس يعطي درسا أمام عشرات الطلاب. اثنان منهم يناقشان أمسيتهما في الليلة السابقة (موقف خيالي بالطبع!): تحكي A قصتها لـ B التي تستمع إليها. لذلك تتلقى B إشارتين: قصة A وصوت المعلم، تصل موجتان صوتيتان متميزتان إلى أذنها. الفيزياء لا تميز الأنف والحنجرة إعادة الإشارة والضوضاء، فقط السياق هو الذي يحدد أيهما أو الآخر. إذا كان B جادًا أو مركّزًا، فسوف يأخذ قصة A للتشويش وصوت المعلم للإشارة المضطربة. ولكن إذا كان في مزاج مرح، فسيعتبر صوت المعلم ضوضاء، وإشارة الاهتمام هي

صوت A. يمكن أن تكون الضوضاء عشوائية (على سبيل المثال: ضوضاء حرارية) أو نظامية أو منظمة (الصوت الذي لا يهم). اعتمادًا على الاهتمام العلمي، يمكن أن تؤدي الحالة المادية إلى العديد من التحليلات. مثال فيزياء فلكية: بيانات من القمر الصناعي بلانك، تحتوي على إشارة من مجرتنا، ولكن أيضًا من المجرات البعيدة والخلفية الكونية. سنقوم بتحليل هذه البيانات بشكل مختلف، اعتمادًا على ما إذا كنا مهتمين بالانبعاث الخلفي للخلفية الكونية أو الانبعاث الأمامي للمجرة وليس للخلفية الكونية.

7) التفسير العلمي: تفسير القياسات مهمة صعبة. تمت مقارنة المعلومات ذات الصلة، المستخرجة خلال الخطوة السادسة، بالنماذج والتدابير الأخرى الموجودة، لاستخلاص استنتاجات حول الاستجواب الأصلي.

8) الاستنتاجات والتغذية الراجعة ومواجهة المشكلة الرياضياتية العلمية: عادة ما يجعل مواجهة التفسير والاستجواب الأولي من الممكن دفع النقاش العلمي إلى الأمام.

"هل تصدق" الانفجار العظيم؟ لا يحتاج الأمر للتصديق!

يسألني الناس أحيانًا عما إذا كنت أؤمن بالانفجار العظيم. السؤال مطروح بشكل سيئ: النهج العلمي لا يعطي سببًا للاعتقاد، لكنه يظهر اتفاقًا أو اختلافًا بين البيانات المكتسبة والنماذج أو التنبؤات. لا عقيدة أو حقيقة خفية في هذا النهج، ولكن النظريات والملاحظات والمشاهدات ونتائج عمليات الرصد والحقائق والمواجهة والتساؤلات والشكوك والنقاشات والتساؤل. كان من الممكن أن يكون السؤال هو: "هل تعتقد أن نموذج الانفجار العظيم هو الأفضل الذي يتناسب مع جميع الملاحظات الحالية؟" يجيب معظم المجتمع العلمي - بمن فيهم أنا - بـ "نعم" على هذا السؤال (بصيغة مبسطة إلى حد ما واختزالية). ستفصل الصفحات التالية هذه الإجابة لتوضيح النجاحات التي لا جدال فيها للنموذج، دون التعتيم على الأسئلة المفتوحة والمشاكل المتبقية.

دعونا نلقي نظرة على حالة "العلم والدين": تسببت علاقتهما في أضرار جسيمة. وسفك الكثير من الحبر (وحتى الدم). لا ينبغي أن يدخل هذان النهجان في المواجهة، لأنهما يعالجان مجالات فكرية مختلفة. من ناحية الدين، إنها مسألة قيم وسلوك معين للحياة والمعنى المعطى للوجود والعالم ولتقدمه. من ناحية العلم، إنها مسألة استجواب منطقي لعالم معقد، على جميع مقاييس الزمان والمكان، مع التنبؤات النظرية التي يمكن دحضها بالتجربة.

منذ ذلك الحين، يمكن للمرء أن يكون عالمًا ومؤمنًا؛ هذه ليست حالتي بالطبع، لكنني أعرف أشخاصًا راضين تمامًا عن أن يكونوا كذلك! ولكن كيف لا نجد بعض الحزينين أو الظلاميين السخيفين أو المخادعين الذين يريدون الحفاظ على الخلط بين العلم والدين، من خلال تتبع شبكة قراءة عقائدية حول الأسئلة العلمية؟ لقد احتقروا وأهانوا الإبداع البشري لعدة قرون ... سواء كان بوزون هيغز، جزيئات الحمض النووي، مصير النحل، تكوين الصخور، الكواكب، المجرات، المادة السوداء، أو التخمينات الرياضية، أو نظرية الألعاب، ما هو الفضل أو أهمية الانعكاس الديني؟ من جانبه، لا يتدخل العلم في الأسئلة المتعلقة بالأخلاق، وطبيعة الخير والشر، والمعنى الذي يجب أن يُعطى للحياة والأفعال البشرية. يمكننا بعد ذلك الانتقال إلى الدين أو الفلسفة أو الأخلاق أو الثقافة أو القانون أو علم النفس 7 •

إن مزيج الأنواع التي تعمل بها الوسائط أحيانًا، بين الأصل الميتافيزيقي للكون وواقعه العلمي، يطمس الاستماع ويغير التمييز بين النهج الموضوعي والتكهنات المضادة، المنطوقة في ثرثرات البارات والتي تتبعها حفنة نادرة ولكنها مشهورة من دجالي وسائل الإعلام الحديثة. دعونا نعرف كيف نميز!

لصالح البحث الأساسي:

"أليست مهمات الفضاء باهظة الثمن؟ هل يجب استخدام هذه الأموال لمواجهة المشاكل الاجتماعية (الفقر والبطالة وما إلى ذلك)؟ "

أود أن أعطي وجهة نظري حول هذه الأسئلة ذات الصلة التي تطرأ كثيرًا من خلال توسيعها لتشمل جميع الأبحاث الأساسية.

تبلغ التكلفة الإجمالية (مع الرواتب) لبعثات بلانك Planck وهيرشل حوالي 1.2 مليار يورو موزعة على17 سنة، وهو مبلغ متواضع مقارنة برقم معين يتعلق بالإنفاق الحكومي (التخفيضات الضريبية أو المعدات العسكرية، على سبيل المثال). ينطبق هذا أيضًا على البنى التحتية الكبيرة مثل CERN. هذه النفقات، التي تؤدي إلى اكتشافات عظيمة وابتكارات صناعية، هي نتيجة اختيار المجتمع حيث يتم أيضًا دعم التعليم للجميع والتميز من خلال البحث، حيث يستلهم المجتمع من أهم الأبحاث. الأساسيات بعيدة المدى، وكذلك البحث والتطوير قصير المدى التطبيقي: تتم المقايضات في سياق عالمي (التعليم، الصحة، الاجتماعية، العسكرية، الاقتصاد، الاستثمار في البنية التحتية، استخدام الضرائب، الدولية، وما إلى ذلك)، دون تعارض عقيمين مع مجالين فرعيين - "العلم" و"الاجتماعي"، أو "العلم" و"المجاعة العالمية". ومن أجل التقدم، يطور البحث الأساسي ويحتاج إلى تقنيات متقدمة؛ يستكشف السبل التي في بعض الأحيان محكوم عليها بالفشل؛ واعدة جدًا أحيانًا (للأسف لا نعرف إلا بعد ذلك). لذلك فهي تولد التنمية الصناعية وتخلق وظائف تتطلب مهارات، والتي لها في حد ذاتها فوائد اقتصادية، بينما تستعد للمستقبل. بالإضافة إلى أنها تنتج المعرفة القادرة على توعية المواطنين والسياسيين بالعديد من الموضوعات ذات الاهتمام المجتمعي.

على مستوى أعمق، ستكون نظرتنا للعالم، ومثلها ستكون حياتنا اليومية، مختلفة تمامًا بدون هذه المعرفة البحثية. يمكننا على وجه الخصوص اقتباس GPS، الذي يستخدم التصحيحات الناتجة عن نظرية النسبية التي تأسست منذ حوالي 100 عام. إن الهوس الإعلامي والشعبي للأحداث العلمية أو التكنولوجية الكبرى يثبت، كما يبدو لي، أن البشرية ما زالت تشكك في العالم ومكانه فيه. العلم يوحد البشر تمامًا مثل الفن والثقافة!

الآن وقد تم توضيح تفاصيل العملية العلمية وحالة الفيزياء الفلكية، فقد حان الوقت للخوض في مجال علم الكونيات الفيزيائي بمزيد من التفصيل. بدءًا من تاريخها، الذي يمتد إلى أكثر من قرن.

د. جواد بشارة

إعدادا وترجمة د. جواد بشارة

univers cyclique

هل الكون موجود دائما؟ إذا كان الأمر كذلك، فهل يرتد مرة أخرى في دورة Big Bang لا تنتهي أبدًا؟ أم أنها بدأت بمفردها؟ تم تطوير العديد من النظريات بمرور الوقت للإجابة على هذه الأسئلة، لكن الأطر الفيزيائية والرياضياتية لهذه النماذج لم تكن قادرة على الإطلاق على إظهار وجود السلوك الدوري للكون أو غير ذلك. بداية ونهاية فريدة.

لكن في الآونة الأخيرة، استدعى فريق من المنظرين تنبؤات نظرية الأوتار لحل بعض الألغاز الأساسية للكون المبكر. يمكن أن تعطينا النتيجة الدفعة النظرية اللازمة لبناء الكون من الصفر، وبالتالي دعم فرضية الكون المتكرر تعاقبياً أو دورياً.

نحن نعلم أننا نعيش في عالم يتوسع، حيث تبتعد المجرات والنجوم عنا بسرعة متزايدة. لدينا أيضًا ملاحظات عن الكون المبكر، عندما كان عمره 380 ألف عام فقط. في هذه الصور، نرى أنماطًا مثيرة للاهتمام - بقع صغيرة ومناطق تكشف عن وجود اختلافات طفيفة في درجة الحرارة والضغط في هذا الكون الشاب.

إن ملاحظة تقلبات الكثافة (تباين الخواص) داخل الخلفية الكونية المنتشرة، على وجه الخصوص بفضل مهمة بلانك، جعلت من الممكن تأكيد وجود فروق في الضغط ودرجة الحرارة في الكون المبكر.

fluctuations densite cmb inflation

نحن قادرون على شرح كل هذه الملاحظات بما يسمى بعلم الكونيات ونموذج الانفجار العظيم Big Bang، بالإضافة إلى فكرة إضافية تُعرف باسم التضخم (وهي عملية نعتقد أنها حدثت عندما كان عمر الكون أقل من ثانية). في هذه العملية، نما الكون بشكل أكبر بكثير، محوّلًا تقلبات الكموم إلى تقلبات في الكثافة. وزادت هذه التقلبات في نهاية المطاف.

نموذج للكون ekpyrotic: لا يعيد إنتاج سلوك الكون البدائي

أعاقت الاختلافات في الضغط والكثافة ودرجة الحرارة خلال السنوات الأولى للكون العديد من النظريات الكوسمولوجية – الكونية البديلة، بما في ذلك واحدة من أكثر الأفكار شيوعًا لتجاوز الانفجار العظيم المعروف باسم الكون ekpyrotic. تأتي كلمة ekpyrotic من الكلمة اليونانية "Conflagration»، والتي تشير إلى فكرة فلسفية قديمة عن كون متكرر باستمرار.

من هذا المنظور، نحن حاليًا في مرحلة "الانفجارالعظيم"، والتي سوف تتباطأ (بطريقة ما) وتتوقف وتعكس وتعود إلى درجات حرارة وضغوط عالية بشكل لا يصدق. ثم ينتعش الكون ويعيد إطلاقه في مرحلة جديدة من الانفجار العظيم.

تكمن مشكلة هذا النموذج في أنه لا يعيد إنتاج التقلبات في الكثافة والضغط ودرجة الحرارة التي لاحظناها في بدايات الكون. كون هذا النموذج هو كون موحد تمامًا. وهذا لا يعني فقط أن النظريات لا تتطابق مع الملاحظات من الكون المبكر. هذا يعني أن هذه الكونيات لا تؤدي إلى كون مليء بالمجرات أو النجوم أو حتى الكواكب.

فيما يعتقد البعض الآخر من العلماء أن الكون المرئي هل نشأ الكون من اصطدام غشاء S-Branes لإنقاذ نموذج الكون - ekpyrotique ekpyrotic.

هذا هو السبب في أن المنظرين حاولوا صياغة نموذج للكون ekpyrotique يتوافق مع ملاحظات الكون المبكر. وللقيام بذلك، قاموا باستدعاء عنصر معين: أغشية إس. مصطلح "غشاء" يأتي من نظرية الأوتار ويتوافق مع سلسلة متعددة الأبعاد (ن> 1). يشير S إلى حقيقة أن هذه الأغشية S لا يمكن أن توجد إلا في لحظات محددة في الزمكان، في ظل ظروف محددة.

D3 brane cordes ouvertes

الأوتار الأساسية لنظرية الأوتار هي 1-branes. D- أغشية هي الأشياء التي ترتبط بها الحبال (مستطيل أسود في الصورة). من ناحية أخرى، فإن الأغشية S هي أغشية محددة جدًا لا يمكن أن توجد إلا في ظل ظروف مكانية وزمانية محددة.

في هذا السيناريو الجديد ekpyrotique، بينما كان الكون في أصغر تكوين ممكن وأكثره كثافة، ظهر غشاء S، مما أدى إلى إعادة توسع الكون المليء بالمادة والإشعاع (الانفجار العظيم) ومع اختلافات طفيفة في درجة الحرارة والضغط المقابلة لتلك الملاحظة.

بينما تقدم هذه الفرضية حلاً أنيقًا لتكوين الكون وتطوره، إلا أنها تظل تخمينية للغاية. أولاً، لأن نظرية الأوتار الفائقة لم تكن موضوع أي تأكيد تجريبي بعد، وثانيًا لأن فرضية البرانات - الأغشية S-brane هي نفسها مشكوك فيها في وسط الفيزياء النظرية وعلم الكونيات خاصة عند اللجوء لاستخدام نظرية الأوتار.

المصادر: arXiv

يوجد عالم من المادة المضادة بعد الانفجار العظيم، وفقًا لنموذج جديد

univers antimatiere bigbang

على الرغم من أن النموذج الكوسمولوجي القياسي أو المعياري يفسر العديد من الظواهر الكونية التي لوحظت في الكون، لكنه لا يزال يحتوي على فجوات معينة، مثل طبيعة المادة والطاقة السوداء أو المظلمة، والتي تجعل بعض علماء الكونيات يبحثون عن بدائل. يقترح أحد هذه البدائل، الذي طوره الفيزيائي الشهير نيل توروك، أن كوننا يمتلك نفسًا بديلًا للمادة المضادة يتجاوز الانفجار العظيم.

يمكن أن يكون كوننا انعكاسًا لكون مادة مضادة تمتد إلى ما بعد الانفجار العظيم. هذا ما يقترح نموذجًا كونيًا جديدًا - طوره علماء الفيزياء من معهد Perimeter تحت إشراف Neil Turok - يفترض وجود "كون مضاد" والذي، إلى جانب كوننا، يحافظ على قاعدة أساسية للفيزياء. يسمى تناظر CPT. لا يزال النموذج بحاجة إلى التعميق والعمل عليه، لكنه، وفقًا لمؤلفيه، يشرح بشكل طبيعي وجود المادة السوداء أو المظلمة.

يؤكد النموذج الكوني القياسي أو المعياري أن الكون ظهر منذ حوالي 13.8 مليار سنة بعد الانفجار العظيم، ليبرد بعد ذلك وينتج عنه الجسيمات والنوى الذرية والذرات والنجوم والكواكب والمجرات وما إلى ذلك. ومع ذلك، وفقًا لتوروك، اعتمادًا على معلمات مخصصة، فإن هذا النموذج يشبه بشكل متزايد وصف بطليموس للنظام الشمسي.

ويقول إن أحد هذه المعلمات هو الفترة القصيرة من التوسع العنيف والسريع المعروف باسم التضخم الكوني، والذي قد يفسر التوحيد والتجانس الواسع النطاق للكون (التجانس والتناحي). "هناك ميل إلى تفسير أي ظاهرة جديدة من خلال اختراع جسيم جديد أو مجال جديد؛ يشرح توروك "أعتقد أن هذا قد يكون خطأ".

وبدلاً من ذلك، شرع توروك وزميله لاثام بويل في تطوير نموذج للكون قادر على شرح جميع الظواهر التي يمكن ملاحظتها بناءً على الجسيمات والحقول المعروفة فقط. تساءلوا عما إذا كانت هناك طريقة طبيعية لتوسيع الكون إلى ما بعد الانفجار العظيم. يقول توروك: "وجدنا أنه كان هناك".

نموذج كوني يحترم تناظر CPT

univers cpt bigbang

لقد اعتبروا أن الكون ككل يطيع تناظر CPT. يتطلب هذا المبدأ الأساسي أن تظل جميع العمليات الفيزيائية كما هي إذا انعكس الزمن، وعكس الفضاء، واستبدلت الجسيمات بجسيمات مضادة. يتذكر توروك أن هذا ليس هو الحال بالنسبة للكون من حولنا، حيث يمر الزمن مع توسع الفضاء، وحيث توجد مادة أكثر من المادة المضادة.

في نموذج الكون المتماثل CPT، يتدفق الزمن في الاتجاه المعاكس للانفجار العظيم داخل الكون المضاد.

سيكون الهيكل الذي يحترم التناظر زوجًا من كون مقابل كون. سوف يمتد الكون المضاد عبر الانفجار العظيم، وستهيمن عليه المادة المضادة، وستنعكس خصائصه المكانية عن خصائص كوننا - وهو وضع مشابه لتكوين أزواج الإلكترون والبوزيترون في الفراغ، حسب توروك.

يقر Turok، الذي تعاون أيضًا مع Kieran Finn من جامعة مانشستر في المملكة المتحدة، بأن النموذج لا يزال بحاجة إلى الكثير من العمل ومن المرجح أن يواجه الكثير من الانتقادات. بالفعل خلال مرحلة مراجعة الأقران عندما تم تقديم المقالة إلى Physical Review Letters، تم إخبار المؤلفين أنه لكي يكون صحيحًا، يجب أن يشرح نموذجهم تقلبات درجة حرارة الخلفية الكونية المنتشرة. لا يزال العمل جاريًا وفقًا لتوروك.

يجب أن تكون ملاحظة تقلبات الكثافة (تباين الخواص) داخل الخلفية الكونية المنتشرة، ولا سيما بفضل مهمة بلانك، قابلة للتفسير من خلال نموذج CPT الجديد. يُعتقد أن هذه التقلبات ناتجة عن الطبيعة الكمومية للزمكان بالقرب من الانفجار العظيم.

fluctuations densite cmb inflation

يوضح الأخير أن التقلبات ترجع إلى الطبيعة الكمومية للزمكان بالقرب من تفرد الانفجار العظيم. في حين أن المستقبل البعيد لكوننا والماضي البعيد للكون المضاد من شأنه أن يوفر نقاطًا ثابتة (كلاسيكية)، فإن جميع التبادلات الكمومي المحتملة ستكون موجوددةفي المركز.

قام هو وزملاؤه بحساب حالات كل تكوين ممكن لزوج CPT، ومن بينها، أي واحد من المرجح أن يكون موجودًا. قال: "اتضح أن الكون الأكثر احتمالا هو الذي يشبه كوننا". يضيف توروك أن عدم اليقين الكمومي يعني أن الكون والكون المضاد ليسا صورتين متطابقتين لبعضهما البعض، مما يتجنب القضايا الحساسة مثل الإرادة الحرة.

الظهور الطبيعي للمادة السوداء أو المظلمة في النموذج الكوني CPT

يقول توروك إن النموذج الجديد مرشح طبيعي للمادة السوداء أو المظلمة. هذا المرشح عبارة عن جسيم ضخم للغاية ومراوغ يسمى نيوترينو "عقيم"، والذي يعتقد أنه يفسر الكتلة المحدودة (الصغيرة جدًا) للنيوترينوات اليسارية الأكثر شيوعًا. بحسب الفيزيائي في، يمكن استخدام تناظر CPT لتحديد وفرة النيوترينوات الصحيحة في كوننا. مع الأخذ في الاعتبار كثافة المادة السوداء أو المظلمة المرصودة، يشير إلى أن هذا يعطي كتلة للنيوترينو الصحيح تبلغ حوالي 5 × 108 غيغا إلكترون فولت - حوالي 500 مليون ضعف كتلة البروتون.

ويصف هذه الكتلة بأنها تشبه "بشكل لا يصدق" تلك المشتقة من إشارتين راديو شاذتين تم اكتشافهما بواسطة هوائي أنتاركتيكا النبضي العابر (ANITA). تجربة منطاد الهواء الساخن، التي تحلق فوق القارة القطبية الجنوبية، تراقب تدفق الأشعة الكونية عبر الغلاف الجوي. ومع ذلك، في مناسبتين يبدو أن ANITA قد اكتشفت جسيمات بكتل تتراوح بين 2 و10 × 108 GeV.

كشفت تجربة Antarctic Impulse Transient Antenna (ANITA) عن جسيمين عاليي الطاقة لهما توقيع مذهل، والذي يمكن أن يكشف عن أثر النيوترينو المعقم.

نظرًا لأن النيوترينوات العادية ستتفاعل بشكل شبه مؤكد قبل الذهاب إلى هذا الحد، فقد اقترح توماس ويلر من جامعة فاندربيلت وزملاؤه مؤخرًا أن الجناة كانوا في الواقع يتحللون النيوترينوات المستقيمة.

ومع ذلك، يشير Turok إلى مشكلة: يتطلب نموذج CPT المتماثل أن تكون هذه النيوترينوات مستقرة تمامًا. لكنه يظل متفائلا بحذر. "من الممكن أن تتسبب في تحلل هذه الجسيمات مع تقدم عمر الكون، لكن هذا يتطلب تعديلًا بسيطًا لنموذجنا. لذلك ما زلنا مفتونين، لكنني بالتأكيد لن أقول إننا مقتنعون في هذه المرحلة ".

المصادر: خطابات المراجعة المادية

المادة السوداء أو المظلمة: هل تختبئ البوزونات السوداء المظلمة في التفاعل بين النيوترونات والإلكترونات؟

signature bosons noirs interactions neutrons électrons

على الرغم من أن هذا هو افتراض الغالبية للنموذج الكوني القياسي أو المعياري، إلا أن طبيعة المادة السوداء أو المظلمة لا تزال غير معروفة تمامًا. في السنوات الأخيرة، تم اقتراح العديد من المرشحين ومن بينهم Black Bosons البوزونات السوداء. يقال أن هذه البوزونات خارج النموذج القياسي أو المعياري مسؤولة عن وجود المادة السوداء أو المظلمة والتي قد تظهر في التفاعل بين الإلكترونات والنيوترونات. في الآونة الأخيرة، تم إجراء تجربتين للكشف عن توقيع محتمل لهذه البوزونات الافتراضية. بينما لم يلاحظ أحدهما شيئًا غير عادي، حصل الآخر على نتائج غريبة. وإحدى الفرضيات المطروحة لتفسيرها هي وجود البوزونات السوداء.

على عكس البوزونات الكلاسيكية، مثل الفوتونات والغلونات، فإن تبادل أو تفاعل البوزونات السوداء لن يؤثر على بيئتها المباشرة. إذا كانت موجودة بالفعل، فقد تكون طاقتها الجماعية مسؤولة عن المادة السوداء المظلمة. بحثت الدراستان - إحداهما من قبل باحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، والأخرى بواسطة جامعة آرهوس في الدنمارك - عن الاختلافات الدقيقة في موضع الإلكترون في أحد النظائر المشعة عندما انتقلت بين مستويات الطاقة الذرية.

تجربتان بنتائج متناقضة:

يمكن أن يكون التذبذب علامة على وجود بوزونات سوداء. هذا البوزون، من الناحية النظرية، قد يأتي من تفاعل بين الإلكترون والكواركات التي تشكل النيوترونات في نواة الذرة. استخدم الفريق بقيادة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عددًا قليلاً من نظائر الإيتربيوم في تجربتهم، بينما كان الكالسيوم هو العنصر المفضل للمجموعة التي تقودها جامعة آرهوس.

manifestation boson noir interaction électron neutron atome

رسم بياني يوضح خصائص القوة الذرية الجديدة بين الإلكترون (e-) والنيوترون (n) بوساطة التبادل الافتراضي لبوزون جديد افتراضي ϕ. ينتج عن الاقتران جهد شبيه بـ Yukawa يغير مستويات الطاقة الذرية ويمكن فحصه بواسطة التحليل الطيفي للتحول النظيري.

قامت كلتا التجربتين بدمج بياناتهما على نوع من الرسم البياني الخاص بقياس فئات الحركات في النظائر. بينما أعطت التجربة المعتمدة على الكالسيوم النتيجة المتوقعة، كان الرسم البياني لليتربيوم غير عادي، مع وجود انحراف ذي دلالة إحصائية في خطية الرسم البياني.

ومع ذلك، هذا لا يشكل دليلا في حد ذاته. من ناحية أخرى، إذا كان بإمكان البوزون تفسير هذه الأرقام، فيمكن أيضًا للعملية أن تراجع بالطريقة التي يقومون بها بالحسابات، وهو نوع من التصحيح يسمى تحول المجال التربيعي. يحتاج السبب الدقيق الذي يجعل إحدى التجارب قد وجدت شيئًا غريبًا بينما لم تجد الأخرى شيئًا على الإطلاق، يحتاج أيضًا إلى تفسير.

المادة السوداء أو المظلمة: البحث عن الجسيمات خارج النموذج القياسي:

في حين أن إضافة بوزونات جديدة خارج النموذج القياسي ليس محظورًا حقًا، إلا أنها تتطلب بعض التعديل. على أي حال، لا يزال البحث عن مرشحين يشكلون المادة السوداء أو المظلمة نشطًا. في بداية العام، تم الحديث عن تجربة XENON1T في مواجهة عدد الإلكترونات المتراجعة الكشف، التوقيع المحتمل لوجود الأكسيونات.

في عام 2016، تم رصد نوع من المادة السوداء أو المظلمة المرشحة يسمى بوزون مادالا بين البيانات التي تم جمعها بواسطة مصادم الهادرونات الكبير في بحثه عن جسيم هيغز. يمكن اعتبار هذا الجسيم نوعًا من النسخة المظلمة من بوزون هيغز. ومع ذلك، فقد خفف سيرن من إثارة الفيزيائيين، متذكرًا أنه لا شيء في البيانات يشير إلى وجود مثل هذا البوزون. لذلك سيتعين علينا الانتظار لفترة أطول قليلاً لكشف سر المادة السوداء أو المظلمة.

المصادر: خطابات المراجعة المادية (1، 2)

يمكن أن يشير الشذوذ في طيف الأشعة الكونية بشكل غير مباشر إلى وجود المادة السوداء أو المظلمة

إلى اليسار: محاكاة لتوزيع المادة السوداء أو المظلمة في الكون بعد حوالي 3 مليارات سنة من الانفجار العظيم. إلى اليمين: عناقيد من المادة السوداء أو المظلمة (حمراء)، تزيد كتلتها عن 300 مليون ضعف كتلة الشمس (باللون الأصفر). | كونسورتيوم برج العذراء

يعد اكتشاف المادة السوداء أو المظلمة، التي تشكل حوالي 27 ٪ من إجمالي كثافة الطاقة في الكون، نشأت أحد التحديات الأساسية للفيزياء الفلكية الحديثة يتعلق بماهية هذه المادة وطبيعتها.

بينما يستمر البحث، فإن البيانات الجديدة التي حصل عليها الكاشف المداري الصيني DAMPE ونشرت في 29 نوفمبر في مجلة Nature (1)، كانت تهز المجتمع العلمي لبضعة أيام. في الواقع، يمكن أن يكون اكتشاف شذوذ في تدفق الأشعة الكونية المرصود إشارة غير مباشرة على وجود المادة السوداء أو المظلمة.

DAMPE ودراسة الأشعة الكونية عالية الطاقة :

مستكشف الجسيمات DArk Matter Particle Explorer (DAMPE)، الذي تم إطلاقه في 17 ديسمبر 2015 على ارتفاع 500 كيلومتر، هو كاشف للجسيمات عالي الطاقة للغاية مُحسَّن لدراسة الأشعة الكونية المكونة من الإلكترونات والبوزيترونات (CREs)، وكذلك من دراسة أشعة غاما. وبشكل أكثر تحديدًا، يتم معايرة DAMPE لطاقات تصل إلى 10 إلكترون فولت.

كاشف DAMPE المداري، الذي يدرس تدفقات الأشعة الكونية عالية الطاقة للإلكترونات والبوزيترونات.

دراسة الـ CREs لها فائدة مزدوجة. أولاً، يوفر فهمًا أفضل لظواهر المجرات عالية الطاقة مثل المستعرات العظمى (2). ثانيًا، يمكن أن يسمح بملاحظة ظاهرة المادة السوداء أو المظلمة، مثل فناء أو تحلل جسيمات هذه المادة السوداء المظلمة.

بالإضافة إلى ذلك، يقوم الكاشف أيضًا بقياس اتجاه السقوط وكذلك شحنة الجسيمات، ويميز بشكل فعال البروتونات (التي تتداخل مع الكشف) عن الإلكترونات والبوزيترونات. نظرًا لأن هذا التمييز ضروري لدراسة الأشعة الكونية، فإن DAMPE قادر على رفض أكثر من 99.99٪ من البروتونات مع الاحتفاظ بـ 90٪ من الإلكترونات / البوزيترونات.

قام الفريق الدولي المسؤول عن DAMPE بتحليل البيانات التي تم جمعها من 27 ديسمبر 2015 إلى 8 يونيو 2017 أو خلال 530 يومًا من الكشف. خلال هذه الفترة، سجل DAMPE أكثر من 2.8 مليار تدفق للأشعة الكونية، منها ما يقرب من 1.5 مليار من الإلكترونات والبوزيترونات فوق 25 GeV.

شذوذ في طيف الطاقة للأشعة الكونية:

يتم إنشاء طيف طاقة الأشعة الكونية من خلال تخطيط الرسم البياني الذي يمثل عدد الجسيمات في التدفق كدالة لطاقتها. تفقد تدفقات الأشعة الكونية طاقتها تدريجياً أثناء انتشارها. وبالتالي فإن الشكل المتوقع لطيف الطاقة في مثل هذه الحالة هو منحنى متناقص.

ومع ذلك، فإن الطيف الذي أنشأه الفيزيائيون من بيانات DAMPE كشف عن اختلافات كبيرة. على وجه التحديد، يُظهر الطيف بوضوح "كسر" حول 0.9 تيرا إلكترون فولت (900 جيجا إلكترون فولت). هذا "الفاصل الطيفي" ليس جديدًا حقًا.

تم إنشاء طيف الطاقة للـ CREs من نتائج تعاون HESS في عام 2009. يظهر انقطاع في الطيف (دائرة حمراء) حوالي 600 GeV، مما يشير إلى وجود فائض من الإلكترونات والبوزيترونات. ومع ذلك، تم إلقاء اللوم على هذا الشذوذ على أخطاء القياس.

في الواقع، في عامي 2008 و 2009، قام تعاون HESS (النظام المجسم عالي الطاقة)، المكون من شبكة من تلسكوبات تصوير Cherenkov الموجودة في ناميبيا، بتحليل النتائج التي تم الحصول عليها من دراسة الأشعة الكونية عالية الطاقة وكان بالفعل قادرًا على إنشاء طيف طاقة غير طبيعي، يظهر انقطاعًا (3). ومع ذلك، في ذلك الوقت، تم تفسير هذا الفاصل من خلال عدم اليقين في قياسات الأجهزة.

تؤكد النتائج الأخيرة للتعاون DAMPE النتائج السابقة لـ HESS. في الواقع، على الرغم من الضرورة مع الأخذ في الاعتبار الشكوك الإحصائية بشأن التدفقات، فإن أدوات DAMPE تجعل من الممكن تقليل الأخير بشكل كبير والتأكيد بشكل لا لبس فيه على الوجود الفعلي لكسر في طيف الطاقة لـ CREs.

هذا الكسر حول 0.9 TeV n ليس هذا هو الشذوذ الوحيد الذي يسبب الاضطراب في المجتمع العلمي. يُظهر الطيف أيضًا نقطة معزولة عند 1.4 تيرا إلكترون فولت (1400 غيغا إلكترون فولت) مع عدم يقين قياس منخفض جدًا. بينما في مستوى الطاقة هذا يجب أن يستمر عدد الإلكترونات والبوزيترونات في الانخفاض، تظهر هذه النقطة بدلاً من ذلك عددًا كبيرًا بشكل غير طبيعي.

طيف الطاقة من CREs الذي أنشأته تعاون DAMPE. يظهر الرسم البياني بوضوح فاصلًا حول 1 تيرا إلكترون فولت (دائرة سوداء) وخاصة وجود فائض من الإلكترونات والبوزيترونات عند ~ 1.4 تيرا إلكترون فولت (السهم الأسود) مما يمثل عدم يقين منخفض. يمكن أن تشير هذه الحالات الشاذة إلى وجود المادة المظلمة.

هل هو توقيع غير مباشر على وجود المادة المظلمة؟

matiere noire illustration

وفقًا لعلماء الفيزياء في تعاون DAMPE، فإن هذا التوزيع غير الطبيعي لطيف الطاقة للـ CREs وهذه النقطة عند 1.4 TeV يمكن أن تكون علامة غير مباشرة على فناء أو تحلل جسيمات المادة السوداء أو المظلمة. فرضية مدعومة بدراسات مختلفة منشورة على arXiv والتي أعقبت مباشرة نشر نتائج DAMPE.

في دراسة نُشرت في 30 نوفمبر 2017 (4)، أظهر الفيزيائيان X. Liu و Z. Liu أن وجود فائض من الإلكترونات / البوزيترونات حول 1.4 TeV قد يشير إلى تفكك جسيمات المادة السوداء المظلمة من داخل هالة محلية من المادة السوداء أو المظلمة، بالقرب من النظام الشمسي.

في دراسة أخرى نشرت في نفس الوقت (5)، أظهر فريق أسترالي من الفيزيائيين أن الفائض الموجود عند 1.4 تيرا إلكترون فولت يتفق جيدًا مع بعض نماذج المادة السوداء المظلمة التي تتضمن تحلل جسيمات المادة السوداء المظلمة تحت تفاعل البوزونات السوداء.

أخيرًا، تُظهر دراسة ثالثة، نُشرت أيضًا في 30 نوفمبر 2017 (6) أن الشذوذ الطيفي قد تم تفسيره بشكل صحيح من خلال نموذج المادة السوداء المظلمة ديراك، والذي يقدم آلية تحلل المادة السوداء المظلمة تحت تأثير البوزون. أسود Z '. في هذا النموذج، يتم إنتاج زوج إلكترون-بوزيترون نتيجة لتحلل زوج من جسيمات المادة السوداء المظلمة بعد التفاعل χ ̄χ → Z ′ → e e. يحدث هذا الانحلال عند مستويات طاقة متوافقة مع 1.4 TeV المكتشفة.

detecteur orbital dampe

ومع ذلك، كما يذكرنا تشانغ جين (المتحدث باسم تعاون DAMPE)، على الرغم من أن الشذوذ الطيفي الملاحظ يتوافق تمامًا مع فرضية المادة السوداء المظلمة، فإن النتائج لا تسمح لنا بأي شكل من الأشكال بالقرار أو التأكيد أو الرفض لهذا افتراض. قد يكون التوزيع غير الطبيعي للطيف ناتجًا أيضًا عن أحداث فيزيائية فلكية فائقة الطاقة، مثل المستعرات الأعظم أو قذف النجوم النابضة.

هذا هو السبب في أن العمر التشغيلي لـ DAMPE، الذي كان من المخطط في البداية أن يستمر لثلاث سنوات فقط، قد تم تمديده لعدة سنوات أخرى. ستجعل التحسينات التي سيتم إجراؤها عليه في المستقبل من الممكن تقليل حالات عدم اليقين في القياس، مع دفع حساسية الاكتشاف إلى ما بعد 10 تيرا بايت.

ستكون البيانات التي تم جمعها بهذه الطريقة حاسمة لأنها ستسمح بتقييد القيم الطيفية للجسيمات الدقيقة بشكل أكثر دقة، بهدف التمكن أخيرًا من تحديد المصدر الحقيقي لهذه الحالات الشاذة: المستعرات الأعظمية أو النجوم النابضة أو المادة السوداء المظلمة.

spectre en energie cres collaboration hess 2009

spectre energie cres collaboration dampe

المصادر: Nature (1)، Arxiv.org (2، 3، 4، 5، 6)

حدود مُحسَّنة قائمة على التحول النظائري على البوزونات خارج النموذج القياسي من خلال قياسات الفاصل الزمني 2D3 / 2−2D5 / 2 في Ca +

سيريل سولارو، وستيفن ماير، وكارين فيشر، وجوليان سي.برنجوت، وإلينا فوكس، ومايكل دروسن

فيز. القس ليت. 125، 123003 - تم النشر في 15 سبتمبر 2020

انظر الملخص: تلميحات من البوزونات المظلمة

نقوم بإجراء تحليل طيفي عالي الدقة للفاصل الزمني ثلاثي الأبعاد 2D3 / 2−3d 2D5 / 2 في جميع النظائر المستقرة حتى لـ ACa + (A = 40 و 42 و 44 و 46 و 48) بدقة ∼20 هرتز باستخدام التردد المباشر- مشط مطياف رامان. بدمج هذه البيانات مع قياسات إزاحة النظائر للانتقال 4s 2S1 / 2↔3d 2D5 / 2، نجري تحليل مخطط King بحساسية غير مسبوقة للاقتران بين الإلكترونات والنيوترونات بواسطة البوزونات خارج النموذج القياسي. علاوة على ذلك، فإننا نقدر حساسية هذه البوزونات من التحليل الطيفي المكافئ في Ba + و Yb +. أخيرًا، ينتج عن البيانات تحولات نظيرية للانتقال 4s 2S1 / 2↔3d 2D3 / 2 بمعدل 10 أجزاء لكل مليار من خلال الجمع مع البيانات الحديثة لـ Knollmann و Patel و Doret [Phys. القس أ 100، 022514 (2019)].

- تم الاستلام 1 مايو 2020

- مقبولة 20 أغسطس 2020

DOI: https: //doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.123003

© 2020 الجمعية الفيزيائية الأمريكية

عناوين موضوعات الفيزياء (PhySH)

1- مجالات البحث

التحولات الإلكترونية امتدادات قطاع هيغز امتدادات قطاع المقاييس التفاعلات طويلة المدى

1- النظم الفيزيائية

الأيونات المحاصرة

1- التقنيات

مطيافية ليزر الفيمتو ثانية

الجزيئات والحقول الذرية والجزيئية والبصرية

تلميحات من البوزونات المظلمة

تم النشر في 15 سبتمبر 2020

تظهر إشارة متوقعة لنوع من المادة المظلمة في أطياف نظائر الإيتربيوم.

شاهد المزيد في الفيزياء

المؤلفون والانتماءات

Cyrille Solaro1 و * و Steffen Meyer1 و و Karin Fisher1 و Julian C. Berengut2 و ‡ و Elina Fuchs3 و 4 و § و Michael Drewsen1 و ∥

- 1 قسم الفيزياء والفلك، جامعة آرهوس، DK-8000 آرهوس سي، الدنمارك

- 2 مدرسة الفيزياء، جامعة نيو ساوث ويلز، سيدني، نيو ساوث ويلز 2052، أستراليا

- قسم 3 Theory، Fermilab، باتافيا، إلينوي 60510، الولايات المتحدة الأمريكية

- 4 قسم الفيزياء، جامعة شيكاغو، شيكاغو، إلينوي 60637، الولايات المتحدة الأمريكية

- *[email protected]

- †[email protected]

- ‡[email protected]

- §[email protected]

- ∥[email protected]

دليل على التحول النظيري غير الخطي في Yb + البحث عن بوزون جديد

إيان كونتس، وجونسوك هور، وديانا بي إل.أودي كريك، وهونغجي جيون، وكالفن ليونغ، وجوليان سي بيرنغوت، وآمي جيديس، وأكيو كاواساكي، وونهو جي، وفلادان فوليتيتش

فيز. القس ليت. 125، 123002 - تم النشر في 15 سبتمبر 2020

انظر الملخص: تلميحات من البوزونات المظلمة

نقيس التحولات النظيرية لخمسة نظائر Yb + بدون دوران نووي على تحولات ضيقة رباعية الأضلاع 2S1 / 2 → 2D3 / 2، 2S1 / 2 → 2D5 / 2 بدقة ∼300 هرتز. يُظهر مخطط King المقابل انحرافًا بمقدار 3 × 10 عن الخطية عند مستوى عدم اليقين 3σ. يمكن لمثل هذا اللاخطي أن يشير إلى فيزياء تتجاوز النموذج القياسي (SM) في شكل حاملة قوة بوزونية جديدة، أو تنشأ من تأثيرات نووية عالية المستوى داخل SM. نحدد تحول المجال التربيعي كمساهم نووي محتمل في اللاخطية على المقياس المرصود، ونوضح كيف يمكن استخدام النمط اللاخطي في المستقبل، قياسات أكثر دقة لفصل إشارة البوزون الجديدة عن التأثيرات النووية.

- تم الاستلام في 23 أبريل 2020

- تم القبول في 27 يوليو 2020

DOI: https: //doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.123002

© 2020 الجمعية الفيزيائية الأمريكية

عناوين موضوعات الفيزياء (PhySH)

1-مجالات البحث

التركيب الإلكتروني للذرات والجزيئات، التحولات الإلكترونية، امتدادات قطاع هيغز، امتدادات قطاع القياس، القوى النووية

1-النظم الفيزيائية

الأيونات المحاصرة

1-التقنيات

تفاعل التكوين الطيفي

الفيزياء الذرية والجزيئية والنووية والجسيمات والحقول

تلميحات من البوزونات المظلمة

تم النشر في 15 سبتمبر 2020

تظهر إشارة متوقعة لنوع من المادة المظلمة في أطياف نظائر الإيتربيوم.

شاهد المزيد في الفيزياء

المؤلفون والانتماءات

إيان كونتس 1، *، Joonseok Hur1، *، Diana P. L. Aude Craik1، Honggi Jeon2، Calvin Leung1، Julian C. Berengut3، Amy Geddes3، Akio Kawasaki4، Wonho Jhe2، و Vladan Vuletić1، †

- 1 قسم الفيزياء ومختبر أبحاث الإلكترونيات، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، كامبريدج، ماساتشوستس 02139، الولايات المتحدة الأمريكية

- 2 قسم الفيزياء والفلك، جامعة سيول الوطنية، سيول 151-747، كوريا

- 3School of Physics، University of New South Wales، Sydney، New South Wales 2052، Australia

- 4 واط. مختبر دبليو هانسن للفيزياء التجريبية وقسم الفيزياء، جامعة ستانفورد، ستانفورد، كاليفورنيا 94305، الولايات المتحدة الأمريكية

-       *أنا. ساهم C. و J.H بالتساوي في هذا العمل.

- †[email protected]

حدود مُحسَّنة قائمة على التحول النظائري على البوزونات خارج النموذج القياسي من خلال قياسات الفاصل الزمني 2D3 / 2−2D5 / 2 في Ca +

سير إيل سولارو، وستيفن ماير، وكارين فيشر، وجوليان سي.برنجوت، وإيلينا فوكس، ومايكل دروسن

فيز. القس ليت. 125، 123003 - تم النشر في 15 سبتمبر 2020

انظر الملخص: تلميحات من البوزونات المظلمة

نقوم بإجراء تحليل طيفي عالي الدقة للفاصل الزمني ثلاثي الأبعاد 2D3 / 2−3d 2D5 / 2 في جميع النظائر المستقرة حتى لـ ACa + (A = 40 و 42 و 44 و 46 و 48) بدقة ∼20 هرتز باستخدام التردد المباشر- مشط مطياف رامان. بدمج هذه البيانات مع قياسات إزاحة النظائر للانتقال 4s 2S1 / 2↔3d 2D5 / 2، نجري تحليل مخطط King بحساسية غير مسبوقة للاقتران بين الإلكترونات والنيوترونات بواسطة البوزونات خارج النموذج القياسي. علاوة على ذلك، فإننا نقدر حساسية هذه البوزونات من التحليل الطيفي المكافئ في Ba + و Yb +. أخيرًا، ينتج عن البيانات تحولات نظيرية للانتقال 4s 2S1 / 2↔3d 2D3 / 2 بمعدل 10 أجزاء لكل مليار من خلال الجمع مع البيانات الحديثة لـ Knollmann و Patel و Doret [Phys. القس أ 100، 022514 (2019)].

- تم الاستلام 1 مايو 2020

- مقبولة 20 أغسطس 2020

DOI: https: //doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.123003

© 2020 الجمعية الفيزيائية الأمريكية

عناوين موضوعات الفيزياء (PhySH)

1-مجالات البحث

التحولات الإلكترونية امتدادات قطاع هيغز امتدادات قطاع المقاييس التفاعلات طويلة المدى

1-النظم الفيزيائية

الأيونات المحاصرة

1-التقنيات

مطيافية ليزر الفيمتو ثانية

الجزيئات والحقول الذرية والجزيئية والبصرية

تلميحات من البوزونات المظلمة

تم النشر في 15 سبتمبر 2020

تظهر إشارة متوقعة لنوع من المادة المظلمة في أطياف نظائر الإيتربيوم.

شاهد المزيد في الفيزياء

المؤلفون والانتماءات

Cyrille Solaro1 و * و Steffen Meyer1 و و Karin Fisher1 و Julian C. Berengut2 و ‡ و Elina Fuchs3 و 4 و § و Michael Drewsen1 و ∥

- 1 قسم الفيزياء والفلك، جامعة آرهوس، DK-8000 آرهوس سي، الدنمارك

- 2 مدرسة الفيزياء، جامعة نيو ساوث ويلز، سيدني، نيو ساوث ويلز 2052، أستراليا

- قسم 3 Theory، Fermilab، باتافيا، إلينوي 60510، الولايات المتحدة الأمريكية

- 4 قسم الفيزياء، جامعة شيكاغو، شيكاغو، إلينوي 60637، الولايات المتحدة الأمريكية

- *[email protected]

- †[email protected]

- ‡[email protected]

- §[email protected]

- ∥[email protected]

Figure

Figure

Figure

Received 1 May 2020

Accepted 20 August 2020

Key ImageFigure

Figure

Received 23 April 2020

Accepted 27 July 2020

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

تم اكتشاف أقوى مجال مغناطيسي تم اكتشافه في الكون

champ magnetique plus puissant univers detecte observatoire spatial rayons x hxmt

النجوم النابضة Les pulsars  هي أجسام فلكية ضخمة تنتجها النجوم النيوترونية وتنتج إشارة دورية (تتراوح من ميلي ثانية إلى عدة ثوانٍ). تدور هذه الأجسام الكونية بسرعة كبيرة على نفسها، وتصدر إشعاعًا قويًا في اتجاه محورها المغناطيسي. في الآونة الأخيرة، توصل فريق التلسكوب الفضائي الصيني للأشعة السينية Insight-HXMT إلى اكتشاف مفاجئ: بعد الملاحظات المكثفة للنجم النابض GRO J1008-57 للأشعة السينية، قام الباحثون بقياس مجال مغناطيسي على السطح. النجم النيوتروني بحوالي 1 مليار تسلا! إنه أقوى مجال مغناطيسي تم اكتشافه بشكل قاطع في الكون.

أثناء دراسة النجم النابض للأشعة السينية GRO J1008-57 الذي تم اكتشافه بواسطة Insight-HXMT عندما انفجر في أغسطس 2017، اكتشف الباحثون لأول مرة خاصية تشتت الرنين السيكلوتروني résonante cyclotronique (CRSF) بقدرة 90 كيلو فولت. عتبة أكبر من 20 سيغماس (20 درجة). (لكي يؤكد المجتمع العلمي اكتشافًا جديدًا، يجب أن يكون مستوى الأهمية أكبر من 5 درجات مئوية). وفقًا للحسابات النظرية، فإن المجال المغناطيسي الذي يتوافق مع CRSF هذا هو 1 مليار تسلا، أقوى بعشرات الملايين من المرات مما يمكن توليده في المختبرات الأرضية.

تم تنفيذ هذا العمل بشكل أساسي من قبل معهد فيزياء الطاقة العالية (IHEP) التابع للأكاديمية الصينية للعلوم وجامعة إيبرهارد كارلس في توبنغن بألمانيا. نُشرت النتائج في مجلة The Astrophysical Journal Letters.

بيئة قاسية تؤدي إلى ظواهر متطرفة بنفس القدر من القسوة

حتى يومنا هذا، نعلم أن النجوم النيوترونية تولد أقوى المجالات المغناطيسية في الكون. ثنائيات X (أو ثنائيات الأشعة السينية) هي أنظمة مكونة من نجم نيوتروني ورفيق نجمي عادي. يكتسب النجم النيوتروني المادة ويشكل قرص تراكم محيط. إذا كان المجال المغناطيسي قويًا، يتم توجيه المادة المتراكمة بواسطة خطوط مغناطيسية على سطح النجم النيوتروني ، مما يؤدي إلى إشعاع الأشعة السينية. ولهذا السبب أيضًا، فإن هذه المصادر المتطرفة للأشعة السينية هي التي تسمى "النجوم النابضة". أدناه، رسم متحرك يُظهر نجمًا نابضًا يتراكم عليه مادة من نجمه المصاحب وينبعث منه إشعاع قوي [© NASA / Dana Berry]:

تنشأ النجوم النابضة من انفجار نجم ضخم في نهاية حياته، أو انفجار مستعر أعظم (أو بالأحرى سوبر نوفا ينهار لبه). بالطبع، لا تلد كل سوبرنوفا أو مستعر أعظم ينهار القلب فيه، نجمًا نابضًا. في بعض الحالات، يفسح المستعر الأعظم الطريق لثقب أسود.

أظهرت الدراسات السابقة أن خاصية امتصاص معينة (تُعرف باسم "خاصية تشتت الرنين السيكلوتروني") يمكن أحيانًا اكتشافها في طيف النجوم النابضة للأشعة السينية، ويعتقد العلماء أن هذا يرجع إلى التحولات. بين مستويات لانداو المنفصلة للحركة الإلكترونية المتعامدة مع المجال المغناطيسي. تعمل خاصية التشتت هذه كمسبار مباشر للمجال المغناطيسي بالقرب من سطح النجم النيوتروني.

تم اكتشاف أقوى المجالات المغناطيسية في الكون باستخدام أحدث الأدوات:

إنسايت- Insight-HXMT   هو أول قمر صناعي صيني للمراقبة الفلكية للأشعة السينية. ويشمل حمولات علمية، بما في ذلك تلسكوب عالي الطاقة، وتلسكوب متوسط ​​الطاقة، وتلسكوب منخفض الطاقة، وجهاز مراقبة البيئة الفضائية.

بالمقارنة مع سواتل أو أقمار الأشعة السينية الأخرى ، يتمتع Insight-HXMT بمزايا استثنائية للكشف عن الخطوط الحلقية (خاصة في الطاقات العالية) ، وذلك بفضل تغطيتها الطيفية عريضة النطاق (1-250 كيلو فولت) ، ومساحتها الكبيرة الفعالة على ارتفاع الطاقات ، ودقتها الزمنية العالية ، وقلة وقتها الزمني وتأثيراتها الضئيلة على التراص لمصادر الضوء. تم اقتراح Insight-HXMT من قبل IHEP في عام 1993 وتم إطلاقه بنجاح في يونيو 2017. IHEP مسؤول عن الحمولات العلمية على متن القمر الصناعي والأجزاء الأرضية والبحث العلمي الذي يشمل ذلك القمر الصناعي.

في غضون بضعة أشهر فقط، تحولت ست مجرات إلى أشباه نجوم! والعلماء لا يعرفون كيف أمكن حدوث هذا.

سرعان ما تحولت ستة مجرات من طراز LINER إلى كوازارات. | وكالة الفضاء الأوروبية / هابل / ناسا / س. Smartt / جامعة كوينز بلفاست / JPL-Caltech

على المستوى البشري، قد نميل إلى الاعتقاد بأن جميع الأحداث التي تحدث في اتساع عالم مابين المجرات، يحدث ببطء شديد ... لكن في الواقع، هذا ليس هو واقع الحال دائمًا.

لقد مرت ست مجرات لتوها بتحول هائل للغاية في غضون بضعة أشهر فقط. في الواقع، لقد انتقلت من مرحلة المجرات الهادئة نسبيًا إلى مرحلة الكوازارات النشطة! أي أن الكوازار عبارة عن مجرة ​​نشطة للغاية ولها نواة نشطة. إنه ألمع كيان في الكون.

يمكن أن تساعد هذه الأحداث العلماء في حل نقاش طويل الأمد حول ما ينتج مثل هذا اللمعان في نوع معين من المجرات. في الواقع، يمكن أن تشير هذه الأحداث إلى نوع من النشاط لم يكن معروفًا من قبل لنواة المجرة.

قبل أن تصبح كوازارات ، كانت المجرات الست مجرات من نوع LINER (Low-Ionization Nuclear Emission-line Region), (منطقة خط انبعاث نووي منخفض التأين) ، والتي تؤهل نوعًا من نواة المجرة التي يتميز طيف انبعاثها بخطوط عريضة من الذرات ضعيفة التأين. وخطوط انبعاث دقيقة للذرات شديدة التأين.

galaxie quasar transformation rapide

وثقت دراسة جديدة قام بها علماء الفلك في جامعة ماريلاند ست مجرات من طراز LINER (يسار) تتحول بسرعة (في غضون بضعة أشهر) إلى كوازارات شديدة السطوع (على اليمين). وفقًا للباحثين، قد يكون هذا نوعًا جديدًا تمامًا من عمل الثقوب السوداء الموجودة داخل مجرات LINER. المصدر: ESA / Hubble / NASA / S. Smartt / Queen’s University Belfast (يسار ، صور بالأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي) و NASA / JPL-Caltech (على اليمين رسم، انطباع الفنان عن الكوازار)

هذا النوع من المجرات شائع جدًا. في الواقع، تمثل ثلث المجرات المعروفة، فهي أكثر إشراقًا من تلك التي بها ثقوب سوداء نائمة فائقة الكتلة في مراكزها، لكنها ليست ساطعة مثل المجرات النشطة (المعروفة باسم مجرات سيفرت de galaxies de Seyfert)..

الكوازارات Les quasars  هي ألمع المجرات النشطة. إن انبعاثات الضوء والراديو التي نراها ناتجة عن كتلة من المادة حول الثقب الأسود، تُعرف باسم قرص التراكم disque d’accrétion. يحتوي هذا القرص على غبار وغازات تدور بسرعات نسبية، مما يولد احتكاكًا هائلاً مدفوعًا بقوة الجاذبية الهائلة للثقب الأسود في مركز المجرة. ينتج عن هذا الاحتكاك حرارة شديدة ويصدر إشعاعًا ضوئيًا قويًا. بالإضافة إلى ذلك، تبعث النفاثات الضخمة المنبعثة من المناطق القطبية للثقب الأسود، موجات الراديو.

كان هناك نقاش لبعض الوقت حول ما الذي ينتج بالضبط اللمعان العالي لمجرات LINER. يعتقد بعض علماء الفلك أن هذا يرجع إلى قرص تراكم الثقوب السوداء. يعتقد علماء آخرون أن هذا ناتج عن نشاط نجمي مكثف (أي ولادة العديد من النجوم). ولكن عندما قام فريق من علماء الفلك، بقيادة عالمة الفلك في جامعة ماريلاند سارة فريدريك Sara Frederick ، بتحليل البيانات من الأشهر التسعة الأولى من المسح السماوي الآلي ، المعروف باسم مرفق زويكي العابر Zwicky Transient Facility ، اكتشفوا أن شيئًا غريبًا حقًا كان يحدث داخل هذه المجرات الست six galaxies LINER...

quasar vu a travers lentille gravitationnelle

في هذه الصورة، نرى الكوازار المسمى HE0435-1223 ، وقد لوحظ من خلال عدسة الجاذبية (العدسات الدقيقة). الاعتمادات: NASA / CXC / Univ. أوكلاهوما / X. داي وآخرون

"فيما يتعلق بأحد هذه الأجسام الستة، اعتقدنا في البداية أننا قد لاحظنا حدوث اضطراب في المد والجزر، والذي يحدث عندما يمر نجم قريبًا جدًا من ثقب أسود فائق الكتلة ويمزقه الأخير حرفياً" قالت سارة فريدريك. وأضافت:"لكننا اكتشفنا لاحقًا أنه كان في الواقع ثقبًا أسود نائمًا يمر بمرحلة انتقالية يسميها علماء الفلك" تغيير في المظهر"، مما أدى إلى نشوء نجم كوازار لامع. إن مراقبة ستة من هذه التحولات، وكلها في مجرات تشبه LINER (وبالتالي هادئة نسبيًا)، تشير إلى أننا حددنا فئة جديدة كاملة من نواة المجرة النشطة "هذا النوع من الانتقال ليس نادر الحدوث، لكنه عادة ليس دراماتيكيًا. في الواقع، تم الإبلاغ عن أول كوازار من هذا القبيل فقط في عام 2015، ثم تم اكتشافه ولكن في الاتجاه المعاكس: كوازار مظلمة ليصبح مجرة ​​سيفرت. عادة ما نلاحظ مثل هذه التحولات بين أنواع مختلفة من مجرات سيفرت ، والتي تنتج أنواعًا مختلفة من الضوء. يعتمد هذا الضوء بشكل عام على اتجاه المجرة.

في الوقت الحاضر، تظل هذه التحولات لغزا في حد ذاتها. هذه التحولات لمجرات سيفرت بالتحديد هي التي خطط علماء الفلك لدراستها في المقام الأول. قال عالم الفلك سيوفي جيزاري Suvi Gezari من جامعة ماريلاند: "بدلًا من ذلك ، وجدنا فئة جديدة كاملة من نواة المجرة النشطة قادرة على تحويل مجرة ​​قاتمة إلى كوازار شديد السطوع".

structure quasar

رسم انطباع الفنان عن هيكل أ ن كوازار. ائتمانات: مجلة الطبيعة

تقترح النظرية أن الكوازار يجب أن يتكون على مدى عدة آلاف من السنين، لكن هذه الملاحظات تشير إلى أنه يمكن أن يحدث بسرعة كبيرة. يخبرنا الأخير أن النظرية الحالية الخاصة بهذه المجرات خاطئة تمامًا. كنا نظن أن تحول مجرات سيفرت كان أكبر لغز. وأضافت "لكن لدينا الآن مشكلة أكبر بكثير يتعين حلها". لاحظ أيضًا أن أياً من هذه المجرات الست ليس لها تكوين نجمي نشط بشكل خاص: ينتج النجم الأكثر نشاطًا لمعانًا يعادل 1.27 شمس كل عام. وجدت دراسات أخرى أن العديد من مجرات LINER (وليس كلها) لا يبدو أنها تتمتع بمعدل عالٍ من تكون النجوم.

هذا لا يعني بالطبع أن مجرات LINER الست تمثل جميع مجرات LINER في الكون. يقول العلماء أن هذا قد يشير إلى أنهم جزء من فئة مختلفة من المجرات LINER. أو بكل بساطة، يمكن أن يكون نوعًا مختلفًا تمامًا من المجرات عن تلك التي نعرفها اليوم.

لكن هذه النتائج تعني أيضًا أن ما نعرفه عن الكوازارات يمكن أن يكون خاطئًا أيضًا ... في الواقع، حقيقة أن هذه المجرات يمكن أن تتغير بسرعة (وبسرعة كبيرة على النطاق الزمني البشري)، لا تتوافق مع النظرية الكوازارات الحالية.

في كلتا الحالتين، أي شيء يمكن أن يسبب مثل هذا التغيير المتطرف يجب أن يكون شديدًا. قال فريدريك: "كانت هذه التحولات الستة مفاجئة ومثيرة لدرجة أنها تخبرنا أن شيئًا مختلفًا تمامًا يحدث في هذه المجرات". نريد أن نعرف كيف يمكن لهذه الكميات الهائلة من الغاز والغبار أن تسقط فجأة في الثقب الأسود. وأضاف فريدريك: "لأننا رأينا هذه التحولات تحدث وهي تفتح العديد من الاحتمالات للمقارنة، بما في ذلك دراسة النوى قبل التحول وبعده".

ألمع مجرة ​​في الكون تخفي الكثير من الألغاز ...

trou noir supermassif galaxie lumineuse

لا يمكننا رؤية هذا الشيء المثير للاهتمام بالعين المجردة، ولكن في أعماق الكون توجد مجرة ​​تشع الكثير من الإشعاع واللمعان. هذه هي المجرة W2246-0526، التي تنبعث منها الأشعة تحت الحمراء بقدر 350 تريليون شمس، مما يجعلها ألمع مجرة ​​تم رصدها على الإطلاق.

هذه المجرة الساطعة جداً لها سر. ولكن ما هو؟ وفقًا للملاحظات من مصفوفة أتاكاما الكبيرة المليمترية / والتحت مليمترية (ALMA) ، تمتص المجرة W2246-0526 بشراهة المواد من ثلاث مجرات أخرى على الأقل في جوارها المباشر ، لتغذية ثقبها الأسود الهائل.

في الواقع، لاحظ علماء الفلك خيوطًا من المادة من المجرات المجاورة، امتصها W2246-0526. والمثير للدهشة أن هذه المحلاق vrilles تحتوي على قدر من المادة مثل المجرات نفسها. قال عالم الفلك تانيو دياز سانتوس Tanio Díaz-Santosl من ". جامعة دييغو بورتاليس، في سانتياغو (تشيلي).: "علمنا من البيانات السابقة أن هناك ثلاث مجرات مصاحبة، لكن لم يكن هناك دليل على وجود تفاعلات بين هؤلاء الجيران والمصدر المركزي" وأضاف: "لم نكن نبحث عن سلوك أكلة لحوم البشر، ولم نتوقع ذلك، لكن البيانات الواردة من مرصد ALMA واضحة للغاية".

تقع مجرة ​​W2246-0526 على بعد 12.4 مليار سنة ضوئية من الأرض، ولها نواة كوازار في جوهرها: إنها نواة مجرة ​​نشطة ساطعة بشكل استثنائي، يغذيها ثقب أسود. النجوم الزائفة هي من بين أكثر الأشياء سطوعًا في الكون، حيث ينبعث منها الضوء وكذلك انبعاثات الراديو. تنبثق هذه المواد من مادة حول الثقب الأسود، تسمى قرص التراكم disque d’accrétion. وقد تم اكتشاف 63 كوازارًا! مما يعد خطوة للأمام نحو فهم الكون المبكر. يحتوي قرص التراكم هذا على غبار وغاز يحومان بسرعات هائلة: فهو ينتج كميات عبثية من الإشعاع. في حالة W2246-0526، يمتص قرص التراكم المادة المحيطة، ويعاد إصدار الأخيرة على شكل أشعة تحت الحمراء، مما يجعل المجرة أكثر ندرة، لأن الكوازار في مركزها هو نوع معروف من الكوازار. تحت اسم المجرة الساخنة المحجوبة بالغبار (Hot, Dust-Obscured Galaxy (galaxie chaude obscurcie par la poussière)). واحد كوازار من 3000 هو كوازار من نوع Hot DOG.

trou noir supermassif galaxie lumineuse

الاعتمادات: ALMA / ESO / NAOJ / NRAO / AUI / NSF / S. داجنيلو / ت. دياز سانتوس وآخرون

ليست كل هذه المواد التي تُسكب في المجرة بالضرورة جزءًا من وليمة الثقب الأسود الهائل. على الرغم من أن الثقب الأسود ضخم (حوالي 4 مليارات ضعف كتلة الشمس)، لا يزال هناك حد لكمية المادة يمكنه أن يستهلك. لذلك، يبدأ جزء من المادة في الاندماج في المجرة ومن المحتمل أن يشكل نجومًا جديدة.

ومع ذلك، هناك أيضًا لغز: يكون نشاط الثقب الأسود هنا شديداً لدرجة أنه يحرك الغاز في جميع أنحاء المجرة. إن زخم وطاقة الفوتونات شديدان لدرجة أن دفع الغاز للخارج قد يؤدي إلى تمزيق W2246-0526. فمجرة W2246-0526 رائعة حقًا. تمكن الباحثون سابقًا من إثبات أنها شديدة السطوع والاضطراب الشديد، لكن هذه النتائج الجديدة تجعلها أيضًا المجرة الأبعد التي يمكن ملاحظتها، وتفكيك العديد من المجرات الأخرى، وعلى حد علم الباحثين، المجرة الوحيدة. بعيدًا أيضًا عن التصوير المباشر.

trou noir supermassif galaxie lumineuse

ولكن هناك لغز آخر مقلق يجب حله. على الرغم من أن الثقب الأسود فائق الكتلة في مركزها هو طاغوت حقيقي، إلا أنه في الواقع يجب أن يكون أكبر ... في الواقع، تحدد كتلة الثقب الأسود حدًا أعلى لسطوع نواة مجرة ​​نشطة. ومع ذلك، فإن المجرة W2246-0526 أكثر سطوعًا بثلاث مرات تقريبًا مما ينبغي، مقارنة بحجم ثقبها الأسود المركزي.

ماذا يعني ذلك؟ في الوقت الحاضر، الباحثون ليسوا متأكدين بعد. قال دياز سانتوس: "من المحتمل أن يكون هذا الإفراط في التهام المواد مستمرًا منذ بعض الوقت، ونتوقع أن يستمر هذا العيد المجري لما لا يقل عن بضع مئات من ملايين السنين".

خطوة للأمام نحو فهم الكون المبكر باكتشاف 63 كوازار!

quasar univer primitif trou noir big bang

أعلن فريق من الباحثين عن اكتشاف 63 كوازار! من المعروف أن هذه الكيانات الكونية هي الأكثر سطوعًا على الإطلاق، ولكنها أيضًا الأبعد.  وتعد منجماً حقيقياً للمعلومات عن أول مليار سنة من الكون المرئي، بعد إنشائه مع الانفجار العظيم.

الكوازار هو المنطقة المدمجة المحيطة بالثقب الأسود الهائل، والمتمركزة في مركز مجرة ​​ضخمة. هذا هو أكبر اكتشاف للكوازارات حتى الآن! في الواقع، أعلنت الدراسة، التي نُشرت في مجلة الفيزياء الفلكية الشهيرة، عن اكتشاف 63 نجمًا كوازارًا. هذه هي من بين أكثر الأجسام الكونية المعروفة بعدًا ويأتي لمعانها المذهل من قرص التراكم المحيط بالثقب الأسود.

نظرًا لقلة عدد الكوازارات المعروفة حتى الآن، فإن قدرة العلماء على الحصول على معلومات حول هذه الأجسام الكونية القديمة كانت محدودة للغاية حتى الآن. أحد التحديات التي يواجهها المجتمع العلمي هو تحديد النجوم الزائفة الجديدة البعيدة، وهو أمر نادر للغاية (يشبه إلى حد ما "البحث عن إبرة في كومة قش"). ولكن بمجرد اكتشافها، كما هو الحال هنا، تصبح هذه النجوم الزائفة مصادر حقيقية للمعلومات عن الكون والمليار سنة الأولى من عمره.

في الواقع، أحد أعظم ألغاز الكون هو تكوين مصادر الضوء وتطورها عند نشأتها. بفضل هذا الاكتشاف الاستثنائي، أصبح لدى الباحثين أخيرًا الوسائل لمحاولة فهم الكون المبكر بشكل أفضل. "إنها (الكوازارات) التي تضيء حرفيًا معرفتنا بالكون المبكر" ، هذا ما قاله إدواردو بانيادوس Eduardo Bañados ، قائد فريق الباحثين الذين اكتشفوا الكوازارات. "الكوازارات الساطعة جدًا مثل تلك التي اكتشفناها خلال هذه الدراسة هي أفضل الأدوات لمساعدتنا في استكشاف الكون المبكر! لأنه حتى الآن كانت النتائج الحاسمة محدودة للغاية بسبب نقص العناصر، أو لأن الكوازارات التي كنا على علم بها كانت صغيرة للغاية ".

لذلك ستشهد السنوات القليلة القادمة تحسنًا كبيرًا في المعرفة حول الكون المبكر والكوازارات. لا يزال هناك الكثير من الأشياء التي لا يستطيع العلم شرحها حول بداية الكون، بالإضافة إلى الكوازارات، لذا فإن القدرة على دراستها ستجلب الكثير من عناصر الإجابات ويمكن أن تساعد العلماء فقط على فهم ما هو حدث خلال المليار سنة الأولى بعد الانفجار العظيم.

ضوء على الهياكل المختلفة للكون

nuage magellan univers

الكون المرئي ضخم، إنها حقيقة. لكننا نعلم الآن أيضًا أنه منظم في مجرات وعناقيد وحشود وأكداس مجرات فائقة. وسنتطرق إلى العديد من هذه الهياكل التي تشكل الكون وتنظمه.

كيف ينظم كوننا المرئي نفسه؟

لنبدأ بالأرض التي تدور حول نجم معروف باسم الشمس. تدور حول الشمس أيضًا كواكب أخرى، والتي تشكل نظامنا الشمسي. لكنها ليست مجرد كواكب، فهناك أجسام أخرى تدور حول الشمس أيضًا، وهذا حال المذنبات والكويكبات على نحو خاص.

système solaire

نظامنا الشمسي مع وجود الشمس في مركزه (هذا التمثيل الفني لا يظهر مسافات أو أحجامًا للمقياس).

هذه المجموعة، التي تمتد حول نصف قطر سنة ضوئية، هي التي تشكل نظامنا الشمسي. لاحظ أيضًا أن النجم الأقرب إلى الشمس يقع على بعد حوالي 4 سنوات ضوئية، مما يجعل الشمس نجمة منعزلة نسبيًا.

المجرات:

لكن النظام الشمسي لا يزال داخل هيكل أكبر بكثير وهو: مجرة ​​درب التبانة أو الطريق اللبني، أي مجرتنا. مجرة درب التبانة هي مجرة ​​مثل ما يقرب من مائة مليار في الكون ...

في الواقع، النظام الشمسي "لا يعتبر شيئاً مهماً" مقارنة باتساع الهيكل الذي يضمه، وما يضمه أيضًا ، وما إلى ذلك. درب التبانة عبارة عن مجموعة ضخمة من النجوم تحتوي على أكثر من 100 مليار نجم، تدور حولها الكواكب أحيانًا كما هو الحال في نظامنا الشمسي.

يقع النظام الشمسي في إحدى ضواحي مجرتنا، على بعد حوالي 28000 سنة ضوئية من مركزها. بشكل ملموس، تقع الشمس في أحد الأذرع الأربعة لمجرة درب التبانة، وهو ذراع حلزوني رئيسي يسمى أيضًا "ذراع القوس" bras Sagittaire.

système solaire voie lactée

مجرتنا la Voie lactée، درب التبانة، ليست سوى نقطة في الكون ... هيكلها الأنيق يشبه الإعصار بأذرع النجوم. الشمس، المحاطة بدائرة باللون الأصفر، هي نجم عادي من بين 150 مليار ينير مجرتنا. يستغرق الضوء 100000 سنة لعبور درب التبانة. الصورة من: ناسا

ومع ذلك، في بداية القرن العشرين، كان يُعتقد أن الشمس متمركزة في مركز المجرة، والتي يُعزى قطرها إلى 25000 سنة ضوئية (ربع ما هو عليه بالفعل). تم استجواب هذا النموذج عام 1900 من قبل عالم الفلك الهولندي جاكوبوس كابتين Jacobus Kapteyn (1851-1922) وفي عام 1917 من قبل عالم الفلك الأمريكي هارلو شابلي Harlow Shapley (1885-1972) الذي نجح في الاستنتاج من الملاحظات غير المباشرة أن المجرة يجب أن تكون لديها قلب ضخم، مما يفسد بالتأكيد الأمل في أن تكون الشمس في مركز مجرتنا.

إذن ماذا عن هيكل المجرة؟ المجرة هي بنية تجمع عشرات أو حتى مئات المليارات من النجوم! يمكن أن تأخذ أيضًا عدة أشكال: بيضاوية الشكل أو حلزونية أو إهليجية أو غير منتظمة. تحتوي المجرات الحلزونية مثل مجرتنا على لمبة مجرية في مركزها والتي عادة ما تحتوي على ثقب أسود هائل.

عناقيد المجرات: Les amas de galaxies

حشود أو أكداس المجرات هي مجموعة من المجرات مرتبطة ببعضها البعض بقوة جاذبيتها. هذه الهياكل مستقرة نسبيًا لأنه لا يمكن لأي طرف الهروب من الكتلة التي تحتوي عليها.

في هذا الوقت، ما زلنا لا نعرف بالضبط كيف تشكلت هذه العناقيد المجرية. لأنه إذا كان التجاذب الثقالي مسؤولاً عن تماسك هذه الهياكل، فإن هذه القوة تبدأ في العمل فقط عندما تكون هناك بالفعل هياكل ضخمة نسبيًا. من أجل الشروع في مثل هذه العملية، هناك حاجة إلى ما يسمى العنصر المشغل élément dit déclencheur. في مواجهة هذا اللغز، يتعامل علماء الفلك والباحثون مع مسألة المادة السوداء أو المظلمة، التي يقول البعض إنها تشكل حوالي 90٪ من كتلة الكون.

amas galaxie

هذا هو جوهر مجموعة حشد المجرات MACS J0717.5 + 3745، التي تقع على بعد حوالي 5 مليارات سنة ضوئية من مجرة ​​درب التبانة. الكتلة الهائلة لهذا التكتل الكوني المذهل تحني الزمكان من حولها وتعمل كعدسة طبيعية ضخمة. تسمح لنا عدسة الجاذبية الحقيقية هذه برؤية المجرات الموجودة خلف الكتلة. تظهر مشوهة ومكبرة ومضخمة، في هذه الصورة كخطوط مزرقة كبيرة. الصور من: ناسا Nasa / ومن كالة الفضاء الأوروبية ESA / STSCI

التجمع المجري الذي تقع فيها مجرتنا يسمى المجموعة المحلية. تتكون هذه المجموعة من حوالي ثلاثين مجرة ​​، وأكبرها مجرة ​​درب التبانة ومجرة أندروميدا أو المرأة المتسلسلة ومجرة المثلث. بفضل هذه المجرات العملاقة الثلاث، يمكن للعنقود الحفاظ على سلامته. نحن نعلم أن جميع المجرات في المجموعة ستكون تقريبًا في نفس العمر، ومع ذلك، لا نعرف ما إذا كانت قد تشكلت معًا أو إذا كانت قد تجمعت بمرور الوقت. تمتد هذه المجموعة على ما يقرب من 10 ملايين سنة ضوئية.

ضوء على الهياكل المختلفة للكون Lumière sur les différentes structures de l’Univers

nuage magellan univers

هناك العديد من أكداس المجرات في الكون. واحدة من أقرب العناقيد هي مجموعة برج العذراء la Vierge التي يبلغ نصف قطرها 7 ملايين سنة ضوئية.

العناقيد الفائقة : Les superamas

عناقيد المجرات هي بالفعل هياكل استثنائية، تنظم نفسها في هياكل أكبر! هذه هي عناقيد المجرات العملاقة. تتكون المجموعات العملاقة من عشرات المجرات، وهي منظمة في خيوط تعطي الكون مظهرًا خاصًا جدًا.

يبقى سبب وجود هذه البنية الكونية المتناوبة الشعيرات والمناطق الفارغة، شبه خالية من المادة، ما يشكل لغزاً لعلماء الفلك. لاحظ أيضًا أن أبعاد هذه العناقيد الفائقة هائلة للغاية: من 100 إلى 320 مليون سنة ضوئية!

superamas galaxies

محاكاة جزء من الكون. نحن ندرك أن التجمعات العملاقة تتجمع في هياكل هائلة: خيوط المجرة. النقطة الصفراء تقابل الكتلة.

من أجل الحصول على معلومات حول هذه الهياكل الهائلة، من الضروري أن تكون قادرًا على التقاط ضوء عدد كبير جدًا من المجرات، موزعة في أكبر مساحة ممكنة. يعود الفضل بشكل خاص إلى مشروع "Two Degrees Field Galaxy Redshift Survey" إلى أننا تمكنا من جمع الكثير من البيانات حول هذا الموضوع. في الواقع، تم تنفيذ هذا المشروع في المرصد الأنجلو-أسترالي في نيو ساوث ويلز (أستراليا) وكان قادرًا على تسجيل موقع 100000 مجرة ​​على جزء من الفضاء بمقدار درجتين وما يصل إلى 4 مليارات سنوات ضوئية عميقة!

خاتمة:

هياكل الكون عديدة. بدءًا من نجم بسيط وصغير، يمكننا الوصول إلى أكثر من خيوط هائلة. فيما يلي ملخص صغير للمعلومات التي يجب تذكرها حول هياكل كوننا:

- الكواكب تدور حول النجوم (~ 1 سنة ضوئية)

- النجوم موجودة داخل المجرات ، والتي تحتوي على عشرات المليارات (~ 100،000 سنة ضوئية)

- تتجمع المجرات معًا في مجموعات من المجرات (حوالي 10 ملايين سنة ضوئية)

- تتجمع العناقيد في مجموعات مجرات عملاقة (حوالي 150 مليون سنة ضوئية)

- ثم تنظم التجمعات العملاقة نفسها في خيوط (حوالي 500 مليون سنة ضوئية)

نعم، من الصعب جدًا تخيل ما يمكن أن تمثله كل هذه الأرقام ... وهذا أمر طبيعي!

يكشف الضوء الداخلي لعناقيد المجرات عن توزيع المادة المظلمة:

matiere noire galaxies

وفقًا للنموذج القياسي أو المعياري لعلم الكونيات le Modèle Standard de la cosmologie، تشكل المادة السوداء أو المظلمة حوالي 27٪ من إجمالي كثافة الطاقة في الكون. ومع ذلك، في هذا الوقت، لا يزال الأمر افتراضيًا. من خلال تحليل صور المجرات التي التقطتها تلسكوب هابل، وجد العلماء أن الضوء داخل العنقود يمكنه اكتشاف وجود المادة المظلمة بدقة أكبر من أي طريقة أخرى متاحة.

باستخدام ملاحظات هابل السابقة لست مجموعات مجرات ضخمة كجزء من مهمة حدود الحقول Frontier Fields، أوضح علماء الفلك أن الضوء داخل العنقود - التوهج المنتشر بين المجرات في العنقود - يتتبع مسار المادة المظلمة من خلال تسليط الضوء على توزيعها بدقة أكبر من الطرق الحالية للمراقبة بالأشعة السينية، ونشرت نتائج الاكتشاف في مجلة الإخطارات الشهرية للجمعية الملكية الفلكية la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

الضوء داخل العنقود هو نتاج ثانوي للتفاعلات بين المجرات التي تعطل بنيتها. في حالة الفوضى، يتم إطلاق النجوم الفردية من روابط الجاذبية في مجراتها الأصلية لإعادة تنظيم نفسها مع توزيع الجاذبية للمجموعة. هذا هو المكان الذي توجد فيه الغالبية العظمى من المادة المظلمة.

يشير ضوء الأشعة السينية إلى مكان تصادم مجموعات المجرات، ولكن ليس الهيكل الأساسي للعنقود. فهذا يجعله أقل دقة لتتبع المادة المظلمة.

"السبب في أن الضوء داخل العنقود هو تتبع ممتاز للمادة المظلمة في مجموعة من المجرات هو أن المادة المظلمة والنجوم التي تولد الضوء داخل المجموعة تطفو بحرية على إمكانات الجاذبية للعنقود. تقول ميريا مونتيس Mireia Montes، عالمة الفيزياء الفلكية في جامعة نيو ساوث ويلز في سيدني، إنهما "يتبعان" الجاذبية نفسها "." لقد وجدنا طريقة جديدة لمعرفة موقع المادة السوداء أو المظلمة، لأنها تتعلق بالتخطيط لنفس إمكانات الجاذبية بالضبط. يمكننا أن ننير، بتوهج خافت للغاية، موقع المادة السوداء أوالمظلمة. تسمح لنا هذه الطريقة بتوصيف، بطريقة إحصائية، الطبيعة النهائية للمادة السوداء أو المظلمة ".

lumiere intra amas

من خلال تحليل الضوء داخل العنقود المجرات ثم دمج البيانات مع تلك الموجودة في خرائط التوزيع الشامل، نجح الباحثون في إعادة بناء خريطة دقيقة لتوزيع المادة السوداء أو المظلمة. الصور من: ناسا / وكالة الفضاء الأوروبية

يشير مونتيس أيضًا إلى أن الطريقة ليست دقيقة فحسب، بل إنها أكثر كفاءة لأنها تستخدم فقط التصوير بالعمق، بدلاً من تقنيات التحليل الطيفي الأكثر تعقيدًا والتي تستغرق وقتًا طويلاً. هذا يعني أنه من الممكن دراسة المزيد من المجموعات و الأجرام الكونية في الفضاء في وقت أقل ، مما سيؤدي إلى مزيد من الأدلة المحتملة على تكوين المادة السوداء أو المظلمة وسلوكها.

استخدم علماء الفلك مسافة Hausdorff المعدلة (MHD)، وهو مقياس يستخدم لمطابقة الأنماط، لقياس أوجه التشابه بين ملامح الضوء داخل الكتلة وتلك الخاصة بخرائط الكتلة العنقودية المختلفة، والتي تعد جزءًا من بيانات مشروع Hubble Frontier Fields. يقيس MHD المسافة بين مجموعتين فرعيتين. كلما كانت قيمة MHD أصغر، كلما كانت مجموعات النقطتين أكثر تشابهًا.

أظهر هذا التحليل أن توزيع الضوء داخل المجموعة الذي شوهد في صور Hubble Frontier Fields يطابق التوزيع الشامل لمجموعات المجرات الست بشكل أفضل من انبعاث الأشعة السينية، من الملاحظات المؤرشفة لمقياس طيف التصوير. مرصد شاندرا للأشعة السينية المتقدم CCD (ACIS).

إلى جانب هذه الدراسة الأولية، يرى مونتيس وتروجيلو Trujillo العديد من الفرص لتوسيع أبحاثهما. بادئ ذي بدء، يرغبان في زيادة نصف قطر المشاهدة في المجموعات الست الأصلية، لمعرفة ما إذا كان مستوى دقة التتبع قد تم الوفاء به. سيكون الاختبار المهم الآخر لطريقتهم هو مراقبة وتحليل مجموعات المجرات الإضافية بواسطة المزيد من فرق البحث، من أجل إكمال مجموعة البيانات وتأكيد استنتاجاتهم.

يتطلع علماء الفلك أيضًا إلى تطبيق نفس التقنيات مع التلسكوبات الفضائية القوية في المستقبل، مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي James Webb  و WFIRST، والتي ستحتوي على أدوات أكثر حساسية لاستبانة الضوء الضعيف داخل المجموعة في الكون البعيد.

يرغب تروجيللو في اختبار اختزال الطريقة من مجموعات المجرات الضخمة إلى المجرات البسيطة. "سيكون من الرائع القيام بذلك على مستويات المجرات، على سبيل المثال من خلال استكشاف الهالات النجمية. من حيث المبدأ، يجب أن تعمل نفس الفكرة؛ ومن المتوقع أيضًا أن تتعقب النجوم المحيطة بالمجرة نتيجة الاندماج إمكانات الجاذبية للمجرة، وإلقاء الضوء على موقع وتوزيع المادة المظلمة. "

بيانات شاندرا تختبر "نظرية كل شيء":

في عام 1977، وجد الفيزيائيان روبرتو بيتشي وهيلين كوين Roberto Peccei et Helen Quinn حلاً لمشكلة انتهاك التناظر CP في سياق الديناميكا اللونية الكمومية chromodynamique quantique. يتضمن هذا الحل وجود جسيم افتراضي من المفترض أن يكون مستقرًا ومحايدًا وذو كتلة منخفضة للغاية. اليوم، هذا الجسيم، الذي تنبأت به العديد من نماذج نظرية الأوتار الفائقة، هو مرشح للمادة السوداء أو المظلمة. في الآونة الأخيرة، قام الباحثون بتحليل البيانات من مرصد شاندرا للمحاور الافتراضية. سمحت لهم النتائج بتحسين قيود الكتلة والطاقة على هذه الجسيمات.

بالنظر إلى حشود وأكداس المجرات، أكبر الهياكل في الكون التي تحتفظ بها الجاذبية، تمكن الباحثون من البحث عن جسيم معين تنبأت به العديد من نماذج نظرية الأوتار الفائقة. على الرغم من أن عدم الاكتشاف الناتج لا يستبعد نظرية الأوتار الفائقة، إلا أنه يسمح مع ذلك بوضع قيود إضافية على وجود هذه الجسيمات. نُشرت الدراسة في مجلة The Astrophysical Journal.

"حتى وقت قريب، لم أكن أعرف إلى أي مدى يمكن لعلماء الفلك بالأشعة السينية المساهمة في نظرية الأوتار، لكن يمكننا لعب دور رئيسي. يقول كريستوفر رينولدز Christopher Reynolds  من جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة: "إذا تم اكتشاف هذه الجسيمات أخيرًا ، فسوف تغير الفيزياء إلى الأبد".

تحويل الفوتون - أكسيون في وجود المجالات المغناطيسية La conversion axion-photon en présence de champs magnétiques:

يسمى الجسيم الذي كان يبحث عنه رينولدز وزملاؤه "أكسيون axion ". يجب أن تحتوي هذه الجسيمات غير المكتشفة على كتل منخفضة للغاية. لا يعرف الفيزيائيون النطاق الدقيق للكتلة، لكن العديد من النظريات تظهر كتلًا محورية تتراوح من حوالي واحد في المليون من كتلة الإلكترون إلى كتلة صفرية. يعتقد بعض علماء الفيزياء أن الأكسيونات يمكن أن تفسر لغز المادة السوداء أو المظلمة.

من الخصائص غير العادية لهذه الجسيمات ذات الكتلة المنخفضة للغاية أنها يمكن أن تتحول أحيانًا إلى فوتونات أثناء مرورها عبر الحقول المغناطيسية. يمكن أن يكون العكس أيضًا صحيحًا: يمكن أيضًا تحويل الفوتونات إلى محاور في ظل ظروف معينة. يعتمد عدد مرات حدوث هذا التغيير على مدى سهولة إجراء هذا التحويل، وبعبارة أخرى، على "قابلية التحويل".

البحث عن الجسيمات الأكسيونية في الأشعة السينية Chercher les particules axioniques dans les rayons X: اقترح الفيزيائيون وجود فئة أكبر من الجسيمات ذات الكتلة المنخفضة للغاية بخصائص مشابهة للأكسيونات. سيكون لدى الأكسيونات Axions ملف قيمة التحويل الفريدة لكل كتلة، ولكن الجسيمات الشبيهة بالأكسون سيكون لها نطاق من قابلية التحويل إلى نفس الكتلة.

spectre axions

صورة النطاق الكامل للمنطقة التي لاحظتها شاندرا في الأشعة السينية. يشير الشريط السفلي إلى كمية الفوتونات المقاسة، ويظهر طيف الانتثار للمنطقة المرصودة باللون الأبيض. صور: C. Reynolds et al. 2020

"أثناء البحث عن جسيمات صغيرة مثل الأكسيونات في الهياكل العملاقة مثل عناقيد المجرات قد يبدو الأمر غريبًا، فهذه في الواقع أماكن جيدة للعثور عليها. تحتوي مجموعات حشود وأكداس المجرات على مجالات مغناطيسية على مسافات مثيرة للإعجاب، وغالبًا ما تحتوي أيضًا على مصادر ضوئية للأشعة السينية. وتزيد هذه الخصائص معًا من فرص اكتشاف تحويل الجسيمات الشبيهة بالأكسون "، كما يقول ديفيد مارش David Marsh  من جامعة ستوكهولم ، السويد.

للبحث عن علامات التحويل الأكسيوني، أمضى فريق علماء الفلك خمسة أيام في فحص بيانات الأشعة السينية لشاندرا من المواد التي تسقط باتجاه الثقب الأسود الهائل في مركز مجموعة بيرسيوس. درسوا طيف شاندرا (أو كمية انبعاث الأشعة السينية الملحوظة عند الطاقات المختلفة) لهذا المصدر.

عدم وجود آثار للأكسيونات في نطاقات الكتلة المدروسة:

أنتجت الملاحظة الطويلة ومصدر ضوء الأشعة السينية طيفًا ذا حساسية كافية لإظهار التشوهات التي توقعها الفيزيائيون في حالة وجود جزيئات تشبه الأكسيون. سمح الفشل في اكتشاف مثل هذه التشوهات للباحثين باستبعاد وجود معظم أنواع الجسيمات الشبيهة بالأكسيون في النطاق الكتلي الذي كانت ملاحظاتهم حساسة له، أقل من واحد من المليون من المليار من الكتلة الإلكترون.

contraintes masse

القيود على كتلة الأكسيونات (الدراسة الحالية والدراسات السابقة). تمثل المساحة الزرقاء الفاتحة القيم المستبعدة، وتمثل المساحة البيضاء القيم الممكنة. تشير النقطة الحمراء إلى قيمة الكتلة الأكثر احتمالية. الرسم البياني من: C. Reynolds et al. 2020

"لا يستبعد بحثنا وجود هذه الجسيمات، لكنه لا يدعمها. تندرج هذه القيود ضمن نطاق الخصائص التي اقترحتها نظرية الأوتار، ويمكن أن تساعد منظري الأوتار في سبر نظرياتهم، كما تقول هيلين راسل Helen Russell من جامعة نوتنغهام في المملكة المتحدة.

صقل القيود المفروضة على الكتلة وقابلية تحويل اللأكسيونات Affiner les contraintes sur la masse et la convertibilité des axions:

كانت النتيجة الأخيرة أكثر حساسية بثلاث إلى أربع مرات من أفضل بحث سابق عن الجسيمات الشبيهة بالأكسيون، والذي جاء من ملاحظات تشاندرا للثقب الأسود فائق الكتلة M87. هذه الدراسة هي أيضًا أقوى بحوالي مائة مرة من القياسات الحالية التي يمكن إجراؤها في المختبرات هنا على الأرض، بالنسبة لمجموعة الكتل التي اعتبروها.

أحد التفسيرات المحتملة لهذا العمل هو أن الجسيمات الشبيهة بالأكسيون غير موجودة. تفسير آخر هو أن للجسيمات قيم قابلية للتحويل أقل حتى من حد الكشف لهذه الملاحظة، وأقل مما توقعه بعض علماء فيزياء الجسيمات. يمكن أن يكون لديهم أيضًا كتل أعلى من تلك التي تم فحصها ببيانات شاندرا.

نظرية جديدة توحد المادة السوداء أو المظلمة والطاقة السوداء أو المعتمة والمظلمة:

unification matiere energie noires

في النموذج الكوني القياسي أو المعياري ، نموذج lambda-CDM ، تساعد المادة السوداء أو المظلمة في تفسير منحنيات دوران المجرات بالإضافة إلى تكوين الهياكل الكونية الكبيرة ، بينما يتم تطوير الطاقة المظلمة أو السوداء أو المعتمة لشرح تسارع المجرات وتوسع الكون. ومع ذلك، لا يزال هذان المكونان افتراضيًا حاليًا. يقترح عالم الكونيات في أكسفورد نظرية جديدة توحد هذين العنصرين.

ربما يكون أحد علماء الفيزياء في جامعة أكسفورد قد حلَّ أحد أكبر الأسئلة في الفيزياء الحديثة، في دراسة جديدة توحد المادة السوداء أو المظلمة والطاقة السوداء أو الداكنة والمظلمة في ظاهرة واحدة: سائل له كتلة سلبية. يمكن أن تؤكد هذه النظرية الجديدة المدهشة أيضًا التنبؤ الذي قدمه أينشتاين قبل 100 عام.

هذا النموذج الجديد، الذي نُشر في مجلة علم الفلك والفيزياء الفلكية، بقلم جيمي فارنز Jamie Farnes، عالم الكونيات في مركز أكسفورد للأبحاث الإلكترونية، يقدم تفسيرًا جديدًا لفرضيات المادة السوداء أو المظلمة والطاقة المعتمة أو الداكنة والمظلمة أو السوداء. "نحن نعتقد الآن أنه يمكن توحيد المادة المظلمة والطاقة المظلمة في سائل يمتلك نوعًا من" الجاذبية السلبية gravité négative "، ويطرد كل شيء من حولهما. على الرغم من أن هذه المادة غريبة علينا، إلا أنها تشير إلى أن كوننا متماثل، سواء في خصائصه الإيجابية أو السلبية.

تم بالفعل استبعاد وجود المادة السلبية، لأن العلماء يعتقدون أنها ستصبح أقل كثافة مع تمدد الكون، مما أدى إلى تحطيم الملاحظات التي تشير إلى أن الطاقة المظلمة تحتفظ بكثافتها بمرور الوقت. ومع ذلك، يطبق بحث فارنز  Farnes  "موتر الخلق" tenseur de création ، والذي يسمح بتكوين كتل سلبية بشكل دائم.

halo matiere noire

محاكاة تكون هالة من المادة السوداء أوالمظلمة من كتل سلبية (أرجوانية) وإيجابية (صفراء). صور: J. S. Farnes

لقد أوضح Farnes أنه عندما يتم إنتاج المزيد والمزيد من الكتل السلبية مرارًا وتكرارًا، فإن هذا السائل الكتلي السالب لا يخفف مع توسع الكون: في الواقع، يبدو أن السائل هو نفسه الطاقة السوداء أو المظلمة. توفر نظرية فارنز Farnes أيضًا أول تنبؤات صحيحة لسلوك هالات المادة السوداء أو المظلمة. يشير منحنى دوران المجرات إلى وجوب وجود كتلة غير مرئية بالإضافة إلى الكتلة المضيئة.

يقدم البحث الجديد ، الذي صدر في 5 كانون الأول (ديسمبر) ، محاكاة حاسوبية لخصائص الكتلة السلبية التي تتنبأ بتكوين هالات المادة السوداء أو المظلمة ، على غرار تلك التي تم استنتاجها من الملاحظات التي تم إجراؤها باستخدام التلسكوبات الراديوية الحديثة.

قدم ألبرت أينشتاين أول لمحة عن الكون المظلم قبل 100 عام بالضبط، عندما اكتشف في معادلاته معلمة تسمى "الثابت الكوني"، والتي يربطها الباحثون اليوم بالطاقة السوداء أو المعتمة أو الداكنة والمظلمة.

أطلق أينشتاين على الثابت الكوني تصريحه الشهير كان "أكبر خطأ لي" ، على الرغم من أن الملاحظات الفيزيائية الفلكية الحديثة تثبت أنها ظاهرة حقيقية. في ملاحظات من عام 1918، وصف أينشتاين ثابته الكوني من خلال "أن تعديل النظرية ضروري، بحيث يعمل" الفضاء الفارغ "ككتل سالبة جاذبة موزعة في جميع أنحاء الفضاء بين النجوم. . لذلك من الممكن أن يكون أينشتاين نفسه قد تنبأ بكون مليء بالكتلة السالبة.

formation grande structure cosmique

محاكاة تكوين بنية كونية كبيرة من كتل سلبية (أرجوانية) وإيجابية (صفراء). الائتمان: J. S. Farnes

حاولت المناهج السابقة للجمع بين الطاقة المعتمة والمظلمة أو السوداء والداكنة والمادة السوداء أو المظلمة تعديل نظرية النسبية العامة لأينشتاين، والتي أثبتت صعوبة بالغة. هذا النهج الجديد يأخذ فكرتين قديمتين معروفين بتوافقهما مع نظرية أينشتاين - الكتل السلبية وخلق المادة - ويجمعهما، "كما يشير فارنز.

"تبدو النتيجة جميلة إلى حد ما: يمكن توحيد الطاقة السوداء أو المظلمة والمادة السوداء المظلمة في جوهر واحد une seule substance، ويمكن ببساطة تفسير كلا التأثيرين على أنهما مادة كتلة موجبة تمتطي بحرًا من الكتل السلبية." ستخضع نظرية فارنيز للاختبار في الاختبارات باستخدام تلسكوب لاسلكي، مصفوفة الكيلومتر المربع (SKA)، وهو مشروع دولي لبناء أكبر تلسكوب في العالم تتعاون فيه جامعة أكسفورد.

"لا يزال هناك الكثير من المشكلات النظرية وعمليات المحاكاة الحاسوبية للتعامل معها، ونموذج lambda-CDM يقترب من 30 عامًا تقريبًا، لكنني حريص على معرفة ما إذا كانت هذه النسخة الجديدة الموسعة من النموذج يمكن أن تتطابق بدقة مع البيانات الأخرى في المستقبل. 'الملاحظة. إذا كان الأمر كذلك، فإن ذلك يشير إلى أن 95٪ من الكون المفقود لديهم حل جمالي: لقد نسينا تضمين علامة ناقص بسيطة، "يستنتج فارنز.

.......................

المصادر: : ناسا

:رسائل مجلة الفيزياء الفلكية Source : The Astrophysical Journal Letters

: المجلة الفلكية ، جامعة ماريلاند

: NASA JPL، Science، NRAO

Source : Astronomy & Astrophysics:

ها هو مقطع فيديو يحاكي ويلخص تنظيم هياكل الكون، مما قد يساعدك على تصور ذلك بشكل أفضل!

صورة العنوان: جزء من سحابة ماجلان الصغيرة؛

المصدر: علم الفلك والفيزياء الفلكية : مجلة الفيزياء الفلكية الأشعة السينية - NASA / CXC / Univ.Potsdam / L.Oskinova ، البصريات - NASA / STScI والأشعة تحت الحمراء - NASA / JPL-Caltech. فيديو: علم الكون Vidéo : universcience

Universcience videos - Dailymotion

Universcience est le nom de l'établissement public qui regroupe depuis le 3 décembre 2009 le Palais de la découv...

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

صراع الأسهم

الواقع هو مصطلح متعدد المعاني والذي، بالنسبة للبعض، أقرب إلى الفلسفة أو حتى الميتافيزيقيا منه إلى العلم الحقيقي. في سياق الميكانيك الكمومي، حيث يؤثر المراقب على بيئته، ينتج عن أي إجراء قياس اختيار حالة ثابتة، من بين عدد لامتناهي من الحالات والمتغيرات الممكنة، داخل نظام كمومي. نظرًا لكون ميكانيكا الكموم احتمالية بشكل أساسي، فإن نتيجة القياس تختلف باختلاف المراقب، كما ذكر الفيزيائي يوجين وينر في عام 1961. إذن ما هو دلالة هذه الفرضية فيما يتعلق بواقع العالم المادي؟

حتى ظهور فيزياء الكموم في عشرينيات القرن الماضي، توقع الفيزيائيون أن تكون نظرياتهم حتمية، مما يولد تنبؤات حول نتائج التجارب على وجه اليقين. لكن ثبت أن نظرية الكموم احتمالية بطبيعتها. يقول تفسير كوبنهاغن أنه طالما لم يتم قياس خصائص النظام، فيمكنها أن تأخذ عددًا لا يحصى من القيم. ينهار هذا التراكب في حالة واحدة فقط عند ملاحظة النظام بوجود مراقب يقوم بالملاحظة، ولا يمكن للفيزيائيين أبدًا التنبؤ بدقة بما ستكون عليه هذه الحالة. أدلى فاينرWigner بعد ذلك بالرأي الشائع بأن الوعي يؤدي بطريقة ما إلى انهيار التراكب.

منذ ذلك الحين فقد هذا الرأي صالحيته. اليوم، يتفق معظم الفيزيائيين على أن الأجسام الجامدة يمكنها إزالة تراكب الأنظمة الكمومية من خلال عملية تسمى فك الترابط. بالتأكيد، قد يجد الباحثون الذين يحاولون التلاعب بالتراكبات الكمومية المعقدة في المختبر أن عملهم الشاق قد تدمر بسبب اصطدام الجسيمات بأنظمتهم. لذلك يجرون اختباراتهم في درجات حرارة شديدة البرودة ويحاولون عزل أجهزتهم عن الاهتزازات.

ظهرت العديد من التفسيرات الكمومية المتنافسة على مدى العقود التي تستخدم آليات أقل غموضًا، مثل فك الترابط، لشرح كيفية انهيار التراكبات دون استدعاء الوعي. وتؤيد تفسيرات أخرى الموقف الأكثر راديكالية وهو أنه لا يوجد انهيار على الإطلاق. لكل فرد وجهة نظره الخاصة في اختبار فاينر.

تجربة فاينر وصديقه:

التجربة الفكرية الأصلية لـفاينر Wigner بسيطة من حيث المبدأ. يبدأ بفوتون مستقطب واحد يمكن، عند قياسه، أن يكون له استقطاب أفقي أو رأسي. ولكن قبل القياس، وفقًا لقوانين الميكانيك الكمومي، يوجد الفوتون في كلا حالتي الاستقطاب في نفس الوقت؛ هذا هو مبدأ التراكب.

تخيل فاينر صديقًا في مختبر مختلف، يقيس حالة هذا الفوتون ويخزن النتيجة، بينما لاحظ فاينر ذلك من بعيد. ليس لدى فاينر أي معلومات عن مقياس صديقه، لذلك يجب أن يفترض أن الفوتون وقياسه يتداخلان مع جميع النتائج المحتملة للتجربة. يمكن لـ فاينر إجراء تجربة لتحديد ما إذا كان هذا التراكب موجودًا أم لا.

إنها نوع من تجارب التداخل التي تُظهر أن الفوتون والقياس في حالة تراكب. من وجهة نظر فاينر ، إنها "حقيقة" ، التراكب موجود. وهذه الحقيقة تشير إلى أنه ربما لم يتم اتخاذ إجراء. لكن هذا يتناقض مع وجهة نظر الصديق، الذي قام بالفعل بقياس استقطاب الفوتون وسجله. يمكن للصديق حتى الاتصال بـفاينر ويقول إن القياس قد تم (بشرط عدم الكشف عن النتيجة). لذا فإن الواقعين متعارضان.

أحد أشكال تجربة فاينر التي تتضمن التشابك الكمومي:

المشكلة هي أن كل تفسير جيد - أو سيئ - في التنبؤ بنتيجة الاختبارات الكمومية. لا أحد يعرف ما هو الحل. يقول عالم فيزياء الكم أيفرايم شتاينبرغ، إننا لا نعرف حتى ما إذا كانت قائمة الحلول المحتملة لدينا شاملة.

يعتقد تيسشلر Tischler وزملاؤه أن تحليل وتنفيذ تجربة فاينر يمكن أن يلقي الضوء على حدود نظرية الكموم الكوانتوم. لقد استلهموا من موجة جديدة من الأوراق النظرية والتجريبية التي بحثت في دور المراقب في ميكانيكا الكموم، مقدمة التشابك في التكوين الكلاسيكي لـفاينر.

لنفترض أنك أخذت فوتونين مستقطبين بحيث يمكن أن يتأرجحا أفقيًا أو رأسيًا. يمكن أيضًا وضع الفوتونات في تراكب من التذبذبات أفقياً ورأسياً، تماماً كما يمكن أن تكون قطة شرودنغر المتناقضة حية وميتة قبل ملاحظتها. يمكن أن تتشابك مثل هذه الأزواج من الفوتونات بحيث تكون استقطاباتها دائمًا في الاتجاه حصل العكس عندما لوحظ. قد لا يبدو هذا غريباً، إلا إذا كنت تتذكر أن هذه الخصائص ليست ثابتة حتى يتم قياسها.

على الرغم من أن أحد الفوتونين يُعطى لفيزيائية تُدعى أليس في أستراليا، بينما يُنقل الآخر إلى زميلها بوب في مختبر في فيينا، فإن التشابك يضمن أنه بمجرد أن تراقب أليس فوتونها وتجد، على سبيل المثال، إن الاستقطاب الأفقي، يتزامن مع استقطاب فوتون بوب على الفور ليتذبذب عموديًا.

تجاوز عدم مساواة بيل لتحديد عتبة العلاقة المحلية:

كان هدف فريق بريسبان هو استنباط واختبار نظرية جديدة تتجاوز اختبارات بيل السابقة، من خلال توفير قيود أكثر صرامة - حدود "العلاقة المحلية" - على طبيعة واقع. مثل نظرية بيل، فإن نظرية الباحثين محلية. كما أنها تحظر صراحة "الحتمية الفائقة" - أي أنها تصر على أن المجربين أحرار في اختيار ما يقيسونه دون أن يتأثروا بالأحداث في المستقبل أو الماضي البعيد.

أخيرًا، يعتبر الفريق أنه عندما يأخذ المراقب قياسًا، تكون النتيجة حدثًا حقيقيًا وفريدًا في العالم - لا يتعلق بأي شخص أو أي شيء. يتطلب اختبار العلاقة المحلية إعدادًا ذكيًا يضم اثنين من "المراقبين الخارقين"، أليس وبوب (اللذان يلعبان دور فاينر Wigner)، اللذان يشاهدان صديقيهما تشارلي وديبي. يمتلك كل من أليس وبوب مقياس التداخل الخاص بهما - وهو جهاز يستخدم لمعالجة حزم الفوتونات.

قبل القياس، يتم فرض استقطاب الفوتونات، أفقيًا ورأسيًا. يتم تحضير أزواج الفوتون المتشابكة بحيث إذا تم قياس استقطاب أحدهما ليكون أفقيًا، يجب أن يتحول استقطاب شريكه على الفور ليصبح عموديًا. يتم إرسال فوتون واحد من كل زوج متشابك إلى مقياس التداخل الخاص بأليس ويتم إرسال شريكها إلى بوب.

تجربة كمومية تؤكد عدم وجود شيء اسمه "حقيقة" موضوعية:

تشارلي وديبي ليسا صديقين بشريين في هذا الاختبار. بدلاً من ذلك، فهي عبارة عن مبدلات شعاع في مقدمة كل مقياس تداخل. عندما يصطدم فوتون أليس بديبي، يتم قياس استقطابه بالفعل وينحرف إما إلى اليسار أو إلى اليمين، اعتمادًا على اتجاه الاستقطاب. يلعب هذا الإجراء دور تشارلي، صديق أليس، الذي "يقيس" الاستقطاب. (توجد ديبي أيضًا في مقياس تداخل بوب).

بعد ذلك يجب على أليس أن تختار: يمكنها على الفور قياس المسار المنحرف الجديد للفوتون، والذي سيكون بمثابة فتح الباب للمختبر وسؤال تشارلي عما رآه. أو يمكن أن يسمح للفوتون بمواصلة رحلته، مروراً بمغير شعاع ثانٍ يعيد توحيد المسارين الأيسر والأيمن - وهو ما يعادل إبقاء باب المختبر مغلقًا. تستطيع أليس بعد ذلك قياس استقطاب فوتونها مباشرة عند خروجه من مقياس التداخل.

تمديد مفهوم قصة صديق فاينر. قام صديق تشارلي وديبي بقياس زوج من الجسيمات معدة في حالة التشابك، مما ينتج عنه النتائج المسمى c وd، على التوالي (من وجهة نظرهم). تأخذ الخوادم الفائقة، أليس وبوب، قياسات منفصلة شبيهة بالفضاء معنون x وy، مع تصنيف النتائج أ و ب، على المحتويات الكاملة للمختبرات التي تحتوي على تشارلي وديبي، على التوالي.

انتهاك حدود العلاقة المحلية:

خلال التجربة، اختار أليس وبوب بشكل مستقل القياسات التي يجب إجراؤها، ثم قارنا النتائج لحساب الارتباطات التي لوحظت عبر سلسلة من الأزواج المتشابكة. أجرى تيشلر وزملاؤه 90 ألف عملية تشغيل في التجربة. كما هو متوقع، انتهكت الارتباطات حدود بيل الأصلية - والأهم من ذلك أنها انتهكت أيضًا عتبة العلاقة المحلية الجديدة.

يمكن للفريق أيضًا تغيير الإعداد لتقليل درجة التشابك بين الفوتونات عن طريق إرسال أحد الأزواج على منعطف قبل أن يدخل مقياس التداخل الخاص بهم، مما يؤدي برفق إلى تعطيل الانسجام التام بين الجسيمات. عندما أجرى الباحثون التجربة مع هذا المستوى المنخفض قليلاً من التشابك، وجدوا نقطة حيث لا تزال العلاقات المتبادلة تنتهك حدود بيل، ولكن ليس العلاقة المحلية.

أثبتت هذه النتيجة أن مجموعتي الحدود ليستا متكافئتين وأن القيود الجديدة للعلاقة المحلية أقوى، كما يقول تيشلر. "إذا انتهكتهم، ستتعلم المزيد عن الواقع." وبالتحديد، إذا كانت نظريتك تنص على أنه يمكن معاملة "الأصدقاء" على أنهم أنظمة كمومية، فيجب عليك إما التخلي عن المكان، أو أن تقبل أن القياسات ليس لها نتيجة واحدة. 

توجد الآن معادلة تشرح سلوك فوضى الكموم:

بينما نجح الفيزيائيون في الخوض في نظرية الفوضى في الكون المرئي، فإن الفوضى شقت طريقها أيضًا إلى المقياس الكمومي. ومن نواحٍ عديدة، تكون الفوضى الكمومية أكثر إرباكًا من نظيرتها واسعة النطاق. لكن الآن هناك معادلة تشرح سلوك فوضى الكموم.

مصطلح "فوضى الكموم" يشير إلى مجال بحث نشأ من نظرية الفوضى. في الأساس، يحاول هذا المصطلح أن يجيب على السؤال التالي: "ما هو السلوك في ميكانيكا الكموم للنظام الفوضوي الكلاسيكي؟" ".

نجح الباحثون في تطوير معادلة فريدة من نوعها يمكنها التنبؤ بسلوك الفوضى الكمومية. تشرح المعادلة بشكل فعال الأنماط داخل الفوضى الكمومية على المستوى الذري. لذلك يمكن أن يساعد ذلك في تحسين فهمنا العام للعديد من الموضوعات المتنوعة، من جراحة الدماغ إلى نظرية الأوتار.

حتى الباحثين الذين طوروا المعادلة فوجئوا بمدى دقة التنبؤ بسلوك الفوضى الكمومية. قال فلاديمير أوسيبوف، أحد الباحثين من جامعة لوند في السويد: "نعم، لدينا الآن معادلة دقيقة". وأضاف: "أنا شخصياً مندهش حقًا من أن هذا ممكن".

من أجل تطوير هذه المعادلة، قام الباحثون بتحليل الخصائص الإحصائية لمستويات الطاقة المختلفة في حالة من الفوضى الكمومية. لكن ما هي تلك الخصائص بشكل ملموس؟ لفهم هذا، يجب علينا أولاً أن ننظر إلى نظرية الفوضى ، التي تدرس سلوك الأنظمة الديناميكية شديدة الحساسية للظروف الأولية: وهي ظاهرة يتضح دورها بشكل عام من خلال تأثير الفراشة (حيث تساهم الاختلافات الأولية الصغيرة جدًا في النظام ويمكن أن يكون لها تأثير كبير للغاية ، مما يؤدي إلى عواقب غير متوقعة).

تتبع الفوضى الكمومية نفس المبدأ، لكنها تهدف إلى تفسير الغرابة التي تحدث داخل الذرة، حيث تتصرف البروتونات والنيوترونات مثل الموجات وليس الجسيمات. يمكن أن ينطبق هذا أيضًا على سلوك الموجات على نطاق أوسع، مثل الحركة غير المنتظمة للإلكترونات والنواة. ينطبق هذا أيضًا على عناصر مثل الموجات الصوتية في غرفة كاملة (على سبيل المثال مفروشة) أو أشعة الضوء في الأجهزة البصرية.

حاول الباحثون منذ فترة طويلة وضع تنبؤات حول كيفية تصرف الفوضى الكمومية، لكن هذا صعب لأن الأنظمة الفوضوية حساسة للغاية للعناصر الأولية. حتى أجهزة الكمبيوتر تجد صعوبة في العثور على نماذج موثوقة. لذلك يقدم هذا مستوى جديدًا تمامًا من التعقيد، بالإضافة إلى نظرية الفوضى. يوضح أوسيبوف: "في الأنظمة الكمومية الفوضوية، تتنافر مستويات الطاقة مع بعضها البعض، وتؤثر على بعضها البعض على الرغم من تباعدها عن بعضها البعض".

اعتمد الباحثون على حقيقة أن الذرات، في حالة الإثارة، تقدم مستويات طاقة يمكن قياسها، من أجل التوصل إلى قاعدة للتنبؤ بالسلوك على المستوى الذري. يقول العلماء إن المعادلة الجديدة تقدم طريقة عالمية للتنبؤ بسلوك النظام الفوضوي على المستوى الكمومي.

في الوقت الحالي، يعد هذا البحث نظريًا بحتًا، ولكن سيكون للمعادلة أيضًا تطبيقات عملية. يمكن بالفعل تطبيقها في أي مكان تدخل فيه حالات الفوضى حيز التنفيذ وحيث يجب قياسها وفهمها بدقة ، على سبيل المثال في مجال الأسواق المالية ، وعمل الدماغ البشري ، وكذلك في نظرية الأوتار. .

في حين أننا لم نحل جميع ألغاز الفوضى الكمومية بعد، يجب أن تساعد المعادلة الجديدة العلماء على حساب حالات معينة من الفوضى الكمومية بشكل أكثر بساطة ودقة.

تم اختبار غرابة ميكانيكا الكموم خارج نطاق الجسيمات:

تم اختبار غرابة ميكانيكا الكموم لأول مرة خارج نطاق الجسيمات من قبل مجموعة الفيزياء النانوية الكمومية، كلية الفيزياء، جامعة فيينا بقيادة كريستيان نوبلوش

سمح تباين لتجربة فيزياء الكموم للعلماء بمراقبة سلوك الموجة والجسيم للجزيئات بدقة لأول مرة. تتوافق نتائج التجربة مع ما تتنبأ به النظرية التي تغطي الظواهر الكمومية المعقدة، وكما هو الحال في معظم التجارب الكمومية من هذا النوع، فإن رؤية الآثار المترتبة على مثل هذه النظرية لا تقل عن كونها مثيرة للإعجاب.

تعاون علماء من جامعتي فيينا في النمسا وتل أبيب في إسرائيل لإجراء نسخة مختلفة من تجربة كلينتون دافيسون وليستر جيرمر الكلاسيكية التي يرجع تاريخها إلى عام 1927، والتي أُطلق عليها اسم "تجربة دافيسون جيرمر". في فيزياء الكموم، قدمت هذه التجربة الدليل الذي أكد فرضية العالم الفرنسي دي برولي De Broglie، التي تفترض أن الجسيمات (مثل الإلكترونات) يمكن أن تتصرف أيضًا مثل الموجات (ازدواجية الموجة والجسيمات).

من أجل تجربتهم، قرر العلماء بعد ذلك استبدال الجسيمات الصغيرة (المستخدمة في التجربة الأصلية عام 1927) بجزيئات عضوية أكبر، من أجل اختبار حدود القوانين التي تحكم سلوكهم. يقول الباحث كريستيان براند من مركز فيينا لعلوم وتكنولوجيا الكموم في جامعة فيينا: "هذه الفكرة معروفة منذ أكثر من عشرين عامًا". ويضيف: "لكن الآن فقط لدينا الوسائل التكنولوجية لتجميع كل القطع معًا وإنشاء تجربة يمكنها اختبار الفكرة بجزيئات ضخمة".

من أجل فهم معناها بالكامل، يجب على المرء أن ينظر إلى الربع الأول من القرن العشرين، عندما تصارع العلماء مع ما بدا أنه عالمان مختلفان تمامًا فيما يتعلق بالقوانين الفيزيائية. من ناحية، كان هناك عالم نيوتن، حيث تتصرف التفاحات والنيازك المتساقطة بطرق متشابهة (فقط على مستويات مختلفة).

وعلى الجانب الآخر، كان هناك ألبرت أينشتاين، الذي كان يقترح أن الصيغ التي تم اختراعها لشرح كيفية امتصاص الضوء وانبعاثه، لم تكن فقط طريقة عملية لاستخدام الأرقام: ولكن هذا الضوء تم تكوينه بالفعل من عناصر منفصلة تسمى كوانتا "الكميات".

وبما أن فكرة أن الضوء يتكون في الواقع من هذه العناصر الصغيرة لم تكن كافية، فقد قرر الأمير لويس دي برولي، عالم الفيزياء الفرنسي، أن إحدى الطرق لإثبات صحة أحدث النماذج المتعلقة بالذرات، يمكن وصف الإلكترونات أيضًا بأنها موجات.

في وقت لاحق، وجد فيزيائيون آخرون مشهورون، مثل فيرنر هايزنبرغ وإروين شرودنغر، طرقًا مختلفة للتنبؤ بكيفية تصرف بنية الذرة. بينما تخيل أحدهم الإلكترونات كموجات مستمرة، تخيل الآخر عناصر منفصلة. لكن الشيء الأكثر إثارة للدهشة هو أن النظريتين صمدتا ... لكن كيف يمكن لشيء ما أن يكون موجة وجسيمًا في وقت واحد؟

اعتمد الفيزيائيان الأمريكيان كلينتون دافيسون وليستر جيرمر بعد ذلك على تجربة أقدم، والتي أظهرت أن الضوء كان عبارة عن موجة. أظهرت نسختهم من التجربة أن شعاع الإلكترون الذي يمر عبر زوج من الشقوق المتوازية والمتقاربة يمكن أن ينتج نمط موجة مشابه لنمط الضوء، وبالتالي يدعم فرضية دي برولي De Broglie. في الفيزياء، هذه الفرضية هي التأكيد على أن كل مادة لها موجة مرتبطة بها (مما يؤدي بعد ذلك إلى ازدواجية الموجة والجسيم).

ولكن منذ ذلك الحين، تم إجراء العديد من الاختلافات في تجربة الشق المزدوج، مما يدل على أن الأجسام الصغيرة مثل الإلكترونات والفوتونات، يمكنها بالفعل التصرف مثل الجسيمات والموجات، اعتمادًا على كيفية استخدامنا لها. دعونا نقيس. علاوة على ذلك، هذا ليس فقط للأشياء الصغيرة. في عام 2012، تم تسجيل رقم قياسي جديد، أظهر أن الجزيء (حوالي 800 ذرة في الحجم) له أيضًا خصائص موجية.

لم تحطم هذه التجربة الأخيرة أي سجلات، لكن الباحثين استخدموا أيضًا جسيمات ضخمة (تزن ما يعادل 515 وحدة كتلة ذرية، أو حوالي 42 ذرة كربون). وهو ليس بهذه الصغر حقًا، وبعيدًا عن السهولة في إدارته. كان هدف الباحثين هو وضع قيود على الطبيعة الموجية للعناصر الأكبر، مثل الجزيئات، بنجاح عن طريق تمريرها عبر شقوق متعددة.

سيكون من السهل تخيل هذه الموجات على أنها مجموعات من مجالات القفز صعودا وهبوطا. لكن في الواقع، يمكن تخيل كائن مثل الإلكترون، أو الفوتون، أو الجزيء، أو مجرد شخص كامل، على أنه مزيج من الخصائص المتراكبة، والتي لها حالات مختلفة في نفس الوقت.

احتمالات هذه الحالات، كل منها يصف موقعها وطاقتها في الزمان والمكان، هي ما نسميه الموجات. بالنسبة لأصغر الجسيمات، يمكن استنتاج هذا الاحتمال من القياسات المتعلقة بما يسمى قاعدة بورن، والتي تفسر المعاملات الخطية لمبدأ التراكب.

تتطلب الأنظمة الأكثر تعقيدًا، مثل الجزيئات، امتدادًا أكثر تعقيدًا للصيغة. منذ ما يزيد قليلاً عن 20 عامًا، قرر عالم فيزياء يُدعى رافائيل سوركين أنه لا يحتاج إلا إلى قياسات لمسارين مختلفين (مثل تلك التي يلتقطها الضوء في الشقوق المزدوجة)، بحيث يمكن لبعض امتدادات قاعدة بورن لا يزال يعمل. لا ينبغي أن تحدث إضافة مسار ثالث أو رابع أو حتى مائة فرقًا.

بفضل نتائج هذه التجربة الأخيرة، لدينا تأكيد على أن حد "الطريقتين" ساري المفعول للجسيمات ذات الحجم الجزيئي. يقول الباحث جوزيف كوتر من جامعة فيينا في النمسا: "هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها إجراء اختبار صريح من هذا النوع باستخدام جزيئات ضخمة". لقد تجاوزت التجارب السابقة الحدود باستخدام فوتونات مفردة وأجهزة ميكروويف. من خلال تجربتنا، وضعنا قيودًا على تدخل الأجسام الضخمة عالية المستوى ".

تسلط هذه التجربة مرة أخرى الضوء على غرابة عالم ميكانيكا الكموم، حيث من الممكن أن يكون عنصر ما جسيمًا وموجة في نفس الوقت، وليس هذا ممكنًا فقط للعناصر الصغيرة للغاية.

هل الواقع المادي الفيزيائي للكون دائم أم متغير؟:

لطالما حيرت نهاية الكون علماء الفيزياء والعلماء. ولقد ظهرت العديد من النظريات التي تصف السيناريوهات المحتملة للحوادث الكونية، أو حتى انقراض الشمس.

أفادت دراسة حديثة عن جولة أخيرة من الانفجارات، التي يتبعها وهجها الظلام الكامل، مما تسبب في سقوط الكون في سبات. وتسمى هذه الانحرافات "سوبر نوفا القزم الأسود". تختلف طريقة اختفاء النجوم حسب كتلتها ونوع المادة التي تنتجها. النجوم التي يتجاوز حجمها 10 أضعاف حجم الشمس أو أكثر، تنفجر مثل السوبرنوفا، وينتهي بعضها على شكل ثقوب سوداء.

يتميز انقراض الأصغر منها بتكوين كتلة صغيرة كثيفة تسمى القزم الأبيض، والتي سوف تصبح داكنة وتتحول إلى قشرة مجمدة لتصبح قزمًا أسود. يرجع هذا الاختلاف إلى حقيقة أن النجوم ذات الحجم الصغير لا تنتج مواد ثقيلة عندما تذوب نواتها.

في الواقع، لم يكن للأقزام السوداء أي تأثير في الكون أبدًا، يتكهن الباحثون أنها ستكون بالضبط آخر شيء سيحدث قبل نهاية العالم الكوني، مما يفسح المجال أمام فراغ كامل، حيث درجات الحرارة تدور حول الصفر المطلق.

بحثت الأبحاث في كيفية إطلاق ناسا لضوءها أخيرًا في انفجارات السوبرنوفا. تتشكل الأخيرة أولاً عن طريق الاندماج ثنائي النواة، وهي عملية كمومية تعزز التقارب بين النوى الذرية أكثر من القزم الأبيض. وبالتالي، هناك تكوين للحديد، وهو العنصر الأخير الناتج عن الاندماج. هذه الحشود المعدنية هي أيضًا سبب انهيار المستعرات الأعظم في النجوم الكبيرة.

لتوضيح بطء هذه الظاهرة، أوضح مؤلف الدراسة مات كابلان والفيزيائي في جامعة ولاية إلينوي أن الشمس تندمج 10 ^ 38 بروتونات / ثانية. سيستغرق تحويل القزم الأسود إلى حديد عن طريق الاندماج النووي 10 ^ 1100 و10 ^ 32000 سنة.

نتيجة لهذا الاندماج، سيتم تدمير الجسم الأسود بكتلته، مما يتسبب في دمار مثير للإعجاب وبالتالي تحرير الطبقات الخارجية لما تبقى من غلاف النجم. ومع ذلك، فإن هذا يتعلق فقط بالأقزام السوداء التي تتراوح كتلتها بين 1.16 و1.32 مرة من كتلة الشمس، وهي نفسها مكونة من نجوم معينة، ويبلغ حجمها 6 إلى 10 أضعاف حجم الشمس. أقزام صفراء.

يوضح كابلان أيضًا أن هذه الأجسام تمثل 1٪ فقط من جميع النجوم، لكن التقديرات تشير إلى أن 1 تريليون مستعر أعظم سينفجر قبل نهاية الكون. بالإضافة إلى ذلك، يقول العلماء إن الكتل المظلمة أصغر مما نعرفه في الكون اليوم، لكن هذا لا يمنع حدوث مستعرات أعظم مذهلة بنفس القدر. بعد ذلك، سوف يغرق الفضاء في الظلام الأبدي الجليدي.

يمكن للخيال تغيير تصورنا للواقع حقًا:

الخيال ليس مجرد وسيلة للدماغ لبناء مشاهد أو أصوات أو أماكن خيالية، بل يسمح أيضًا بتقييم مواقف العالم الواقعي مسبقًا باستخدام سيناريوهات تتضمن جميع العناصر وهذا أمر حقيقي أيضا. هذا ما كشفته دراسة حديثة، تظهر أن الخيال يمكن أن يؤثر بشكل مباشر على إدراكنا للواقع.

تكشف دراسة جديدة كيف أن تخيل سيناريو يحدث في مكان محايد عاطفيًا يمكن أن يغير موقفنا تجاه نفس المكان في الواقع.

لفهم هذه الظاهرة، أجرى باحثون في جامعة هارفارد ومعهد ماكس بلانك لطب الأعصاب والعلوم الإدراكية تجربة، أولاً في الولايات المتحدة ثم تكررت في ألمانيا. نُشرت النتائج في مجلة Nature Communications.

طُلب من المشاركين تقديم قائمة بالأشخاص الذين يحبونهم حقًا، والأشخاص الذين لا يحبونهم، وقائمة بالأماكن التي يرون أنها "محايدة". بعد ذلك، استلقوا على ماسح الرنين المغناطيسي الوظيفي، تمت دعوتهم لتخيل مقابلة شخص من قائمتهم المفضلة في أحد مواقعهم المحايدة.

لهذا الغرض، كان 60 شخصًا يخضعون للتصوير بالرنين المغناطيسي، ولكن كان لا بد من التخلص من بيانات 12 منهم بعد أن تمكن اثنان من المتطوعين من النوم بشكل لا يمكن السيطرة عليه، بينما حاول الباقون أن يظلوا ساكنين بدرجة كافية. للحصول على صور دقيقة.

العقل والخيال والعالم الحقيقي:

كشفت فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي أن قدرتنا على تخيل هذه السيناريوهات تتضمن شبكة في دماغنا بما في ذلك قشرة الفص الجبهي البطني (vmPFC) - وهي منطقة مرتبطة بمعالجة المخاطر والخوف واتخاذ القرار والتقييم أو الموقف من الأخلاق.

يقول عالم الأعصاب الإدراكي رولاند بينوا: "نقترح أن تجمع هذه المنطقة تمثيلات بيئتنا من خلال ربط المعلومات من جميع أنحاء الدماغ لتشكيل صورة عالمية".

في الجلسة الأولية، قدم المشاركون أسماء الأشخاص المحبوبين وغير المحبوبين بالإضافة إلى أماكن محددة في بيئتهم اليومية. ثم قاموا بتقييم مدى إعجابهم بالأشخاص والأماكن (قيمة الفهرس) ومدى معرفتهم بكل واحدة. بناءً على المراجعات، تم اختيار أماكن محايدة، وتم دمج كل منها مع شخص محبوب أو غير محبوب. في الجلسة الثانية، تم فحص المشاركين باستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي على ثلاث مراحل. أشار المشاركون، لكل زوج من الأشخاص والموقع، إلى احتمال عقد مثل هذا الاجتماع ومشاعرهم المتوقعة حيال ذلك.

أوضح الباحثون أنه في حين أن vmPFC لا يرمز للكيانات الفردية مثل الأشخاص، فإن أنماط الخصائص الفردية المشفرة تمثل الأفراد أو الأماكن في ذلك الجزء من الدماغ. كانوا قادرين أيضًا على رؤية مواقف المشاركين تجاه أماكنهم المحايدة تتغير وفقًا لمستويات نشاط هذه النماذج العصبية.

"عندما أتخيل ابنتي في المصعد، يصبح تمثيلها وتمثيل المصعد نشطًا في قشرة الفص الجبهي البطني. هذا، بدوره، يمكن أن يربط بين هذه التمثيلات - وبالتالي يمكن نقل القيمة الإيجابية للشخص إلى الموقع المحايد سابقًا، " كما يوضح بينوا.

العالم الحقيقي: يؤثر الخيال أيضًا على إدراكه:

تؤكد حقيقة أن المواقف يمكن نقلها بهذه الطريقة، وأن أجزاء من الدماغ لا تشارك فقط في تخيل مكان في أذهاننا، بل تشفر أيضًا تقييمنا للمكان الحقيقي. وبالتالي، يمكن للخيال، تمامًا مثل الأحداث الحقيقية، أن يؤثر على موقفنا تجاه العالم الحقيقي.

بطبيعة الحال، فإن القدرة على إحداث التغيير من خلال الخيال تنطبق فقط على تصوراتنا والتأثيرات التي يمكن أن تحدثها على علم النفس وعلم وظائف الأعضاء. لا يزال لا يؤثر على تعديل واقعنا المادي الخارجي.

"في دراستنا، أظهرنا كيف يمكن للخيال الإيجابي أن يؤدي إلى تقييم أكثر إيجابية لبيئتنا. أتساءل كيف تؤثر هذه الآلية على الأشخاص الذين يميلون إلى الأفكار السلبية حول مستقبلهم، مثل الأشخاص المصابين بالاكتئاب. هل يؤدي مثل هذا الاجترار إلى تخفيض قيمة الجوانب المحايدة، أو حتى الإيجابيات في الخيال العلمي، من حياتهم؟» كما يختتم بنوا.

........................

المصادر: Science Advances، PhysOrg، arXiv.org

المصادر: اتصالات الطبيعة

المصادر: خطابات المراجعة الفيزيائية ، Lund University ، PhysOrg

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

ما هو الحجم الحقيقي للكون المرئي؟

taille univers total

النماذج النظرية، التي تكملها الملاحظات والمشاهدات التي تم إجراؤها في السنوات الأخيرة، تسمح الآن لعلماء الكونيات بتقييد حجم الكون المرصود بأمانة نسبيًا. بعد هذا الحد، يستمر الكون في التوسع، ولكن لا يزال يتعذر الوصول إليه من خلال أدواتنا. على الرغم من هذا المجهول، فمن الممكن، بناءً على استقراء البيانات التي تم جمعت حتى الآن، وضع افتراضات معينة حول حجم الكون المرئي بأكمله.

ظهر الانفجار العظيم منذ حوالي 13.8 مليار سنة. كان الكون حينها كثيفًا وساخنًا للغاية، مكونًا من مادة ومادة مضادة وإشعاع. تحت تأثير التضخم ثم التوسع، انخفضت درجة حرارته بينما زاد حجمه بشكل كبير. اليوم، يبلغ نصف قطر الكون المرئي حوالي 46 مليار سنة ضوئية (أو قطر 92 مليار سنة ضوئية).

يتوافق هذا الحد من الكون المرئي مع الأفق الكوني، أي الحدود التي لم يعد بعدها الكون والأشياء الموجودة مرتبطة سببيًا بنا وبالتالي تبقى إلى الأبد مجهولة من قبلنا. يتعذر الوصول إلى ملاحظاتها ومشاهدتها ورصدها. وعلى هذه المسافة أيضًا يقع آخر مستوى لبث الإشعاع الأحفوري أو الخلفية الميكروية – وهي منطقة الكون التي انبعثت منها فوتونات الخلفية الكونية المنتشرة.

معرفة الكون المرئي: شرط أساسي لاستقراء الكون الكلي المطلق:

Connaître l’Univers observable : un pré-requis à l’extrapolation vers l’Univers global

للتكهن بحجم الكون بأكمله، من الضروري الاعتماد على المعلومات التي تم جمعها داخل الكون المرئي l’Univers observable والتي يمكن ملاحظتها ومشاهدتها ورصدها، ولا سيما فيما يتعلق بتاريخها ودينامياتها. إذا كان الكون الذي نلاحظه اليوم باردًا ومليئًا بالبنى المعقدة، فقد كان في الماضي أكثر سخونة وانتظامًا، ولم يكن لديه الوقت الكافي لتشكيل الهياكل الكونية الكبيرة.

temperature fond diffus cosmologique

رسم بياني من دراسة عام 2011 تُظهر تطور درجة حرارة الخلفية الكونية المنتشرة (CMB) على مدار تاريخ الكون. في الماضي، كان الإشعاع CMB أكثر سخونة.

تحت تأثير التمدد والتوسع l’expansion، يتم شد الطول الموجي للفوتونات (انزياح أحمر)، مما يتوافق مع انخفاض في الطاقة، وبالتالي يؤدي إلى انخفاض تدريجي في درجة حرارة الكون. هذا يعني أن الكون الشاب كان أكثر دفئًا بحلول ذلك الوقت، مع توسع الطول الموجي للفوتون قليلاً جدًا. حقيقة أكدتها ملاحظات بعيدة مختلفة différentes observations distantes. من الممكن قياس درجة الحرارة الحالية للكون المرئي من خلال دراسة الخلفية الكونية المنتشرة المنبعثة بعد 380،000 سنة من الانفجار العظيم. تم العثور على هذه الفوتونات اليوم في تردد الميكروويف للطيف الكهرومغناطيسي. لإظهار خصائص الجسم الأسود، ترتفع درجة حرارته إلى°C 270.425 - درجة مئوية، وهو ما يتوافق بدقة شديدة مع التنبؤات التي تم إجراؤها في إطار نموذج الانفجار العظيم.

evolution taille age univers

رسم بياني يوضح حجم الكون المرئي كدالة لعمره. هناك العديد من الأحداث الهامة المشار إليها.

بالإضافة إلى ذلك، فإن تطور طاقة هذا الإشعاع وفقًا لديناميات الكون معروف. تتناسب طاقة الفوتون عكسيا مع طوله الموجي. عندما كان الكون نصف حجمه الحالي، تضاعفت طاقة الفوتونات المنبعثة بعد الانفجار العظيم. عندما كان الكون 10٪ من حجمه الحالي، تضاعفت طاقة الفوتونات في 10. وعندما كان الكون 0.092٪ من حجمه الحالي، كان أسخن 1089 مرة من اليوم، أو حوالي 2700 درجة مئوية.

rayon univers observable

بعد حوالي 13.8 مليار سنة من الانفجار العظيم، يبلغ نصف قطر الكون المرئي 46 مليار سنة ضوئية. أبعد من ذلك يكمن الكون غير المرئي وربما الأكوان المتعددة الأخرة اللامتناهية العدد.

لتقدير حجم الكون المرئي الذي يمكن ملاحظته، يجب مراعاة ثلاثة معايير: المعدل الحالي لتمدد الكون (تم الحصول عليه عن طريق قياس ثابت بلانك) درجة الحرارة الحالية للكون (تم الحصول عليها من الخلفية الكونية المنتشرة) ؛ تكوين الكون (مادة، مادة مضادة، إشعاع، نيوترينوات، مادة مظلمة، طاقة مظلمة، إلخ).

باستخدام هذه المعلومات، من الممكن تحديد تطور حجم الكون الذي يمكن ملاحظته منذ الانفجار العظيم. بالاقتران مع ملاحظات المستعرات الأعظم les supernovas والتركيبات الكبيرة les grandes structures والتذبذب الصوتي للباريونات l’oscillation acoustique des baryons، يُقدر نصف قطر الكون المرئي بـ 46.1 مليار سنة ضوئية.

الدور الأساسي للتضخم في الحجم الإجمالي للكون:

Le rôle primordial de l’inflation dans la taille totale de l’Univers

لا يمكن أن يستند وضع افتراضات حول الكون بأكمله إلا على النماذج الكونية والقوانين الفيزيائية التي نعرفها في الكون المرئي، ونفترض أن هذه القوانين تنطبق محليًا وشموليًا.

على سبيل المثال، أظهرت أحدث بعثات المراقبة أن الكون مسطح مكانيًا على مسافات كبيرة بهامش خطأ يبلغ 0.4٪ فقط. استنادًا إلى النموذج الكوني القياسي أو المعياري، من الممكن تحديد حجم محدد للكون قبل أن يظهر انحناءًا.

mesure courbure univers

تخبرنا سعة درجة حرارة البقع الساخنة والباردة عن انحناء الكون. تشير أحدث الملاحظات إلى كون مسطح بمقاييس كبيرة. الائتمان:

أظهرت مهمة التلسكوب الفضائي بلانك ومسح سلون الرقمي للسماء le Sloan Digital Sky Survey أنه إذا كان الكون منحنيًا، فإن نصف قطر انحناءه يزيد بمقدار 250 مرة عما نلاحظه. بافتراض عدم وجود شذوذ طوبولوجي، فإن هذا يؤدي إلى قطر للكون بأكمله لا يقل عن 23 تريليون سنة ضوئية، ويحتوي على مساحة أكبر بـ 15 مليون مرة من مساحة الكون المرئي.

شهد الكون فترة تضخم توقفت في النهاية في منطقتنا من الكون. ومع ذلك، تظل العديد من الأسئلة الرئيسية دون إجابة: ما هو الحجم النهائي للكون بعد التضخم؟ هل فرضية التضخم الأبدي صحيحة؟ إلى متى بالضبط يستمر التضخم؟ فقط الإجابات على هذه الأسئلة ستجعل من الممكن تحديد الحجم الكلي للكون بوضوح.

modele inflation eternelle

إذا كان نموذج التضخم الأبدي صحيحًا، فإن العديد من "فقاعات الكون" قد تكونت داخل كون كلي أكبر بما لانهاية.

من الممكن أن الكون كله، بعد التضخم، نما إلى حجم أكبر بقليل من الكون المرئي. لكن من الممكن أيضًا أن يكون حجمه أكبر بشكل غير متناسب. إذا كان نموذج التضخم الأبدي صحيحًا، فإن العديد من مناطق الكون المرئي قد تضخمت وشكلت "فقاعات الأكوان" الموجودة في الزمكان الشمولي الكلي المطلق الذي يمثل الكون ككل.

ولكن ما لم يستمر التضخم لفترة زمنية غير محدودة، أو إذا وُلد الكون نفسه كبيرًا إلى ما لا نهاية، فيجب أن يكون بحجم محدود.

تشير الملاحظات إلى أن الكون كان ذات يوم هولوغرام أي صورة ثلاثية الأبعاد:

Des observations mènent à penser que l’Univers a un jour été un hologramme

hologramme terre prometheus

يمكن أن تشكل هذه الملاحظة أول دليل على أن كوننا كان ذات يوم هولوغرام أو صورة ثلاثية الأبعاد. ظل العلماء يتصارعون مع الأسئلة التالية لعقود من الزمن: هل كان كوننا هولوغرام، أو كان عبارة عن صورة ثلاثية الأبعاد عملاقة؟ عالم تتطلب قوانين الفيزياء فيه بعدين فقط، لتكشف عن ثلاثة أبعاد.

كما يمكنك أن تتخيل، ليس من السهل إثبات هذه الفرضية، لكن علماء الفيزياء يدعون أن لديهم الآن ملاحظات قد تكون قادرة على إثبات أن الكون المبكر يتناسب تمامًا مع هذا التصور أو المنظور البصري نفسه المسمى هولوغرام. أو صورة ثلاثية الأبعاد، تمامًا كما هو الحال مع نموذج Big Bang القياسي أو العياري.

يقول عضو الفريق نيايش أفشوردي Niayesh Afshordi من جامعة واترلو في كندا: "نقترح استخدام هذا الكون الهولوغرامي Univers holographique، وهو نموذج مختلف تمامًا للانفجار العظيم والذي تم قبوله بشكل عام ويعتمد على الجاذبية والتضخم". ويضيف قائلاً: "يقدم كل نموذج من هذه النماذج تنبؤات مميزة يمكننا اختبارها أثناء قيامنا بتنقيح بياناتنا وتحسين فهمنا النظري - على مدار السنوات الخمس المقبلة".

لنكون واضحين: لا يقول الباحثون إننا نعيش حاليًا في صورة ثلاثية الأبعاد " هولوغرام". لكنهم يقترحون أنه خلال المراحل المبكرة جدًا من الكون، بعد بضع مئات الآلاف من السنين من الانفجار العظيم، تم إسقاط كل شيء في ثلاثة أبعاد إنطلاقاً من حد ثنائي الأبعاد.

في وقت مبكر من سنوات التسعينيات، نشر الفيزيائي ليونارد سسكيند Leonard Susskind فكرة أن قوانين الفيزياء كما نفهمها لا تتطلب من الناحية الفنية أو التقنية techniquement ثلاثة أبعاد. منذ ذلك الحين، تناول العديد من الباحثين مسألة الكون، والذي كان هولوغرام أي صورة ثلاثية الأبعاد.

ولكن بعد ذلك، كيف يمكن أن يبدو الكون ثلاثي الأبعاد أو يتحول إلى كون ثلاثي الأبعاد، بينما في الواقع سيكون ثنائي الأبعاد فقط؟ الفكرة الأساسية هي أن حجم الفضاء "مشفر encodé " على الحدود، أو أن يكون أفق الجاذبية أو الأفق الثقالي معتمداً على الراصد أو المراقب، مما يعني أنه مع بُعد واحد أقل (2 بدلاً من 3)، يمكن أن يظهر الفضاء كما نراه، في ثلاثة أبعاد. لذلك، مثل صورة ثلاثية الأبعاد،هولغرام، مُسقطة من شاشة ثنائية الأبعاد، تشير الفرضية إلى أن الأبعاد الثلاثة لكوننا تم إسقاطها من حدود ثنائية الأبعاد.

وتجدر الإشارة إلى أنه منذ عام 1997، تم نشر أكثر من 10000 دراسة تدعم هذه الفكرة. والآن أفاد أفشوردي وفريقه أنه بعد التحقيق في عدم انتظام الخلفية الكونية المنتشرة (الإشعاع الكهرومغناطيسي من الانفجار العظيم، وفقًا للنموذج القياسي المعياري لعلم الكونيات)، تمكنوا من العثور على أدلة قوية تدعم ذلك. شرح أو وصف هولوغرامي للكون المبكر البدائي.

"تخيل أن كل ما تراه وتشمه وتسمعه في ثلاثة أبعاد (وكذلك إدراكك للزمن) ينبع في الواقع من مجال مسطح ثنائي الأبعاد. تشبه الفكرة فكرة الصور المجسمة العادية حيث يتم ترميز الصورة ثلاثية الأبعاد في سطح ثنائي الأبعاد، مثل الصورة المجسمة على بطاقة الائتمان. يقول عضو الفريق كوستاس سكينديريس Kostas Skenderis من جامعة ساوثهامبتون Southampton بإنجلترا "هنا يكون الكون كله مشفر ici, l’univers tout entier est encodé «.

أحد الأسباب التي دفعت الفيزيائيين إلى دراسة مبدأ الهولوغرام هذا هو أن النموذج القياسي أو المعياري للانفجار العظيم، على الرغم من كونه أكثر منطقية ومقبولًا من قبل المجتمع العلمي، به العديد من العيوب الأساسية. في الواقع، وفقًا لسيناريو الانفجار العظيم، تسببت التفاعلات الكيميائية في توسع هائل أدى إلى تكوين كوننا، وتضخم هذا الأخير، منذ المراحل المبكرة، بسرعات لا يمكن تصورها.

بينما يتقبل معظم الفيزيائيين حقيقة التضخم الكوني، لم يتمكن أحد حتى الآن من فهم الآلية الدقيقة لهذا التضخم، ولا فهم الآلية التي تقف وراء حقيقة أن الكون قد نما أسرع من سرعة الضوء (في حجمه). في اللحظات الأولى)، الانتقال من الحجم دون الذري إلى حجم "كرة الجولف" على الفور تقريبًا. لا تتفق النظريات الحالية للنسبية العامة وميكانيكا الكموم عندما نحاول شرح سلوك العناصر الضخمة في الكون، حتى في ذراتها: هذه القوانين الأساسية للفيزياء لا يمكنها تفسير كيف تكشفت مكونات الكون في مثل هذه النقطة الصغيرة" الفرادة".

يوضح أفشوردي: "إنها صورة ثلاثية الأبعاد إنه هولوغرام بمعنى أن هناك وصفًا للكون يعتمد على نظام أبعاد أقل ويتوافق مع كل ما نعرفه عن الانفجار العظيم".

من أجل اختبار كيف يمكن لمبدأ الهولوغرام أن يفسر أحداث الانفجار العظيم وعواقبه، صمم الفريق نموذجًا ببعدين للفضاء وواحد للزمن في عملية محاكاة حاسوبية. عندما أدخلوا بيانات حقيقية من الكون، بما في ذلك ملاحظات الخلفية الكونية المنتشرة، وجدوا أن الاثنين متطابقان تمامًا. أعاد النموذج صياغة سلوك شرائح رقيقة من الخلفية الكونية المنتشرة بدقة، لكنه لم يكن قادرًا على محاكاة صفائح الكون التي يزيد عرضها عن 10 درجات، الأمر الذي يتطلب نموذجًا أكثر تعقيدًا.

اعترف الباحثون بأنهم ما زالوا بعيدين عن إثبات أن كوننا المبكر كان إسقاطًا مجسمًا في أي وقت، لكن حقيقة أن الملاحظات الفعلية يمكن أن تفسر بعض الأجزاء المفقودة من قوانين الفيزياء ثنائية الأبعاد، تعني أننا لا يمكن استبعاد النماذج الثلاثية الأبعاد الهولوغرامية تمامًا.

نتذكر أن النموذج ينطبق على المراحل الأولى من الكون، لذلك هذا لا يعني أننا لا نعيش في هولوغرام صورة ثلاثية الأبعاد. "أود أن أقول إنك لا تعيش في هولوغرام، صورة ثلاثية الأبعاد، ولكن كان من الممكن أن تخرج من هولغرام، صورة ثلاثية الأبعاد. [في عام 2017]، هناك بالتأكيد ثلاثة أبعاد للكون المرئي لا جدال في ذلك "، كما اختتم أفشوردي. والسؤال الآن هو: إذا تبين أن هذا الافتراض صحيح، فكيف انتقلت عناصر الكون من بعدين إلى ثلاثة أبعاد؟ 

يقول العلماء إن الأكوان المتعددة قد تعج بالحياة، ولكنها أيضًا تطرح إشكالية:

Selon les scientifiques, le multivers pourrait être grouillant de vie, mais également problématique

totalité univers observable

وفقًا للنظرية السائدة الحالية، إذا كانت كذلك كانت هناك أكوان أخرى، ربما لن تأوي الحياة. ولكن الآن، أظهر فريق دولي من الباحثين أن الأكوان المتعددة أكثر ملاءمة للحياة مما كنا نعتقد سابقًا. إن فرضية الأكوان المتعددة التي يكون فيها كوننا المرئي هو واحد فقط من بين عدد لانهائي من الأكوان الأخرى - هي حل مقترح لشرح على وجه الخصوص لغز ازدواجية الموجة والجسيم، تراكب الحالات الكمومية أو لغز مبدأ الإنسان الأنتروبي principe anthropique.

لا نعرف حقًا ماهية الطاقة السوداء المعتمة (أو الطاقة الداكنة أو المظلمة) l’énergie noire (ou énergie sombre: إنها، من بين أشياء أخرى، الاسم الذي يطلق على "القوة" التي تؤدي إلى توسع الكون، والتي، على عكس كل شيء آخر. التي نلاحظها، تتسارع بمرور الوقت بدلاً من التباطؤ. تشكل الطاقة السوداء أو المظلمة حوالي 70٪ من الكون، وهذه هي المشكلة. في الواقع، تتنبأ النظريات الحالية حول أصل الكون بأنه يجب أن يكون هناك طاقة سوداء أو مظلمة أكثر من ذلك بكثير.

لكن العلماء يتوقعون أيضًا أنه إذا كانت هناك طاقة سوداء أومظلمة أكثر من الكمية الصغيرة التي يمكن استنتاجها حاليًا، فإن الكون سينمو بسرعة بحيث تخفف المادة قبل أن تتمكن حتى من تشكيل النجوم أو الكواكب أو المجرات. مما يعني أننا لن نكون موجودين.

هنا يتدخل الكون المتعدد multivers: تقترح هذه النظرية أن هناك العديد من الأكوان خارج عالمنا، ولكل منها نسبة مختلفة من الطاقة المظلمة. هذا تفسير أنيق للغاية (أو حتى منظم وأنيقاً للغاية وفقًا لبعض العلماء)، ويتضمن تفكيرًا دائريًا raisonnement circulaire، دون أي دليل مبني على الملاحظة والرصد والمراقبة والمشاهدة، ومن المستحيل اختباره تقنيًا.

لكن يمكننا إجراء اختبارات على كوننا المرئي. وهذا بالضبط ما فعله الباحثون: "كان يُعتقد أن الكون المتعدد يفسر القيمة المرصودة للطاقة السوداء أوالمظلمة مثل اليانصيب - لدينا تذكرة رابحة ونعيش في الكون الذي يشكل مجرات جميلة، يقول الباحث لوك بارنز Luke Barnes من جامعة ويسترن سيدني بأستراليا ". "يظهر عملنا أن تذكرتنا تبدو محظوظة بعض الشيء، إذا جاز التعبير. هذه هي مشكلة للكون المتعدد، وما زال هناك لغز ".

بقيادة الفيزيائي جايم سالسيدو Jaime Salcido من جامعة دورهام Durham في المملكة المتحدة، ابتكر الفريق عمليات محاكاة كبيرة ومعقدة للكون عن طريق تعديل كمية الطاقة السوداء أوالمظلمة، بناءً على مشروع أيغل EAGLE (تطور وتجميع المجرات وبيئاتها)، واحدة من أكثر بيئات المحاكاة الواقعية في الكون.

وجد الباحثون أن زيادة (أو تقليل) كمية الطاقة السوداء أوالمظلمة في كوننا، حتى بضع مئات من المرات من الكمية المرصودة، سيكون لها تأثير ضئيل على تكوين النجوم والكواكب. قال سالسيدو: "بالنسبة للعديد من الفيزيائيين، فإن الكمية غير المبررة ولكن الخاصة على ما يبدو من الطاقة السوداء أوالمظلمة في كوننا هي لغز محبط للغاية". "أظهرت عمليات المحاكاة التي أجريناها أنه حتى لو كانت الطاقة السوداء أوالمظلمة موجودة بكميات أكبر بكثير في الكون المرئي، أو إذا كان هناك القليل منها، فلن يكون لها على أي حال سوى تأثير ضئيل على تشكيل النجوم والكواكب، مما يزيد من احتمالية وجود الحياة في جميع أنحاء الكون المتعدد.

يثير هذا أيضًا مشكلة أخرى: إذا لم نكن بحاجة إلى الكون المتعدد لشرح وجودنا، فهل لا تزال هذه نظرية معقولة؟ يعتقد الباحثون أن الإجابة على لغز الطاقة السوداء أوالمظلمة تكمن في شيء لم نكتشفه بعد. قال الفيزيائي ريتشارد باور Richard Bower من جامعة دورهام: "تشكل النجوم في الكون معركة بين جاذبية الثقالة وتنافر الطاقة السوداء أوالمظلمة".

"لقد اكتشفنا من خلال عمليات المحاكاة التي أجريناها أن الأكوان الأخرى التي تحتوي على طاقة سوداء أومظلمة أكثر بكثير مما يحتويه كوننا المرئي يمكن أن تشكل النجوم بشكل جيد للغاية. فلماذا هذه الكمية الضئيلة من الطاقة السوداء أوالمظلمة في كوننا؟ أعتقد أننا يجب أن نبحث عن قانون جديد للفيزياء لشرح هذه الخاصية الغريبة لكوننا المرئي، ونظرية الأكوان المتعددة لا تفعل الكثير لإنقاذ الفيزيائيين من حالة القلق وعدم الارتياح التي تسكنهم ".

السفر عبر الزمن: من الممكن تجنب المفارقات بفضل الجداول الزمنية المتوازية المتعددة

Voyage temporel : il serait possible d’éviter les paradoxes grâce à des multiples lignes temporelles parallèles

histoires paralleles

حلم قديم لكتاب الخيال العلمي داعب عقولهم، السفر عبر الزمن، رغم أنه قد يكون مغريًا، إلا أنه يواجه عقبة رئيسية: ألا وهي وجود المفارقات. على وجه الخصوص، مفارقة الجد. للوهلة الأولى، تبدو تصرفات المسافر عبر الزمن مقيدة للغاية، ناهيك عن أن الرحلة نفسها ستكون محفوفة بالمخاطر وغير عملية أو شبه مستحيلة. لكن قد تكون هناك طريقة للتغلب على هذه المفارقات: وجود قصص موازية على جداول زمنية مختلفة. هذا هو الحل النظري الذي اقترحه اثنان من علماء الفيزياء الكنديين.

تتمثل إحدى طرق تجنب مثل هذه المفارقات في فكرة الأكوان المتفرعة l’idée de ramifier les univers، حيث يكون الكون منقسمًا مع كل حالة من السفر عبر الزمن، وخلق عالمين مختلفين، مما يؤدي إلى عدد لا حصر له من الأكوان ممكنة الوجود في آن واحد. اقتراح آخر: نسخ لا نهائية من الأكوان المتوازية التي تتطور بشكل مختلف بمرور الزمن.

لكن علماء الفيزياء يفضلون تجنب اللانهاية إن أمكن. طور باراك شوشاني Barak Shoshany وجاكوب هاوزر Jacob Hauser، من معهد بيريميتر Perimeter Institute  في كندا، نموذجًا للسفر عبر الزمن يتطلب ببساطة عددًا كبيرًا جدًا، بدلاً من اللانهاية infini، من الجداول الزمنية المتوازية من أجل تجنب المفارقات.

يقترح الثنائي أنه للسفر بين هذه الجداول أو الخطوط الزمنية lignes temporelles، يمكن لأي شخص أن يمر عبر ثقب دودي طويل - بشكل أساسي، فجوة في الزمكان - بطريقة يقولون إنها ممكنة رياضياتاً.

قصص موازية وجداول زمنية متميزة: Histoires parallèles et lignes temporelles distinctes

يقول شوشاني إن إحدى طرق التفكير في الكون هي تخيل أنه عبارة عن مجموعة من النقاط في المكان والزمان، وأن الجدول الزمني أو تاريخ الأحداث سيكون دالة رياضياتة ترتب هذه النقاط. في الحلول المقترحة للأكوان المتفرعة والأكوان المتوازية، نزيد عدد النقاط في الزمكان لإنشاء مجموعات متعددة من النقاط، وبالتالي أكوان مميزة رياضياتاً. لكن شوشاني وهاوزر وضعوا نموذجًا لاحتمال ثالث، "القصص الجانبية الموازية histoires parallèles «.

modeles chronologies

ثلاثة نماذج مختلفة تسمح لك بالحصول على جداول وخطوط زمنية مختلفة.

"نهج أو مقاربة الكون الموازي الذي نقترحه يقول أن هناك أكوانًا متوازية مختلفة حيث الأشياء متشابهة تقريبًا، وكل منها يقع رياضياتاً في مجموعة متنوعة مختلفة من الزمكان. من الممكن التنقل بين هذه الأصناف في رحلة عبر الزمن، " كما يشرح شوشاني.

ثقب دودي للسفر بين جداول أو خطوط زمنية مختلفة: Un trou de ver pour voyager entre les différentes chronologies

يوجد في نفس الكون المرئي، أي مجموعة واحدة من النقاط، هناك عدة كرونولوجيات ممثلة بوظائف رياضياتة تعيد تنظيم هذه النقاط. ببساطة، وعن طريق بناء ثقب دودي والظهور، يتم تغيير الوظيفة ويأخذ الجدول أو الخط الزمني ترتيبًا مختلفًا. لنأخذ مثال أقل تجريدًا: هذا يعني أن أليس 1 (شخصية خيالية) يمكن أن تسافر من Timelineخط زمني الكرونولوجي   1 إلى الخط الزمني الكرونولوجي Timeline 2، حيث ستحاول قتل Bob 2 بتحرير تمساح.

إذا لم يقتله التمساح، يمكن أن يستمر في العيش ويكون لديه أحفاد، ويمكن أن تحاول أليس 2 قتله مرة أخرى. تنتقل بعد ذلك إلى المخطط الزمني 3 وتحاول إسقاط بيانو على بوب 3.

المفتاح هنا هو أن آليس "Alices" لديها القدرة على تغيير أفعالهم وليسوا محبوسين في خطة Alice 1 الفاشلة لمحاولة تحرير تمساح. إذا كانت ستسافر في جدول زمني واحد، فسيتعين عليها تكرار هذا الفعل لأن هذه هي الطريقة الوحيدة للحفاظ على تماسك القصة والقضاء على احتمال وجود مفارقة.

نموذج جذاب ولكنه لا ينطبق على الكون كما هو حاله الآن:

قد يبدو الأمر معقدًا بعض الشيء لتوسيع ساحة اللعب بجداول وخطوط زمنية متعددة، لكن شوشاني وهاوزر حسبا أن هذا السفر عبر الزمن الخالي من التناقضات يمكن تحقيقه بعدد محدود من القصص في الكون. تتكون أليس في النهاية من عدد محدود من الجسيمات التي يمكن أن تكون فقط في عدد محدود - لكن كبير بشكل لا يصدق - من الترتيبات.

هناك عيب واحد كبير في النموذج كما هو: إنه يعمل فقط مع بُعد واحد للفضاء، بدلاً من ثلاثة أبعاد معتادة، كما يقول جيرانت لويس Geraint Lewis من جامعة سيدني. يقول شوشاني إنه يعتزم الآن ترجمة النموذج إلى ثلاثة أبعاد، من أجل تمثيل العالم الحقيقي بشكل أفضل.

.............................

المصادر

1: arXiv 2: arXiv 3  : Science، arXiv

4: CERN

Sources : Physical Review Letters

5: Sources: The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (1 & 2) 6: :الإخطارات الشهرية للجمعية الملكية الفلكية (1 و 2).

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

ماذا لو كان الكون بأكمله عبارة عن شبكة عصبية حاسوبية عملاقة؟

Et si l’Univers tout entier était un gigantesque réseau de neurones informatique ?

théorie univers réseau neuronal

هذا ما يقترحه الفيزيائي وعالم الكونيات فيتالي فانكورين Vitaly Vanchurin، من جامعة مينيسوتا في دولوث l’Université du Minnesota à Duluth، في منشور وضعه على موقع arXiv. تبدو الفكرة مجنونة تمامًا، ومع ذلك، هل يمكننا رفضها بشكل قاطع؟ يعتقد فانكورين أن فرضية الشبكة العصبية يمكن أن تكون الحلقة المفقودة التي تم البحث عنها كثيرًا في التوفيق بين ميكانيكا الكموم والنسبية العامة.

في ميكانيكا الكموم، الزمن شامل ومطلق le temps est universel et absolu، بينما تقول النسبية العامة أن الزمن نسبي، مرتبط بنسيج الزمكان l’espace-temps. ومع ذلك، وفقًا لفانكورين، يمكن أن تظهر ديناميكيات التعلم للشبكة العصبية "سلوكيات تقريبية" موصوفة من قبل كل من ميكانيكا الكموم والنسبية العامة. وهذا يتطلب منا إيجاد تعريف جديد للواقع.

وهكذا، في مقالته، يستكشف الفيزيائي إمكانية أن يكون الكون المرئي بأكمله، في أبسط مستوياته، مجرد شبكة عصبية حاسوبية un réseau neuronal informatique. ويشير إلى أن معادلات ميكانيكا الكموم تصف جيدًا إلى حد ما سلوك الشبكة العصبية المكونة من عدد كبير جدًا من الخلايا العصبية، بسواء بالاقتراب من التوازن أو عند الابتعاد عنها. ومع ذلك، فإن نفس قوانين ميكانيكا الكموم تصف عمل جميع الظواهر الفيزيائية.

من ناحية أخرى، من المقبول أن ميكانيكا الكموم تعمل بشكل جيد على نطاق صغير petite échelle وأن النسبية العامة تعمل بشكل جيد على نطاق واسع وكبير grande échelle، لكن حتى الآن لم نتمكن من التوفيق بين النظريتين في إطار موحد. وهذا ما يسمى "مشكلة الجاذبية أو الثقالة الكمومية la gravité quantique «. من الواضح أن هناك شيئًا ما مفقودًا، ولا سيما الأخذ بالاعتبار وجهة نظر ومشاهدات المراقبين للظاهرة قيد النظر أو المعنية يشار إلى هذا باسم "مشكلة القياس الكمومي le problème de la mesure quantique بناءً على هذه الملاحظة، يعتقد فانكورين أنه لا توجد نظريتان، بل ثلاث نظريات لتوحيدها: ميكانيكا الكموم والنسبية العامة والمراقبين. ومع ذلك، يعتقد جميع الفيزيائيين تقريبًا أن ميكانيكا الكموم هي النموذج الرئيسي le paradigme principal، الذي يجب أن يتدفق منه كل شيء آخر نظريًا (حتى لو لم يكن أحد يعرف بالضبط كيفية إجراء الاتصال). اليوم، يطرح فانكورين إمكانية أخرى: وجود شبكة عصبية مجهرية réseau neuronal microscopique كهيكل أساسي structure fondamentale، ينبثق منها كل شيء آخر - ميكانيكا الكموم والنسبية العامة والمراقبين العيانيين.

كيف توصل الفيزيائي إلى هذه الفرضية؟ في منشور سابق، كان مهتمًا أولاً بكيفية عمل التعلم العميق l’apprentissage profond، من خلال تطبيق أساليب الميكانيكا الإحصائية على سلوك الشبكات العصبية. والحال، فقد تبين أنه ضمن حدود معينة، فإن ديناميكيات التعلم للشبكات العصبية تشبه إلى حد بعيد ديناميكيات الكموم التي لوحظت في الفيزياء. من هناك ظهرت فكرة أن العالم المادي ربما كان مجرد شبكة عصبية واحدة ضخمة.

اختيار طبيعي للبنى العصبية: Une sélection naturelle de structures neuronales

لتأسيس نظريته، اعتمد فانكورين بشكل خاص على نظرية إيفريت la théorie d’Everett (أو نظرية العوالم المتعددة) وعلى تفسير بوم Bohm (المعروف باسم نظرية الكموم مع "المتغيرات الخفية" théorie quantique à «variables cachées، أي أن المعلمات أو الإعدادات الفيزيائية الافتراضية paramètres physiques  لن تكون كذلك. أي لا تؤخذ في الاعتبار من خلال افتراضات ومسلمات ميكانيكا الكم).

في افتراضه أو مسلمته النظرية، اعتبر أن المتغيرات الخفية هي حالات الخلايا العصبية الفردية والمتغيرات القابلة للتدريب (مثل متجه التحيز ومصفوفة الوزن le vecteur de biais et la matrice de poids) لتكون متغيرات كمومية. ومع ذلك، يمكن أن تكون المتغيرات المخفية هنا غير محلية non locales (وهو ما يتعارض مع عدم مساواة أو عدم تكافؤات  بيل des inégalités de Bell): حيث يمكن توصيل كل خلية عصبية بجميع الخلايا العصبية الأخرى، لذلك لا يحتاج النظام إلى أن يكون محليًا.

هل هذه فكرة مجنونة؟ حتى الآن، لم يتم قبول أي من " نظريات كل شيء" التي تم اقتراحها بالفعل لوصف مجموعة من التفاعلات الأساسية الأربعة - الجاذبية والكهرومغناطيسية والتفاعلات النووية الضعيفة والقوية: لم يسمح أي منها لوصف التفاعل بتوافق الجاذبية مع الإطار النظري لفيزياء الجسيمات، والذي يستخدم لوصف التفاعلات الثلاثة الأخرى.

لكن فانكورين يؤكد أنه على عكس النظريات الأخرى على الإطلاق، فإن دحضه يكون أكثر صعوبة: في الواقع، علينا أن نجد ظاهرة فيزيائية لا يمكن تشكيلها modélisé باستخدام شبكة عصبية. قال إنها مهمة صعبة لأننا نعرف القليل جدًا عن سلوك الشبكات العصبية وكيف يعمل التعلم الآلي في الواقع.

وهناك تجربة أخرى تضع موضع تساؤل ومراجعة لمفهوم "الواقع" في ميكانيكا الكموم سنتطرق إليها لاحقاً.

يضيف العالم الفيزيائي فانكورين أيضًا أن نظريته يمكن أن تشرح آلية الانتقاء الطبيعي sélection naturelle على غرار مثيلتها الداروينية في علم البيالوجي. في الواقع، هناك هياكل (أو شبكات فرعية) للشبكة العصبية المجهرية أكثر استقرارًا من غيرها. هذه البنية الدقيقة ستبقى على قيد الحياة مع التطور، بينما سيتم القضاء على الأقل استقرارًا، بغض النظر عن المقياس الذي تم النظر فيه. كل ما نراه من حولنا (جسيمات، ذرات، خلايا، مراقبين، إلخ) سيكون نتيجة الانتقاء الطبيعي.

يظل معظم علماء الفيزياء وخبراء التعلم الآلي متشككين في استنتاجات زملائهم. يعترف فانكورين نفسه بأنه ربما لم يدرك بعد التعقيد الكامل للشبكات العصبية، وأنه "لم يكن لديه الوقت حتى للتفكير في الآثار الفلسفية للنتائج". فيما يتعلق بما إذا كنا نعيش جميعًا في نوع من محاكاة "نمط المصفوفة" كما في ثلاثية أفلام ماتريكس à la Matrix " المصفوفة"، يرد الفيزيائي، "لا، نحن نعيش في شبكة عصبية، لكن قد لا نرى الفرق أبدًا."

ربما تكون CERN المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية، قد أكدت للتو إحدى الفرضيات التي تشرح وجود الكون:

لأول مرة على الإطلاق، لاحظ الفيزيائيون العاملون في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) اختلافات في تحلل الجسيمات والجسيمات المضادة التي تحتوي على لبنة أساسية من المادة: الكوارك الفاتن أو الساحر le quark charm. يمكن أن يساعد هذا الاكتشاف في كشف لغز كبير، يتعلق بوجود المادة. بعبارة أخرى، وبالتالي، يمكنها أيضًا أن تجيب، بمعنى ما، عن سؤال طرحناه على أنفسنا مرة واحدة على الأقل: لماذا يوجد الكون؟

قال شيلدون ستون Sheldon Stone، أستاذ الفيزياء في جامعة سيراكيوز l’Université de Syracuse  (نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية)، وأحد المتعاونين الذين يعملون في مشاريع البحث الجديدة: "هذا حدث تاريخي".

يحتوي كل جسيم من المادة على جسيم مضاد له كتلة متطابقة، ولكن له شحنة كهربائية معاكسة. عندما تلتقي المادة والمادة المضادة، فإنهما يفنيان أو يبيدان بعضهما البعض. وهذه "مشكلة" فيزيائية لم يتم حلها بعد: يجب أن يكون الانفجار العظيم قد خلق كميات مكافئة من المادة والمادة المضادة، وكل هذه الجسيمات يجب أن تدمر نفسها بسرعة، تاركةً فقط طاقة خالصة l’énergie pure. ولكن بدلاً من ذلك، نجا كوارك واحد فقط من كل مليار كواركات (الكواركات هي الجسيمات الأولية التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات) من حادثة الإبادة. وهذا ما سمح بأن توجد المادة، وبالتالي الكون المرئي، ونحن.

لكن هذا يعني أيضًا أن الجسيمات والجسيمات المضادة لا يجب أن تتصرف بنفس الطريقة تمامًا، كما قال ستون لمجلة Live Science. بدلاً من ذلك، يجب أن تتحلل بمعدلات مختلفة قليلاً، مما يسمح باختلال التوازن بين المادة والمادة المضادة. يطلق الفيزيائيون على هذا الاختلاف في السلوك انتهاك تكافؤ الشحنة violation de parité de charge (انتهاك CP). تم تقديم فكرة انتهاك CP في عام 1967 من قبل الفيزيائي الروسي أندريه ساخاروف Andrei Sakharov، الذي اقترحه لشرح سبب بقاء المادة على قيد الحياة من الانفجار العظيم. قال السيد ستون معلقاً على ذلك: "إنه أحد المعايير الضرورية لوجودنا". "لذلك من المهم فهم أصل انتهاك CP."

هناك ستة أنواع من الكواركات (من عدة أنواع تسمى النكهات)، ولكل منها خصائصه الخاصة: الأسفل والأعلى، والغريب والساحر أو الفاتن، ثم الجمال ("القاع" سابقًا) والحقيقة (سابقًا "القمة" ) les quarks down et up (bas et haut), strange et charm, puis beauty (anciennement « bottom ») et truth (anciennement « top »).. في عام 1964، لاحظ الفيزيائيون لأول مرة انتهاك CP في كواركات غريبة. ثم في عام 2001، رأوا ذلك يحدث مع جسيمات تحتوي على كواركات قاع (أو جمال) bottom (ou beauty).. افترض الفيزيائيون منذ فترة طويلة أن هذا هو الحال أيضًا مع الجسيمات التي تحتوي على كواركات ساحرة، لكن لم يتمكن أحد من ملاحظتها. علاوة على ذلك، أدى هذان الاكتشافان إلى الحصول على جوائز نوبل للباحثين المعنيين. ولقد تم رصد بوزونات هيغز بعد تتفككها واضمحلالها إلى كواركات قاعية بوتوم أو جميلة.

ستون هو أحد الباحثين في تجربة Beauty LHC في CERN. المصادم LHC (مصادم الهادرون) وهو عبارة عن حلقة طولها 27 كيلومترًا تقع على الحدود الفرنسية السويسرية، والتي ترسل جسيمات دون ذرية في دائرتها من أجل تصادمها، وبالتالي تخلق دفعات من الطاقة الشديدة التي أعقبت الانفجار الكبير. فعندما تلتقي الجسيمات، فإنها تنقسم إلى أجزاء مكونة لها، والتي تنقسم بعد ذلك (في أجزاء من الثانية) إلى جسيمات أكثر استقرارًا.

LHC accélérateur particules matière noire

أطلس، في LHC (CERN). هذا هو جهاز فعال حلقي لمصادم الهادرونات الكبير، والذي يستخدم مغناطيسًا كهربيًا حلقيًا يسمح للحقل المغناطيسي بالثني داخل نفسه في الهواء.

تتعلق الملاحظات الأخيرة بتوليفات من الكواركات تسمى الميزونات mésons، وبشكل أكثر دقة الميزون D0 الميزون ("d-zero") والميزون المضاد لـ D0. يتكون الميزون D0 من كوارك ساحر وكوارك مضاد (الجسيم المضاد للكوارك العلوي). الميزون المضاد لـ D0 هو مزيج من كوارك مضاد للسحر وكوارك علوي. يتحلل هذان الميزونان بعدة طرق، ولكن ينتهي المطاف بنسبة صغيرة منهما بالتحول إلى ميزونات تسمى كاون kaons أو بيونات pions. قام الباحثون بقياس الاختلاف في معدل الاضمحلال بين الميزونين D0 والميزونات المضادة لـ D0، والتي تضمنت اتخاذ تدابير غير مباشرة للتأكد من أنها لم تكن تقيس الفرق في الإنتاج الأولي للميزونات، أو الاختلافات الناشئة عن جودة معداتهم للكشف عن الجسيمات دون الذرية المختلفة.

تظهر النتائج أن نسب الاضمحلال اختلفت بنسبة عُشر بالمائة. قال ستون: "هذا يعني أن الميزون D0 ومضاد D0 لا يتدهوران بنفس المعدل أو الوتيرة، وهذا ما نسميه انتهاك CP". أعلن الباحثون عن الاكتشاف في بث شبكي لـ CERN، ونشروا وثيقة توضح بالتفصيل النتائج على خادم arXiv قبل النشر (من بين أمور أخرى).

وهذا يجعلها ممتعة. يوضح ستون أن الاختلافات في الانحلال ربما ليست كبيرة بما يكفي لتفسير ما حدث بعد الانفجار العظيم، مما يؤدي إلى وجود الكثير من المادة يفوق المادة المضادة. ولكن حسب قوله، فإن هذه الاختلافات كبيرة بما يكفي لتكون مفاجأة. ويضيف: "حان الآن دور علماء الفيزياء النظرية لجعل هذه البيانات تتحدث".

يعتمد الفيزيائيون على ما يسمى بالنموذج القياسي أو المعياري le modèle standard لشرح كل هذه الظواهر على المقياس دون الذري. السؤال الآن هو ما إذا كانت التنبؤات التي قدمها النموذج القياسي أو المعياري يمكن أن تفسر قياس الكوارك الساحر الذي قام به الفريق للتو، أو ما إذا كان سيتطلب نوعًا من "الفيزياء الجديدة" (والتي قال ستون إنها ستكون النتيجة الأكثر إثارة). قال ستون أيضاً: "إذا كان من الممكن تفسيرها فقط من خلال فيزياء جديدة، فإن هذه الفيزياء الجديدة يمكن أن تحتوي على فكرة من أين جاء انتهاك CP".

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

قد يوجد شكل مستقر جديد للمادة خارج الجدول الدوري

Une nouvelle forme stable de matière pourrait exister au-delà du tableau périodique

الكواركات هي جسيمات أولية لا تزال تحظى باهتمام الفيزيائيين. وهي تشكل المادة البار يونية، أي المادة العادية التي تحيط بنا وتتكون من البروتونات والنيوترونات، وتسمح خواصها الفيزيائية بوجود أشكال معينة من المادة، مثل بلازما كوارك-غلوون أو حتى مادة غريبة la matière étrange. اكتشف فريق من الفيزيائيين مؤخرًا تكوينًا جديدًا مستقرًا للكواركات، والذي يمكن أن يشكل عناصر خارج الجدول الدوري.

آخر معاملة transactinide (عنصر كيميائي ذو رقم ذري أعلى من رقم لورنسيوم lawrencium)، يتكون العضو l’organesson (Og) من 118 بروتونًا لكتلة ذرية قدرها 294. تم تصنيعه وتركيبه لأول مرة في عام 2002، وهو آخر عنصر كيميائي معروف (بالعدد الذري المتزايد) من الجدول الدوري للعناصر. هذا لا يعني أن العناصر الأثقل لا يمكنها أن توجد - على الرغم من وجود حد أقصى نظري لعدد البروتونات في النواة، بسبب الكثافة المحدودة للتفاعل بين النوكليون والنيوكليون - ولكن الحدود التكنولوجية الحالية لا تسمح بعد أن يتم إنتاجها.

لم تعد الذرات الموجودة في نهاية الجدول الدوري تخضع لنفس القواعد مثل نظيراتها الأقل كتلة. تظهر التأثيرات الكمومية، مثل اقتران مدار الدوران couplage spin-orbite، التي تنبثق داخل النواة وتعيد تنظيم مستويات الطاقة الكلاسيكية. تعمل آليات تقييد الطاقة، ولا سيما ظاهرة الإحباط الكولومبي frustration coulombienne، الذي يعمل على تعديل ديناميكيات الإلكترونات والبروتونات، مما يمنح الذرة خصائص معينة. أخيرًا، تميل التأثيرات النسبية إلى فصل الإلكترونات بشكل موحد بدلاً من ترتيبها تقليديًا في طبقات.

في دراسة حديثة، أظهر فريق من علماء الفيزياء من جامعة تورنتو أنه في ظل الظروف القاسية لدرجة الحرارة والضغط، يمكن للكواركات التي تتكون منها الباريونات أن تتحلل، مع الحفاظ على استقرارها بدرجة كافية لضمان تكوين ذرات الكتلة التي تزيد عن 300، وبالتالي تقع خارج الجدول الدوري. يمكن أن يوجد مثل هذا التكوين للمادة داخل النجوم النيوترونية

قدم الفيزيائيون أبحاثهم في مجلة الرسائل الفيزيائية Physical Review Letters.quarks configuration

يمكن أن تشكل الكواركات تكوينات مختلفة وبالتالي جسيمات مختلفة، اعتمادًا على نكهاتها وأنواعها وترتيباتها.

الكواركات هي جسيمات أولية تشكل جسيمات مركبة تسمى "الهادرونات hadrons ". وتنقسم هذه الجسيمات إلى "ميزونات mésons " - وهي جسيمات مكونة من زوج من الكواركات والكواركات المضادة quark-antiquark و "الباريونات baryons " - وهي جسيمات مكونة من ثلاثة كواركات مثل البروتونات protons والنيوترونات neutrons. هناك ستة أنواع (نكهات) من الكواركات: أعلى (ش)، أسفل (د)، أعلى (تي)، أسفل (ب)، غريب (ق) وسحر (ج) Up (u), Down (d), Top (t), Bottom (b), Strange (s) et Charm (c).

تتكون المادة الباريونية حصريًا من البروتونات والنيوترونات، وتتكون فقط من u و d كواركات. بعيدًا عن البروتونات والنيوترونات، يمكن للكواركات تشكيل هياكل أخرى اعتمادًا على ترتيبها. تترابط الكواركات معًا بواسطة الغلوونات les gluons، وهي البوزونات les bosons médiateurs التي تتوسط تفاعلًا نوويًا قويًا.

matiere quarks

في ظل الظروف القاسية لدرجة الحرارة والضغط، يمكن تفكيك الكواركات، وتشكيل "حساء" من الكواركات الحرة، تسمى "المادة الديناميكية الملونة": سيرن

إذا شكلت الكواركات ترتيبات مستقرة داخل الباريونات عند درجات حرارة وظروف ضغط معيارية، فيمكنها أيضًا تكوين مثل هذه التكوينات والوصول إلى أدنى حالة طاقة لها (الحالة الأساسية أو الجوهرية) في ظروف أكثر قسوة، في شكل مادة كروموديناميكية chromodynamique الديناميكا اللونية أو "مادة الكواركات matières à quarks ".

هذا الشكل من المادة لم يعد مكونًا من ثلاثة كواركات مرتبطة ارتباطًا وثيقًا، بل يتكون من "حساء" من الكواركات الحرة. عادة ما يتم استيفاء هذه الشروط في مسرعات الجسيمات القوية أو في النجوم النيوترونية. في عام 1984، اقترح العالم الفيزيائي إدوارد ويتن Edward Witten  أن هذه المادة الديناميكية اللونية أو الكروموديناميكية المستقرة تتكون في الواقع من خليط متساوٍ من الكواركات u و d و s.وتسمى  udQM - Up-Down Quark Matter وهكذا أخذت اسم "المادة الغريبة" (لأنها تتكون من كواركات غريبة).

فيما يتعلق باستقرار تكوينات الكواركات u وd داخل النوى الذرية، فإن فكرة المادة الكروموديناميكية المكونة فقط من u وd الكواركات، تسمى "udQM" (لمادة كوارك أعلى)، كانت منذ فترة طويلة رفضه العلماء. ومع ذلك، فقد أثبت علماء الفيزياء في جامعة تورنتو بنجاح أنه في الواقع، فإن UDQM لديها طاقة كتلة أقل لكل باريون من مادة الباريون التقليدية والمواد الغريبة. لقد بحث الفيزيائيون عن مادة غريبة لعشرات السنين. وفقًا لنتائجنا، ربما نظر العديد من العلماء في المكان الخطأ» حسب توضيح ليزا زيغا Lisa Zyga، مؤلفة الدراسة.

stabilite udqm

تصل المادة الديناميكية الصبغية الكروموديناميك La matière chromodynamique، المكونة من كواركات u و d، إلى مستواها الأساسي وتصبح مستقرة للعناصر ذات الكتلة الذرية (A) أكبر من 300. .

في ظل ظروف ضغط كافية، يمكن للكواركات u و d أن تترتب في udQM، والتي لا تتطلب حالتها الأرضية استقرار أي كوارك. يتم استيفاء ظروف الضغط ودرجة الحرارة هذه نظريًا داخل النجم النيوتروني، ولكن أيضًا داخل البروتونات نفسها. تُظهر حسابات الفيزيائيين أنه بالنسبة لعنصر كتلته الذرية أكبر من 300، يمكن للكواركين u وd إعادة ترتيب أنفسهم في مادة كروموديناميكية مستقرة.

يتطلب إنشاء هذا النوع من العناصر تقنية أكثر تقدمًا مما لدينا، ولكن هذه النتائج توضح إمكانية وجود منطقة مستقرة خارج الجدول الدوري. من الممكن أيضًا أن يتم إنشاء مثل هذه العناصر داخل الأشعة الكونية ويمكن اكتشافها على الأرض.

يوضح المؤلفون: "إن تعزيز معرفتنا بـ UDQM سيسمح لنا بتحقيق هدف قديم: إنتاج الطاقة من المادة الكرومودبناميكية أو الديناميكية الصبغية". المادة الديناميكية اللونية التي تتطلب مثل هذا المستوى المنخفض من الطاقة تفتح مجالات مهمة للبحث وتسمح لنا بترك الخيال العلمي لتخيل مفاعلات الكوارك المستقبلية.

تم اكتشاف حالة إلكترونية جديدة للمادة Un nouvel état électronique de la matière vient d’être découvert

في معدن أو شبه موصل، تتحرك الإلكترونات وتتشتت بحرية أكثر أو أقل، يمكن تحديد هذه الحركة من خلال تطبيق جهد كهربائي على المادة المعنية. داخل الموصلات الباليستية (المواد ذات الموصلية الكهربائية المثلى أو القصوى، خاصةً بسبب عدم وجود تصادم بين الإلكترونات)، تتحرك الإلكترونات تقريبًا مثل المركبات على الطريق السريع. الميزة الرئيسية هي أنها لا تصدر حرارة ويمكن استخدامها بطريقة فريدة مقارنة بالإلكترونيات العادية. نجح الباحثون سابقًا في تصميم هذا النوع من الموصلات الباليستية. كما اكتشف العلماء مؤخرًا حالة إلكترونية جديدة للمادة تنتقل فيها الإلكترونات، دون تشتت، في مجموعات تتكون من اثنين أو أكثر في وقت واحد وليس بشكل فردي، كما كان الحال حتى الآن في الموصلات المبكرة الباليستية.

يقول جيريمي ليفي Jeremy Levy، أستاذ فيزياء المادة المكثفة، "يركز البحث على القياسات في الأنظمة الموصلة أحادية البعد حيث تتحرك الإلكترونات دون أن تشتت في مجموعات مكونة من اثنين أو أكثر في وقت واحد، وليس بشكل فردي". ويؤيده في ذلك باتريك إيرفين Patrick Irvin، أستاذ باحث مشارك. الاثنان، من قسم الفيزياء وعلم الفلك في جامعة بيتسبرغ، وهما مؤلفان مشاركان في الدراسة، التي نُشرت نتائجها في 14 فبراير في مجلة Science.

"عادة، تتحرك الإلكترونات في أشباه الموصلات أو المعادن وتتشتت، وفي النهاية تنجرف في اتجاه واحد إذا قمت بتطبيق الجهد. لكن في الموصلات الباليستية، تتحرك الإلكترونات مثل السيارات على الطريق السريع. وتتمثل ميزة ذلك في أنها لا تصدر حرارة ويمكن استخدامها بطرق مختلفة تمامًا عن الإلكترونيات العادية. لقد نجح الباحثون السابقون بالفعل في إنشاء هذا النوع من الموصلات الباليستية "، كما يوضح ليفي.

"مجموعات أو عناقيد من الإلكترونات" تؤدي إلى ظهور أشكال جديدة من المادة الإلكترونية:

يوضح اكتشافنا أنه عندما يمكن جعل الإلكترونات تجتذب بعضها البعض، فإنها يمكن أن تشكل أزواجًا أو مجموعات من ثلاثة وأربعة وخمسة إلكترونات، والتي تتصرف حرفياً مثل أنواع جديدة من الجسيمات، وأشكال جديدة من المواد الإلكترونية «، حسب ليفي.

قارن ليفي هذا الاكتشاف بكيفية ارتباط الكواركات معًا لتكوين النيوترونات والبروتونات. كان أحد الأدلة المهمة لاكتشاف هذه الحالة الجديدة للمادة هو إدراك أن هذه الموصلات الباليستية تتوافق مع تسلسل في مثلث باسكال أدناه.

triangle pascal premieres lignes

الخطوط الثلاثة الأولى لمثلث باسكال.

"إذا نظرت في اتجاهات مختلفة لمثلث باسكال، يمكنك رؤية تسلسلات مختلفة من الأرقام، بما في ذلك ما يلي: 1، 3، 6، 10، 15، 21. هذا تسلسل لاحظناه في بياناتنا، لذلك كان دليلًا صعبًا على ما كان يحدث بالفعل. استغرقنا الاكتشاف بعض الوقت لمعرفة ذلك، والسبب هو أننا لم نكن نعلم في البداية أننا نبحث في جسيمات مكونة من إلكترون، إلكترونين، ثلاثة إلكترونات، إلخ. إنها تتوافق معًا مع التسلسل 1، 3، 6، 10 "، كما يقول ليفي. و في الحالة السائلة، تحتوي جزيئات الماء في الواقع على بنيتين مختلفتين من عناقيد الإلكترونات.

ارتباط بالتشابك الكمومي:

كما أشار ليفي، مدير معهد بيتسبرغ الكمومي Pittsburgh Quantum Institute، إلى أن الجسيمات الجديدة تظهر خصائص تتعلق بالتشابك الكمومي l’intrication quantique، والتي يمكن استخدامها في الحوسبة الكمومية وإعادة التوزيع الكمومي. ولقد أعلن بشكل خاص أن الاكتشاف هو خطوة مثيرة نحو المرحلة التالية من فيزياء الكموم. وقال "هذا البحث جزء من جهد أكبر هنا في بيتسبرغ لتطوير علوم وتقنيات جديدة تتعلق بالثورة الكمومية الثانية".

خلال الثورة الكمومية الأولى، أدرك المجتمع العلمي أن العالم من حولنا يخضع بشكل أساسي لقوانين فيزياء الكموم الكوانتوم. من بين أشياء أخرى، ساعد هذا الاكتشاف في فهم الجدول الدوري وسلوك المواد وساعد في تطوير الترانزستورات وأجهزة الكمبيوتر وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي IRM وتكنولوجيا المعلومات بشكل عام.

"الآن، في القرن الحادي والعشرين، ننظر إلى كل التنبؤات الغريبة في فيزياء الكموم، ونفصلها ونستخدمها. عندما نتحدث عن التطبيقات، فإننا نفكر في الحوسبة الكمومية l’informatique quantique، والنقل الآني الكمومي la téléportation quantique، والاتصالات الكموميةcommunications quantiques، والكشف الكمومي la détection quantique الأفكار التي تستغل خصائص الطبيعة الكمومية للمادة التي تم تجاهلها من قبل "، كما يستنتج ليفي.

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

اكتشف علماء الفيزياء مؤخراً جسيمًا غريبًا جدًا، وهو في الواقع ليس جسيماً بمعنى الكلمة.

توجد أشباه الجسيمات quasi-particules ضمن أفضل ما في فيزياء الجسيمات، بعد الجسيمات العادية والجسيمات الافتراضية. تُستخدم شبه الجسيمات لوصف ديناميكيات الأنظمة الفيزيائية المعقدة التي تحتوي على العديد من التفاعلات بين الجسيمات. إذا وجدت معظم أشباه الجسيمات مكانها في فيزياء المادة المكثفة، فقد يظهر بعضها أيضًا أثناء تصادم الجسيمات. وكان المصادم LHC يسلط الضوء فقط على وجود واحد منهم، تم توقعه منذ السبعينيات: l’odderon.

l’odderon الأوديرون يعتبر شبه الجسيم هذا بالتأكيد أحد أكثر الأشياء المادية تعقيدًا التي يجب فهمها. بادئ ذي بدء، إنه ليس جسيمًا مثل الإلكترون أو الفوتون أو النيوترون. يجعل شبه الجسيم من الممكن كتابة نظام معقد من التفاعلات مثل أزواج ثقب الإلكترون الحرة (الإكسيتونات excitons)، وحزم الاهتزاز في مادة صلبة بلورية (الفونونات phonons) أو حتى الإثارة داخل البلازما (البلازمونات plasmons).

لذلك غالبًا ما يكون الأوديرون ناتجًا عن اهتزاز أو تذبذب للطاقة أثناء تفاعل عدة جسيمات. تظهر هذه التفاعلات المعقدة خاصة أثناء تصادم الجسيمات. على سبيل المثال، في اصطدام البروتون-البروتون النسبي كما هو الحال في LHC، يتبادل الجسيمان الطاقة ويخضعان لإعادة ترتيب بنيتهما الهادرونية. من الواضح أن الكواركات والغلونات التي تتكون منها تغير تكوينها. في الواقع، في 25٪ من الحالات، لا يتم تدمير البروتونات.

إن هذا التفاعل الهادرونيكي معقد للغاية عند وصفه رياضياتياً. للقيام بذلك، يجب أن يكون الفيزيائيون قادرين على معرفة طاقة وموقع كل غلوون ووصف حركتهم في الفضاء بشكل فردي. لتبسيط العمليات الحسابية، اختار الفيزيائيون وصف تبادل الجسيمات هذه على أنها مجموعات من الجسيمات المرتبطة، وبالتالي على أنها شبه جسيمات.

يقترح نموذج الاصطدام المادي الأولي الهادروني أن الغلوونات يتم تبادلها دائمًا بأرقام زوجية. لذلك توصف مجموعة مكونة من اثنين من الغلوونات بواسطة شبه جسيم يسمى "بوميرون pomeron ". ومع ذلك، في عام 1973، اقترح الفيزيائيون أنه من الممكن أيضًا تبادل مجموعات غريبة من الغلوونات. يسمى شبه الجسيم هذا الذي يصف التبادل الفردي للغلوونات "odderon" (فــ odd يعني غريب في اللغة الإنجليزية).

تسمح لنا تجربة TOTEM في مصادم الجسيمات LHC التابع لــ سيرن بدراسة البروتونات التي تظل سليمة بعد الاصطدام. حول نفس الموضوع: يؤكد العلماء في LHC في CERN اكتشاف جسيمين جديدين.

schema experience totem

ومع ذلك، في عام 1973 وحتى عام 2010، لم يكن لدى الفيزيائيين التكنولوجيا الللازمة لفحص المادة بدقة كافية لتأكيد وجود الأوديرونات Odderons. مع إدخال 13 اصطدام TeV في LHC، أصبح لديهم أخيرًا الأداة التي طال انتظارها لاختبار نظريتهم. للقيام بذلك، بحث العلماء عن الاختلافات في المقطع العرضي الفعال للبروتون - البروتون proton-proton والبروتون- البروتون المضاد proton-antiproton باستخدام المقطع العرضي الكلي TOTal cross-section لمصادم الهادرونات الكبير، وتجربة قياس التشتت المرن والانحراف Elastic scattering and diffraction- dissociation Measurement (TOTEM).

وأظهرت البيانات التي تم جمعها بوضوح اختلافًا كميًا quantitative بين المقاطع العرضية للبروتون - البروتون والبروتون - البروتون المضاد. يتوافق هذا الاختلاف مع وجود أوديرونات odderons، لأن التبادل الفردي للغلوونات يفسر هذه القيم بشكل صحيح. على الرغم من أن الأوديرونات Odderons ليست التفسير الوحيد المحتمل لهذه النتائج، إلا أن علماء الفيزياء يعتبرونها الأكثر منطقية هنا. تم نشر النتائج في مقال نُشر على موقع أو خادم arXiv قبل النشر في مجلة علمية متخصصة.

حتى إذا كانت الأوديرونات odderons تختلف مع النموذج الهادرونيكي الكلاسيكي modèle hadronique classique الذي يتطلب تبادل أزواج غلوونات gluons أثناء تصادمات هيدرونيكية collisions hadroniques، فإن هذه النتائج ليست ثورية ولا تنتهك تنبؤات النموذج القياسي أو المعياري. في الواقع، على الرغم من أنه دائمًا ما يكون من المثير للاهتمام للغاية أن تكون قادرًا على التحقق من صحة وجود كائن مادي مقترح منذ فترة طويلة، إلا أن الأوديرونات Odderons كانت بالفعل تنبؤات متوقعة من علماء الفيزياء في سياق الديناميكا اللونية الكمومية la chromodynamique quantique (QCD).

أول تأكيد تجريبي لوجود أنيونات anyons ، وهي أشباه جسيمات ذات خصائص غريبة

anyons decouverte

تم التنبؤ بالأنيونات لأكثر من 40 عامًا مضت، كانت في البداية عبارة عن بناء رياضياتي يهدف إلى فهم التفاعلات والتذبذباتles interactions et les oscillations  داخل الأنظمة ثنائية الأبعاد بشكل أفضل. ومن مجرد حل رياضياتي خالص، انتقلت الأنيونات إلى مرحلة شبه الجسيمات، وبشكل أكثر دقة الإثارات الجماعية للإلكترونات التيي تمتلك شحنة كسرية des excitations collectives d’électrons possédant une charge fractionnaire، وعلى سبيل المثال تلعب دورًا رئيسيًا في تأثير الهالة الكمومي الكسرية l’effet Hall quantique fractionnaire ومع ذلك ظل لحد الآن نظرياً. إلا أن فريق علمي من علماء الفيزياء تمكن من تحقيق أول تأكيد تجريبي لوجود أشباه الجسيمات هذه مختبرياً.  ومع ذلك فإن أجزائه المكونة: في الكواركات والغلوونات. يتيح لنا ذلك معرفة المزيد عن المكونات الأساسية للمادة، والجسيمات الأساسية للنموذج المعياري أو القياسي.

تم الإبلاغ عن أدلة تجريبية جديدة للسلوك الجماعي للإلكترونات التي تشكل أشباه جسيمات تسمى « آنيون " وجمعها "أنيونات anyons " من قبل فريق من علماء الفيزياء في جامعة بيوردوي Purdue. تمتلك أشباه الجسيمات الأنيونات خصائص لم تُرى في الجسيمات دون الذرية الأخرى، بما في ذلك الشحنة الجزئية والإحصاءات التي تحافظ على "ذاكرة" تفاعلاتها مع أشباه الجسيمات الأخرى عن طريق إحداث تغييرات في الطور الكمومي phase quantiques.

في حين أن هذا العمل قد يكون في نهاية المطاف وثيق الصلة بتطوير الكمبيوتر الكمومي ordinateur quantique ، في الوقت الحالي ، كما يقول ميكائيل مانفرا Michael Manfra ، يجب اعتباره خطوة مهمة في فهم فيزياء شبه الجسيمات. نُشر مقال البحث عن الاكتشاف في مجلة Nature Physics.

أعطى عالم الفيزياء النظرية الحائز على جائزة نوبل فرانك ويلشيك Frank Wilczek ، أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا MIT ، هذه الجسيمات أشباه الجسيمات اسمًا ساخرًا أنيون anyon ، نظرًا لسلوكها الغريب لأنها على عكس الأنواع الأخرى من الجسيمات ، يمكنها تبني أي نوع من الجسيمات. وتبني أي مرحلة كمومية عند تبادل مواقعهم.

خصائص غير عادية تمنح ذاكرة للتفاعلات:

تتفاعل الأنيونات كما لو كانت لديها شحنة كسرية، والأكثر إثارة للاهتمام، أنها تخلق تحولًا وتغييراً في الطور non trivial غير القابل للإهمال او غير تافه، وذلك عن طريق التكتل حول بعضهم البعض. هذا يمكن أن يعطي للأنيونات نوعًا من الذاكرة عن تفاعلاتها.

"كل الأيونات ليست موجودة فقط إلا من أجل الإثارة  الجماعية للإلكترونات في ظل ظروف خاصة. لكن من الواضح أن لديهم هذه الخصائص الغريبة، بما في ذلك الشحنة الكسرية charge fractionnaire والإحصاءات الكسرية les statistiques fractionnaires. إنه أمر مثير للفضول لأننا سوف نتساءل، "كيف يمكن أن يكون لديها شحنة أقل من الشحنة الأولية للإلكترون؟»، كما يقول ميكائيل مانفرا.

ويضيف موضحاً: أنه عندما يتم تبادل البوزونات أو الفرميونات، فإنها تولد عامل طور زائد واحد أو ناقص واحد، على التوالي. "في حالة أنيوناتنا، كانت المرحلة الناتجة عن التفاعلات2π/3. وهذا أمر مختلف عما شوهد في الطبيعة من قبل ". تعرض الأنيونات هذا السلوك فقط كإثارة جماعية للإلكترونات، حيث تتصرف العديد من الإلكترونات كإثارة واحدة في ظل ظروف قاسية ومحددة للغاية، لذلك لا تعتبر معزولة في الطبيعة.

نظرًا لأن هذا السلوك يعتمد على عدد المرات التي تلتصق فيها الجسيمات ببعضها البعض، فهي أكثر قوة في خصائصها من الجسيمات الكمومية الأخرى. يقال إن هذه الخاصية طوبولوجية لأنها تعتمد على هندسة النظام ويمكن أن تؤدي إلى هياكل أنيونية أكثر تطوراً، والتي يمكن استخدامها لبناء أجهزة كمبيوتر كمومية مستقرة طوبولوجياً.

مقياس التداخل interféromètre لاكتشاف الأنيونات تجريبياً:

كان الفريق قادرًا على إثبات هذا السلوك من خلال توجيه الإلكترونات عبر بنية نانوية nanostructure محفورة في شكل متاهة محددة مصنوعة من آرسينيور الغاليوم d’arséniure de gallium أو زرنيخ الغاليوم وآرسينيور الألمنيوم arséniure d’aluminium أو زرنيخ الألومنيوم والغاليوم. هذا الجهاز، المسمى مقياس التداخل، يحصر الإلكترونات في الالانتقال في مسار ثنائي الأبعاد. تم تبريد الجهاز إلى جزء من مائة درجة بالقرب من الصفر المطلق (10 مللي كلفن millikelvin) وتعرض لمجال مغناطيسي قوة 9 تسلا. ولّدت المقاومة الكهربائية لمقياس التداخل نمط تداخل أطلق عليه الباحثون "نمط البيجامة" tracé de pyjama. كانت الفواصل في نمط التداخل بمثابة توقيع لوجود الأنيونات. يقول شيتان ناياك Chetan Nayak ، عالم الفيزياء النظرية بجامعة كاليفورنيا: "إنها بالتأكيد واحدة من أكثر الأشياء المعقدة  تعقيدًا وصعوبة التي يجب القيام بها في الفيزياء التجريبية".

interferometre anyons

رسم تخطيطي للإعداد التجريبي المستخدم لاكتشاف أي حشرات. الائتمان: جيمس ناكامورا

حدد واكتشف مصادم الهادرونات الكبير 5 جسيمات دون ذرية جديدة:

من المعلوم إن مصادم الهادرونات الكبير (LHC) من CERN هو أقوى مسرع للجسيمات تم بناؤه على الإطلاق في العالم وقد حدد للتو 5 جسيمات دون ذرية جديدة.

LHC large hadron collider colisionneur hadrons cern particules subatomiques

تم بناء مصادم الهدرونات الكبير في نفق دائري محيطه حوالي 27 كيلومترًا ويسرع البروتونات (من عائلة الهادرون) لإنتاج الاصطدامات.

في هذا المُسرِّع، يتم إجبار حزمتين من الجسيمات عالية الطاقة على الاصطدام أو التصادم، قادمة من اتجاهين متعاكسين وبسرعات قريبة من سرعة الضوء. تتسبب كثافات الطاقة المتولدة في الاصطدامات في اندماج المادة العادية في الأجزاء المكونة لها: الكواركات والغلوونات. يتيح لنا ذلك معرفة المزيد عن المكونات الأساسية للمادة، الجسيمات الأساسية للنموذج القياسي أو المعياري.

وتجدر الإشارة إلى أنه في الوقت الحالي، يعمل أكثر من 10000 عالم ومهندس معًا في   LHC   لمساعدتنا على فهم الخصائص الأساسية للفيزياء بشكل أفضل. وحتى الآن، توصل كل هؤلاء العلماء إلى اكتشافات مثيرة للإعجاب: كان فريق LHC وراء اكتشاف (وبالتالي تأكيد وجود) بوزونات هيغز ، واكتشاف العديد من الجسيمات الجديدة.

واليوم ، أثبتت دراسة جديدة أن مسرع ومصادم الجسيمات العملاق لن يتوقف عند هذا الحد. أعلن فريق تجربة جمال مصادم الهادرون الكبير (LHCb) Large Hadron Collider beauty experiment ، الذي يهدف إلى استكشاف ما حدث بعد الانفجار العظيم للسماح للمادة بالبقاء وبناء الكون الذي نعرفه اليوم ، عن اكتشاف نظام جديد من 5 جسيمات دون ذرية في تحليل واحد.

اتضح أن كل من هذه الجسيمات الخمسة عبارة عن حالة مثارة من أوميغا سي صفر des états excités d’Oméga-c-zéro ، وهو جسيم بثلاثة كواركات. تم تسمية حالات الجسيمات هذه وفقًا للاتفاقية القياسية Ωc(3000)0, Ωc(3050)0, Ωc(3066)0, Ωc(3090)0 et Ωc(3119)0

والآن، يجب على الباحثين تحديد العدد الكمي لهذه الجسيمات الجديدة، بالإضافة إلى أهميتها النظرية. سيسمح لنا هذا الاكتشاف بتحسين فهمنا للعلاقة بين الكواركات وحالات الكواركات المتعددة، مما سيعزز معرفتنا بالكون ونظرية الكم بشكل عام.

وصفت المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية Le CERN هذا الاكتشاف بأنه "مرتع لنتائج فيزيائية جديدة واستثنائية". وهذه فقط البداية! يتم بالفعل إنتاج المزيد من التجارب والنتائج في هذا الوقت. لهذا السبب لا ينبغي التقليل من أهمية التعاون الدولي. LHC هو أكبر تعاون علمي دولي في التاريخ: يشارك علماء من أكثر من 85 دولة في التجارب في LHCمسرع ومصادم الجسيمات  التابع لــ  CERN.

على مدى الأشهر والسنوات المقبلة، يخطط LHC لاستخدام الكمية التي لا تصدق من الطاقة للمغامرة في `` عالم الفيزياء المظلم '' للكشف عن الجسيمات غير المعروفة حاليًا والمساعدة في حل وكشف بعض من أكثرها غموضاً ولغزية كونية، خاصة فيما يتعلق بالمادة السوداء أو  المظلمة ، والأبعاد الموازية المحتملة وما يمكن أن يحدث في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم.

يلقي LHCb الضوء على الجسيمات الجديدة:

منذ صياغته في عام 1970 وحتى اليوم ، يستمر النموذج القياسي أو المعياري في فيزياء الجسيمات الأولية في التحقق من صحة تنبؤاته. حتى في الآونة الأخيرة، أعلنت CERN المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية عن اكتشاف باريون baryon جديد بخصائص مدهشة في LHCb  وهو: le baryon Ξcc++, ، المكون من كواركين CHARM و كوارك UP.

الباريون المنصوص عليه في النموذج القياسي أو المعياري le Modèle Standard:

تم تقديم نموذج الكوارك في عام 1960 على أساس البيانات التجريبية من SLAC (مركز ستانفورد الخطي المعجل Stanford Linear Accelerator Center) ثم اكتمل في عام 1970 مع إضافة ثلاثة كواركات أخرى، ويحتوي اليوم على ستة أنواع مختلفة (أو نكهات) من الكواركات: عالية (أعلى) haut (UP)، أسفل (أسفل) bas (DOWN)، غريب (غريب) étrange (STRANGE) ، سحر (ساحر) charme (CHARM)، أسفل (أسفل) dessous (BOTTOM)  وما فوق (أعلى) dessus (TOP). ترتبط ستة كواركات مضادة بهذه الكواركات الستة.

nouvelle particule

جدول يمثل النكهات الست المختلفة للكواركات ، مقسمة إلى ثلاثة أجيال في النموذج القياسي.

يمكن للكواركات أن تتحد لتشكل الهادرونات ، أي جسيمات مركبة مكونة من كواركات. وبشكل أكثر تحديدًا، عندما يتكون الهادرون من ثلاثة كواركات، فإنه يكون باريون. أشهر الباريونات هي البروتونات والنيوترونات. وبالتالي فإن العديد من التركيبات مصرح بها بواسطة النموذج القياسي. أو المعياري.

هذا هو سبب اكتشاف الهادرونات الجديدة بشكل متكرر نسبيًا بواسطة LHC. لا يُعد الباريون Ξcc ++  المكتشف مؤخرًا استثناءً ، ويشكل بالفعل تنبؤًا بالديناميكا اللونية الكمومية (النموذج الذي يصف التفاعل القوي ويتضمن نموذج الكوارك).

ولكونه قادرًا على نشر طاقة تبلغ 13 تيرا إلكترون فولت TeV (téra-électron-volt أثناء تصادمات البروتون بالبروتون ، فإن المصادم LHC هو مختبر هائل لاختبار تنبؤات النموذج القياسي أو المعياري. على هذا النحو، يسمح لنا بدراسة ديناميكيات التفاعلات الأساسية بدقة أكبر مثل التفاعل الكهروضعيف (توحيد الكهرومغناطيسية والتفاعل الضعيف) والديناميكا الكرومية أو اللونية الكمومية la chromodynamique quantique.

فيما يتعلق بهذا الاكتشاف الجديد، يؤكد المتحدث باسم التعاون، جيوفاني باساليفا Giovanni Passaleva ، أن "اكتشاف الباريون المكون من كواركين ثقلين له أهمية كبيرة لأنه يوفر لنا أداة فريدة لمزيد من دراسة الديناميكا اللونية الكمومية ، النظرية التي تصف التفاعل القوي ، وهو أحد التفاعلات الأساسية الجوهرية الأربعة في الكون. مثل هذا الجسيم سيسمح لنا بذلك "تحسين التنبؤات التي قدمتها نظرياتنا".

باريون بخصائص"غير عادية" Un baryon aux caractéristiques « hors normes»

يتكون الباريون Ξcc++  من ثلاثة كواركات: كواركان "CHARM" وكوارك واحد "UP". الكوارك UP هو كوارك ضوئي حيث تتراوح كتلته بين 1.7 و 3.3 ميغا فولت / مربع سرعة الضوء MeV/c².. من ناحية أخرى، فإن كوارك CHARM هو من جانبه كوارك أثقل، كتلته تساوي 1.3 GeV / c². هذا يعني أن الكوارك الساحر وحده له كتلة أكبر من كتلة البروتون (938 ميغا إلكترون فولت / س² MeV/c²).

فيما يتعلق بتكوينها ، فإن الباريون Ξcc++  أكبر بنحو 4 مرات من كتلة البروتون بكتلة 3.621 GeV / c². بالإضافة إلى ذلك، تحتوي هذه الكواركات الثلاثة على شحنة كهربائية تساوي2/3 e ، أو ثلثي الشحنة الأولية للإلكترون ؛ وبالتالي فإن هذا الباريون الجديد لديه ضعف شحنة البروتون (للبروتون شحنة معاكسة لشحنة الإلكترون ، + e).

nouvelle particule CERN baryon lhcb

رسم توضيحي للباريون Ξcc++  يتكون من كواركين مرتبطين من نوع CHARM وكوارك واحد UP  مرتبطين بينهم عن طريق تدفقات الغلوونات.

هذه الخصائص الفيزيائية هي التي أعطته اسمه. في الواقع، تشير "cc" إلى كواركين CHARM ؛ يتم تعيين كوارك CHARM بواسطة "c" في التسمية القياسية المعيارية. و "++" تشير إلى هذه الشحنة التي تساوي ضعف شحنة الإلكترون.

يحتوي باريون Ξcc++  baryon  أيضًا على ديناميكية داخلية أصلية. في الواقع، داخل معظم الباريونات، تتحرك الكواركات فيما يتعلق ببعضها البعض وتشكل نظامًا ديناميكيًا من ثلاثة كواركات متوازنة. من ناحية أخرى، في هذا الباريون الجديد، يشكل كواركا CHARM نظامًا ثنائيًا ويتفاعل كوارك UP مع هذا النظام.

حول هذا الموضوع ، يحدد غي ويلكينسون Guy Wilkinson ، المتحدث السابق باسم التعاون العلمي ، أنه "على عكس الباريونات الأخرى التي تؤدي فيها الكواركات الثلاثة رقصة متقنة حول بعضها البعض ، فإن الباريون Ξcc++  يتصرف مثل نظام كوكبي في حيث يعمل الكواركان الهائلان كنظام نجمي ثنائي يدور حوله الكوارك الأخف.

الكشف عن الباريون Ξcc++ :

يوفر النموذج  المعياري أو القياسي تحديدًا باريونين يحتوي كل منهما على كواركين CHARM: باريون Ξcc+ +  باريون   Ξcc ++  . يُفترض أن تكون كتلتها تتراوح بين 3.5 GeV / c² و 3.7 GeV / c². بينما يبلغ عمر الباريون Ξcc +  بين 50 و 250 fs (فيمتوثانية femtosecondes) ، فإن عمر باريون Ξcc ++  يتراوح بين 200 و 700 fs (فيمتوثانية femtosecondes)، مما يجعل اكتشافه أسهل من نظيره. ومع ذلك ، كان باريون  Ξcc +  هو أول ما تم اكتشافه في عام 2002 من خلال تعاون SELEX (2) ، بكتلة 3.519 GeV / c².

لم يتم اكتشاف باريون Ξcc ++ baryon ، مثل باريون Ξcc + baryon ، مباشرةً بواسطة LHCb. مثل العديد من الجسيمات، يتحلل باريون Ξcc ++ baryon بعد انبعاثه. إذ يتحلل إلى جسيمات أخرى تسمى "نواتج الاضمحلال" produits de désintégration ، وتسمى الطرق المختلفة التي تتحلل بها "قنوات الاضمحلال" canaux de désintégration. من خلال تحليل نواتج الاضمحلال هذه، حدد العلماء وشخصوا اكتشاف الباريون Ξcc++..

في الواقع، عندما يتحلل هذا الأخيرة، يتم توزيع طاقته في كل واحد من نواتج الاضمحلال؛ بعد ذلك جمع الفيزيائيون طاقة كل منهم ووجدوا إجماليًا إنها تساوي الطاقة المفترضة للباريون Ξcc++. ومع ذلك، فإن كتلة الباريون Ξcc++ التي قدمها الفيزيائيون ليست سوى تقدير، لأن تحديدها يخضع للعديد من أوجه عدم اليقين في الترتيب الكمومي حسب (مبدأ هايزنبرغ) principe d’Heisenberg، لترتيب آلي (انحياز التصحيح، المعايرة biais de correction, calibration) وذات طبيعة نظرية (عمر غير دقيق، مراسلات غير مؤكدة مع النموذج التنبئي le modèle prédictif).

nouvelle particule

توزيع كتلة baryon lambda Λc+  لامدا باريون Λc+ و كايون kaon K+   وبيونين pions π ، نواتج الاضمحلال للباريون Ξcc++  . يمكن رؤية الذروة عند3621 MeV/c²   المقابلة للباريون Ξcc++.

من أجل هذه الملاحظة، درس العلماء قناة اضمحلال معينة لـ Ξcc ++ baryon. تفكك هذا إلى أربعة جسيمات محددة بوضوح: باريون لامبدا lambda Λc+ (2.28 GeV/c²)  ، كايون  K+ (493.7 MeV/c²) ، و  بيونين deux pions π+ (2 x 139.57 MeV/c²).

للقيام بذلك، جمع الباحثون البيانات من التصادمات التي حدثت في عام 2012 في8 TeV وفي عام 2016 عند13 TeV. يستفيد الاكتشاف من درجة دقة تبلغ 12 درجة مئوية، مما يجعله ملاحظة حقيقية لا تقبل الجدل؛ للتذكير ، في فيزياء الجسيمات ، درجة الدقة المطلوبة للحديث عن الاكتشاف هي 5.

nouvelle particule

يوضح مخطط فاينمان Feynmann تحلل الباريون Ξcc++  إلى Λc+, K+, π+ et π+ في الرسم التخطيطي ، يشير« W+ »  إلى بوزون W للتفاعل الضعيف ، وبالتالي فإن اضمحلال باريون Ξcc ++ baryon ينطوي على تفاعل ضعيف. حسب بيانات CERN / LHCb

سيساعد قياس خصائص هذا الجسيم في تحديد كيفية تصرف نظام مكون من كواركين ثقلين وكوارك خفيف واحد. أرسل فريق البحث في CERN المقالة التي تبلغ عن هذه النتائج (أدناه) إلى مجلة Physical Review The.

..........................

المصادر: CERN، arXiv.org

وإمكانية السفر بين المجرات والنجوم

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

الأجسام الطائرة مجهولة الهوية Ovnis. تسمى أيضًا بالإنجليزية UFOS: هي الأجسام الطائرة أو المحلقة غير المحددة. UFOS و Ovnis هي على أي حال أفضل من الاسم الحالي "الصحون الطائرة" حيث اتضح أن هذه الطائرات الغامضة ليس لها بالضرورة شكل قرص أو طبق. موجود أم غير موجود؟ هذا السؤال مزعج للغاية حيث بدأت الخدمات البحثية الرسمية للغاية في الاهتمام بهذه الأطباق الطائرة الشهيرة، والتي لم تؤخذ على محمل الجد حتى وقت قصير، والتي لا يمكن إلا أن تحيي النقاش. دعونا نتناول هذا الموضوع دون أن ننحاز إلى أي طرف، بل نحاول استخلاص استنتاجات موضوعية من جميع الاستطلاعات والمصادر قبل إصدار الحكم النهائي عن وجودها أو استحالة وجودها كما يدعي الكثيرون.

الإحصائي كلود بوهر C. Poher، الذي يترأس إحدى خدمات الاتصالات والبحوث الفضائية. يمسك الثور من قرونه كما يقول المثل دلالة على تصديه للخطر بهذا الخصوص، إذ قرر أن يفحص بنفسه ما ينشأ من الشهادات حول الأجسام المحلقة مجهولة الهوية.

هل تستطيع أداة الإحصاء القوية أن تفصل الحبوب عن القشر وتستمد منها شيئًا يمكن استخدامه أم لا؟ فيما يلي النتائج التي، في رأيي، تعطي فكرة فعالة للغاية وغير متوقعة من بعض النواحي لظواهر "الصحون الطائرة أو الأجسام المحلقة مجهولة الهوية". يجب اعتماد هوية الشهود وخصائصهم المميزة أولاً: وهم معروفون في ثلاثة أرباع الحالات ويتم تضمين جميع الفئات الاجتماعية المهنية، بما في ذلك علماء الفلك والباحثون (4.36٪ للأول: 4.12٪ للأخير). على عكس ما أراد بعض المؤمنين بالخرافات أن يلمحوا إليه، فإن المسألة ليست مسألة طبقات صغيرة متطورة من السكان. في الواقع، يمكن للجميع تقريبًا، بما في ذلك المتخصصون في الفضاء وعلوم الفلك والكونيات، رؤية الجسم الطائر مجهول الهوية. لا تكون المسافة بين الأشياء دائمًا كبيرة جدًا، وقد تم إجراء بعض الملاحظات الدقيقة جدًا، فيما يتعلق بالآلات على الأرض. النقطة المثيرة للفضول هي الارتباط بظروف الطقس: هناك عدد كبير من الملاحظات بخصوص الرؤية المباشرة وشهود العيان عندما تكون السماء صافية وتكون الرؤية مثالية، في حين أن البعض قد يلمح إلى العكس.

شكل الأشياء متغير، على الرغم من تقريبه بشكل عام؛ يتراوح حجم الأجسام المشاهدة من متر واحد إلى عشرة أمتار أو أكثر؛ لوحظ أن لونها في أكثر من ثلثي الحالات: أو معظمها، برتقالي-أحمر (في الليل) أو معدني وأحياناً فضي(نهارًا). وبالمثل، عندما تكون الأجسام المحلقة مضيئة في الليل، فإنها تعكس ضوء الشمس. وقد لوحظت "أضواء" ثابتة أو متحركة على الجسم في حوالي ربع الحالات.

تتراوح سرعة الجسم المحلق مجهول الهوية من التوقف الكامل إلى 2500 كم / ساعة وما فوق. لاحظ الجميع البداية بتسارع مذهل. 1 5٪ من الأجسام تكون صامتة لا تصدر ضوضاءاً أثناء الرحلة وهو أمر يثير الدهشة فلا صوت لمحركات نفاثة أو ماشابه: إنها خاصية عالمية تقريبًا.

تم العثور على علامات الهبوط في نصف الحالات. وفي نصف حالات هبوطها، تم الإبلاغ عن هبوط لجسم طائر: عادةً ما يخرج شخصية واحدة فقط في كل مرة: "إنها في معظم الأحيان كائنات فضائية صغيرة الحجم، ويقال إن الهبوط اضطراري بسبب، فشل في محركات الإشعال الكهربائي. أما عن موضوع الاقتراب من الكائن الفضائي فقد لوحظ في 2٪ فقط من الحالات؛ وينطبق الشيء نفسه على التداخل اللاسلكي وانقطاع الاتصالات (2٪ من الحالات أيضًا). من ناحية أخرى. لوحظت التأثيرات الحرارية في 5٪ من الحالات. تتفاعل الحيوانات بشكل عام بردة فعل مرتبكة وتكون في حالة من الذعر، في 5 ٪ من الحالات.

((يُظهر التوزيع الزمني للملاحظات عددًا معينًا من موجات ظهور الأجسام المحلقة مجهولة الهوية الملحوظة للغاية في عام 1942، 1944 ،1947، 1950، 1954، 1959، 1964 ،1967 دون تواتر واضح. وتحدث المشاهدات في حدها الأقصى عادة في الليل، الحد الأقصى بين الساعة 9 مساءً ومنتصف الليل " حسب تشخيص (بوهير).

إحصائيًا، اضطر Poher إلى رفض التفسير استناداً إلى فرضية الذهان الجماعي (لكيفية شرح الاعتقاد الجمعي بالرؤية للأجسام المحلقة مجهولة الهوية مع اختلاف الوصف. ما هو الارتباط القوي جدًا بنقاء السماء مثلاً؟). من ناحية أخرى، يكون الشهود مؤهلين للغاية في عدد كبير من الحالات، وهناك الكثير منهم من ذوي الكفاءات والتخصصات العالية في مجال الفضاء والفيزياء والفلك والطيران. هناك العديد من الاستفسارات الرسمية، وفي كثير من الحالات آثار مادية (مستقلة عن الرادار والصور). نقطة مثيرة للاهتمام هي الاتساق الكبير للشهادات والتشابه الدقيق في الوصف على نطاق عالمي رغم تباعد المسافات وعدم الاتصال بين الشهود.

تقرير كوندون:Le rapport Condon

انتصار المشككين بحقيقة الأجسام الطائرة مجهولة الهوية.

تاريخ التحقيقات الرسمية أو شبه الرسمية في الــ Ovnis Ufos -  مشوش. كان هناك مشروع "الكتاب الأزرق" الذي قامت به القوات الجوية على أسس غريبة. لا يمكننا أبدًا معرفة مكان وجود جزء من الملف الذي أخفي عمداً؛ ما لم تكن الحالات الشيقة التي يصعب شرحها في صندوق منفصل، فمعظمها محجوز كما ينبغي للقصص المجنونة أو الفنطازية؟ بحيث إذا أراد صحفي أو شخص فضولي الرجوع إلى ملف القوات الجوية، يتم إعطاؤه الملف الثاني، ولكن ليس الأول الجاد، إلخ. ولكن في عام 1966، قررت الحكومة الأمريكية، التي بدت منزعجة من تفشي وباء " الأطباق الطائرة وهوس الجمهور الأمريكي بها"، توجيه ضربة تسقيطية من خلال إنشاء لجنة لدراسة المشكلة. الاعتمادات ضخمة نسبياً التي كرست للمشروع  300000 دولار) وبعد بعض الصعوبة نجد جامعة لا تحمر خجلاً للتعامل مع مادة سيئة. فلقد كلفت جامعة كولورادو عالم فيزياء نظرية معروف، البروفيسور كوندون ، لقيادة المشروع. مرت بضع سنوات، وفي نهاية عام 1968، ظهر أخيرًا كتاب سميك للغاية، عرف بتقرير كوندون ، كتبه حوالي عشرين عالمًا و من بينهم علماء نفس. يبدأ هذا التقرير، الذي تم وضعه مع جميع مظاهر أكثر الأساليب علمية وصرامة كما يدعون، بدءاً بدراسة شاملة إلى حد ما لظواهر الغلاف الجوي المختلفة التي قد تدفع المرء إلى الاعتقاد بأن أجسامًا غريبة تظهر في السماء. ثم تأتي قصة "علم الأطباق" مصحوبة بتحقيق يبدو شاملاً في القضايا المعاصرة. النتيجة النهائية قليلة ومخيبة، أقرب للسلبية منها للموضوعية. باستثناء عدد صغير جدًا من الظواهر التي يصعب تفسيرها، والتي هي وحدها كافية لتأكيد حقيقة وصحة وجود مثل هذه الأجسام المحلقة مجهولة الهوية والفضائية المصدر، يبدو من الواضح أن 99 بالمائة من " الأطباق الطائرة" سب تقرير كوندون، يخضع للتعليم الفردي أو الجماعي. ما يعني انتصار مناهضي ظاهرة الأطباق أو الصحون الطائرة مجهولة الهوية.

نقض الطعن:

نعم، ولكن أولاً وقبل كل شيء، لنسأل أنفسنا ما إذا كان تقرير كوندون Condon قويًا حقًا، وموضوعياً حقاً، وغير منحاز حقاً، وإذا لم يكن من الممكن دحض هذا الطعن.

بالطبع الجواب هو بنعم! يمكن الطعن بالدحض غير الموضوعي الذي قدمه التقرير وحتى بالنسبة للقارئ غير المطلع، فإن الطريقة المستخدمة لم تكن واضحة. كما أنه له تأثير معين.

يمكنك الحصول على مجموعة من الملفات المتعلقة بـ الأجسام الطائرة مجهولة الهوية وبدون أي فرز، يمكنك الاستشهاد بها في ملف واحد. كم يفعل المهووس كثيراً من مراقبي تلك الأجسام مجهولة الهوية المفترضين (لا ينكر أحد ذلك). وبالتالي فإن التقرير يخفف عددًا من الملاحظات المزعجة في محيط من الهوس الحاد؛ وسيستنتج القارئ بالضرورة أن الأجسام المحلقة مجهولة الهوية هي مجموعة من القصص المجنونة. ومع ذلك، لا يمكننا جميعًا تجاهل العمل الهائل للتصنيف والتحقق الذي أنجزه العديد من الباحثين، وبعضهم من العلماء الرسميين للغاية، خارج مجموعة تقرير كوندون.

أخيرًا، سيقال، من الممكن أن يكون تقرير كوندون رديء، وربما صاغه علماء بالكاد صدقوا ذلك لأنهم أساساً لديهم مواقف سلبية إنكارية لظاهرة الأجسام الطائرة مجهولة الهوية وأصلها الفضائي: لكنه لا يزال عملاً أمينًا، يعكس آراء عدد كبير من المتخصصين.

ولكن ماذا لو كان العمل غير عادل؟

إذا كان قد تم إفساده منذ البداية برغبة مسبقة وتعمد مسبق في إثبات أن الأجسام الغريبة مجهولة الهوية هي سخافات وأنه يجب إثباتها بأي ثمن؟ سيكون أكثر جدية. لكن لدينا أسباب للاعتقاد بأن هذا هو الحال بالفعل. غادر أعضاء بارزون في مشروع كوندون فوراً من عضوية اللجنة وسحبوا أسماءهم، مثل عالم النفس ديفيد آر سوندرز ، أحد المدراء الخبراء في اللجنة.

بدأ جيمس إي ماكدونالد، المتخصص في فيزياء الغلاف الجوي وأستاذ الأرصاد الجوية بجامعة أريزونا في كتابة رسالة طويلة إلى ر. لو R. Low، مسؤول إداري (وهو شخصية غريبة الأطوار إلى حد ما، كما سنرى)، ولا يمكنني أن أفعل أفضل من ترجمة الفقرات الرئيسية التي وردت في الرسالة. الرسالة مؤرخة في 31 يناير 1968، موجهة إلى السيد لو، Ufo Project Administrator.

"عزيزي بوب، جاءت مكالمتك الهاتفية في 19 يناير في وقت كانت فيه مخاوفي بشأن مشروع تقييم الأجسام المحلقة مجهولة الهوية تشغل ذهني كثيرًا. لذلك رحبت بما بدا أنه فرصة جيدة لأسألك عن بعض النقاط التي أزعجتني.

"اسمحوا لي أن أشدد على الموضوعات التي حاولت لفت انتباهكم إليها في مكالمتي الهاتفية في التاسع عشر:

"1) تمت الإشارة كثيراً إلى اقتباسات للدكتور كوندون وترددت كثيراً وكانت مأخوذة في الصحافة ونسبت تلك الكلمات إلى الدكتور كوندون، وكانت دائمًا في الاتجاه السلبي حول الجسام الطائرة مجهولة الهوية أثناء تنفيذ المشروع وحتى قبل الانتهاء من التحقيقات والتأكد من صحة الاستنتاجات.

"2) يقول في مقابلاته العامة، وفي حالة مهمة أثناء محادثة مع العلماء تم التعبير، من جانب الدكتور كوندون، عن قلق غريب بشأن المظهر الــ "مجنون" من مشكلة الأجسام المحلقة مجهولة الهوية.

"3) مما قاله لي الدكتور كوندون، من محادثات مختلفة معك ومع المحققين الذين هم جزء من المشروع، خلصت إلى أن الدكتور كوندون (الذي نود أن نحافظ سمعته الجيدة على ثقة الجمهور والعلماء في المشروع) لا يفحص شخصيًا الشهادات المهمة التي كانت تعرض المشكلة الكاملة للأطباق الطائرة على مدار العشرين عامًا الماضية.

"4) كيف يمكن للدكتور كوندون أن يبرر تلميحاته المتكررة للجانب المضحك للقصص المجنونة [حول الأطباق الطائرة] عندما لا يبدي أي اهتمام بالقضايا التي تبدو خطيرة وجدية وتستحق الاهتمام والتدقيق؟ إنهم ليسوا بلهاء من الكون الثالث، أو نساء يزعمن أنه لديهن خمس مكائد غرامية مع رجال من كوكب الزهرة، أو أشخاص يتنبؤون بهبوط كائنات من كوكب الزهرة في ولاية يوتا، أو غيرها التي تدعي أن لها صلات بكوكب أندروميدا (لتقتصر على الحكايات التي رواها كوندون في المقابلات العامة). كلا، هؤلاء ليسوا الأشخاص الذين خلقوا مشكلة الأجسام المحلقة مجهولة الهوية. إنهم ليسوا مجانين، لكنهم طيارون وعلماء ورجال شرطة ومراقبون آخرون يبدو أنهم صادقون فيما رأوا ويؤمنون بتقاريرهم عن الأجسام المحلقة مجهولة الهوية. هؤلاء هم الذين أثاروا قلق القوة الجوية وليس الحالات الواقعة في الطرف السلبي من محور المصداقية، في حين أن مشكلة القوة الجوية مع الأجسام الطائرة تأتي بالكامل تقريبًا من الحالات الموجودة في الطرف الإيجابي لهذا المحور.

"عندما أخبرته بما وجدته في أستراليا، بينما لم أكن أحسب القصص الخاصة بي ولكن الحالات التي بدت لي أنها تستحق الاهتمام الجاد، غاب الدكتور كوندون ثلاث مرات بتفكيره بعيداً عني أثناء عرضي التقديمي، دون أن يسألني في النهاية فيما إذا كانت هناك معلومات إضافية.

" سمعت أعضاء المشروع يلمحون إلى مذكرة إدارية (...) تتعلق بقبول عقد سلاح الجو، وتقييم المخاطر المحتملة لعقد مشروع تقييم (وربما يجب أن أقول التسقيط المسبق سلفاً والمتعمد) الأجسام المحلقة مجهولة الهوية بالنسبة لصورة العلامة التجارية للجامعة (وسمعتها]. طلبت الاطلاع على هذه المذكرة. في هذه الوثيقة بتاريخ 9 أغسطس 1966، ألاحظ أنك تشير إلى ما يلي لمسؤولي الجامعة، بخصوص هذا العقد: يجب أن تكون دراستنا موجهة نحو نتيجة منشودة مسبقاً ويتم إجراؤها بشكل حصري تقريبًا من قبل غير المؤمنين الذين، مع عدم قدرتهم على ذلك لا شك في قدرتهم على إثبات نتيجة سلبية يمكن وربما يود أن يشكل مجموعة رائعة من الأدلة التي تظهر أنه لا يوجد شيء حقيقي في الملاحظات المتعلقة بموضوع الأجسام الطائرة مجهولة الهوية. أعتقد أن الحيلة ستكون إنشاء المشروع بطريقة تبدو للجمهور دراسة موضوعية تمامًا؛ ولكن بالنسبة للمجتمع العلمي، فإنه يتناسب مع صورة مجموعة من المشككين والمناهضين وغير المؤمنين بحقيقة وجود تلك الأجسام الغريبة والمجهولة الهوية ويبذلون قصارى جهدهم ليكونوا موضوعيين، ولكن مع الأخذ في الاعتبار أن احتمال العثور على الصحن الطائر معدومة أو تساوي صفر تقريبًا. "؛؛

سأتوقف عن خطاب ماكدونالد هنا. الميزة الأخيرة (مذكرة السيد لو) مثيرة للامتعاض والذهول. إن الطريقة المستخدمة لإعداد هذا التقرير ووجهت بمعارضة شديدة. هكذا إذن، ها هم الأكاديميون الذين يقبلون 300 ألف دولار لمشروع لا يؤمنون به (ويقولون ذلك علنًا) ويوضحون، قبل أن يبدأوا ، كيف سيواصلون عملهم على نحو يجعل النتائج سلبية. هذا هو السبب في أن كتاب سندرز و هاركنز" نعم ؟ للأجسام المحلقة مجهولة الهوية؟" Saunders and Harkins (Ufos؟ Yes) الذي أمامي ، يحمل ، عن حق في صفحته الأخيرة سؤالاً : "هل كنا نسخر من الجمهور؟ (هل تم خداع الجمهور؟) ". الجواب نعم في كل الأحوال.

يمكنك أن تتخيل أن لو وكوندون أخذوا ملاحظات ماكدونالد بشكل سيء للغاية وخاصة الكشف عن المذكرة الشهيرة. كان رد فعلهم بسيطًا ووحشيًا: لقد طردوا سوندرز وليفين، بتهمة عدم الكفاءة! ثم قرر المعنيون بهذا السلوك التعسفي اتجاههم أن يتحدثوا علنا وكان هذا هو أصل الكتاب المشار إليه أعلاه أنه قد أطلق عليه تقرير مضاد لــ "تقرير كوندون AntiCondon".

الموقف الغريب لسلاح الجو:

حاولنا أحيانًا أن نفسر عزوف السيدين لو وكوندون عن تبني الطريقة العلنية الحيادية في قيادة التحقيق والكشف عن عداءهما من خلال حقيقة أنهما اتفقا مع سلاح الجو، وكانا حريصين على دفن ظاهرة الأجسام الطائرة مجهولة الهوية مقابل 300 ألف دولار. سيبدو هذا الافتراض باهظًا بالنسبة للبعض، ولكن مع ذلك، عندما يفحص المرء موقف القوة الجوية عن كثب، يبدو أنه أقل ما يقال.

أولاً، هناك تاريخ الرادارات. لا يزال بعض الأشخاص الذين يعانون من رهاب العصب المتخلف يعتقدون أن الرادار، وهو أداة لا يمكن الوصول إليها من قبل الهلوسة الجماعية، لم "ير" أو يرصد الأطباق الطائرة مجهولة الهوية مطلقًا.  وهذا خطأ! على العكس من ذلك، فقد رآهم عددًا لا يحصى من المرات، غالبًا في نفس توقيت رؤية المراقبين على الأرض، وأحيانًا بشكل مستقل. هؤلاء هم مشغلو الرادار الذين يبلغون عن الأجسام الطائرة عبر قناتهم الأساسية؛ حيث يقومون بإخطار الهيئات المختصة مباشرة، مثل NICAP، التي تجمع وتبوب وتركز المعلومات عن الأجسام المحلقة مجهولة الهوية Ufos. ثم ندرك أن تقارير المراقبين الرسميين اختفت من الملفات. في قاعدة دولوث ، على سبيل المثال ؛ ثم في قاعدة ريدمونت (أوريغون) في 24 سبتمبر 1959 ؛ في ريد بلاف ، في كاليفورنيا ، في13 أغسطس 1960 ؛ في محطة باتوكسنت البحرية الجوية في 19 ديسمبر 1964 ؛ وخاصة في قاعدة أندروز الجوية ، في 19-20 يوليو 1952. واحدة من أفضل القصص هي قصة الطيار، العقيد تشيس Chase، الذي طار على متن طائرة طراز 8 2 5 في 20 سبتمبر 1957 لمهمة معينة: تحديد موقع الرادارات إلكترونيًا على الأرض. وفجأة لاحظ الطاقم أن الأجهزة الإلكترونية المعقدة التي كان من المقرر أن تحدد الرادارات تعطلت فجأة، أولاً على تردد ثم على تردد آخر. في هذه اللحظة، رأوا أمام قمرة القيادة جسماً فضائياً محلقاً مجهول الهوية لامعًا رافق طائرة الـ 8 25 لعدة مئات من الأميال. وقت تمت رؤية ورصد الجسم الغرب الطائر وطائرة 8 2 5 بشكل واضح ومنفصل بواسطة عدة رادارات أرضية كما تتبعه رادار الطائرة ورصد بوضوح مسار طيران الجسم المحلق مجهول الهوية. وبعد عود الطائرة 258، تم استجواب الطاقم من قبل القوات الجوية المضادة الرائدة. وفيما بعد اختفت جميع التقارير. ومع ذلك، يتم بعد ذلك استجواب مساعد الطيار والطيار ومشغل الرادار بشكل منفصل بواسطة محققين من مشروع كوندون، ويقدمون إجابات متشابهة جدًا لكن القائمين على المشروع تجاهلوا شهاداتهم ولم يأخذوها بعين الاعتبار رغم جديتها. وهذا يعني أن القوة الجوية l'Air Force الأمريكية تريد إخفاء شيء ما. لماذا؟

كائن أوباتوبا Ubatuba:

الاعتراض الأساسي ضد ظاهرة الأطباق الطائرة مجهولة الهوية الذي يطرحه المناهضون لهذه الظاهرة هو: ؛ فقط أحضروا لنا قطعة من أطباقكم الطائرة وسوف نصدقها. بعد أن تحدثوا بهذه الطريقة، يعتقدون أنهم هادئون تمامًا ويفحمون خصومهم. وهذا خطأ، لأن القطع موجودة: لقد تم تحليلها حتى. روى كورال لورينزن وديفيد سوندرز القصة بشكل جميل.

كتب الصحفي إبراهيم سويد عام 1957 في 0 جلوبو Globo، جريدة ريو دي جانيرو الكبرى، القصة التالية التي أرسلها أحد مراسليها: "كنت أصطاد مع بعض الأصدقاء بالقرب من أوباتوبا. في ولاية ساو باولو. عندما رأيت قرص طائر. لقد اقترب من الشاطئ بسرعة لا تصدق وبدا أنه لا مفر من اصطدامه بالبحر. ومع ذلك، في اللحظة الأخيرة، نفذ منعطفًا حادًا للغاية وصعد بسرعة إلى ارتفاع هائل وبصورة رائعة. كنت مندهشًا، تابعنا المشهد بأعيننا أنا وأصدقائي، عندما رأينا القرص ينفجر في وابل من اللهب. تحطم إلى ملايين الشظايا الصغيرة التي سقطت، متلألئة من الطبق الطائر. كانت تتألق كالألعاب النارية على الرغم من كل وهج النهار، فقد كان قرب الظهر ... سقطت كل هذه الشظايا تقريبًا في البحر، ولكن سقط عدد من القطع الصغيرة بالقرب من الشاطئ وأخذنا كمية كبيرة منها. كان سمكها خفيفًا كالورق. سأرسل لك عينة صغيرة. » أحال إبراهيم سويد العينة إلى الدكتور أولافو فونتس ، العالم البرازيلي المعروف ، الذي كان مهتمًا بمشكلة الصحون الطائرة.

أخضع فونتس المادة لتحليلها في مختبر الإنتاج المعدني، التابع لوزارة الزراعة البرازيلية. أظهر التحليل الطيفي أنه يحتوي على المغنيسيوم بدرجة عالية من النقاء، بدون أي عنصر معدني آخر. المغنيسيوم في العينة الخاضعة للدراسة المختبرية كان نقياً بدرجة99.9٪؛ يوجد جزء واحد فقط من كل ألف فيه شوائب. أنها تحتوي على 500 جزء إلى مليون السترونتيوم strontium، وهو نفس القدر من الزنك وأقل من الباريوم والمنغنيز والكروم. في عام 1957 لم نكن نعرف حتى كيف ننتج مثل هذا المغنيسيوم النقي.

حتى الآن، يمكن القول إنه تم تحضيره باستخدام تقنية غير معروفة على الأرض. سأضيف، دون إيلاء الأهمية اللازمة له، فإن هذه العينة من الجسم الطائرة الغريب الذي سقط تم فحصها من قبل أحد المتعاونين في مشروع Condon، الذي وجد أنه من المغنيسيوم الشائع إلى حد ما، على الرغم من أنه غني بشكل غير عادي بالسترونتيوم. لكن مشروع Condon لم يأبه لنتيجة الفحص المختبري البرازيلي، ولقد فهم الجميع ما يجب التفكير فيه وما ريده مشروع كوندون والقوة الجوية الأمريكية...

تم رسم صورة روبوت بورتريه لكائن فضائي بناءً على شهادة شهود عيان رأوه يخرج من الطبق الطائر عند هبوطه على الأرض. و"هو في الغالب قصير ويرتدي بذلة ضيقة. سرعان ما يتسرب إلى داخل مقصورته في الطبق الطائر عندما يقترب الشاهد منه".

الأمم المتحدة قررت الاهتمام بظاهرة الأجسام الغريبة المحلقة مجهولة الهوية. في 8 ديسمبر 1978، وتأسيس هيئة مختصة لدراسة هذه لظاهرة درس موقع giBnde orgsnisstion internstionsle إمكانية إنشاء هيئة chsrgé لإجراء أو تنسيق بحث IBC على كائنات vo / nts غير المحددة.

*الأمم المتحدة

اجتماع الجمعية العمومية الدورة 47

التي عقدت يوم الجمعة 8 ديسمبر 1978 الساعة 11:30 صباحًا في نيويورك برئاسة بيزا إيسكالونتي من كوستا ريكا PIZA-ESCALANTE (Costa Rica)

البند 126 من جدول الأعمال: إنشاء هيئة أو قسم في منظمة الأمم المتحدة يكون المستخدم مسؤولاً عن بدء وتنسيق البحث حول الكائنات والأجسام الطائرة غير المحددة أو مجهولة الهوية والموضوعات ذات الصلة ونشر النتائج التي يتم الحصول عليها.

*كلف الفيزيائي الأمريكي الشهير إدوارد يو كوندون من قبل الحكومة الأمريكية بتشكيل لجنة لدراسة الأجسام الطائرة المجهولة. تقرير كوندون "، الذي أعده حوالي عشرين عالمًا وعلماء نفس، سلبي إلى حد ما. باستثناء عدد صغير جدًا من الظواهر التي يصعب تفسيرها، يُقدَّر أن تسعة وتسعين من المائة من "الأجسام الغريبة" تقع تحت الهلوسة الجماعية أو الفردية.

يعتقد كثيرون، ومن بينهم علماء مرموقين، وقد يكونوا على حق، بأن هذه الأجسام المحلقة مجهولة الهوية قد تكون قادمة من الفضاء الخارجي من حضارات فضائية متقدمة وذكية في كواكب ونجوم موجودة في مجرتنا درب التبانة خارج منومتنا الشمسية. وربما من داخلها أيضاً على أحد الأقمار الملائمة لاحتضان الحياة فيها. وبالتالي طرح السؤال التالي: هل السفر بين النجوم ممكنٌ حقاً؟ مسبار بريك ثرو ستارشوت Breakthrough Starshot وصل إلى الكوكب الذي يُحتمل أن يكون شبيهاً بالأرض المُسمى بروكسيما سينتاوري بي Proxima  Centauri b. وبذلك تحققت الخطوة الأولى للسفر بين النجوم في الفضاء، وتحقق حلم الطفل ذي الخمس سنوات الموجود بداخلنا، وهو جزء أساسي من سلاسل أفلام الخيال العلمي، الذهاب بجرأة إلى المكان الذي لم يسبق لأحد الذهاب إليه من قبل بطريقة رائعة حقاً كما في مسلسل وأفلام ستار تريك؛ ومع تطور صواريخنا ومسابير الفضاء الخاصة بنا أكثر فأكثر، يطرح هذا السؤال نفسه: هل يمكننا أن نأمل في استعمار النجوم يوماً ما؟ أو، بغض النظر عن هذا الحلم بعيد المدى، هل يمكننا على الأقل إرسال مسابير فضائية إلى الكواكب الخارجية الغريبة، لنتمكن من خلالها فحص هذه العوالم الخفية ومعرفة ما إذا كانت فيها حياة من نوع ما، ناهيك عن حياة وحضارة عاقلة وذكية ومتطورة علمياً وتكنولوجياً؟ الحقيقة هي أنّ السفر بين النجوم واستكشافها ممكنٌ تقنياً من الناحية النظرية، لا يوجد قانون فيزيائي يمنعنا من ذلك. لكن هذا لا يعني بالضرورة أنّ الأمر سهلٌ، ولا يعني بالتأكيد أننا سنحقق ذلك خلال حياتنا، ناهيك عن هذا القرن؛ السفر بين النجوم هو شيءٌ صعبٌ للغاية، وهو شبه مستحيل بالنسبة لبشر في مستواهم العلمي الحالي. رحلة إلى الخارج إذا كنت صبوراً بدرجة كافية، فقد حققنا بالفعل حالة استكشاف الفضاء بين النجمي؛ حيث أنه لدينا العديد من المركبات الفضائية التي تُحلق في مسارات إفلات escape trajectories من جاذبية النظام الشمسي، مما يعني أنها ستغادر النظام الشمسي دون عودةٍ أبداً. حيث بدأت مهمات بايونير التابعة لناسا Pioneer ، ومهمتي فوياجر Voyagers ومؤخراً مهمة نيوهورايزنز New Horizons رحلاتها الخارجية طويلة الأمد. على وجه الخصوص، فقد وصلت مركبتا فوياجر إلى خارج النظام الشمسي، الذي يُعرف بالمنطقة التي يزيد فيها مستوى الغبار والجسيمات المجرية العامة عن مستوى الرياح الشمسية المنبعثة من الشمس. رائع؛ فلدينا مسابير فضائية بين نجمية تعمل حالياً. لكن المشكلة هي أنّها لا تتجه إلى أي وجهة وتسير بسرعة كبيرة. حيث تسافر هذه المركبات الاستكشافية بين النجمية بسرعة عشرات الآلاف من الأميال في الساعة، والذي يبدو سريعاً جداً؛ ولكن لا تسافر هذه المركبات باتجاه أي نجمٍ معين، لأنها صُممت لاستكشاف الكواكب داخل النظام الشمسي، ولكن في حال كان مسار هذه المركبات يقودها باتجاه أقرب جيراننا، ألا وهو نجم بروكسيما سينتاوري Proxima Centauri، الذي بالكاد يبعد 4 سنوات ضوئية، فستحتاج إلى 80000 عامٍ للوصول إليه بالسرعة التي لدينا اليوم. لا أعرف إن كنت تعتقد، لكنني لا أعتقد، أنّ ميزانيات ناسا تسمح بهذه الأنواع من الجداول الزمنية الطويلة. وفوق كل ذلك، فبحلول وصول هذه المسابير إلى أي نقطةٍ شبه مثيرةٍ في مسارها، ستكون بطارياتها النووية قد نفذت منذ فترة طويلة، لتصبح كتلةً معدنيةً عديمة الفائدة تندفع عبر الفراغ. والذي يُعتبر نوعاً من النجاح، إذا فكرت في الأمر: ليس الأمر كما لو أن أسلافنا كانوا قادرين على تحقيق انجازاتٍ تدعو للفخر كوضع قمامةٍ عشوائية بين النجوم، ولكن على الأرجح فهذا ليس بالضبط ما كنت تتخيله عن السفر بين النجوم. متسابقي الفضاء لجعل رحلة الفضاء بين النجمي أكثر منطقية، يجب أن يُسافر المسبار الذي يطلقوه بسرعةٍ كبيرة، على الأقل عُشر سرعة الضوء إن لم يكن أكثر. بهذه السرعة، يمكن أن تصل المركبة الفضائية إلى بروكسيما سينتاوري خلال عدة عقود، لترسل صوراً لنا بعد ذلك ببضع سنوات، خلال فترة حياة إنسان؛ هل من غير المعقول حقاً أن نطلب من الشخص الذي يبدأ المهمة أن ينهيها؟ يتطلب السفر بهذه السرعات كمية هائلة من الطاقة؛ أحد الخيارات هو احتواء تلك الطاقة على متن المركبة الفضائية في شكل وقود، ولكن إذا كان الأمر كذلك، فإن الوقود الإضافي يزيد من كتلة المركبة، مما يزيد من صعوبة دفعها إلى تلك السرعات. هناك تصميمات ورسومات لمركبة فضائية تعمل بالطاقة النووية تحاول تحقيق ذلك، لكن إذا لم نرغب في البدء في بناء آلاف القنابل النووية لوضعها داخل صاروخ، فسنحتاج إلى طرح أفكار أخرى. ربما تكون إحدى الأفكار الواعدة هي الحفاظ على مصدر طاقة المركبة الفضائية ثابتاً ثم نقل تلك الطاقة بطريقةٍ ما إلى المركبة الفضائية أثناء سفرها. إحدى طرق القيام بذلك هي باستخدام الليزر، يُعد الإشعاع جيداً في نقل الطاقة من مكان إلى آخر، خاصةً عبر مسافات شاسعة من الفضاء، يمكن للمركبة الفضائية بعد ذلك جمع هذه الطاقة ودفع نفسها إلى الأمام. هذه هي الفكرة الأساسية وراء مشروع بريك ثرو ستارشوت Breakthrough Starshot، الذي يهدف إلى تصميم مركبةٍ فضائية قادرة على الوصول إلى أقرب النجوم في غضون عقود. كشرحٍ بسيطٍ لهذا المشروع، يُطلَق ليزر ضخم بقدرةٍ تصل إلى 100 غيغاوات على مركبةٍ فضائية تدور حول الأرض؛ تحتوي المركبة الفضائية على شراعٍ شمسي كبير ذي انعكاسيةٍ كبيرٍ جداً. يرتد الليزر عن هذا الشراع، مما يعطي زخماً للمركبة الفضائية، ولكن تكمن المشكلة في أنّ قوة الدفع الخاصة بليزر قدرته 100 غيغاوات تعادل وزن حقيبة ظهر ثقيلةٍ فقط، أنت لم تقرأ هذا بشكلٍ غير صحيح، إذا أردنا إطلاق هذا الليزر على المركبة الفضائية لمدة 10 دقائق، للوصول إلى عُشر سرعة الضوء، فيجب ألا تزيد كتلة المركبة الفضائية عن غرام واحد، أي ما يُعادل كتلة مشبك ورق. مركبة فضائية صغيرة جداً هنا تصبح الأمور جديّة عندما يتعلق الأمر بجعل المركبة الفضائية تسير بالسرعة المطلوبة؛ يُعد الليزر نفسه، بقدرة 100 غيغاوات، أقوى من أي ليزر قمنا بتصميمه بأضعافٍ كثيرة؛ لفهم مدى ذلك، فإنّ 100 غيغاوات هي السعة الكاملة لكل محطة طاقة نووية تعمل في الولايات المتحدة مجتمعة. كما يجب على المركبة الفضائية، التي يجب ألا تزيد كتلتها عن كتلة مشبكٍ ورقي، أن تحتوي على كاميرا، وكمبيوتر، ومصدر طاقة، ودائرة كهربائية، وطبقة حماية، وهوائي للاتصال بالأرض بالإضافة للشراع الضوئي بأكمله. كما يجب أن يكون هذا الشراع الضوئي عاكساً شبه مثالي، حيث إذا امتص جزءاً صغيراً جداً من إشعاع الليزر الساقط عليه، فسوف يحول هذه الطاقة إلى حرارة بدلاً من زخم، وبقدرة 100 غيغاوات، فهذا يعني الانصهار مباشرةً والذي يُعتبر عموماً غير جيد للمركبة الفضائية.   بمجرد تسريع المركبة إلى عُشر سرعة الضوء، ستبدأ الرحلة الحقيقية. لمدة 40 عاماً، سيتعين على هذه المركبة الفضائية الصغيرة أن تصمد أمام عقبات الفضاء الخارجي بين النجمي. حيث أنها سوف تصطدم بحبيبات ترابية بهذه السرعة الهائلة. وعلى الرغم من أنّ حبيبات الغبار صغيرةٌ جداً، إلا أنها ستحدث ضرراً كبيراً جداً على هذه السرعة. يمكن للأشعة الكونية، وهي جزيئات عالية الطاقة تنبعث من كل شيء ابتداءً بالشمس حتى انفجارات النجوم العظمى البعيدة، أن تُحدث ضرراً بالدوائر الكهربائية الحساسة داخل المركبة. سوف تُقصف المركبة الفضائية بهذه الأشعة الكونية دون توقف بمجرد أن تبدأ الرحلة. هل مشروع بريك ثرو ستارشوت ممكناً؟ من حيث المبدأ، نعم. كما قلنا أعلاه، لا يوجد قانون في الفيزياء يمنع تحقيق أيٍ من هذا. لكن هذا لا يجعل الأمر سهلاً أو حتى محتملاً أو معقولاً أو حتى مجدياً باستخدام مستوياتنا الحالية من التكنولوجيا (أو توقعاتنا المعقولة لمستويات التكنولوجيا في المستقبل القريب). هل يمكننا حقاً صنع مركبة فضائية صغيرة وخفيفة لهذا الحد؟ هل يمكننا حقاً صنع ليزر بهذه القوة؟ هل يمكن لمثل هذه المهمة الصمود أمام تحديات الفضاء السحيق؟ الجواب ليس نعم أو لا؛ السؤال الحقيقي هو: هل نحن على استعدادٍ لإنفاق ما يكفي من المال لمعرفة ما إذا كان ذلك ممكناً؟  البديل الممكن الوحيد هو معرفة وكيفية الحكم بالثقوب الدودية التي تعتبر بمثابة ممرات مختصرة بين المجرات في الكون الواحد وبين الأكوان المتعددة وحضارتنا البشرية غير قادرة، لا الآن ولا في المستقبل المنظور تحقيق ذلك.

.........................

المصدر space.com

المصدر:

https://nasainarabic.net/main/articles/view/kkain

توماس درينك

 29 أغسطس 2019

ترجمة د. جواد بشارة

يمكن أن توجد الثقوب الدودية المستقرة والقابلة للعبور في الكون يُظهر الفيزيائيون أنه من الممكن نظريًا تثبيت الثقب الدودي للمرور عبره في عام 1935، نشر الفيزيائيان ألبرت أينشتاين وناثان روزين عملهما على تكوينات محددة للزمكان في إطار النسبية العامة، متخذين شكل أنفاق افتراضية في الزمكان تربط منطقتين من الفضاء عرفت باسم جسور آينتشيتن - روزين. في عام 1957، أطلق ويلر وميسنر على هذه الحلول اسم الثقوب الدودية. نظرًا لعدم استقراره، أظهر فريق من علماء الفيزياء النظرية من جامعة كاليفورنيا مؤخرًا أنه مع ذلك من الممكن نظريًا تثبيتها لفترة كافية لتجاوزها أو عبورها.

مثل الثقوب السوداء، الثقوب الدودية هي حلول لمعادلات النسبية العامة. ومع ذلك، على عكس الأولى، لا تزال نظرية بحتة. يقال إنها أنفاق زمكان تربط بين ثقب أسود وثقب أبيض. تعاني هذه الأجسام الافتراضية من عيب رئيسي واحد: فهي غير مستقرة بدرجة كبيرة؛ قد يؤدي مرور فوتون واحد عبرها إلى انهيار الهيكل بأكمله. للحفاظ على ثقب دودي مستقر، يلزم وجود كتلة سالبة. المشكلة؟ الكتلة السلبية والثقوب البيضاء غير موجودة أو لم يتم العثور عليهما  بعد.

جسر بين ثقبين أسودين مشحونين:

تقدم الرياضيات حلاً نظريًا ممكنًا: ثقب أسود مشحون. يمكن أن تحمل الثقوب السوداء شحنة كهربائية. داخل الثقب الأسود المشحون مكان غريب. يتم شد التفرد المركزي وتشويهه، مما يسمح له بالربط مع ثقب أسود آخر مشحون بشكل معاكس.

ومع ذلك، فإن الثقب الدودي الذي يربط بين ثقبين أسودين مشحونين به مشكلتان. أولاً، يظل غير مستقر، وإذا حاول جسم ما أو شخص ما استخدامه، فإنه ينهار. المشكلة الأخرى هي أن الثقوب السوداء ذات الشحنات المتقابلة سوف تنجذب إلى بعضهما البعض - بواسطة قوى الجاذبية والقوى الكهربائية - وإذا اندمجا معًا، فإن النتيجة تكون ثقبًا أسود متعادل كهربائيًا وغير صالح للاستخدام.

الفصل بين الثقوب السوداء باستخدام أوتار كونية:

لذلك، للحفاظ على الثقبين الأسودين بعيدًا عن بعضهما البعض والحفاظ على استقرار الثقب الدودي، هناك حاجة إلى عنصر آخر: الأوتار الكونية (كن حذرًا، هذه الأوتار مختلفة عن سلاسل نظرية الأوتار الفائقة). الأوتار الكونية هي عيوب طوبولوجية نظرية، تشبه التشققات التي تتشكل عندما يتجمد الجليد، في بنية الزمكان. كانت هذه البقايا الكونية قد تشكلت إثر مرور جزءًا من الثانية بعد الانفجار العظيم.

يمتلك الوتر أو الحبل الكوني (الأسود) الممتد ذهابًا وإيابًا عبر الثقب الدودي توترًا كبيرًا يمكنه أن يبقي الثقوب السوداء المشحونة بعيدًا عن بعضهما البعض.

على الرغم من عدم ملاحظتها أو رصدها أبداً، لا توجد فيزياء تمنع تكوينها ووجودها. لديهم خاصية مفيدة للغاية عندما يتعلق الأمر بالثقوب الدودية: التوتر والشد الهائل. يعمل طرفا الحبل الكوني مثل فريقين يلعبان لعبة شد الحبل. وبالتالي، إذا تم عبور سطح كل ثقب أسود مشحون بنهاية سلك كوني، فسيتم إبعادهما عن بعضهما البعض.

الحلقات والطاقة السلبية: تثبيت الثقب الدودي:

يحل الحبل الكوني إحدى المشكلات (إبقاء الأطراف مفتوحة)، لكنه لا يمنع الثقب الدودي من الانهيار إذا تم استخدامه. الحل هو لف سلك كوني ثانٍ حول الثقب الدودي. عندما تشكل الأوتار الكونية حلقة، فإنها تولد اهتزازات قوية في الزمكان. ويمكن للتقلبات الكمومية تحويل الطاقة المحيطة إلى طاقة سلبية، مما يؤدي إلى استقرار الثقب الدودي.

الحل النظري يقول إن وجود سلسلة كونية مضغوطة (زرقاء)، تشكل حلقة حول الثقب الدودي، يولد تقلبات كمومية تحافظ على استقرار الثقب الدودي. قد يبدو الأمر معقدًا، ولكن في مقالهم المنشور على خادم arXiv قبل النشر، قدم الفيزيائيون تعليمات محددة خطوة بخطوة لبناء مثل هذا الثقب الدودي. هذا ليس حلاً مثاليًا: في النهاية، الاهتزازات المتأصلة في الأوتار الكونية - نفس الاهتزازات التي قد تبقي الثقب الدودي مفتوحًا - تسحب الطاقة، وبالتالي الكتلة، بعيدًا عن الخيط أو الحبل، مما يجعلها أكثر فأكثر صغراً.

تدريجيًا، تضعف الحبال الكونية في النهاية لأنها تشع الطاقة، مما يتسبب في انهيار الثقب الدودي بلا هوادة ومع ذلك، يمكن لمثل هذه الطريقة أن تحافظ على الثقب الدودي مستقرًا لفترة كافية لإرسال رسالة أو حتى أشياء إليه أو عبره.

الثقوب الدودية: قد تكون أدوات اتصال سيئة للغاية عبر الزمكان ويمكن أن توجد الثقوب الدودية المستقرة والقابلة للعبور في الكون:

الثقوب الدودية هي من بين الحلول الحالية لمعادلات أينشتاين للنسبية العامة. إنها تتكون من نفق يعبر الزمكان، ويربط بين نقطتين بعيدتين في بضع ثوانٍ فقط. تضمنت الحلول الأولى من نوع الثقوب الدودية التي وجدها الفيزيائيون أنظمة غير مستقرة تتطلب طاقة سالبة، وهو عنصر تعتبره الفيزياء الكلاسيكية مستحيلًا بشكل عام. في الآونة الأخيرة، أظهر اثنان من علماء الفيزياء أنه في ظل ظروف محددة تتضمن فيزياء تتجاوز النموذج القياسي، فإن ميكانيكا الكم تسمح بوجود ثقوب دودية ثابتة يمكن للبشر والأجسام والمركبات الفضائية عبورها. في حين أن الشروط الضرورية ليست حاليًا متوفرة، أي تلك الخاصة بالكون الذي نراقبه ونرصده، فإن هذه النتائج تظهر القوة النظرية للتفاعلات بين النسبية العامة وميكانيكا الكموم.

في دراسة جديدة قام بها اثنان من علماء الفيزياء النظرية، فإن وجود الفيزياء خارج النموذج القياسي يمكن أن يعني أن هناك ثقوب دودية ليست كبيرة بما يكفي لاجتيازها، ولكنها آمنة تمامًا للمسافرين من البشر. يتطلعون إلى الانتقال من النقطة أ إلى النقطة ب. أجرى الدراسة خوان مالداسينا وأليكسي ميليخين. كتب الثنائي بشكل مكثف حول موضوع الثقوب الدودية في الماضي وكيف يمكن أن تكون وسيلة آمنة للسفر في الفضاء.

ظهرت نظرية الثقوب الدودية في بداية القرن العشرين، استجابةً لنظرية أينشتاين في النسبية العامة. أول من افترض وجودها كان كارل شوارزشيلد، عالم فيزيائي وعالم فلك ألماني نتج عن حلوله لمعادلة أينشتاين الميدانية (مقياس شوارزشيلد) أول أساس نظري لوجود الثقوب السوداء.

كانت نتيجة مقياس شوارزشيلد ما أسماه "الثقوب السوداء الأبدية"، والتي كانت في الأساس روابط بين نقاط مختلفة في الزمكان. ومع ذلك، فإن ثقوب شوارزشيلد  Schwarzschild (المعروفة أيضًا باسم جسور Einstein - Rosen) آينشتاين -روزين ،لم تكن مستقرة لأنها انهارت بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن لأي شيء أن يمر عبرها أو من خلالها من طرف إلى آخر.

الطاقة السلبية التي تسمح بها ميكانيكا الكموم:

كما يوضح مالداسينا وميليخين، تتطلب الثقوب الدودية التي يمكن عبورها ظروفًا خاصة. يتضمن هذا وجود الطاقة السلبية، وهو أمر غير مسموح به في الفيزياء الكلاسيكية - ولكنه ممكن في مجال فيزياء الكموم أو الكوانتوم. يزعمون أن أحد الأمثلة الجيدة على ذلك هو تأثير كازيمير casimir، حيث تنتج الحقول الكمومية طاقة سالبة أثناء الانتشار على طول دائرة مغلقة.

كتبوا في مقالتهم: "لقد أدركنا أن هذا التأثير يمكن أن يصبح كبيرًا للثقوب السوداء ذات الشحنات المغناطيسية القوية. كانت الفكرة الجديدة هي استخدام الخصائص الخاصة للفرميونات المشحونة عديمة الكتلة (وهي جسيمات مثل الإلكترون، ولكن صفر الكتلة). بالنسبة للثقب الأسود المشحون مغناطيسيًا، تنتقل هذه الثقوب على طول خطوط المجال المغناطيسي (على غرار، كيف تخلق الجسيمات المشحونة في الرياح الشمسية الشفق القطبي بالقرب من المناطق القطبية للأرض).

مخطط يوضح هندسة ثقب أسود واحد أقصى (يسار) وثقب دودي (يمين). تشير الخطوط الخضراء إلى خطوط المجال المغناطيسي. هم يشكلون دوائر مغلقة، يدخلون أحد الفمين، ويتنقلون عبر الثقب الدودي، ويخرجون من الفم الآخر ثم يعودون إلى الفم الأول في الفضاء المحيط. من تصميم: خوان مالداسينا وأليكسي ميليخين.

حقيقة أن هذه الجسيمات يمكن أن تتحرك في دائرة عن طريق الدخول إلى مكان والظهور حيث بدأت في الفضاء المسطح المحيط، تشير إلى أن "طاقة الفراغ" قد تم تعديلها ويمكن أن تكون سالبة. يمكن أن يدعم وجود هذه الطاقة السلبية وجود ثقب دودي مستقر، جسر بين نقاط في الزمكان لا ينهار حتى تتاح الفرصة لشيء ما لعبوره.

هذه الثقوب الدودية ممكنة على أساس المادة التي تعد جزءًا من النموذج القياسي أو المعياري لفيزياء الجسيمات. المشكلة الوحيدة هي أن هذه الثقوب الدودية يجب أن تكون مجهرية الحجم وأن تكون موجودة فقط لمسافات صغيرة جدًا. بالنسبة لحركة الإنسان، من المتوقع أو المفترض أن تكون الثقوب الدودية كبيرة ، مما يتطلب استخدام الفيزياء خارج النموذج القياسيأو المعياري.

 الثقوب الدودية المجدية في نموذج الكون خماسي الأبعاد Randal-Sundrum II 5

بالنسبة إلى Maldacena و Milekhin ، هنا يأتي دور نموذج Randall-Sundrum II (المعروف أيضًا باسم نظرية الهندسة المشوهة خماسية الأبعاد). سمي هذا النموذج على اسم الفيزيائيين النظريين ليزا راندال ورامان سوندرم، ويصف هذا النموذج الكون من حيث الأبعاد الخمسة واقترح في الأصل حلها مشكلة التسلسل الهرمي في فيزياء الجسيمات.

حول نفس الموضوع: أظهر الفيزيائيون أنه من الممكن نظريًا تثبيت الثقب الدودي للمرور خلاله:

"استند نموذج Randall-Sundrom II إلى إدراك أن هذا الزمكان الخماسي الأبعاد يمكن أن يصف أيضًا الفيزياء عند طاقات أقل مما نستكشفه عادةً ، لكنه كان سينجو من الاكتشاف لأنه فقط يتفاعل مع مادتنا عن طريق الجاذبية. في الواقع، تشبه فيزياءها إضافة العديد من الحقول عديمة الكتلة شديدة التفاعل إلى الفيزياء المعروفة. ولهذا السبب، يمكن أن يؤدي إلى الطاقة السلبية المطلوبة ".

وفقًا لعمل Maldacena وMilekhin، فإن الثقوب الدودية الخاصة بهم لن تستغرق وقتًا طويلاً لتمريرها من منظور المسافر. من وجهة نظر مراقب خارجي، فإن وقت السفر سيكون أطول بكثير، وهو ما يتوافق مع النسبية العامة. بالنسبة لرواد الفضاء الذين يعبرون الثقب الدودي، لن يستغرق الأمر سوى ثانية واحدة من وقتهم للسفر 10000 سنة ضوئية. بينما بالنسبة للمراقب الذي لا يمر عبر الدوامة ويبقى في الخارج فهو سيرى عبورهم يستغرق أكثر من 10000 عام. وكل هذا بدون استخدام الوقود، لأن الجاذبية تسرع المركبة الفضائية وتبطئها.

آلية نظرية مثيرة للاهتمام، لكنها ليست واقعية للغاية:

في حين أن هذا قد يبدو مشجعًا لأولئك الذين يعتقدون أن الثقوب الدودية يمكن أن تكون يومًا ما وسيلة للسفر إلى الفضاء، فإن عمل مالداسينا وميليخين له أيضًا عيوب كبيرة. بالنسبة للمبتدئين، أشاروا إلى أن الثقوب الدودية التي يمكن اجتيازها يجب تصميمها باستخدام كتلة سالبة، حيث لا توجد آلية معقولة لتكوينها الطبيعي.

في حين أن هذا ممكن (على الأقل من الناحية النظرية)، ولكن يجب أن تكون التكوينات اللازمة للزمكان موجودة مسبقًا. ومع ذلك، فإن الكتلة والحجم المعنيان كبيران للغاية لدرجة أن المهمة تتجاوز أي تقنية عملية يمكننا توقعها. ثانيًا، ستكون هذه الثقوب الدودية آمنة فقط إذا كان الفضاء باردًا ومسطحًا، وهذا ليس هو الحال خارج نموذج Randall Sundrum II. راندال سندروم 2. وفوق كل هذا، فإن أي جسم يدخل الثقب الدودي سوف يتسارع ، وحتى وجود إشعاع الخلفية الكونية من شأنه أن يشكل خطرًا كبيرًا استقراره وثباته. ومع ذلك، يشير مالداسينا وميليخين إلى أن دراستهم أجريت بهدف إظهار أن الثقوب الدودية التي يمكن عبورها ويمكن أن توجد بسبب "التفاعل الدقيق بين النسبية العامة وفيزياء الكموم".

..................

المصادر: arXiv

أصل الحياة والإنسان ونظرية التطور ونشأة الكون

في مرحلة الصبا والشباب، بين العاشرة والثامنة عشرة سنة، وكغيري من الشباب في تلك الفترة، ستينات وسبعينات القرن الماضي، كنت مولعاً بالقراءة وحب المعرفة، حيث لم تقتصر ثقافتي ومداركي على المناهج الدراسية فقط، وإنما كنت أبحث عن كل ما يتوفر لي من مصادر المعرفة باللغتين العربية والانجليزية. قرأت كتاب أصل الأنواع بترجمة الكبير إسماعيل مظهر ومقدمته الرائعة لكتاب داروين الشهير، وقرأت شروحات مبسطة عن نظرية التطور بقلم سلامة موسى، وقرأت أوليات مبسطة عن نظرية النسبية في كتاب الكون الأحدب لعبد الرحمن مرحبا وآينشتين والنسبية لعبد الرحيم بدر، وكتاب الراحل صادق جلال العظم نقد الفكر الديني وبعض الكتب المترجمة لفرويد إلى جانب كتب دار التقدم في موسكو بطبعاتها العربية عن النظرية الماركسية، مما سلحني بخلفية فكرية علمية متقدمة حمتني من تداعيات الفكر الديني الخرافي الكارثية التي  كانت المؤسسات الدينية ، بشقيها السني والشيعي، وكذلك الكنسية  اليهومسيحية، تبشر بها وتنشرها وتدعو الشباب إليها وترهيبهم من غضب الرب عليهم ووعيدهم بالعقاب والثواب والجنة والنار  والحلال والحرام والممنوع والمسموح به والاختيار بين شريعة السماء الإلهية مقابل شريعة الأرض الوضعية . تحرري من سجن الفضاء الديني إلى الفضاء الكوني العلمي الحر هو الذي دفعني لطرح التساؤلات الوجودية والجوهرية. ومن بين الأسئلة المطروحة في هذا البحث هي تلك التي شغلت النفوس دائمًا: لم يتوقف الإنسان اليوم عن التساؤل عما هو أصل ومصير العالم الذي كان يعتز به ويعيش فيها. كان يتساءل لحل مشكلة الحياة والموت وعن العالم المجهول فيما بعد الحياة، وأنه حاول أن يشرح لنفسه تنوع الأشكال الحيوانية أو النباتية التي لاحظها من حوله. تلقت هذه الأسئلة المختلفة، وفقًا لحالة المعرفة، إجابات مختلفة، وبعضهن له صلة بعيدة بالعلم فقط. ولكن مع تضاعف الملاحظات والمشاهدات وتطور العلم، نشأت نفس المشكلات في أذهان العلماء والفلاسفة: كان من الطبيعي أن يضع المرء نفسه في المجال العلمي الخالص ويستخدم الاكتشافات التي تم التوصل إليها وبمجرد التأسيس، نسعى إلى إعطاء هذه المشكلات المزعجة تفسيرًا، ربما يتجاوز الحقائق المرصودة، ومع ذلك يظل الجواب متناغمًا معها، إما كامتداد منطقي أو كتصنيع جريء دون الخلاف مع العلم.

لا يمكن لهذا العمل الصغير أن يدعي أنه يحل محلهما، ولن يجد فيه القارئ شيئًا لم يُكتب في مكان آخر، ويقتصر طموحه على أن يكون نوعًا من محاولة بدء وتحضير لي. فالقاريء يتعامل بشكل مثمر مع الأعمال الأكثر شمولاً التي يتم التعامل معها بطريقة خاصة وأكثر تفصيلاً مع مثل هذه الأسئلة أو تلك التي هي موضوع الفصول المختلفة من هذا البحث.

أنا أقترح فقط جعل هذه الأسئلة بسيطة بما يكفي ليتبعها باهتمام أي قارئ، وتتناول موضوعات كاملة بما فيه الكفاية ولكن من كل من هذه الفرضيات ستتشكل فكرة وسيعرف المهتمون بهذه الأسئلة بمزيد من التفصيل ماذا كتب المختصون عن هذه الموضوعات الدقيقة.

في نهاية كل فصل في هذا البحث هناك فقرة موجزة سوف يُشار فيها إلى جميع المصادر التي يمكن للمرء أن يستمد منها تفاصيل أكثر وأعمق، ولكن فقط الأعمال العامة والمقالات العامة حيث يتم التعامل مع هذه الأسئلة بطريقة أكثر اكتمالاً والتي يمكن الاقتراب منها مع حد أدنى من التعليم العلمي. والهدف من هذا العمل الصغير يمكن تحقيقه على وجه التحديد إذا كان يمكن أن يعطي القارئ الرغبة في إكمال المعرفة الموجزة طواعية في مكان آخر والرؤية الشاملة التي تهدف فقط إلى إعطائه إياه.

سبتمبر2020.

نظريات التطور:

إن مفهوم التطور المألوف لنا اليوم هو في الواقع اقتناء حديث إلى حد ما، لأنه لم يكن شائعاً حتى نشر كتاب تشارلز داروين عن أصل الأنواع، وهذا يعني - القول منذ عام 1859 - أن هذه الفكرة اكتسبت المقبولية في العلم وفرضت نفسها على جميع العقول.

عند تطبيق فكرة التطور على دراسة الحياة، فإن فكرة التطور تتطابق مع الاعتراف بأن الأشكال الحيوانية أو النباتية المختلفة تنشأ من تحولات بيولوجية وجينية، تلك التي سبقتها خلال العصور الجيولوجية، وأن الأنواع المختلفة باختصار، الحيوانات أو الخضروات تنحدر من بعضها البعض.

حتى النصف الثاني من القرن التاسع عشر، وعلى الرغم من أن بداية هذا القرن شهدت وجهات النظر والأطروحات الرائعة لــ لامارك. إلا أن أفكار كوفييه هي التي سادت دون اعتراض في مجال العلم.

لتفسير ظهور الحيوانات والنباتات المتتالية التي يلتقي بها الجيولوجي والبيولوجي على مدار الزمن الجيولوجي، كان عالم الطبيعة العظيم قد دفع إلى وضع ما أسماه "ثورات الكوكب المفصلية ولعدة مرات على مدار تاريخ عالمنا، حيث حدثت كوارث مفاجئة وهائلة تم خلالها القضاء على الكائنات التي تعيش على الأرض، ومن كل واحدة من تلك الكوارث كان من الممكن أن يتبع الكارثة نشوء أنواع جديدة من الكائنات والتي كانت ستستمر حتى الكارثة التي تلت ذلك. وهكذا، فإن كتاب عالم الحفريات Palontologist في أوربيني Orbigny (1850)، تلميذ كوفييهCuvier، قد اعترف بوجود 27 إبداعًا من المخلوقات المتعاقبة. هذه الطريقة في تصور ظهور أشكال مختلفة من الحيوانات أو النباتات، والتي تبدو اليوم طفولية بالنسبة لنا، كانت مقبولة حتى حوالي عام 1860 من قبل جميع الدوائر العلمية وكانت سلطة كوفييه كافية وحدها لفرضها.

وهذا ما يفسر إن ظهور "فلسفة علم الحيوان" لــ لامارك في عام 1809 لم تلق أي صدى، على الأقل في فرنسا، وأن الجدل الشهير المدعوم ضد كوفييه، في أكاديمية العلوم، بواسطة جيوفري سانت هيلرHilair Geoffroy-St)، في عام 1830، واستمر ستة أشهر، انتهى بانتصار كوفييه. ومع ذلك ففي آثار وأبحاث وعمل لامارك المعروضة لأول مرة، وجدت فكرة نظرية التطور بأكملها- وكان ذلك اول اعتقاد في التحول النوعي والتطوري والتي يجب العودة اليها في كل مرة نسعى فيها لعرض مفهومنا المعاصر لنظرية التطور والانتخاب الطبيعي.

لذلك كان لامارك رائدًا: لكنه لم يجد صدى في ذلك الوقت، لأن الفكر العلمي لأوروبا لم يكن جاهزًا لاستقبال أفكاره. بينما بعد منتصف القرن، نجحت أفكار داروين، التي وجدت أرضية أكثر ملاءمة، لأن تفرض نفسها في الوسط العلمي. أيضًا، وعلى الرغم من أن لامارك هو بلا شك مؤسس نظرية التطور، إلا أننا سنبدأ دراسة نظريات التطور من خلال دراسة الداروينية، إذا كنا مهتمين. دعونا نفهم تقدم الأفكار في هذا المجال على مدى الستين عاما الماضية، والنتائج المكتسبة من خلال الملاحظة أو التجربة. وهكذا ولدت الفرضيات العلمية التي، بصرف النظر عن الرضا المؤقت التي تجلبها إلى أذهاننا، تتحول بلا توقف بسبب الحاجة إلى الفهم والمعرفة، تتمتع بميزة هائلة تتمثل في تحفيز وتوجيه أبحاث لا حصر لها بفضلها، وببطء بلا شك ولكن بثبات، نقترب كل يوم من التفسير نهائي. غالبًا ما تم شرح الفرضيات العظيمة المعنية هنا بدرجات متفاوتة من الاتساع، في الكتب أو المقالات الصحفية، كانت حقا كثيرة جدا ومصاغة بشكل جيد جدا.

الداروينية:

إن نظرية الأعقاب والأنساب descendance، كما نتجت من أعمال وأبحاث داروين، قد صاغها خارج التأثير المباشر لأسلافه، ولا سيما لامارك. لقد توصل الى ذلك، ليس من خلال التفكير الفلسفي، ولكن من خلال ملاحظة عدد كبير جدًا من الحقائق الملموسة على أرض الواقع: وهذا ما يجعل من الممكن فهم أنه نجح في فرض استنتاجاته.

كانت نقطة انطلاق عمله رحلة حول العالم قام بها في عام 1831 على متن السفينة بيغال

"Beagle" (كلب الصيد) والتي استمرت خمس سنوات.

التصريحات والاستنتاجات والمشاهدات التي أدلى بها والملاحظات التي دونها في هذه المناسبة هي التي قادته لهذه الفكرة على عكس التفكير السائد حتى ذلك الوقت، وهي فكرة، أن الأنواع لم تكن ثابتة بل متغيرة وإن تغيراتها تنتقل عن طريق الوراثة وفي وقت ما ستظهر أنواع جديدة. ولرغبته في دعم هذه الأفكار الجديدة بالأدلة والبراهين التي لا تقبل الدحض أو الجدل، جمع وراكم داروين خلال 25 عاماً عدداً كبيراً من الحقائق. وهكذا درس النباتات المزروعة والحيوانات الأليفة، وتواصل مع رجال العلم، والمربين، وعلماء البستنة، وأكد نفسه في هذه الفكرة أن جميع الأنواع تنحدر من بعضها البعض، بعد التحولات المتتالية.

تم اقتراح حججه الرئيسية من قبل علم الحفريات وعلم الأجنة. وهو يقول إن إحدى الحقائق الرئيسية والأساسية التي قدمها علم الأحافير هي التقارب الوثيق الموجود بين البقايا الأحفورية لتشكيلتين متتاليتين: فقط علاقة أو قرابة مباشرة يمكنها تفسير ذلك؛ وينطبق الشيء نفسه على هذه الحقيقة المهمة جدًا وهي أنه كلما كان الشكل أعلى في التنظيم، كان مظهره أكثر حداثة. يزودنا علم الأجنة ببراهين أكثر حسماً: هنا تبدو الحقيقة الرائعة، في الواقع، هي التشابه الأقرب بين أجنة الحيوانات المختلفة أكثر من التشابه بين هذه الحيوانات البالغة نفسها: وهكذا فإن أجنة الثدييات، لا يمكن تمييزها عن أجنة الطائر والثعبان إذ أنها لا تتميز عن بعضهما البعض في المراحل الأولى من التطور. ولا يمكن تفسير ذلك إلا من خلال طريقة واحدة فقط وهي الطريقة التي يمثل فيها الجنين حالة السلف المشترك لعدة مجموعات من الحيوانات وهو أمر شائع في عدة مجموعات من الحيوانات.

وبالمثل، لا يمكن تفسير استمرار الأعضاء البدائية في أي نظرية بخلاف نظرية النسب: إذ لا يمكن فهم وجودها إلا إذا اعترفنا بأنها تتوافق مع أعضاء أكثر تطوراً ولعبت دوراً نشطاً في أسلاف الكائنات حيث يظلون الآن فقط في حالة تناقص وغالبًا ما تكون أعضاء غير مجدية.

وهكذا قُدمت الفكرة التطورية خارجة من مجال الفرضيات وأصبحت استنتاجًا قائمًا على الملاحظة والخبرة.

وهذا يفسر تداعيات نشر أعمال داروين، والجدالات التي أثارها، وحماسة البعض، والعداء العنيف للآخرين. مهما كان الأمر، فقد كان انتصار داروين كاملاً: فبفضله فُرضت فكرة التطور العظيمة على جميع رجال العلم.

ولكن ما يسمى الداروينية هو عقيدة معقدة حيث يجب على المرء أن يميز بين جزأين مستقلين إلى حد ما: الفكرة الأساسية، الفكرة التحويلية العامة (نفس تلك التي صاغها لامارك في الماضي) وهنا تتمثل أصالة داروين والتي تتعلق بالعملية التي تم بواسطتها إنجاز التكوينات العابرة للكائنات؛ إنه انتقاء طبيعي، ومن المهم الإصرار الآن على هذا الجزء الثاني من الداروينية.

الانتقاء والانتخاب الطبيعي·. - عدد الكائنات الحية التي ولدت، وفقا لقانون مالتوس Malthus، أعلى من تلك التي يمكن للأرض أن تغذيها؛ لذلك يجب أن يكون هناك تنافس بينهما على البحث عن الطعام وأفضل ظروف الحياة، صراع حقيقي، سينتصر منه أولئك الذين يمتلكون هذه المزايا التفوقية، أي البقاء للأصلح. من بين جميع الحيوانات من نفس النوع أو الأنواع المختلفة، فإن تلك التي تقدم أو تمتلك خصائص مفيدة معينة سيكون لها تفوق على الآخرين وستكون قادرة على الاستمرار في العيش حيث يموت الآخرون. هذه الظاهرة التي يسميها سبنسر "البقاء للأصلح"، يسميها داروين تحت اسم "الانتقاء أو الانتخاب الطبيعي".

لأن هؤلاء الأفراد فقط الذين يمتلكون مثل هذه الخصيصة المفيدة أو تلك، يحدثون كل شيء، في النهاية، كما لو أن الطبيعة اختارتهم من بين جميع الكائنات التي ولدت في حضنها، تلك التي ستوفر سيرة طبيعية والتي ستنجح في التكاثر. هؤلاء الأفراد سينقلون إلى أحفادهم، عن طريق الوراثة، هذه الخصائص التي ضمنت بقائهم على قيد الحياة والتي أصبحت أكثر فأكثر متجذرة فيهم، سينتهي بهم الأمر إلى إنشاء نوع جديد.

لذلك فإن الطبيعة تسير بنفس الطريقة التي يسير بها المربون وعلماء البستنة الذين، عن طريق الانتقاء، تمكنوا من الحصول على سلالات جديدة أو أصناف جديدة. وهذا التحديد الطبيعي هو نتيجة "النضال من أجل الوجود والبقاء على الحياة"، والذي يمكن أن يتخذ أشكالًا مختلفة: محاربة الظروف الخارجية غير المواتية، مثل الحرارة أو البرودة أو الجفاف، ومحاربة الأفراد الآخرين للحصول على الغذاء الخ..

من هذا النضال يخرج منتصراً الأفضل تسلحًا، أي أولئك الذين تمنحهم مزايا هيكلية طفيفة جدًا نوع من التفوق؛ لأنه في البداية تكون الاختلافات الفردية الصغيرة، وبعض السمات والخصائص ذات الأهمية القليلة، هي التي تسمح لمن يمتلكها التغلب على منافسيهم.

الاختيار الجنسي. - بجانب الانتقاء أو الانتخاب الطبيعي، الناجم عن أو كنتيجة للنضال من أجل الحياة، يعترف داروين بالانتقاء الجنسي كعامل من عوامل التطور.

في عدد كبير جدًا من الحيوانات، نشخص بأن الذكور يتميزون عن الإناث بخصائص معينة لا يبدو أن لها أي علاقة مباشرة بفعل التكاثر نفسه: هذا هو الحال، على سبيل المثال، فيما يتعلق بالألوان الرائعة للعديد من الطيور والفراشات، وفي أغاني الطيور، واستعراضاتها، وما إلى ذلك. غالبًا ما يتم العثور على هذه السمات والخصائص في الذكور العازبين وغالبًا لا تظهر حتى وقت التكاثر. لذلك اعتقد داروين أن هذه السمات والخصائص مرتبطة ارتباطًا مباشرًا بالتكاثر. وأنها كانت نتيجة اختيار من نوع خاص أطلق عليه الانتقاء الجنسي. بهذه الطريقة في رؤية الأشياء، فإن بعض السمات والخصائص الجذابة أو المفيدة تمنح أصحابها الذكور مزايا خاصة في وقت التكاثر، وتضمن لهم امتلاك الإناث، وبالتالي، تسمح لهم بالتكاثر بسهولة أكبر من الآخرين. وإلا يتم إقصاءهم عن الآخرين. بحيث يتم إبراز هذه السمات والخصائص في الأحفاد وتنتهي من خلال إنتاج هذه الفروق الواضحة جدًا والتي كثيرًا ما يتم ملاحظتها بين الذكور والإناث. وهكذا فإن الاختلافات بين الجنسين هي نتيجة الانتقاء الجنسي، الذي تتطابق آليته بشكل أساسي مع آلية الانتقاء أو الانتخاب الطبيعي. ولكن، في الوقت الحاضر، يخضع هذا الاختيار أو الانتقاء الجنسي للكثير من الانتقادات، بل ويرفضه معظم علماء الطبيعة.

الداروينية الجديدة Le néo-Darwinisme:

من المهم أن نلاحظ أنه إذا كان داروين ينسب إلى الانتقاء الطبيعي الدور الأساسي في التطور، فإن الانتقاء الطبيعي لا يبدو له، مع ذلك، أنه العامل الوحيد للتطور، وقد اعترف هو بنفسه بذلك على وجه الخصوص، بأنه يمكن أن تتدخل "البيئة" وكذلك استخدام الأعضاء أو عدم استخدامها كعوامل للتطور. أما بالنسبة لتلاميذه فعلى العكس من ذلك، فبالنسبة للداروينيين الجدد، فإن الانتقاء والانتخاب الطبيعي أصبح العامل الوحيد والحصري للتطور. في حين إن الانتقاء الطبيعي بالنسبة لداروين يعمل عن طريق الحفاظ على وتطوير، إما السمات والطبائع والخصائص الناتجة عن التكيف مع البيئة، أو السمات والخصائص الأخرى الناجمة بسبب الصدفة ، في أذهان الداروينيين الجدد فإن هذه الأخيرة وحدها تغدو ذات أهمية: وهكذا فإن وايزمان ، الممثل الرئيسي لهذه المدرسة ، ينكر تمامًا وراثة السمات والخصائص والميزات المكتسبة أثناء الوجود الفردي ، وبالتالي يزيل كل الأهمية من هذه الخصائص لمصير الأنواع ؛ لذلك ، بالنسبة له ، يظل الاختيار والانتقاء الطبيعي للتغيرات الفطرية بسبب الصدفة هو السبب الوحيد لكل هذه التحولات. يحمل أحد أعماله عنوانًا مهمًا: القدرة المطلقة على الانتقاء الطبيعي. تصبح هذه هي وجهة النظر العامة والمطلقة التي يجلب إليها جميع الظواهر البيولوجية دون استثناء. إنها، باختصار، نوع من الفكرة المسبقة والمعصومة التي يجب أن تشرح ليس فقط التطور، ولكن جميع الأسئلة المتعلقة بتطور الفرد والنوع.

إذا سعينا لمعرفة إلى أي مدى يمكن أن تقدم الداروينية تفسيرًا للتطور، يجب طرح السؤال الأول: الانتقاء أو الانتخاب الطبيعي هو نتيجة الصراع من أجل الوجود بين أفراد من نفس النوع، فهل هذا الصراع شامل، كما تصور داروين ذلك بعناد؟

يبدو لأي عقل غير متحيز أن هذا الصراع من أجل الوجود ليس مريرًا كما كان يعتقد. ولا شك في أن هذا الصراع يحدث إلى حد ما؛ لكنه ليس معمماً ولا ضارياً أو حاداً كما كان يُفترض، وسيكون من السهل معارضته في كثير من الحالات التي تعيش فيها الحيوانات في لا أبالية تامة بشكل كامل عن بعضها البعض وفي حالات أخرى يتم فيها إنشاء مساعدة متبادلة حقيقية بينهما. أمثلة عديدة على هذه المساعدة المتبادلة توضح في كتاب كروبوتكين المعنون (المساعدة المتبادلة)، ويبدو أنها ناتجة عن ملاحظات مختلفة لعدد من علماء الطبيعة تشير إلى أن اختلافات الكائنات تحدث لا سيما عندما يكون الغذاء وفيرًا وحيث تكون ظروف الحياة مواتية بدلاً من الأماكن التي ينقص فيها الطعام وتكون ظروف المعيشة غير مواتية؛ ومع ذلك، فإن النضال من أجل الحياة يمكن أن يظهر نفسه في هذه الحالة الثانية قبل كل شيء.

"اعتراض آخر هو التالي: هل هذا صحيح أنه بموجب بعض الخصائص المواتية لتنظيمهم، التي يدين لها بعض الأفراد للبقاء على قيد الحياة بينما يموت الآخرون الذين يفتقدونها؟ والحال تجدر الملاحظة أن اليرقات والبيوض هي التي يتم تدميرها بشكل أساسي، أكثر بكثير من الكائنات البالغة وأن الانتقاء الطبيعي لا يستطيع التدخل فيما بينهم. هنا تلعب الفرصة الدور الأكبر، تمامًا كما تلعب أيضًا دورًا مهمًا في بقاء البالغين. عندما يفتح الحوت فمه، كما يقول كيلوج، وتندفع مجدافيات الأرجل إلى فمها، فليس هناك اختلافات طفيفة في الحجم أو القوة هي التي تحدد أو تقرر بقاءها على قيد الحياة. ·

باختصار، يبدو أن الانتقاء أو الانتخاب الطبيعي لا يمكن اعتباره وحده كعامل وحيد وحصري للتطور.

يتبع

د. جواد بشارة

بقلم هيلويس شابوي

Héloïse Chapuis 08/14/2020

ترجمة د. جواد بشارة

"ما هو احتمال وجود حياة خارج كوكب الأرض؟". عندما يطرح هذا السؤال على مقياس مجرتنا درب التبانة، تخرج لنا نتيجة تقريبية بأن هناك ... 36 حضارة ذكية. ولكن من أين يأتي هذا الرقم؟

ما هو احتمال وجود حياة خارج كوكب الأرض؟ "يسأل داميان ترويون Damien Troyon على صفحة مجلة العلم والمستقبل Science et Avenir

هل نحن وحيدون في هذا الكون؟ ما هو احتمال وجود شكل آخر من أشكال الحياة في مكان آخر غير الأرض؟ تثير هذه الأسئلة علماء الفلك وكذلك عامة الناس، الذين تهدهدهم أو تشكل خيالهم الثقافة الشعبية وعدد لا يحصى من نتاجات الخيال العلمي في السينما والأدب. تم تقديم بداية الإجابة إلينا من قبل علماء من جامعة نوتنغهام بالمملكة المتحدة. تشير حساباتهم إلى أن هناك حوالي 30، أو أكثر بقليل، حضارة فضائية ذكية قادرة على التواصل في درب التبانة. وقد تم نشر تفاصيل طريقة ونتائج هؤلاء الباحثين في مجلة الفيزياء الفلكية. يشرحون كيفية حساب احتمال وجود حياة خارج كوكب الأرض.

مراجعة لمعادلة دريك Drake:

تم إضفاء الطابع الرسمي على النهج التقليدي لتحديد ما إذا كانت الحضارات الذكية خارج كوكب الأرض قادرة على التواصل في المجرة من خلال معادلة دريك، التي صاغها عالم الرياضيات الأمريكي هذا في عام 1961. يمكن كتابة هذه المعادلة على النحو التالي:

N = R* x fp x ne x fl x fi x fc x L,

أو

• N = عدد الحضارات الذكية والمتصلة في المجرة
• R * = متوسط معدل تكون النجوم (TFE) للمجرة
• fp = نسبة النجوم مع الكواكب
• ne = يبين عدد النجوم التي لها كواكب ، متوسط عدد الكواكب لكل نجم والتي من المحتمل أن تستضيف حياة
• fl = من بين تلك التي يمكن أن تستضيف حياة ، متوسط عدد الكواكب التي تطورت عليها الحياة بالفعل في وقت معين
• fi = من بينها نسبة الكواكب التي نشأ عليها شكل حياة ذكي
• fc = نسبة تلك الحضارات التي تصدر إشارات يمكن اكتشافها
• L = متوسط عمر الحضارة الذكية ، أو طول الفترة الزمنية التي تبقى فيها الحضارة على قيد الحياة بمجرد تطويرها للقدرة التكنولوجية على إرسال الإشارات.

معادلة علمية أنيقة لكنها تظل غامضة. لكن الآن، هناك مشكلة. بعض هذه المتغيرات في المعادلة غير معروفة القيم ومن المستحيل تحديدها لأننا لا نعرف حضارة ذكية أخرى سوى واحدة فقط قادرة على التواصل وهي: حضارتنا البشرية.

لذلك قام العلماء البريطانيون بتحديث معادلة دريك لتكييفها مع معرفتنا الحالية. لقد وضعوا افتراضات بسيطة بناءً على الحضارة الذكية الوحيدة المعروفة لنا حتى الآن، وافترضوا أن كوكبًا قديمًا وقريبًا بدرجة كافية يقع داخل المنطقة الصالحة للسكن لنجمه سيتبع نمطًا بيولوجيًا مشابهًا لذلك الذي حدث على الكوكب الأزرق.

"تعتمد الطريقة الكلاسيكية لتقدير عدد الحضارات الذكية على افتراض القيم المتعلقة بالحياة ، وتتباين الآراء العلمية حول هذه القضايا على نطاق واسع. وتبسط دراستنا الجديدة هذه الافتراضات باستخدام بيانات ومعطيات جديدة، مما يمنحنا، كما قال توم ويستبي، المؤلف الرئيسي للدراسة، في بيانه: "تقدير قوي لعدد الحضارات في مجرتنا".

تم اختيار نجم عمره 5 مليارات سنة على الأقل في دراستهم، أعاد العلماء تعريف مصطلحات معادلة دريك وفقًا لافتراضين مختلفين. يوضح كريستوفر كونسيليس، أستاذ الفيزياء الفلكية في جامعة نوتنغهام، الذي قاد البحث: "الفكرة هي النظر إلى التطور الدارويني، ولكن على نطاق كوني. نسمي هذا الحساب الحد الفلكي البيولوجي. الكوبرنيكي ". يتم توضيح هذا الحد من خلال سيناريوهين. الأول، المسمى "السيناريو الكوبرنيكي الفلكي الضعيف"، ينص على أن الحياة الذكية لا يمكن أن تتشكل إلا على كوكب شبيه بالأرض إذا كان عمر نجمه 5 مليارات سنة على الأقل، في إشارة إلى الوقت الذي استغرقته مثل هذه الحياة لتتشكل على الأرض. بعد 5 مليارات سنة، يمكن أن تظهر الحياة في أي وقت. ليس من الصعب الالتزام بهذا الافتراض، حيث أن معظم النجوم في المجرة أقدم من ذلك.

يُطلق على السيناريو الآخر الذي تمت صياغته اسم "السيناريو الكوبرنيكي الفلكي القوي". وفقًا لهذا السيناريو، لا تتشكل الحياة الذكية بعد عمر معين ولكن خلال فترة زمنية محددة جدًا: يجب أن يكون عمر النجم بين 4.5 و5.5 مليار سنة، وهو العمر الذي كانت الأرض عنده حين ولدت الحياة الذكية فوقها.

مصطلح آخر مهم يجب أخذه في الاعتبار العامل: "L" في معادلة دريك، التي تحدد متوسط عمر الحضارة الذكية. مرة أخرى، هنا أيضاً، يعتمد هذا الرقم على الحضارة الإنسانية ويصبح ثابتًا يساوي مائة، حيث كان البشر يرسلون إشارات الراديو منذ عام 1895، أي منذ أمثر من قرن.

ما لا يقل عن 36 حضارة ذكية في مجرتنا:

يريد الحدان البيولوجيان الفلكيان الكوبرنيكان أن تتشكل الحياة الذكية بعد حوالي 5 مليارات سنة - كما هو الحال على الأرض حيث تشكلت حضارة متصلة بعد 4.5 مليار سنة. في المعايير القوية، التي بموجبها يكون المحتوى المعدني مساويًا لمحتوى الشمس ضروريًا (نجمنا غني نسبيًا بالمعادن)، نحسب أنه يجب أن يكون هناك حوالي 36 حضارة نشطة في مجرتنا، كما يؤكد توم ويستبي.

سيكون أقرب هذه الحضارات إلينا يقع على مسافة 17000 سنة ضوئية، مما يجعل الاتصال أو حتى الكشف عن هذه الحضارات شبه مستحيل مع التكنولوجيا الحالية المتوفرة لدينا. إذا كانت ظروف الحالة الكوبرنيكية الضعيفة أقل صرامة، فقد يكون هناك ما لا يقل عن 928 حضارة متصلة في مجرتنا اليوم (مرة أخرى، بناءً على تقدير 100 عام من متوسط العمر)، أقربها يقع على مسافة 3320 سنة ضوئية.

يختتم البروفيسور كريستوفر كونسلس قائلاً: "تشير دراساتنا الجديدة إلى أن البحث عن حضارات ذكية خارج كوكب الأرض لا يكشف فقط عن وجود أشكال الحياة، بل يعطينا أيضًا أدلة على عمر حضارتنا. إذا اكتشفنا أن الحياة الذكية شائعة في الكون المرئي، فسوف تكشف أن حضارتنا يمكن أن توجد لفترة أطول بكثير من بضع مئات من السنين، أو إذا وجدنا أنه لا توجد حضارات نشطة في مجرتنا، فهي كذلك علامة سيئة لوجودنا على المدى الطويل. من خلال البحث عن حياة ذكية خارج كوكب الأرض - حتى لو لم نجد شيئًا - نكتشف مستقبلنا ومصيرنا".

لن نصل إلى تقدير بتجميع المعلمات أو الإعدادات les paramètres المتأثرة بمعامل خطأ قريب من 1. خاصة وأن هناك العديد من المعلمات أو الإعدادات الأخرى التي يجب مراعاتها. على سبيل المثال، استقرار محور الكواكب - بدون وجود القمر ربما لن تكن هناك حياة موجودة أو تتطور على سطح الأرض على أي حال. أو بدون الصفائح التكتونية، أو بدون مجال مغناطيسي، ما يعني... توصلنا إلى استنتاج مفاده أننا قد نكون وحدنا في المجرة، لكنه استنتاج عبثي بامتياز فمن العبث التفكير بأن الكون المرئي، بكل ما فيه من محتويات، مليارات المليارات من الحشود والعناقيد المجرية ومليارات المليارات من المجرات ومليارات المليارات من النجوم ومليارات المليارات من الكواكب ويكتفي بكوكب واحد عادي ومتواضع كالأرض أن يحتضن الحياة وباقي الكون فارغ لا ندري لماذا هو موجود وأي دور يلعب في ظهور وإدامة هذه الحياة النادرة والفريدة الموجودة على الأرض فقط.

يقول بعض العلماء إن البشرية قد تكون موجودة بالفعل في حديقة حيوان مجرية يديرها كائنات فضائية.

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

بينما يعتقد بعض الناس أننا نعيش في محاكاة حاسوبية واسعة صممها ذكاء فضائي متقدم، يعتقد آخرون، بما في ذلك العلماء في METI، أن الواقع قد يكون مختلفًا تمامًا. وأبسط من ذلك بكثير.

التقى العلماء وأعضاء منظمة METI (Messaging Extraterestrial Intelligence) التراسل مع الذكاء الفضائي اللاأرضي، وهي منظمة بحثية مقرها سان فرانسيسكو (الولايات المتحدة الأمريكية)، في باريس العام الماضي لمناقشة وجود الكائنات الفضائية. أو بالأحرى، غيابهم الكامل، على الرغم من بذلنا قصارى جهدنا على أمل الاتصال بهم أو اكتشافهم في مكان ما في الفضاء (إن وجدو). علماً بأنه يوجد فقط في مجرتنا درب التبانة 10 مليار ارض تشبه أرضنا صالحة لاحتضان الحياة الذكية.

يُعرف هذا اللغز في الأساس بمفارقة فيرمي: وهو اللغز الذي يفسر لماذا، بالرغم من مليارات ومليارات النجوم من حولنا، لم نتعامل أبدًا أو نتصل مع الفضائيين. في الوقت الحاضر، هناك العديد من الإجابات الافتراضية للمشكلة. وإليك بعضًا منها: ربما اصطدمت الحياة الفضائية بنوع من الجدران التي لم نفهمها بعد. ربما كلهم نائمون. ربما لم يتبق أحد في الفضاء، أو ربما يكون هذا خطأنا (عدم وجود أي شكل ذكي آخر).

ومع ذلك، هناك إجابة أخرى محتملة لمفارقة فيرمي، وهي الإجابة التي كشف عنها الباحثون في METI في باريس العام الماضي: ماذا لو كان السبب الذي لم نره أو سمعناه من الفضائيين هو أبسط؟ على سبيل المثال، كان من الممكن أن نكون قد تم عزلنا من قبل هؤلاء؟ ربما نحن مجرد نوع من العينة مغلق في "حديقة حيوانات المجرة" تحت إشراف ومراقبة الكائنات الفضائية؟

قالت فلورنس راولين سيرسو، مديرة وعالمة الأحياء الفلكية في METI، خلال الحدث الذي أقيم في متحف العلوم في المدينة: "لقد ناقشنا كثيرًا سبب عدم اكتشافنا أبدًا وجود حياة خارج كوكب الأرض". وأضافت: "لكن في السياق الفريد لهذا الحدث، كان هناك الكثير من النقاش حول تفسير مثير للجدل تم اقتراحه لأول مرة في السبعينيات، وهو" فرضية حديقة الحيوان "".

قد تبدو فرضية حديقة الحيوان مثل الخيال العلمي، وفي الواقع غالبًا ما تكون موضوعًا يتم تغطيته في روايات الخيال العلمي والبرامج التلفزيونية والأفلام وألعاب الفيديو.

لكنها أيضًا استجابة جادة (وإن كانت افتراضية تمامًا) لمفارقة فيرمي، التي توصف أحيانًا أيضًا باسم "الصمت العظيم". "ربما تراقب الكائنات الفضائية البشر على الأرض عن بعد، مثلما نلاحظ الحيوانات في حديقة الحيوانات (...). كيف نجعل حراس حديقة الحيوانات المجرية يكشفون عن أنفسهم؟»، تساءل رئيس METI دوغلاس فاكوتش.

فيما يتعلق بـ METI، هذا ليس سؤال بلاغي. في الواقع، توجد هذه المنظمة لمحاولة إيجاد طرق لإقامة اتصال مع الحياة البدائية أو الذكية خارج كوكب الأرض، كنوع من الفرع الاستباقي للبحث عن ذكاء خارج كوكب الأرض (SETI).

لاحظ أن فرضية حديقة الحيوان تستند إلى مقال نُشر عام 1973 بواسطة الباحث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا جون بول. "يمكن أن تكون الحياة الذكية الغريبة في كل مكان تقريبًا. يمكن فهم الفشل الواضح لمثل هذه الحياة الفضائية في التفاعل معنا من حيث الافتراض بأنهم وضعونا جانبًا كجزء من منطقة برية أو حديقة حيوانات "حسب قوله.

بعبارة أخرى، تفترض فرضية حديقة الحيوان أن الحياة خارج كوكب الأرض موجودة، لكنها متقدمة جدًا لدرجة أنها لا تريد التفاعل معنا، إما حتى لا تؤثر على مجتمعنا، أو ببساطة لأنها كذلك. سعيد بمشاهدتنا من بعيد باعتبارنا كائنات بدائية جداً مثل الفيروسات والبكتريا أو الحشرات عندنا.

في حين أننا لا نستطيع أن نكون متأكدين من سبب وجودنا في حديقة الحيوان، يمكننا التكهن: "قد تراقبنا الفضائية الذكية بتكتم وبدون دردشة"، كتب بول في بحث لاحق. "نظامنا الحيوي وثقافتنا ذات أهمية كبيرة. إن الأرض تستحق أن يدرسها على الأقل عدد قليل من علمائهم ".

في حين أن فرضية حديقة الحيوان لا تقدم (على الأقل ليس في الوقت الحالي) المزيد من الإجابات الممكنة، إلا أن هذه الفرضية على الأقل تسمح لنا بتقديم تفسير افتراضي آخر لتساؤل لماذا يبدو أننا وحدنا في هذا الكون.

"يبدو من المرجح أن الكائنات الفضائية المتطور الذكية سوف تفرض علينا" الحجر الصحي المجري "لأنهم يشعرون أنه سيكون بمثابة اضطراب ثقافي بالنسبة لنا لمعرفة المزيد عن وجودهم. لا يوجد سبب للاعتقاد بأن البشر لديهم وعي ومستوى تطوري يصل إلى أعلى مستوى معرفي يمكن أن يوجد. قال الباحث جان بيير روسبار من المعهد الوطني للبحوث الزراعية في METI إن المستويات الأعلى يمكن أن تتطور على الأرض في المستقبل، ويمكن الوصول إلى هذه الأخيرة بالفعل في مكان آخر.

تُدرج ناسا الآن بصمات تقنية في مهمتها للعثور على حياة خارج كوكب الأرض

 أصبح البحث عن حياة خارج كوكب الأرض الآن جزءًا من العديد من المهمات الفضائية التي حفزها تطور علم الأحياء الفلكي في السنوات الأخيرة. سواء كان ذلك من خلال اكتشاف الكواكب الخارجية التي يُحتمل أن تكون صالحة للسكن أو تحديد علامات الحياة الميكروبية بواسطة المركبات الفضائية، فقد أدرجت وكالات الفضاء هذا البعد الجديد في أهدافها. لكن ناسا تريد اتخاذ خطوة جديدة من خلال تحويل جهودها أيضًا إلى البحث عن البصمات التقنية technosignatures.

بفضل بعثات مثل Kepler وHARPS، تم تأكيد 3815 كوكبًا خارج المجموعة الشمسية حتى الآن في 2853 نظامًا كوكبيًا. مع نمو هذا الكتالوج من الكواكب الخارجية، أصبحت مسألة الحياة خارج كوكب الأرض ذات أهمية متزايدة. يمكن أن تكون بعض هذه العوالم خارج المجموعة الشمسية صالحة للسكن، أي أنها تجمع بين الظروف الجيوفيزيائية والكيميائية المختلفة اللازمة لظهور الحياة.

مع ظهور أدوات رصد جديدة مثل تلسكوبات TESS وJames Webb الفضائية التابعة لناسا، أو التلسكوبات الفضائية CHEOPS وPLATO التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية، فإن البحث عن حياة خارج كوكب الأرض سوف ينطلق مرة أخرى.

لا ترغب ناسا فقط في مواصلة أبحاثها حول الكواكب التي يحتمل أن تكون صالحة للسكن، ولكنها تريد أيضًا تركيز هذا البحث على البصمات التقنية.

التوقيعات التقنية هي إشارات تشير خصائصها إلى استخدام تقنيات معينة. الأنشطة البشرية على الأرض مسؤولة عن الانبعاث المستمر للبصمات التكنولوجية، ومعظمها موجات الراديو من الاتصالات السلكية واللاسلكية، إلى الفضاء.

يمكن أن تأخذ البصمات التقنية أيضًا شكل أضواء صناعية أو ليزر أو حرارة أو تلوث المواد الكيميائية في الغلاف الجوي. لذا فإن أي حضارة ذكية يمكن أن تصدر هذه الإشارات القابلة للاكتشاف من الفضاء.

قالت وكالة ناسا في بيان صحفي: "في أبريل 2018، أظهر الكونغرس اهتمامًا جديدًا بالبحث عن التواقيع التقنية من قبل وكالة ناسا في بحثها العالمي عن حياة خارج كوكب الأرض".

وكجزء من هذا الجهد، نظمت الوكالة ورشة عمل ناسا حول التوقيعات التكنولوجية في هيوستن في الفترة من 26 إلى 28 سبتمبر 2018، بهدف تقييم الوضع الحالي للمجال، وهو أهم طرق البحث. واعدة بالتوقيعات التقنية، وحيث يجب أن تكون الاستثمارات كأولوية للمضي قدمًا بالموضوع ".

تقوم شبكة التلسكوبات الراديوية التابعة لمعهد SETI بمسح السماء باستمرار بحثًا عن البصمات التقنية خارج كوكب الأرض وفق دائرة ائتمانات: SETI.

تبحث العديد من المشاريع والمنظمات غير الحكومية أيضًا عن أدلة على وجود حياة خارج كوكب الأرض في الكون. هذا هو الحال، على سبيل المثال، بالنسبة لمعهد SETI الذي أسسه علماء الفلك كارل ساجان وجيل تارتر، أو مشروع مبادرات الاختراق الذي أسسه رائد الأعمال يوري ميلنر بدعم من ستيفن هوكينغ.

ومع ذلك، لم تشارك ناسا كثيرًا في هذه المشاريع، حيث نفذت فقط برنامجًا بحثيًا في إطار SETI لمدة عام في التسعينيات، قبل الاستسلام لأسباب سياسية.

ومع ذلك، يبدو أن رغبة ناسا المعلنة اليوم في توجيه مهامها نحو هذا الهدف قد أعادت إحياء البحث عن البصمات التقنية خارج كوكب الأرض. "أدى اكتشاف تقلبات الضوء في طيف نجم Tabby في عام 2015 بواسطة Kepler إلى قيام المجتمع العلمي بالتشكيك في احتمال وجود بنية عملاقة اصطناعية، على الرغم من أنه نتيجة لذلك، خلص علماء الفيزياء الفلكية إلى أن تشرح وكالة ناسا "وجود سحابة من الغبار قد تكون السبب".

"ومع ذلك، كشفت حالة نجمة Tabby عن استخدام تحليل الشذوذ في البيانات من الملاحظات المكانية المختلفة، حيث يمكن أن تظهر أدلة على البصمات التقنية من هذه الحالات الشاذة." من المفترض أن يساعد وصول أدوات رصد أكثر قوة علماء الفيزياء الفلكية في هذه المهمة بشكل أكثر فعالية. وإذا كنت ترغب في متابعة المناقشات المختلفة لورشة العمل هذه، يتم بث المناقشات مباشرة بواسطة وكالة ناسا.

المصدر: وكالة ناسا

المصادر: Science Direct، MIT / John Ball

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

عند تطبيق نظرية الأوتار على علم الكون يخرج لنا استنتاج يشير إلى أن الانفجار العظيم ليس بداية الكون المرئي، ولكنه ذروة حالة كونية سابقة. هناك سيناريوهان متعارضان لوصف هذا الــ "قبل". هل الانفجار العظيم هو بداية الزمن أم أن الكون المرئي موجود قبل وقوع حدث الانفجار العظيم؟ قبل أقل من عشر سنوات، كان مثل هذا السؤال يبدو وكأنه تدنيس للمقدسات. بالنسبة لعلماء الكونيات، فإن مثل هذا السؤال ببساطة لا معنى له. فتخيل الزمن قبل الانفجار العظيم كان كمن يبحث عن نقطة شمال القطب الشمالي. وفقًا لنظرية النسبية العامة، يجب أن يكون الكون المتوسع قد بدأ بانفجار كبير، مما يعني ضمنيًا محدودية الزمن، والذي ظهر في وقت واحد مع الفضاء والمادة. تغيرت هذه النظرة في السنوات الأخيرة. عندما وُلِد الكون، كان يتركز في منطقة صغيرة جدًا، عرفت بالفرادة الكونية، لدرجة أن قوانين فيزياء الكموم يجب أن تنطبق عليها لأنها تقع في نطاق ما دون الذري أو ما دون المجهري أي اللامتناهي في الصغر. النسبية العامة، التي ليست نظرية كمومية، لم تعد صالحة على مقياس الانفجار العظيم لحظة وقوعه. من المرجح أن تتولى نظرية الأوتار، التي تطورت منذ حوالي ثلاثين عامًا، زمام الأمور من خلال تقديم وصف كمومي للجاذبية أو للثقالة. لقد جعل من الممكن مؤخرًا تصميم نموذجين كونيين - نموذج ما قبل الانفجار العظيم والنموذج ekpyrotique ekpyrotic – اللذان يصفان الكون قبل الانفجار العظيم. هذه السيناريوهات، حيث ليس للزمن بداية ولا نهاية، يمكن أن تترك آثارًا يمكن ملاحظتها في الخلفية الكونية الميكروية المنتشرة، والإشعاع المنبعث بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم والذي نكتشفه اليوم في شكل أحفوري على السماء كلها.

ظل موضوع ماقبل الانفجار العظيم من تابو يمنع الاقتراب منه من قبل العلماء واليوم بات يتردد على ألسنة علماء الفيزياء النظرية وعلماء الفلك وعلماء الكونيات الكوسمولوجيين . ماذا كان يوجد قبل الانفجار العظيم؟ لا أحد يعرف على وجه اليقين قبل تاريخ 21 آذار مارس 2013 عند وصول صور القمر الصناعي الفضائي بلانك وفتحت أفاقاً وخلقت آمالاً للبحث العلمي في هذا المجال، أي العثور على آثار عن مرحلة ما قبل الانفجار العظيم البغ بانغ ما من شأنه أن يقلب على عقب الرؤية السائدة عن أصل الكون المرئي وبدايته وما سبقه.

يسمي البعض القمر الصناعي بلانك عالم الفلك المعدني الخارق. في 21 مارس -آذار 2013: قام فريق أوروبي من علماء الفيزياء الفلكية، تحت رعاية وكالة الفضاء الأوروبية (ESA)، بنشر صور غير منشورة للإشعاع الأحفوري الخلفي الميكروي المنتشر للكون. ومنها يمكن رسم خريطة للخلفية الكونية المنتشرة ذات الدقة غير العادية، والتي تكشف عن الكون في مراحل تكوينه الأولى. هذه البيانات الجديدة، ذات الأهمية الكبرى لعلم الكونيات الحديث، تفتح طرقًا جديدة للتفكير وتخلق تحديات جديدة لعلماء الفلك. تم تكليف القمر الصناعي بلانكPlanck1 ، الذي تم إطلاقه في 14 مايو 2009 بواسطة صاروخ آريان 5 ، برسم خرائط التغيرات الدقيقة في درجات الحرارة - فقط بضعة أجزاء من المليون من الانحراف - للخلفية الكونية المنتشرة ، أي الإشعاع في مجال الموجات الدقيقة. -موجات تظهر الكون كما كان بعد 380 ألف سنة من الانفجار العظيم. بمعنى آخر، كان الأمر يتعلق بالتقاط بأول أضواء الكون المرئي! الهدف طموح جداً، لكن يمكن تحقيقه بفضل التكنولوجيا العالية جدًا التي تم تطويرها لتطوير هذا "العالم الفلكي المعدني" المذهل، كما أطلق عليه علماء الفيزياء. في مقدمة كتابهما المكرس لهذا الموضوع، استعرض إيغور وغريتشكا بوغدانوف الخصائص الهائلة للقمر الصناعي بلانك: "نحن هنا في الفضاء، على بعد مليون ونصف كيلومتر من الأرض. كل شيء هادئ. تعبر مجرة درب التبانة مليارات النجوم في ضباب فضي إلى ما لا نهاية. نحن بجوار الآلة الكونية، محميون من ضوء الشمس وحرارة ظل كوكبنا. الآلة، بحجم السيارة، تتبع بهدوء حركة الأرض حول الشمس أثناء الدوران كل دقيقة. وقد نفدت احتياطياتها من المبرد وأوشكت مهمتها على الانتهاء. ولكن لمدة 1000 يوم، وساعة بعد ساعة، ويومًا بعد يوم، وعامًا بعد عام، بحث بلانك في الكون من السماء مستخدماً عين جليدية. عين، بعد تبريدها تدريجيًا، أصبحت أكثر برودة من السديم المتجمد في كوكبة قنطور. بالكاد عُشر الدرجة فوق الصفر المطلق. بفضل هذا التجلد الرائع، كان عالم الفلك الميكانيكي قادرًا على ذلك أي "النظر" بعيداً والتقاط الصور من السماء التي تعاني من التوسع الكوني، اليوم على بعد 45 مليار سنة ضوئية منا! لكنه كان أيضًا المصور الأكثر دقة على نحو جنوني في كل العصور. لدرجة أنه يمكن أن يرى من مسافة بعيدة - وتصوير - ذرة صغيرة من الغبار على قمة جبل يبلغ ارتفاعه 1000 متر. أو يشعر بحرارة طائر على سطح القمر من كوكبنا. مع هذه الحساسية الفريدة حقًا، تمكن القمر الصناعي الشهير بلانك (المشهور عالميًا الآن) من تصوير أقدم ضوء في كل العصور بأدق التفاصيل. وبالتالي استقصاء ما هو ليس سوى انعكاس بعيد عن الانفجار الكبير. لذلك كانت البيانات التي جمعتها بعثة بلانك متوقعة بشكل خاص من المتخصصين. وكانت النتائج مذهلة. ولقد تم تأكيدها في عام 2014، ولقد ساهمت في تغير فهمنا للكون بشكل عميق. لأنه لأول مرة في تاريخ علم الكونيات، تتوفر البدايات التي تُعطى الإجابات على الألغاز الثلاثة العظيمة للفضاء: كيف نشأ الكون، هل تحكمه الصدفة أم يخضع لنظام عميق، وهل كان هناك شيء ما قبل الانفجار العظيم؟ في 21 مارس 2013، علمنا لأول مرة أن كوننا أقدم بنحو 100 مليون سنة مما قدر الخبراء حتى ذلك الحين. سمح الفحص الدقيق لنتائج مشروع بلانك لشعاع الخلفية الكونية المنتشرة اكتشاف معطيات جديدة عما حدث في عشر النانو، نانو، نانو، نانو، من الثانية الأولى بعد الانفجار العظيم، كما يخبرنا بحماس العالم الفيزيائي شارل لورنس وهو أحد العلماء المشرفين على مشروع بلانك للحفريات حسب uni- JPL (مختبر الدفع، وعلماء الفيزياء الفلكية في تصنيع محركات الدفع النفاثة) التابع لكالة ناسا التي تطورت اليوم في باسادينا، كاليفورنيا. ولكن هذه ليست سوى بداية لثورات أخرى لا تصدق وأكثر كفاءة تتعدى مجرد حساب تاريخ وقوع الإنفجار الكبير بفضل أدوات القياس التي تخبرنا أن عمر الكون هو 13.820 مليار سنة.

العودة إلى الأصل:

انطلاقاً من مبدأ أنه لابد للانفجار العظيم الغير قابل للتصور وبحرارته الأساسية الهائلة، أن يترك أثراً في الخلفية الإشعاعية الكونية الميكروية المنتشرة. ولقد طور العلماء في السنوات الأخيرة عدد من أدوات القياس الأكثر اتقاناً ودقة في الأداء في محاولو لاصطياد شبح الانفجار العظيم. قمر صناعي روسي ثم قمرين صناعيين أمريكيين تابعين لناسا هما كوب و دبيلو ماب، COBE في نهاية سنوات الثمانينات و WMAP في عام 2001. قد نشرا أول خارطة للأشعة الكونية الميكروية الخلفية المنتشرة. من أجل الأمل في الكشف بدقة أكبر عن الضوء الأول لكوننا الناشئ، أرسل أعضاء بعثة سبا Planck قمرًا صناعيًا آخر إلى الفضاء أقوى 1000 مرة! وقد وصف الشقيقان إيغور وغريتشكا بوغدانوف ببراعة هذا الضوء الأساسي المذهل الذي فتن علماء الكونيات الكوسمولوجيين: "ما المقصود من هذا؟ إنه الاشعاع المضيء القوي جدا الذي انبثق من الظلام منذ زمن طويل. طويل جداً. 13 مليار 820 مليون سنة موغلة في الماضي. لذلك يعود هذا الضوء الغامض إلى فجر الزمن ويمثل أقدم أحفورة يمكن أن توجد. التي أضيئت فجأة في الليلة الكونية المعتمة فقط بعد مضي 380.000 سنة - أو3800 قرن- بعد التمزق الهائل الذي سببه الانفجار العظيم في قلب العدم. لا توجد مسافة بين هذا الضوء الأول والانفجار العظيم أكثر من المسافة بيننا وبين رجال ما قبل التاريخ. () لكن هذا ليس كل شيء. إنه أول "ضوء" بارد أيضًا. كي لا نقول أشعة جليدية. ومع ذلك، ومنذ زمن بعيد جدًا، بضع مليارات من السنين في الماضي، تم تسخين هذا الإشعاع بنيران الانفجار العظيم. ثم كان يحترق في الكون الشاب (كون أصغر ألف مرة من اليوم) عند درجة حرارة 3000 درجة (...) على مدى مليارات السنين، متعدياً 18 مليون كيلو متر في كل دقيقة، استمر هذا التوهج الأول في البرودة. (...) حتى نصل إلى هذه العتبة التي نعرفها اليوم، 271 درجة تحت الصفر! ". تُظهر خريطة الإشعاع الأحفوري مناطق تتراوح من اللون الأزرق - أبرد المناطق الكونية - إلى الأحمر - وهي المناطق الأكثر سخونة في الفضاء. بين هذين اللونين، فرق ضئيل يبلغ بضعة أجزاء من المليون من الدرجة، ولكنه كافٍ لزيادة بضع كسور من الثانية بعد الانفجار العظيم. هذا التعديل الحراري الاستثنائي يثير اهتمام العلماء بشكل كبير. يرى بعض الباحثين أنه نوع من "الشفرة الكونية" التي لا يزال أصلها غير قابل للتفسير. "الكون يحاول أ يخبرنا أو يقول لنا شيئًا "هكذا أكد الفيزيائي ماكس تيغمارك من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بعد تحليل البيانات التي قدمها القمر الصناعي بلانك. لكن ما هي الرسالة التي يرسلها لنا الكون البدئي؟ وبأية لغة؟ وهل سيكون من الممكن في يوم من الأيام فكها؟

ما هو شكل الكون؟

تتيح لنا البيانات التي أبرزها القمر الصناعي بلانك معرفة المزيد عن تكوين وشكل كوننا المرئي. لكن التفسيرات العلمية التي انبثقت عن تلك البيانات تثير وتسبب بالفعل الجدل. إن العرض الرسمي لخبراء مهمة بلانك، بدعم من غالبية علماء الفيزياء الفلكية، يؤكد أن الفضاء ثلاثي الأبعاد ... مسطح تمامًا! في موقع مهمة بلانك، يمكننا قراءة هذا السطر المخصص مباشرة لطوبولوجيا الكون: "أما بالنسبة للهندسة، فالفضاء مسطح أكثر من أي وقت مضى!". لكن البيانات القابلة للاستغلال التي يوفرها القمر الصناعي يمكن أن تؤدي إلى تفسير مختلف تمامًا، كما أوضح الأخوان بوغدانوف، قائلين "يبدو أن التأكيد على أن الكون مسطح يبدو غير منطقي مثل الاعتقاد بأن الأرض مسطحة". بالنسبة لعلماء الكونيات، تظهر نتائج القياسات، على العكس من ذلك، أن الفضاء ثلاثي الأبعاد له انحناء إيجابي طفيف للغاية، وهو أمر لا يمكن اكتشافه تقريبًا، لأنه يشير إلى جسم كبير للغاية. تم نقل فرضية بالفعل من قبل العلماء الذين شاركوا في مهمة WMAP، والتي تهدف أيضًا إلى رسم خريطة للإشعاع الأحفوري. من الضروري مواصلة هذه الحسابات وصقلها حول شكل الكون؛ إذا كان خبراء بلانك على حق، فهذا يعني أن الكون مسطح تمامًا وبالتالي يمتد إلى اللانهاية. من ناحية أخرى، إذا كان للكون انحناء طفيف، كما يعتقد الأخوين بوغدانوف، فهذا يعني أنه مغلق بالضرورة، تمامًا كما أن كوكبنا مغلق على نفسه. يعطي المؤلفون مزيدًا من الدقة في نظريتهم عن الكون الكروي في أبحاثهم العلمية وخاصة كتابهم عن مهمة بلانك: "على عكس الكرة ثلاثية الأبعاد التي تخيلها أينشتاين، في نهجنا، فإن الغلاف الهوائي الذي يمثل الكون غير ثابت. لأي غرض؟ بكل بساطة لأن البالون (الذي له بعدين فقط) هو حافة فضاء ثلاثي الأبعاد، الكرة ثلاثية الأبعاد لدينا هي حافة الزمكان (الذي له أربعة أبعاد). هذا يعني أن نصف قطر هذا المجال - لا يمكن أن يكون أي شيء آخر – بالنسبة للزمن! ولهذا السبب، في كل لحظة، يغير المجال ثلاثي الأبعاد الذي يمثل مساحتنا اليومية حتمًا نصف القطر. بالمناسبة، كل هذا لكي نفهم بطريقة طبيعية سبب توسع كوننا. (...) مثلما تكون الأرض مستديرة، يمكننا أيضًا أن نقول إن الكون بأكمله مستدير ". وهي ظاهرة ذات صلة، ولكن لا يزال يتعين التحقق من صحتها من قبل المجتمع العلمي.

الولادة الكونية: إنشاء عفوي أم مبرمج؟:

تساؤل مهم آخر أثار حفيظة علماء الكونيات لعقود. من أو ماذا وراء الانفجار العظيم؟ لأن الحدث هو بالتأكيد كارثي لكنه ليس فوضويًا: في الواقع، يبدو أن كل مرحلة من مراحل ولادة المادة قد تم تنظيمها بدقة لا يمكن فهمها. لكن من أو ماذا وراء هذا الضبط الأولي الاستثنائي؟ يمكن أن يكون ما يسمى بـ "الثابت الكوني"، أي رقم رياضي خالص يضبط بدقة غير عادية جميع القوانين الموحدة التي تحكم الكون. وبالنسبة للعديد من العلماء، فإن الاختلاف الحراري الضئيل في الإشعاع الأحفوري لا يرجع إلى الصدفة. هذا هو رأي الفيزيائي والمنظر الأمريكي ستيف كارليب steve carlip، الذي كتب: "عندما نلاحظ الإشعاع الأحفوري، ونرى اختلافات طفيفة في طيفه، والتي تأتي من اختلافات صغيرة في الكثافة. هذه الاختلافات ليست بسبب الصدفة، ونمطها يمكن التنبؤ به ومفهوم جيدًا. على وجه الخصوص، نلاحظ الصورة الدقيقة للارتباطات بين "النقاط الساخنة" و "البقع الباردة: النظرية لا تكتفي بالتنبؤ ببعض الأرقام، ولكن تقترح منحنى أو تحدب شديد الإعداد، وتأتي الملاحظات متطابقة مع هذا المنحنى ". من هنا، لتخيل أن كائنًا أو ذكاءً أعلى هو أصل هذا التنظيم السماوي المذهل عند ولادة الكون، هناك خطوة واحدة فقط. أن الأخوين بوغدانوف يرفضان عبورها، بينما يستحضران الأسئلة الميتافيزيقية لبعض زملائهم المرموقين. لم يتردد الفيزيائي أنتوني زي Anthony Zee وشريكه ستيفن هسو Stephen Hsu في كسر الموضوع المحظور للعلاقة المحتملة بين "الله" والعلم؛ وفقًا لهم، من الممكن أن توجد رسالة مشفرة مخفية في خريطة الإشعاع الأحفوري: "افترض أن كائنًا أو كائنات أعلى هي التي خلقت الكون. نحن لا نعالج القضية سواء كان ذلك محتملًا أم لا، ولكن دعنا نفترض هذا الافتراض. لنفترض أيضًا أنهم أرادوا حقًا إبلاغنا أن الكون قد تم إنشاؤه عن قصد. السؤال الذي نطرحه هو، كيف يمكنهم إرسال رسالة إلينا؟ نحن مقتنعون بأن وسيلة هذه الرسالة فريدة من نوعها: يمكن أن تكون فقط الخلفية الكونية المنتشرة. هذا في الواقع يشكل لوحة عرض عملاق في السماء، مرئي لجميع الحضارات المتقدمة تقنيًا. نظرًا لأن المناطق المختلفة من السماء مفصولة سببيًا، فقط الكائن الحاضر في لحظة الخلق يمكنه أن يضع رسالة هناك. كما كتب العالمان في مقالة نشرتها مجلة علمية أمريكية متخصصة وجادة. وهذا إثبات إن مسألة الخلق التلقائي أو المبرمج للكون تثير كل منا! بيد أن إيغور وغريتشكا بوغدانوف لا يشاطران هذا المنظور للرسالة المختبئة في قلب الإشعاع الأحفوري؛ إنهما يعتقدان بالأحرى أن الخلفية الكونية المنتشرة يمكن أن تحمل أثر حالة ما للكون تسبق الانفجار العظيم!

تشوهات بلانك: هل هي دليل على ما قبل الانفجار العظيم ؟:

"من الممكن تمامًا أن يكون الكون قد مر بمرحلة ما قبل الانفجار العظيم، والتي كانت موجودة بالفعل، وأنه يمكننا متابعة تاريخ الكون حتى هذه الفترة قبل الانفجار العظيم.

 وفقًا لهذه الشروط وبهذه الصيغة المختارة، تحدث عالم الفيزياء الفلكية جورج إيفس تاثيو Georges Efstathiou، أحد أكثر أعضاء بعثة بلانك تأثيرًا، في المؤتمر الصحفي في 21 مارس2013. وكما ذكرنا إن هذا الموضوع بقي لفترة طويلة محظوراً، والمقصود به فرضية ما قبل الانفجار الكبير والتي أصبحت بالتالي أكثر فأكثر جذباً في الحلقات المتخصصة طيلة سنوات عملهم. يعتقد العلماء بجدية أكبر اليوم بأن الانفجار العظيم ليس فعلياً هو البداية بل مجرد مرحلة تجتاز الكون ، كما يؤكد شين كارول Sean Caroll العالم الفيزيائي الشهير في معهد كالتيش معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في كتابه المعنون:" من الأزلية إلى اليوم From Eternity to Here  أما مؤلفي كتاب "لغز القمر الصناعي بلانك" ، فيعتقدان  من جهتهما إن الكون موجود ربما منذ عشرات المليارات من السينين قبل الانفجار العظيم ولكت تحت شكل آخر ، عالم من المعلومات المحضة ، أي واقع رقمي يمكن فك شيفرته على نحو رياضياتي وكشف  كل خصائصه التي عملت بعد الانفجار العظيم على وجود وتطور  الكون الفيزيائي المادي.

كان سائدًا في الدوائر المتخصصة لبضع سنوات. "حسبما يعتقد العلماء أكثر فأكثر أن الانفجار العظيم ليس البداية حقًا، ولكنه مجرد مرحلة يمر بها الكون" والتي وصفها الأخوة بوغدانوف بأن الكون ربما كان موجودًا قبل عشرات المليارات من السنين قبل الانفجار العظيم، ولكن تحت تأثير شكل آخر غير معروف، عالم من المعلومات النقية. "ربما لم يكن الكون موجوداً قبل 30 أو 40 مليار سنة، في شكله المادي الذي نعرفه اليوم، ولكن بطريقة أكثر دقة، في شكل معلومات. حقيقة رقمية، مشفرة "ترميز" في شكل رياضي يضم جميع الخصائص التي، تظهر بعد الانفجار العظيم، وتساهم في وجود وتطور الكون المادي ". وبالتالي، فإن الفجوة الحرارية الغامضة الموجودة على خريطة الإشعاع الأحفوري ستكون بقايا رمز رياضياتي أصلي في قاعدة كل الخلق الكوني! منطقياً، كلما عاد المرء إلى ماضي الكون، زادت المعادلة الحرارية الخالية من الخلفية الكونية المنتشرة. لذلك يمكننا أن نفترض أنه في بضعة أجزاء من المليارات من الثانية بعد الانفجار العظيم، كان هذا التوازن في درجات الحرارة مثاليًا، وهو ما يسميه العلماء «حالة KMS". يشرح العلماء بعد ذلك أن حالة KMS تولد خاصية غريبة ومذهلة، يصعب تصورها للعقل البشري: عندما كان الكون في حالة KMS، كان الزمن "الحقيقي" مصحوبًا ... بالزمن "الخيالي"! بعبارة أخرى، يمكن للزمن الحقيقي حتى الآن أن يتحول إلى زمن ذي طبيعة أخرى، زمن "معقد أو مركب". هذا الزمن الافتراضي له اتجاهان بدلاً من اتجاه واحد ؛ وبالتالي يمكن أن تتطور نحو الزمن الحقيقي أو نحو الزمن الخيالي... يحاول المؤلفون فهم هذا المفهوم الدقيق بشكل أفضل من خلال هذا القياس: "يمكن مقارنة الزمن المعقد أو المركب بزمن بدون ترتيب وبدون أي هيكل ، حيث يمكن أن تستغرق الدقيقة ساعة أو ربما شهر أو سنة - بل والأسوأ -حيث كنا نقفز فجأة من الثانية عشرة والنصف إلى التاسعة مساءً ". بافتراض أن الزمن المعقد أو المركب كان يحكم الزمكان قبل الانفجار العظيم مباشرة، يفترض الأخوان بوغدانوف أن أثر حالة KMS هذه قد يمكن اكتشافه في خريطة الإشعاع الأحفوري. إن المخاطر كبيرة: إذا كانت بقايا زمنية معقدة خادعة، فيمكن أن توفر للفيزيائيين دليلاً على وجود شيء ما قبل الانفجار العظيم! وإن الانفجار العظيم، لا يعلن "ولادة" الكون كما نعرفها اليوم، ستكون عندئذ فقط نهاية التوازن الحراري المثالي للحالة البدائية للكون وللحالة KMS. كان الباحثون يأملون في العثور على أثر ما قبل الانفجار العظيم، فيما أطلقوا عليه "شذوذ بلانك" تباينات غريبة في التوقيع الحراري للكون والتي يمكن أن تكون علامة على ظاهرة فيزيائية لا تزال غير معروفة لعلم الكونيات الحديث. يعود إيغور وغريتشكا بوغدانوف بالتفصيل إلى الشذوذ في خريطة الإشعاع الأحفوري الذي يثير فضول العلماء في جميع أنحاء العالم: "إذن ما هي هذه الحالات الشاذة الشهيرة التي تمنح علماء الفيزياء الفلكية القدرة على تحدي التابوات؟ لقد اخترنا اثنين. أكثر الدعوات إثارة للتساؤل حول أحد المبادئ الأساسية لعلم الكونيات (وبالمناسبة، ربما يقوض نظرية التضخم التي وفقًا لها قد يكون كوننا قد`` تضخم '' فجأة في كميات ضخمة بعد I Big Bang مباشرة). بم يتعلق الأمر؟ لعدم تناسق غامض بين نصفي الكرة المتعاكسين من الإشعاع الأحفوري. دعنا نقول للتبسيط أنه وفقًا للصورة المقدمة من القمر الصناعي، فإن نصف الكرة الشمالي للكون الناشئ أبرد قليلاً من نصف الكرة الجنوبي. من المسلم به أن الاختلاف طفيف، لكنه مهم. ومع ذلك، فإن مثل هذا التباين يتعارض مع المبدأ القديم الجيد القائل بأن الكون هو نفسه متشابه في جميع الاتجاهات. الشيء الأكثر إثارة للقلق في هذه القضية هو أن هذا النوع غير المتكافئ هو بالتأكيد مرهق للغاية.

يظهر بوضوح وجود اتجاه متميز في الكون. إذا تحقق هذا المحور بالفعل في كوننا، فإن المبدأ المقدس، الذي لم يتم انتهاكه حتى الآن، والذي بموجبه تتباطأ جميع الأماكن في الفضاء سوف يتحطم. (...) والشذوذ الثاني؟ (...] هو هذه الــ "بقعة باردة" الغريبة التي تقع في الجزء السفلي من نصف الكرة الجنوبي. إنها منطقة كبيرة، حيث درجة الحرارة أقل بكثير من درجة حرارتها. مرة أخرى، لا يوجد تفسير لهذه الظاهرة الغامضة”.

إن الاستعداد الأخير لأخذ ما قد حدث قبل نشوء الكون في الحسبان ليس سوى أحدث التحولات الفكرية التي تبعت بعضها البعض على مدى آلاف السنين. في جميع الثقافات، واجه الفلاسفة واللاهوتيون مسألة بداية الزمان وأصل العالم. تمر "شجرة عائلتنا" عبر الأشكال الأولى للحياة، وتشكيل النجوم، وتوليف العناصر الأولى، وتعود إلى الطاقة التي غمرت الفضاء البدائي. هل تستمر هكذا إلى الأبد أم أنها تتجذر في مكان ما؟ ناقش الفلاسفة اليونانيون مطولاً أصل الزمن. دافع أرسطو عن غياب البداية من خلال التذرع بالمبدأ القائل بأن لا شيء ينشأ من لا شيء. إذا كان الكون لا يمكن أن يولد من العدم، فلا بد أنه كان موجودًا دائمًا وبشكل من الأشكال ليس بالضرورة الشكل المادي الفيزيائي الذي نعرفه. يجب أن يمتد الزمن إلى الأبد في الماضي وكذلك في المستقبل. اتخذ اللاهوتيون المسيحيون وجهة نظر معاكسة. أكد القديس أغسطينوس أن الله موجود خارج المكان والزمان وأنه قادر على خلقهما لأنه صاغ جوانب أخرى من العالم. ماذا كان الله يفعل وقتها قبل أن يخلق العالم؟ وفقًا للقديس أوغسطينوس، كان الزمن نفسه جزءًا من الخليقة الإلهية، ولم يكن هناك مايسمى بــ " القبل". حالة تجانس غريب. قادت نظرية النسبية العامة علماء الكونيات الحديثين إلى استنتاج مشابه جدًا. ضمن هذا الإطار، المكان والزمان ليسا جامدين ومطلقين، لكنهما ديناميكيان ومشوهان بتأثير المادة. في نطاقات المسافات والأبعاد الكبيرة، تتوسع منحنيات الفضاء أو تتقلص بمرور الوقت، مع الأخذ في الاعتبار ذلك. في عشرينيات القرن الماضي، بعد إدوين هابل، أكد علماء الفلك أن كوننا يتوسع: المجرات تبتعد عن بعضها البعض. ومن نتائج هذا التوسع أن الزمن لا يمكن أن يمتد إلى ما لا نهاية في الماضي. من خلال عرض فيلم التاريخ الكوني مقلوبًا، تقترب المجرات من بعضها البعض حتى تلتقي عند نقطة متناهية الصغر، تسمى التفرد أو الفرادة الكونية. تم العثور على جميع المجرات - أو بالأحرى سلائفها - في حجم صفر. أصبحت الكثافة ودرجة الحرارة وانحناء الزمكان لانهائية. الفرادة هي الكارثة النهائية التي لا يمكننا بعدها متابعة علم الأنساب الكوني.

يثير هذا الكشف العديد من الأسئلة. على وجه الخصوص، يبدو أنه بالكاد يتوافق مع حقيقة أن الكون يبدو متجانسًا، على نطاق واسع، في جميع الاتجاهات. لكي يبدو الكون متشابهًا من جميع النواحي، يجب إنشاء شكل من أشكال التفاعل بين المناطق البعيدة من الفضاء بحيث تتجانس خصائصها. ومع ذلك، فإن هذا يتناقض مع بيانات التوسع الكوني. تم إطلاق الضوء قبل 13.8 مليار سنة (هذه هي الخلفية الكونية المنتشرة التي لوحظت اليوم في مجال الأشعة الميكروية). في جميع الاتجاهات، هناك مجرات تفصل بينها أكثر من 13 مليار سنة ضوئية. وهكذا توجد مجرات، في اتجاهين متعاكسين، يفصل بينهما أكثر من 25 مليار سنة ضوئية. وبالتالي، لم تكن هذه المناطق على اتصال أبدًا: لم يكن لديها الوقت لتبادل الضوء، ومن باب أولى. لا يمكن تجانس كثافتها ودرجة حرارتها وخصائص أخرى.

ومع ذلك، فإن خصائص مجرة درب التبانة هي تقريبًا نفس خصائص هذه المجرات البعيدة. قد يكون هذا التجانس مصادفة. ومع ذلك، من الصعب الاعتراف بأن عشرات الآلاف من الأجزاء المستقلة في صورة الخلفية الكونية المنتشرة، متطابقة إحصائيًا، لها خصائص متطابقة منذ البداية. هناك تفسيران طبيعيان آخران: إما أن الكون كان في لحظاته الأولى أصغر بكثير مما يفترضه علم الكونيات الكلاسيكي، أو أنه أقدم بكثير. في كلتا الحالتين، يمكن أن يتفاعل جزءان بعيدان من السماء قبل انبعاث الإشعاع الكوني.

الفرضية الأولى هي التي يفضلها علماء الفيزياء الفلكية. يقال إن الكون قد شهد فترة من التوسع المذهل والتضخم في بداية تاريخه. في السابق، كانت جميع مناطق الكون قريبة جدًا لدرجة أن خصائصها أصبحت متجانسة. ثم، خلال مرحلة التضخم، تسابق التوسع وتمدد الكون بشكل أسرع من الضوء. تم عزل الأجزاء المختلفة من الكون عن بعضها البعض. بعد جزء صغير من الثانية، انتهى التضخم وعاد التوسع إلى مسار هادئ. أعيد الاتصال بين المجرات تدريجيًا مع اشتعال الضوء مع التضخم. لتفسير هذا التوسع المحموم، أدخل الفيزيائيون مجال قوة جديدًا، وهو التضخم inflation، والذي أنتج قوة جاذبية شديدة التنافر أي ثقالة سالبة، في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم. على عكس الجاذبية، فإن الانتفاخات تسرع من التمدد. بعد جزء من الثانية من الانفجار العظيم، استنفد، وذهبت القوة الطاردة، وسيطرت الجاذبية. هذه النظرية، التي اقترحها الفيزيائي آلان غوث عام 1981، هي التي جعلت من الممكن شرح عدد كبير من الملاحظات والمشاهدات. ومع ذلك، لا تزال هناك بعض الصعوبات النظرية، بدءًا من طبيعة التضخم، وأسبابه.

الطريقة الثانية لحل المشكلة أقل تقليدية: فهي تفترض أن الكون أقدم بكثير مما كان متوقعًا. إذا لم يكن الزمن قد بدأ بالانفجار العظيم، وإذا كانت هناك حقبة طويلة قد سبقت بداية فترة التوسع الحالية، فإن الكون لديه متسع من الوقت للتجانس. مثل هذا السيناريو يقضي على الصعوبة التي تفرضها التفردات أو الفرادات التي تنشأ عندما يريد المرء أن يمد النسبية العامة إلى ما وراء مجال تطبيقها. في الواقع، مع اقتراب الانفجار العظيم، فإن حصر المادة يقود إلى أن تكون التأثيرات الكمومية هي المهيمنة، والنسبية لا تأخذ ذلك في الحسبان. لمعرفة ما حدث بالفعل، يجب على الفيزيائيين استبدال النسبية العامة بنظرية الكموم في الجاذبية. كان المنظرون يفعلون ذلك منذ زمن أينشتاين، بدون تحقيق أي نجاح ملحوظ حتى منتصف الثمانينيات.

  رؤيتان للبداية: في كوننا المتسع، تهرب المجرات من بعضها البعض بسرعة تتناسب مع المسافة بينها: تفصل المجرات المسافة التي تفصل بينها 500 مليون سنة ضوئية ضعف سرعة المجرات التي تبعد 250 مليون سنة ضوئية. نتيجة لذلك، يجب أن تكون كل المجرات قد بدأت من نفس النقطة في نفس الوقت: هذا هو الانفجار العظيم. يظل هذا الاستنتاج ساريًا على الرغم من أن توسع الكون قد شهد فترات من التسارع أو التباطؤ. ومع ذلك، يصبح الوضع غير مؤكد عندما نفكر في اللحظة الدقيقة التي بدأت فيها المجرات (أو بالأحرى سلائفها) تحليقها.

نظرية الأوتار الفائقة ترتد اليوم:

هناك نهجان يبدوان واعدان. الأول، الجاذبية الكمومية الحلقية، تحتفظ بأساسيات النسبية - وبالطبيعة الديناميكية للزمكان والثبات فيما يتعلق بنظام الإحداثيات المستخدم - وتضع هذه المبادئ موضع التنفيذ في إطار فيزياء الكموم الكوانتوم. يتكون الزمكان الناتج من قطع صغيرة غير قابلة للكسر. في السنوات الأخيرة، خطت جاذبية الدانتيل الكمومي خطوات كبيرة، لكنها قد لا تكون جذرية بما يكفي لحل جميع المشكلات التي يطرحها قياس الجاذبية.

الطريقة الثانية، التي تستند إليها السيناريوهات المعروضة هنا، هي نظرية الأوتار الفائقة. ظهرت مسودتها الأولى عام 1968 في نموذج اقترحته لوصف تفاعلات مكونات نواة الذرة. لم يتم إحياؤها حتى الثمانينيات لتصبح نظرية مرشحة لتوحيد النسبية العامة ونظرية الكموم.

فكرتها الأساسية هي أن المكونات الأساسية للمادة ليست دقيقة، ولكنها أحادية البعد، مثل الأوتار بدون سمك. تهتز هذه الأوتار مثل تلك الموجودة في آلة الكمان، وتعكس مجموعة الجسيمات الهائلة او تولدها، ولكل منها خصائص مميزة، وفق أنماط الاهتزاز المختلفة. تسمح قوانين الكموم لهذه الأوتار المهتزة عديمة الكتلة لوصف الجسيمات وتفاعلاتها، أن تبرز خصائص جديدة ذات آثار عميقة على علم الكونيات.

أولاً، تجبر التأثيرات الكمية الأوتار على أن تكون بطول 10-34 مترًا على الأقل. هذا الكم من الطول غير القابل للاختزال، والمشار إليه بـ ls، هو ثابت جديد في الطبيعة، إلى جانب سرعة الضوء وثابت بلانك. وهذه الأبعاد في نظرية الأوتار، تلعب دورًا حاسمًا من خلال فرض قيود محدودة على الكميات التي لولاها ستصبح صفراً أو غير محدودة.

ثانيًا، تتوافق طاقة أنماط معينة من اهتزاز الأوتار مع كتل الجسيمات. علاوة على ذلك، تمنح هذه الاهتزازات الأوتار لحظة أو دورانًا ذاتيًا. يمكن أن تكتسب الأوتار عدة وحدات من السبين (الدوران المغزلي حول المحور الذاتي) بينما تظل صفرية الكتلة: فهي قادرة على تمثيل البوزونات، وهي جزيئات تمثل رسلًا للقوى الأساسية (مثل الفوتون للكهرومغناطيسية). تاريخيًا، من خلال اكتشاف أنماط اهتزاز السبين spin التي تساوي اثنين، والتي تم تحديدها مع الجسيم المفترض أن ينقل تفاعل الجاذبية، الغرافيتون، لمح الفيزيائيون إلى اهتمام نظرية الأوتار لتقدير الجاذبية.

ثالثًا، تكون معادلات نظرية الأوتار متسقة فقط إذا كان للفضاء تسعة أبعاد مكانية بدلاً من الثلاثة المعتادة، والأبعاد المكانية الستة الإضافية يتم لفها على مسافات صغيرة جدًا وتنطوي على نفسها.

رابعًا، الثوابت التي تصف شدة القوى الأساسية، مثل ثابت الجاذبية أو الشحنة الكهربائية، لم تعد ثابتة اعتباطًا، ولكنها تظهر في نظرية الأوتار على أنها حقول تتغير قيمها بمرور الوقت. يلعب أحد هذه المجالات، وهو الامتداد، دورًا خاصًا: فهو يحدد تطور المجالات الأخرى، أي شدة جميع التفاعلات. خلال العصور الكونية المختلفة، ربما عرفت "ثوابت" الفيزياء اختلافات طفيفة. يسعى علماء الفيزياء الفلكية الآن إلى قياسها من خلال مراقبة الكون البعيد. عندما يتغلب التناظر على اللانهائي. أخيرًا، كشفت الأوتار عن وجود تناظرات جديدة للطبيعة، ثنائيات تماثلية، والتي تحول بشكل جذري فهمنا الحدسي لسلوك الأشياء في المقاييس الصغيرة للغاية. أحد هذه التناظرات، T-duality، يربط الأبعاد الإضافية الصغيرة والكبيرة. يرتبط هذا التناظر بأكبر مجموعة متنوعة من الحركات الممكنة للأوتار، مقارنة بجسيمات النقطة. لنفترض أن حبلًا مغلقًا (حلقة) يتحرك في فضاء ثنائي الأبعاد، أحدهما مطوي في دائرة صغيرة. هذه المساحة تعادل مساحة الاسطوانة. بالإضافة إلى الاهتزاز، يمكن أن يتحرك الخيط على السطح، ولكن أيضًا يلتف مرة أو أكثر حول الأسطوانة، مثل شريط مطاطي يحمل ملصقًا ملفوفًا.

تساهم الاهتزازات والحركة واللف في الطاقة الكلية للوتر. تعتمد طاقة الوضعين الأخيرين على حجم الأسطوانة. تتناسب طاقة اللف مع نصف قطر الأسطوانة: فكلما كانت أكبر، يجب أن يتم شد الوتر، بحيث يخزن المزيد من الطاقة. من ناحية أخرى، على طول البعد الملفوف، ينتج عن إزاحة الوتر طاقة تتناسب عكسياً مع نصف القطر: فكلما كانت الأسطوانة أكبر، زادت قدرة الوتر على التحرك هناك "بهدوء" (علاقات عدم التحديد أو عدم اليقين واللادقة تمنع ميكانيكا الكموم الجسيم المحدد بدقة من أن يكون في حالة سكون، وبالتالي فإن الجسيم المحصور يتحرك بسرعة عالية، بينما يتحرك الجسيم الذي يكون موضعه غير مقيد "بهدوء" أكثر). في أسطوانة أضيق، يتطلب لف الوتر طاقة أقل، بينما تكون الحركة أكثر تقطعًا وتعطي طاقة أكبر للنظام. إذا قمنا بتبادل أسطوانة نصف قطرها R مع أسطوانة ذات نصف قطر عكسي 1 / R (الوحدة هي الحد الأدنى لطول الأوتار)، يتم تبادل سلسلة حالات الطاقة الناتجة عن الوضعين، لكن مجموعة الحالات لا تزال متطابقة. بالنسبة للمراقب الخارجي، فإن الأبعاد الملفوفة الكبيرة تكون مكافئة فيزيائيًا للأبعاد الصغيرة ذات نصف القطر المعاكس.

نظرية الأوتار والازدواجية. يمكن أن تصف نظرية الأوتار ما حدث في وقت الانفجار العظيم. إنها تعتبر أشياء مشابهة لأوتار الكمان الرفيعة للغاية. عن طريق تحريك الأصابع، يقوم عازفو الكمان بتقصير الأوتار وزيادة وتيرة اهتزازاتها. ستمنعهم التأثيرات الكمومية من الذهاب إلى ما دون الحد الأدنى للطول ، وهو 10-34 مترًا.

نظرًا لأنواع الحركات المختلفة التي يمكن أن يؤديها الوتر، فإن المساحة التي تكون أبعادها الإضافية كبيرة (مقارنة بـ10-34 مترًا) لا يمكن تمييزها عن تلك التي تكون فيها هذه الأبعاد صغيرة. ضع في اعتبارك مساحة أسطوانية ثنائية الأبعاد. بالإضافة إلى الاهتزاز والتحرك معًا، يمكن لف الوتر مثل الشريط المطاطي حول الأسطوانة. تمنع علاقات اللاحتمية الكمومية السلسلة من أن يكون لها موقع دقيق وسرعة صفرية: يتحرك الجسيم المحصور في مساحة صغيرة بشكل محموم. إذا كان محيط الأسطوانة صغيراً، فإن حركات الوتر حول الأسطوانة تتأرجح: الطاقة المرتبطة بعمليات الإزاحة عالية (أ). من ناحية أخرى، فإن الوتر الملفوف ليس ضيقًا جدًا: يوفر اللف القليل من الطاقة (ب). إذا زاد نصف قطر الأسطوانة، فإن اهتياج الوتر يكون أقل وكل حركة تجلب كمية صغيرة من الطاقة (ج) ، بينما يؤدي لف الوتر إلى توتر عالٍ وبالتالي طاقة عالية (د). بالنسبة لأسطوانتين بنصفي قطر متعاكسين (R و 1 / R) ، تظل الطاقة الإجمالية - الكمية الوحيدة التي يمكن ملاحظتها - كما هي. تمنع هذه الخاصية الفضاء من الانهيار عند نقطة ما والوصول إلى حالة من الكثافة اللانهائية.

يسهل فهم - T-dualité ،T-duality في سياق المساحات ذات البعد الدائري للحجم المحدود ، ولكنها تنطبق أيضًا على الأبعاد الثلاثة اللانهائية للفضاء العادي. ليس حجم المساحة المأخوذة ككل هو المهم، ولكن عامل الحجم الخاص بها، والعلاقة بين تباعد الأجسام التي احتوتها في تاريخ معين وبعدها الحالي. وفقًا لـ T-duality، فإن الكون الذي يكون فيه عامل المقياس صغيرًا جدًا يعادل كونًا يكون فيه عامل المقياس كبيرًا. مثل هذا التناظر غير موجود في النسبية العامة. إنه يأتي من الإطار الموحد لنظرية الأوتار.

لسنوات، اعتقد منظرو الأوتار أن T-duality تنطبق فقط على الأوتار المغلقة. ولكن في عام 1995 ، أظهر جوزيف بولشينسكي Joseph Polchinsky ، من جامعة سانتا باربرا ، أنه لا يزال صالحًا للأوتار المفتوحة ، وفقًا لشروط ، تسمى Dirichlet ، في نهاياتها: بالإضافة إلى عكس نصف قطر الأبعاد الملفوفة ، يجب تثبيت نهايات الأوتار في عدد من الأبعاد. وبالتالي، يمكن أن تطفو أطراف الوتر بحرية في ثلاثة من الأبعاد المكانية العشرة بينما يتم حظر حركتها في الأبعاد السبعة الأخرى. تشكل هذه الأبعاد الثلاثة الحرة فضاءًا فرعيًا يسمى الغشاء أو D-brane. في عام 1996 ، تخيل بيتر هورافا Petr Horava من جامعة روتجرز وإدوارد ويتن Edward Witten من معهد برينستون للدراسات المتقدمة أن كوننا يقيم على غشاء D ثلاثي الأبعاد. يفسر التنقل الجزئي للإلكترونات والجسيمات الأخرى سبب عدم قدرتنا على إدراك الأبعاد العشرة للفضاء.

تشير جميع خصائص الأوتار إلى نفس الشيء: الأوتار تكره اللانهاية l’infini. وبما أنه لا يمكن اختزالها إلى حد ما، فإنها تقضي على المفارقات التي سببها هذا الانهيار. يفرض حجمها غير الصفري والتماثلات الجديدة المرتبطة بها حدودًا عليا على الكميات الفيزيائية التي تزداد إلى أجل غير مسمى في النظريات الكلاسيكية، وحدودًا أقل على الكميات المتناقصة. عندما يُعرض فيلم التاريخ الكوني معكوساً رأسًا على عقب، يتقلص الزمكان ويتقلص نصف قطر الانحناء بجميع الأبعاد. وفقًا لمنظري الأوتار، تمنع T-duality نصف قطر الانحناء من التناقص إلى الصفر والتسبب في تفرد الانفجار الكبير القياسي. عند أدنى طول ممكن، يصبح هذا الانكماش مكافئًا ماديًا لتمدد الفضاء، حيث يبدأ نصف قطر الانحناء في الزيادة مرة أخرى. إن الازدواجية T "ترتد" الانهيار، الذي يصبح توسعًا إضافيًا.

الكون بالمقلوب:

عند اختفاء الفرادة ، لا شيء يمنع من تخيل وجود الكون قبل الانفجار العظيم. من خلال الجمع بين التناظرات التي قدمتها نظرية الأوتار مع التناظر الانعكاسي للزمن، والذي وفقًا له تعمل معادلات الفيزياء بشكل غير مبالٍ عند تطبيقها على المستقبل أو الماضي، تخيل الباحثون كوزمولوجيات جديدة أو علم كونيات جديد، حيث إن الانفجار العظيم ليس بداية الزمن ، ولكنه مجرد انتقال عنيف بين حالتين من الكون: قبل ذلك ، يتسارع التوسع ، ثم يتباطأ بعد ذلك. تتمثل ميزة هذا التصميم في أنه يدمج تلقائيًا أفكار النموذج التضخمي، أي وجود فترة تضخم متسارع قادر على تبرير تجانس الكون. في النظرية المعيارية، يحدث التسارع بعد الانفجار العظيم بسبب الانفجار. في علم الكونيات الوتري cosmologie des cordes ، يحدث التسارع قبل الانفجار العظيم وينتج عن تماثلات النظرية symétries de la théorie.

الظروف المحيطة بالانفجار العظيم شديدة لدرجة أنه لا يمكن لأحد حل المعادلات التي تصفها. ومع ذلك، تجرأ منظرو الأوتار على وصف جوانب الكون قبل الانفجار العظيم. نموذجان قيد الدراسة حاليا. الأول، المعروف باسم سيناريو ما قبل الانفجار العظيم، يفترض أن الكون قبل الانفجار العظيم هو صورة معكوسة كما في المرآة لكون ما بعد الانفجار العظيم. يتوسع الكون إلى الأبد في المستقبل كما في الماضي. منذ فترة طويلة إلى ما لا نهاية، كان فارغاً تقريبًا وتحتوي فقط على غاز مخلخل raréfié من الإشعاع والمادة. كانت قوى الطبيعة، التي يسيطر عليها التمدد، ضعيفة لدرجة أن جزيئات هذا الغاز بالكاد تتفاعل. بمرور الوقت، تكثفت القوى وبدأت المادة تتجمع. تراكمت في بعض المناطق على حساب جيرانها. أصبحت الكثافة هناك عالية بحيث تشكلت الثقوب السوداء. تم عزل المادة المحاصرة بالداخل وانقسم الكون إلى أجزاء منفصلة. داخل كل ثقب أسود، كانت كثافة المادة أعلى دائمًا. عندما وصلت الكثافة ودرجة الحرارة والانحناء إلى القيم القصوى التي تسمح بها نظرية الأوتار، "ارتدت" هذه الكميات وبدأت في الانخفاض. الانفجار العظيم ليس سوى المرحلة التي  حدث فيها هذا الانعكاس. أصبح الجزء الداخلي من أحد هذه الثقوب السوداء كوننا.

تصادم الأغشية:

كان سيناريو ما قبل الانفجار العظيم، الذي اقترحه أحد العلماء مع زملائه في عام 1991 ، أول محاولة لتطبيق نظرية الأوتار على علم الكونيات. لقد أثار الكثير من الانتقادات، ويبقى أن نرى ما إذا كانوا قد حددوا عيبًا كبيرًا.

يشار إلى النموذج الرئيسي الآخر الذي يصف الكون قبل الانفجار العظيم على أنه سيناريو ekpyrotic- ekpyrotique (من الكلمة اليونانية التي تعني حريق). تم تطوير هذا السيناريو منذ عام 2001 من قبل نيل توروك Neil Turok، جامعة كامبريدج، وبول ستينهاردت Paul Steinhardt، جامعة برينستون، ويستند هذا السيناريو إلى فكرة أن كوننا سيكون عبارة عن غشاء D يطفو بالقرب من الآخر في مساحة ذات أبعاد أعلى. تتصرف المسافة بين الأغشية مثل الزنبرك الذي يتسبب في اصطدامها أثناء تقلصها. تتحول طاقة الصدمة إلى مادة وإلى إشعاع: هذا هو الانفجار العظيم. في أحد أشكال هذا السيناريو، تحدث الاصطدامات بشكل دوري. يلتقي غشاءان وينططان ويتفككان قبل أن يستقر أحدهما فوق الآخر وهكذا. بين هذه الاصطدامات، تتمدد الأغشية بشكل مستمر، باستثناء مرحلة من الانكماش قبل الصدمة مباشرة. يتباطأ التمدد عندما تتفكك الأغشية وتتسارع عندما تقترب مرة أخرى. إن مرحلة التسارع الحالية للتوسع الكوني، التي تم اكتشافها في السنوات الأخيرة من خلال مراقبة المستعرات الأعظمية البعيدة، قد تنذر بحدوث تصادم قادم

 سيناريو - ekpyrotique ekpyrotic. إذا كان كوننا عبارة عن غشاء متعدد الأبعاد، وببساطة "غشاء"، يطفو في فضاء ذي أبعاد أعلى، فإن الانفجار العظيم كان سينتج عن اصطدام غشاءين متوازيين. وقد تحدث اصطدامات بشكل دوري.

تشترك سيناريوهات ما قبل الانفجار العظيم و - ekpyrotique Ekpyrotic في بعض السمات المشتركة. كلاهما يبدأ بكون ضخم وبارد وشبه فارغ، وكلاهما يكافح لشرح الانتقال بين مرحلتي ما قبل الانفجار العظيم وما بعده. رياضيا، يكمن الاختلاف الرئيسي بينهما في سلوك الديلاتون dilaton. في سيناريو ما قبل الانفجار العظيم، كانت قيمته منخفضة جدًا في البداية، وبالتالي فإن القوى الأساسية ضعيفة، وتزداد شدتها تدريجيًا. في السيناريو ekpyrotic - ekpyrotique ، يكون الأمر عكس ذلك: يحدث الاصطدام عندما تكون شدة القوى ضئيلة.

أثار هذا الضعف في القوة الأمل في تحليل الارتداد بنجاح باستخدام التقنيات التقليدية. لسوء الحظ، في المتغيرات الحالية، عندما تتجمع الأغشية حتى تصطدم، "ينهار" البعد بينهما، لذلك لا يمكن تجنب التفرّد أو الفرادة. هناك عقبة أخرى تتمثل في ضرورة ضبط الشروط الأولية بدقة بحيث يمكن حل المشكلات الكونية التقليدية. على سبيل المثال، قبل حدوث الصدمة، يجب أن تكون الأغشية متوازية تقريبًا، وإلا فلن تؤدي إلى حدوث انفجار كبير متجانس بما فيه الكفاية.

وبغض النظر عن المهمة الصعبة المتمثلة في دعم هذين السيناريوهين رياضيًا، يبحث الفيزيائيون بالفعل عن عواقب يمكن ملاحظتها. للوهلة الأولى، يثير النموذجان تخمينات ميتافيزيقية أكثر منها نظريات فيزيائية. ومع ذلك، يمكن أن يكون لتفاصيل حقبة ما قبل الانفجار العظيم عواقب ملحوظة، تمامًا مثل تلك الموجودة في عصر التضخم. توفر التقلبات الصغيرة التي لوحظت في درجة حرارة واستقطاب إشعاع الخلفية الكونية المنتشر اختبارًا تجريبيًا.

يتم تفسير تقلبات درجات الحرارة على أنها السمة المميزة للموجات الصوتية التي انتشرت في البلازما البدائية خلال 380.000 سنة قبل انبعاث إشعاع الخلفية الكونية. يثبت انتظام هذه التقلبات أن الموجات الصوتية تم إنشاؤها في نفس الوقت. تفي جميع النماذج التضخمية ونماذج ما قبل الانفجار العظيم والنماذج ekpyrotic - ekpyrotique بهذا القيد وتجتاز الاختبار الأول. تتولد الموجات الصوتية في نفس الوقت عن طريق التقلبات الكمومية التي يتم تضخيمها خلال مرحلة التوسع المتسارع.

علاوة على ذلك، يتنبأ كل نموذج بتوزيع زاوي محدد للتقلبات fluctuations. تظهر الملاحظات أن اتساع تقلبات الحجم الزاوي الكبير ثابت، بينما يتم ملاحظة القمم على المقاييس الصغيرة. النموذج التضخمي يعيد إنتاج هذا التوزيع بشكل مثالي. أثناء التضخم، يتغير انحناء الزمكان ببطء. وهكذا تتولد تقلبات ذات أحجام مختلفة في ظل ظروف مماثلة ويكون طيف التذبذب الأولي ثابتًا فيما يتعلق بالمقياس الزاوي. تنتج القمم الصغيرة الحجم عن تغيير التقلبات الأولية في التاريخ اللاحق للكون. في علم الكونيات الوترية، يتغير انحناء الزمكان بسرعة كبيرة، مما يزيد من حجم التقلبات على نطاق صغير. ومع ذلك، فإن العمليات الأخرى تعوض هذه الظاهرة: في السيناريو ekpyrotic - ekpyrotique، ينتج عن تقلص الأغشية طيف تذبذب ثابت الحجم؛ في نموذج ما قبل الانفجار العظيم، يتدخل مجال كمي يسمى كورفاتون curvaton. أيضًا، في الوقت الحالي، تتوافق النماذج الثلاثة مع الملاحظات والمشاهدات الرصدية.

تبدو مراقبة الكون ما قبل الانفجار العظيم مستحيلة إلى الأبد. ومع ذلك، بقي شكل من أشكال الإشعاع من ذلك الوقت: ألا وهو موجات الجاذبية أو الموجات الثقالية. يمكننا الكشف عن آثارها على استقطاب الخلفية الكونية المنتشرة. تتنبأ سيناريوهات ما قبل الانفجار الكبير وسيناريوهات ekpyrotic - ekpyrotique بموجات جاذبية عالية التردد، وترددات منخفضة أقل من نموذج التضخم. لا تستطيع الملاحظات الحالية فصل هذه النماذج، لكن قياس استقطاب الخلفية الكونية المنتشرة بواسطة القمر الصناعي الفضائي بلانك، في وقت مبكر من عام 2007، ويجب أن تساعدنا ملاحظات كاشفات موجا الجاذبية VIRGO وLIGO.

يوفر استقطاب الخلفية الكونية المنتشرة اختبارًا آخر. على عكس النماذج الأخرى، يتنبأ سيناريو التضخم بأن موجات الجاذبية ساهمت في تقلبات درجات الحرارة. قد تترك بعض موجات الجاذبية هذه بصمة في استقطاب إشعاع الخلفية الكونية. يمكن للملاحظات من القمر الصناعي Planck التابع لوكالة الفضاء الأوروبية الكشف عن هذا التوقيع، إذا كان موجودًا. إن اكتشافه سيشكل حجة قوية للتضخم.

تحليل الخلفية الكونية ليس الطريقة الوحيدة لاختبار هذه النظريات. يتنبأ سيناريو ما قبل الانفجار العظيم بانبعاث موجات الجاذبية الثقالية، والتي سيكون بعضها متاحًا لكاشفات موجات الجاذبية مثل VIRGO. علاوة على ذلك، نظرًا لأن سيناريوهات ekpyrotic - ekpyrotique و ما قبل الانفجار الكبير تتضمن اختلافات في الـ dilaton ، المقترن بالمجال الكهرومغناطيسي ، فإنهم يتوقعون وجود تقلبات مجال مغناطيسي واسعة النطاق. يمكن العثور على بقايا هذه التقلبات في المجالات المغناطيسية للمجرة. متى بدأ الزمن؟ لم يجيب العلم بعد على هذا السؤال، لكن لديه على الأقل نظريتان قابلتان للاختبار تدعي بشكل معقول أن الكون - وبالتالي الزمن - كان موجودًا قبل الانفجار العظيم. إذا كان أي من هذين السيناريوهين صحيحًا، فهذا يعني أن الكون موجود دائمًا.

ملحوظة: بلانك هو مرصد فضائي طورته وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) بمشاركة وكالة الفضاء الأمريكية، ناسا

تعدد الأكوان فرضية مستمدة من عدة نماذج لفيزياء الكموم أو الكوانتوم، كما إن فرضية الأكوان المتعددة تسبب الدوار والذهول، فالكون المرئي من الكبر والشساعة بمكان بحيث لا يمكن للمرء أن يتخيله أو يدركه فما بالك لو كان الأمر يخص كوناً مطلقاً كلي يحتوي على عدد لامتناهي من الأكوان على غرار كوننا المرئي؟ من الواضح أن الفرضية الفيزيائية الفلكية للكون المتعدد حديثة جدًا في تاريخ العلم، فهي مشتقة أو مستمدة جزئيا من المفاهيم التي مهدت الأرضية لازدهار فكري. في العصور الوسطى وفي العصر الكلاسيكي، ظهرت فكرة العوالم المتعددة. ففي بداية القرن الخامس عشر • نيكولاس دي كوي Nicolas de Cues - معاصر لإعادة اكتشاف أعمال الشاعر اللاتيني لوكريس Lucrèce – كان من أوائل من تخيل تعدد العوالم التي يتميز سكانها بشخصيتهم الخاصة. يستحضر جيوردانو برونوGiordano Bruno، في نصوص جريئة جدًا بالنسبة لعصره، "العوالم اللامتناهية الكبيرة والواسعة". فرانسوا رابليه François Rabelais، تخيل عوالم متعايشة، تعايش سحري أو صوفي غامض، ومستوحاة من مائة وثلاثة وثمانين عالماً للفيلسوف ما بعد سقراط بيترون هيميرPetron d’Himère. وبمعنى مختلف تمامًا، في القرن السابع عشر، فكر الفيلسوف ليبنيز Leibniz في عوالم متعددة جعلت من الممكن فهم عالمنا على أنه "الأفضل" وإدخال شكل من أشكال الطوارئ أو الحالات الطارئة في قلب تعريف الاحتمالات الممكنة.

هل نتحدث حقاً عن تعدد الأكوان؟

ولكن في عام 1957 كان هيوغ إيفريت يصيغ نظرية عوالم متعددة كتفسير لميكانيكا الكموم الكوانتوم mécanique quantique. كانت تلك الفكرة صاعقة وساحقة ومثير للاضطراب لأنها صيغة تحدي، تضع موضع تساؤل ومراجعة وتشكيك لوحدة وفرادة أو تفرد الكون. تذكر أن كلمة "الكون" تعني معرفياً ومن الناحية اللغوية "تحول نحو الواحد"، والذي يقدم كمفارقة فكرة الكون المتعدد بصيغة الجمع. ومع ذلك، فإن هذا هو ما تفترضه هذه النظرية، أي وجود أكوان متعددة أو الكون "المتعدد"multiples univers. لفهم الأكوان المتعددة multivers، يجب على المرء أن يتخيل كونًا منسحبًا أو متداخلاً gigogne، "أكوان متعددة" تتطور عن طريق التضخم الأبدي وتتكون من عدد كبير جدًا من الأكوان الفقاعية univers-Bulles التي تقدم كل منها قوانينها الفيزيائية الخاصة بها وتحتوي على ما لا نهاية من الأكوان. لن تصف نظرية الأوتار الفائقة كوننا، بل الأكوان المتعددة، أي أن كل الأكوان ربما تكون قد ولدت من خلال عملية التضخم. ولدت هذه النظرية من ملاحظتين غامضتين لغزيتين: 1) أولاً، أن الكون متجانس على النطاق الواسع أو الكبير. عندما نحلل الخلفية الكونية الميكروية المنتشرة، ندرك أن درجة حرارتها هي نفسها في كل مكان، وفي جميع الاتجاهات. لكي تكون درجة حرارة البيئة متساوية الحرارة، يجب أن يكون لدى جميع الأطراف وقت للتفاعل مع بعضها البعض (توزيع الطاقة)، بنفس الطريقة التي يستغرقها كوب من الماء بعض الوقت لاعتماد درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك، فإن الفترة التي فصلت "الانفجار الأعظم" عن تحرر الخلفية الكونية الميكروية، التي يبلغ طولها 380.000 سنة، هو وقت قصيرة جدًا بالنسبة لجميع مناطق الكون التي كان لديها الوقت اللازم للتفاعل، مع مراعاة حقيقة أن سرعة الضوء محدودة لا تتجاوز الــ 300000كم/ثانية. السؤال الواضح إذن هو التالي: كيف يمكن أن يكون هذا الإشعاع (الخلفية الكونية الميكروية) متجانساً؟ ثم يتحول الكون إلى سطح مستو. في البداية، يمكن أن يكون انحناءه إيجابيًا أو سلبيًا أو صفرًا بالضبط. إنها بالضبط صفر. في الكون، اثنان 2) ثم يتحول الكون إلى سطح مستو. في البداية، يمكن أن يكون انحناءه إيجابيًا أو سلبيًا أو صفرًا بالضبط. إنها بالضبط صفر. في الكون، لا يجتمع خطان متوازيان أبدًا؛ وبالتالي فإن مقياسه إقليدي. مصادفة غريبة. نحن نعلم أن الانحناء المكاني للكون يتحدد بكثافة المادة والطاقة التي يحتويها. إذًا كيف يتوافق متوسط كثافتها مع انحناء صفري هندسي؟ (هذه الكثافة تسمى "الكثافة الحرجة" وتتوافق مع كثافة الطاقة التي يجب أن يكون عليها الكون المتجانس والمتناحي إيزوتروب isotrope وفي حالة متوسع لكي يكون انحنائه المكاني صفرًا. وهو يختلف عن النماذج "المغلقة" - مع انحناء مكاني إيجابي - يولد كونًا كرويًا ونماذج

"مفتوحة" - مع انحناء مكاني سلبي - خالقاً كوناً كروي على نحو مغالى به قطعي أو متسم بالغلو hyperbolique. بحيث تتساوى كثافته مع الكثافة الحرجة ويحتوي على انحناءة مكانية صفرية أو معدومة، أي أن قواعد الهندسة الإقليدية المعتادة صالحة هناك على نطاق واسع) لماذا تساوي الصفر بدلاً من أي قيمة أخرى؟ إنها ألغاز "تسطح الكون واستوائه" (أو على الأقل من الفضاء على هذا النحو). ‘نها فرضية كوزمولوجية طورها آلان غوث وأليكسي ستاروبينسكي في عام 1981 لحل هذا اللغز ألا وهي: نظرية التضخم الكوني. خلال هذه المرحلة، تضاعفت المسافات في الكون بعامل من رتبة 1050 في 10 -32 ثانية (في حين أنه في العشرة مليار سنة الأخيرة من الكون، تم ضرب المسافات داخله بعامل 104). إنه هذا التضخم هو ما يفسر تجانس الكون واستواءه. التجانس الحراري: قبل أن تبدأ آلية التضخم، كان الجزء المقابل للجزء المرئي حاليًا صغيرًا بشكل استثنائي، حوالي 1054 أصغر من المادة الصلبة تجاه اليوم (وبالتالي أصغر من نواة ذرة)، لذلك يمر الضوء بسهولة من خلال هذا الجزء، حتى مع فقط10 -32 ثانية تحت تصرفه. الأجزاء التي يمكن ملاحظتها الآن (وهي جزء صغير من الكون) كانت مرتبطة ارتباطًا سببيًا قبل التضخم. تم الوصول إلى التوازن الحراري قبل التضخم الذي حدث أن نشر هذا التوازن الحراري من خلال توزيع نصف قطر متجانس في المناطق التي تبدو لنا أقل أهمية أو مستقلة، بنفس طريقة البالون المنتفخ، إذا كان منحنيًا جيدًا على نطاق واسع، يبدو شبه مسطح إذا نظرنا إليه بواسطة جزء صغير من الواجهة. باختصار، خلال 10 -32 ثانية، لم يكن الكون قد نشر بما يكفي حتى يظهر الانحناء، لذا بدا مستوياً. لا تزال فرضية التضخم في انتظار تأكيد تجريبي أو مشاهدة رصدية ( يسعى على وجه الخصوص إلى قياس الاستقطاب المحتمل للفوتونات من الخلفية الميكروية الكونية المنتشرة عن طريق الهزات الكمومية الزمكانية الناتجة عن التضخم) لكنه فرض نفسه تدريجيًا ضمن النموذج الكوني في متغيرات متعددة، بما في ذلك التالي: في منتصف العام  في أواسط سنوات ثمانينيات القرن العشرين، أظهر أندريه ليند وأليكس فيلينكين أنه لو حدثت عملية التضخم، لكانت قد ولدت خلقًا دائمًا للكون، ما يسمى "التضخم الأبدي"، لدرجة أنه `` ستواجه العديد من مناطق الفضاء دائمًا مرحلة توسع متسارع، مما يؤدي باستمرار إلى ظهور أكوان فقاعية جديدة (كلها مختلفة، مع معلمات أو بيانات فيزيائية أخرى). باختصار، وفقا لنموذج منتشر للغاية، فإن كل أنواع الكون ستكون ممكنة وفعالة في مكان ما، بعيدًا عن كوننا. ما علاقة هذا بالكون المتعدد؟ حسنًا، عندما ندرج فرضية هذا التضخم الأبدي في إطار نظرية الأوتار الفائقة، نحصل على نظرية الأكوان المتعددة! هناك عدد هائل من الاختلافات في هذه النظرية (مع كل كون معين، مجموعة الثوابت الأساسية الخاصة به). هل هذا خداع نظري؟ لا أحد يعرف. يعتبر البعض فرضية العمل هذه ضرورية، والبعض الآخر يحكم عليها بأنها تشكل خطراً من الناحية المعرفية لأنها ميتافيزيقية تقريبًا وعلى أية حال هي ليست أولوية، والهدف هو أولاً أن يصفوا كوننا قبل الأكوان الافتراضية الأخرى. ما وراء المسار هناك "نظرية الأوتار + التضخم الكوني"، ما يوضع في إطار نظرية الثقالة أو الجاذبية الكمومية الحلقية (مسار كمي كبير آخر تمت دراسته) صاغه لي سمولينLee Smolin- المنظر الرئيسي للجاذبية أو الثقالة الكمومية الحلقية - في عام 1992 والتي تناولها باستفاضة في كتابه حياة الكون La vie du Cosmos في عام 1997، والفكرة هي أن عملية مماثلة للانتقاء أو الانتخاب البيولوجي الطبيعي تنطبق على الكون: فانهيار الثقوب السوداء يخلق أكوانًا جديدة حيث إن الثوابت الأساسية الجوهرية يمكن أن تختلف عن ثوابت الثقوب السوداء الأصل. لذلك يولد كل كون عدد من الأكوان أكبر من العدد الممكن لما فيه من ثقوب سوداء. بدون ثوابت كونية كافية، يمكن أن تموت بعض الأكوان وهو المسمى الموت الحراري قبل أن يقوم بتوليد "أحفاد". تتناول النظرية الموضوعات التطورية لتكاثر الأكوان وتحولها وفق صيغة الانتخاب أو الانتقاء الطبيعي البيولوجية والبقاء للأصلح. أكثر الأكوان خصوبة هي تلك الغنية بالكربون والأكسجين (أيضًا تلك التي من المحتمل أن تأوي الحياة). ويضيف العالم أورليان بارو Aurélien Barrau أن تضيف: "هذا يؤدي إلى استبدال الفرادات في قلب الثقوب السوداء بـ" الارتدادات "التي تسمح لنا بتخيل كل ثقب أسود كمخترع ومولد لكون جديد. يتسبب عنف الارتداد في اختلاف طفيف في القوانين ويمكن بعد ذلك افتراض آلية "داروينية" لخلق الكون. تطور الانتقاء الطبيعي قوانين الفيزياء نحو الحالة الفائقة القصوى، l’état maximisant وبالتالي تعظيم وتعميم خلق الثقوب السوداء في كل كون. "

هل هي نظرية ميتافيزيقية؟

كما يلاحظ أورليان بارو Aurélien Barrau، "تتيح لنا الأكوان المتعددة أن نحل بشكل طبيعي واحدة من المشكلات المزعجة للفيزياء النظرية: وهي مشكلة الطبيعة naturalité. كيف نفهم أن معظم الثوابت الأساسية - من بينها الثابت الكوني الشهير الذي يتسبب في تسريع توسع كوننا – تتبنى غالبا قيم محددة للغاية ومناسبة بشكل خاص لوجود التعقيد؟ تتيح الأكوان المتعددة الهروب من الاجابة اللاهوتية – الغيبية. تسمح لك نظرية الأكوان المتعددة باكتساب ارتفاع الرؤية وعلو أو سمو التفكير لجعل الأمر غير المحتمل لا يمكن إلا أن يبدو محتملاً فقط. كما يقول ماكس تيغمارك، في الفضاء اللانهائي، حتى الأحداث الأكثر عدم احتمالية، يجب أن تحدث في مكان ما، ومن سمات ومميزات وأفضال هذه النظرية أنها تخرجنا أفقنا الأنثروبوسنتريك anthropocentrée الإنسي وتأكيد الطارئ contingence لمقارعة فكرة ضرورة ظهور الإنسان والحياة بشكل عام. بعبارة أخرى لهذه النظرية ميزة كبيرة في إخراجنا من منظورنا المتمركز حول الإنسان وإعادة التأكيد على الاحتمالية لموازنة الأشياء التي يمكن أن تتغير، والتي ليست ذات أهمية قصوى. مع ما لا نهاية من الأكوان لكل منها إعدادات مختلفة، فمن المحتمل أن يكون لدى واحد منها على الأقل قوانين تسمح بالحياة، بنفس الطريقة التي يعتبرها الفائز باللوتو أن فوزه غير محتمل في حين أنه لا بد لشخص ما أن يربح. بروح نقدية حادة قليلاً، يتساءل البعض عن الطابع العلمي لهذه النظرية. يجب أن نتذكر أن أحدث نظريات الكموم الكوانتية المتطورة هي بذاتها بعيدة عن أي رسو تجريبي حتى الآن، غارقة كما هي تحت طوفان من المعادلات الرياضياتية المجردة والشكليات التجريدية، وهنا مع هذه النظرية نحن أبعد من ذلك. الأكوان المتعددة هي امتداد لنظرية الكموم الكوانتوم التي يبدو أنها لا علاقة لها بالواقع، في الحقيقة، ليس لدينا أي يقين حاليًا حول الطبيعة المحدودة أو اللانهائية المحتملة للكون لأننا توصلنا فقط إلى رصد جزء من الكون المرئي. فكيف يمكننا إذن اختبار هذه النظرية تجريبيا؟ لا يمكننا ذلك، وهذا ما يجعل العديد من المعلقين يشككون، حتى بين العلماء أنفسهم. خلافا للاعتقاد الشائع، مهما كانت النظرية بعيدة المنال، فإن نظرية الأكوان المتعددة ليست للجميع أن الفرضية "الميتافيزيقية" بسيطة، وفقًا لعالم الفيزياء الفلكية أوريليان بارو: إذا كان من الواضح أنه لا يمكن الوصول إلى أكوان الفقاعة هذه، فإن النظرية في حد ذاتها "قابلة للدحض"، وبالتالي فهي علمية تمامًا بالمعنى البوبري، وذلك لأن الأكوان المتعددة ليست في حد ذاتها نموذجًا. ولكن نتيجة واحدة، من بين أمور أخرى، لنماذج فيزياء الكموم التي يمكن اختبارها: "إذا كنا نعرف التوزيع الاحتمالي للأنواع المختلفة من الأكوان التي تنبأت بها النظرية ويمكننا - توقيت احتمالية ظهور المراقبين في هذا النوع من الكون، من الممكن تقدير ما إذا كان وجودنا داخل كوننا يؤيد (إلى درجة معينة من الثقة) هذه النظرية. هذا النهج غير ممكن من الناحية التقنية اليوم - خاصة وأن تعريف القياس في الأكوان المتعددة يمثل مشكلة معقدة للغاية - لكن النهج علمي للغاية بالمعنى التقليدي للكلمة. " في العلوم، عندما يتم تحديد مجال تأديبي، يكاد يكون من المستحيل على الممارس الخروج من التعريف. في بعض الأحيان يتم رفض نظرية "الأكوان المتعددة" ليس بسبب عدم الاهتمام المحتمل بحافز العقل (تنوع الأكوان ليس شاذًا من الناحية المفاهيمية، حتى لو كان ذلك في حد ذاته يتعارض مع مصطلح "الكون")، ولكن تحت العنوان qt، "يتم استخراجه من تعريف العلم لأن اختبار نظرية غير متجانسة في أحسن الأحوال محتملاً، وفي أسوأ الأحوال مستحيلاً ...

"قابلية إعادة التغلب" على بوبر

مفهوم مهم في نظرية المعرفة المعاصرة والذي ينص على أن النظرية التي تدعي أنها علمية يجب أن تكون، لا يمكن التحقق منها، ولكن يمكن دحضها (قابلة للتزوير). يقال إن النظرية العلمية يمكن دحضها إذا كان من الممكن تسجيل ملاحظة أو إجراء تجربة من شأنها، إذا كانت إيجابية، أن تتعارض مع هذه النظرية. مثال: حقيقة عدم ملاحظة البجعة التي ليست بيضاء لا تثبت صدق العبارة "كل البجعات بيضاء"، وهذا يزيد فقط من احتمال صحتها. من ناحية أخرى، يكفي بجعة سوداء واحدة لدحضها. هذه أطروحة مركزية لفيلسوف العلم كارل بوبر: عدم التماثل بين الخطأ والحقيقة. لذلك، يمكن أن يتعلق اليقين العلمي فقط بعمليات الطعن. من المستحيل إثبات النظرية بشكل قاطع، ولكن مع استبعاد النظريات المتنافسة، يزداد احتمال النظرية التي تقاوم. كل محاولة فاشلة لدحض نظرية تساهم في زيادة "صلاحيتها" من خلال توسيع مجالات تطبيقها.

د. جواد بشارة

.....................

المراجع الببليوغرافية

- جايلز سبارو، 50 مفتاحًا لفهم الكون، إصدارات Dunod

عن موقع أنا أثق بالعلم باللغتين الفرنسية والانجليزية

إعداد واختيار وترجمة: د. جواد بشارة

 وقع ستيفن هوكينغ، قبل وفاته، مع 32 من كبار الفيزيائيين خطابًا بشأن الجدل حول أصل الكون. لقد كنا نتساءل كيف بدأ الكون طيلة قرون عديدة ولم نصل إلى ‘جابة ناجعة وقاطعة ومثبتة علمياً. لقد تم إحياء هذا الجدل مؤخرًا، لأن 33 من أشهر علماء الفيزياء في العالم قد نشروا رسالة مفتوحة تدافع عن إحدى الفرضيات الرئيسية حول أصل الكون، ألا وهي: نظرية التضخم الكوني. هذه الرسالة هي في الواقع استجابة مباشرة ورد نقدي على مقال نُشر في مجلة أمريكان ساينتفيك Scientific American في فبراير 2017، انتقد فيه ثلاثة فيزيائيين بشدة نظرية التضخم: تفترض هذه النظرية أن الكون تطور مثل البالون، بعد فترة طويلة من الانفجار العظيم. وذهب المقال إلى حد الادعاء بأن النموذج الكوني التضخمي "لا يمكن تقييمه باستخدام المنهج العلمي" - وهو المعادل الأكاديمي للادعاء بأنه ليس علمًا حقيقيًا.

نُشرت الرسالة المفتوحة من قبل 33 عالمًا فيزيائيًا مشهورًا عالميًا، بما في ذلك ستيفن هوكينغ وليزا راندال وليونارد سوسكيند، في مجلة Scientific American. في الأساس: ليعبروا عن غضبهم الشديد تجاه زملائهم الثلاثة.

تم اقتراح نظرية التضخم الكوني من قبل عالم الكونيات آلان غوث في عام 1979. هذا النموذج الكوني (الملائم في نموذج الانفجار الكبير والضروري لمقبوليته)، مبني على فكرة أنه في جزء من الثانية بعد الانفجار العظيم، كان الكون قد عرف مرحلة من التوسع السريع والعنيف للغاية والذي كان من شأنه أن يسمح له بالنمو بعامل كبير. في السنوات التي تلت ذلك، تم تحسين فكرة غوث الأصلية وتحديثها من قبل علماء الفيزياء في جامعة ستانفورد، ولا سيما أندريه ليند، الذين كرسوا حياتهم المهنية منذ ذلك الحين لتحسين هذا النموذج من التضخم الكوني، والذي أصبح النظرية الرئيسية المتعلقة بميلاد الكون.

لهذا السبب، ذهب غوث وليند، بالإضافة إلى عالِمَي الكونيات ديفيد كايزر وياسونوري نومورا، لتجنيد 31 موقعًا آخرين على الرسالة المفتوحة. هناك حقيقة مثيرة للاهتمام وهي أن أحد زملاء غوث وليند السابقين ليس سوى الفيزيائي بول شتاينهاردت، وهو من بين الثلاثة الذين يحتشدون ضدهم ونشروا الرسالة العلمية التي تدحض صلاحية نموذج التضخم الكوني. في الواقع، شارك كل من غوث وليند وشتاينهارت في جائزة ديراك المرموقة "لتطوير مفهوم التضخم في علم الكونيات" في عام 2002.

ولكن، في السنوات التي تلت ذلك، إنقلب شتاينهارد وأصبح شديد النقد للنظرية التضخمية التي عمل عليها طيلة سنوات. كان أحد مؤلفي مقال Scientific American إلى جانب عالمة الفيزياء في جامعة برينستون آنا إيجاس وعالم الفلك بجامعة هارفارد أبراهام لوب.

ركزت هذه المقالة على الأبحاث الحديثة حول الخلفية الكونية الميكروية المنتشرة، والتي لا تتطابق مع توقعات النظرية التضخمية حزب زعمهم. انتقد المقال أيضًا أن التضخم كان سيولد موجات ثقالية بدائية، والتي لم يتم تحديدها مطلقًا. "تشير البيانات إلى أنه يجب على علماء الكونيات إعادة تقييم هذا النموذج المميز والنظر في الأفكار الجديدة حول كيفية بدء الكون"، كما أوضحوا في المقالة.

لكن هذا النقد في حد ذاته ليس هو المشكلة، فهذه الحجج سليمة في العالم العلمي. ما أزعج غوث وليند والموقعين الـ 31 الآخرين هو الاقتراح بأن نظرية التضخم الكوني لا يمكن اختبارها، وبالتالي فهي ليست علمية حقًا. "لقد قدموا هذا الادعاء الاستثنائي بأن علم الكونيات التضخمية" لا يمكن تقييمه باستخدام الطريقة العلمية التجريبية «وادعوا أن بعض العلماء الذين يقبلون التضخم قد اقترحوا " رفض إحدى الخصائص المحددة العلم كشرط مسبق أي: "القابلية للاختبار التجريبي"، وبالتالي فإن فكرة أو فرضية التضخم الفوري الهائل هي "نوع من العلم غير التجريبي «، كما يشرح الفيزيائيون في رسالتهم المفتوحة.

ليس لدينا أي فكرة عن العلماء الذين يشيرون إليهم. نحن نختلف مع عدد من العبارات الواردة في مقالتهم، ولكن في هذه الرسالة سوف نركز على اختلافنا القاطع مع هذه العبارات حول قابلية اختبار التضخم "، يضيف العلماء المنددين بزملائهم الثلاثة المعترضين في رسالتهم قائلين:" تعتمد نظرية التضخم الكوني بالفعل على العديد من النماذج. على مدار الـ 37 عامًا الماضية، ولقد جعلت بعض هذه النماذج من الممكن عمل تنبؤات صحيحة وقابلة للتحقق: بما في ذلك على وجه الخصوص فيما يتعلق بمتوسط كثافة الكتلة للكون وكذلك شكله. ومع ذلك، لم يتم حل العديد من هذه النماذج. لكن على أي حال، فإن النموذج الأخير قابل للاختبار، أي نعم، هذا علم، ويمكن إثباته أو دحضه بناءً على أي دليل سيتم العثور عليه في المستقبل.

علق شون كارول، أحد الفيزيائيين الذين وقعوا الرسالة: "نحن نحكم على النظريات من خلال ما تتوقعونه ويمكن اختباره، وليس تلك التي لا يمكن اختبارها. من الصحيح تمامًا أن هناك أسئلة مهمة لم تتم الإجابة عليها فيما يتعلق بالنموذج التضخمي. لكن الإجابة الصحيحة في هذا الموقف هي إما العمل لمحاولة الإجابة على هذه الأسئلة أو التركيز على شيء آخر (وهو خيار محترم تمامًا). يجب ألا ندعي أن الأسئلة، من حيث المبدأ، بدون إجابة، وبالتالي فهي تركت مجال العلم أو باتت خارج العلم".

منذ ذلك الحين، استجاب مؤلفو المقال الأول أيضًا، بنوع من الأسئلة الشائعة المتعلقة بالمناقشة. وهم يحافظون على موقفهم بأن التضخم كان يمكن التحقق منه ذات يوم، لكن "ما بدأ في الثمانينيات كنظرية بدا أنها تقدم تنبؤات نهائية قد تطور إلى نظرية لا تقدم تنبؤات محددة".

لسوء الحظ، لا يوجد حل لهذه المناقشة حتى الآن وكلا الجانبين حازم للغاية. الشيء الوحيد الذي يتفق عليه الطرفان هو أن نظرية التضخم ليست مثالية. لذلك يجب علينا جميعًا أن نكون منفتحين بشأن ما حدث حقًا عند ولادة الكون، حيث تتوفر بيانات جديدة. أو، كما يقول غوث عندما سئل عما سيحدث بعد ذلك، "أعتقد أننا سنواصل بحثنا فقط."

يمكن قراءة مقال Scientific American المنشور في فبراير 2017 وهي رسالة مفتوحة للرد، الذي نُشر أيضًا في Scientific American ومتوفر على موقع المجلة.

2- أكوان أخرى محتملة:

في سياق البحث عن تداعيات التضخم الكوني المفاجيء والدائم والتوسع الكوني المتسارع، ربما يكون العلماء قد حددوا دليلاً على وجود أكوان أخرى قبل كوننا.

يقول العلماء إنهم حددوا أدلة محتملة تظهر وجود أكوان أخرى قبل كوننا. تستند استنتاجات الدراسة إلى ملاحظات أدلة منبهة في سماء الليل، أي "بقايا الثقب الأسود" من كون سابق.

لفهم ما يقوم عليه هذا الاكتشاف، دعونا نبدأ بتقديم مفهوم "علم الكون الدوري cosmologie cyclique «، أو "الأكوان الدورية المتعاقبة d’univers cycliques «. تستند فكرة الأكوان الدورية على نموذج علم الكون الدوري المطابق cosmologie cyclique conforme (CCC). وهي النظرية التي وفقًا لها أن كوننا يمر عبر دورات ثابتة بما في ذلك الانفجارات الكبيرة والضغط الكوني، على عكس النموذج القياسي لعلم الكونيات، حيث كان هناك بداية واحدة فقط ونفس البداية (الانفجار العظيم).

بينما سيتم تدمير معظم مكونات السابق الكون من دورة إلى أخرى، يقول فريق الباحثين إن بعض الإشعاع الكهرومغناطيسي يمكن أن ينجو من عملية "التجديد". تم نشر نتائجهم على خادم arXiv. قال روجر بنروز، أحد أقطاب هذه النظرية، وهو عالم الفيزياء الرياضية بجامعة أكسفورد، لمجلة نيو ساينتست: "ما ندعي رؤيته هو آخر بقايا بعد أن تبخر ثقب أسود في الكون السابق". بنروز هو أيضًا مؤلف مشارك للدراسة ومؤلف مشارك لنظرية CCC.

ويأتي "الإثبات" على شكل "نقاط هوكينغ points Hawking «، التي سميت على اسم الراحل ستيفن هوكينغ. افترض الفيزيائي الشهير أن الثقوب السوداء ستصدر إشعاعًا يعرف باسم إشعاع هوكينغ rayonnement de Hawking. يقترح بنروز وزملاؤه أن مثل هذا الإشعاع سيكون قادرًا على الانتقال من كون إلى آخر.

وفقًا لهم، يمكن أن تظهر نقاط هوكينغ في الحرارة المتبقية من الانفجار العظيم، والمعروفة باسم الخلفية الكونية الميكروية المنتشرة (CMB). تبدو نقاط هوكينغ مثل دوائر الضوء على خريطة CMB، تسمى modes B "أوضاع B". في السابق، كان يُعتقد أن هذه "النقاط الشاذة" (الأنماط B) في الإشعاع الخلفي الميكروي المنتشر CMB ناتجة عن موجات الجاذبية أو الموجات الثقالية للغبار ما بين النجمي. لكن بنروز وزملائه يزعمون أن نظريتهم يمكن أن تقدم إجابة مثيرة للاهتمام. علاوة على ذلك، وكجزء من مشروع BICEP2 ، الذي يهدف إلى رسم خريطة CMB كاملة، ربما اكتشف الباحثون بالفعل نقطة هوكينغ. المشاركة في علم الكون الدوري المطابق (CCC) "، كتب الفريق في ورقتهم. "على الرغم من أن درجة الحرارة عند الانبعاث منخفضة للغاية، إلا أن هذا الإشعاع في CCC يتركز بشكل كبير، بسبب الضغط المطابق للثقب الأسود بأكمله، مما يؤدي إلى نقطة واحدة في عصرنا الحالي (العصر الكوني)، كما أضاف الباحثين.

لا تخلو نظرية الكون الدوري من الجدل. تشير معظم حججنا الحالية إلى أن توسع الكون يتسارع، لأن الكون ليس كثيفًا بدرجة كافية للضغط في نقطة واحدة والتوسع مرة أخرى (إشارة إلى نظرية الارتداد الكبير). The Big Bounce (أو Univers phénix) ، هو نموذج كوني دوري يتضمن تطورًا للكون يؤدي إلى التناوب بين انفجار عظيم Big Bang و Big Crunch وانكماش عظيم (تليها مباشرة انفجار كبير) وهكذا.

لذلك، في الوقت الحالي، لا يوجد حتى الآن أي دليل كوني حقيقي على إشعاع هوكينغ، ناهيك عن حقيقة أن نقاط هوكينغ التي ذكرها المؤلفون لم يتم التحقق منها بعد (بعيدًا عن ذلك). لذا في حين أن هذه نظرية مثيرة للاهتمام، لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه قبل أن يدعي أي شخص الوجود النهائي لكون سابق.

المصادر: arXiv.org، عالم جديد

3- التضخم الأبدي: لماذا لا تصطدم الأكوان في الكون المتعدد؟:

تنشأ فرضية الكون المتعدد بشكل طبيعي من العديد من النظريات الكونية الحالية مثل نظرية الأوتار أو نظرية التضخم الأبدي. وهي بدأت كفرضية خاصة، ثم ارتقت إلى مرتبة النظرية العلمية أو النتيجة المباشرة لهذه النظريات والآن ينظر إليها بجدية من قبل المجتمع العلمي. ولكن إذا كان كوننا يتطور مع الآخرين داخل كون متعدد، وهم يتوسعون، فكيف لم يتلامسوا أبدًا أو يتصادموا؟

ظهرت فكرة الكون المتعدد في اليونان القديمة من قلم الفيلسوف أناكسيماندر Anaximandre. ولم تغادر هذه الفكرة أذهان العلماء أبدًا، على الرغم من أن المفهوم قد اتخذ أشكالًا عديدة على مر القرون. تشكلت فرضية الأكوان المتعددة مع ظهور ميكانيكا الكموم أو الكوانتوم والبحث عن حلول لمشكلة القياس.

في عام 1950، اقترح الفيزيائي هيوغ إيفريت Hugh Everett حلاً لهذه المشكلة من خلال اقتراح أن الحالات الكمومية التي لا يتم اختيارها من خلال قياس الجسيم لا تختفي، ولكنها تحدث في الأكوان الكامنة وراء كوننا المرئي؛ هذه "الأكوان الفرعية" غير موجودة مسبقًا، ولكنها تظهر أثناء القياس ثم يتعذر الوصول إليها بمجرد إجراء القياس. يسمى هذا الحل "نظرية العوالم المتعددة حسب إيفريت".

في عام 1982، في ظل زخم الأعمال المختلفة المتعلقة بالتضخم الكوني، اقترح الفيزيائي الروسي الأمريكي أندريه ليند Andreï Linde ظاهرة التضخم الأبدي، أي التضخم الكوني الذي سيتوقف في مناطق معينة من العالم. "الكون المرئي"، والذي سيستمر إلى الأبد في الأكوان الأخرى. عندما ينتهي التضخم، ترى المناطق المتأثرة انحناءها المكاني قريبًا من شكل كروي، مما يؤدي إلى ظهور "الفقاعات الكونية bulles d’univers "، أو الفقاعات-الأكوان.

في عام 1983، قام الفيزيائي بول شتاينهاردت Paul Steinhardt بتعميق وصقل فرضية ليند، قبل أن ينقلب عليها، من خلال إظهار أنه في حالة توقف التضخم، يتم تحويل الطاقة جيدًا إلى مادة وإشعاع. سيتم دعم هذا العمل من قبل ألكسندر فيلينكين Alexander Vilenkin. في عام 1986، نشر ليند دراسة تعرض الشكل النهائي للتضخم الأبدي. يتم الآن دراسة هذا السيناريو بدقة من قبل علماء الكونيات ويتناسب بشكل جيد نسبيًا مع النموذج الكوني القياسي.

التضخم الأبدي والفقاعات الكونية:

التضخم ظاهرة تفسر المبدأ الكوني، وهذا هو سبب كون الكون متجانسًا homogène وإيزوتروب isotrope (مشكلة الأفق الكوني problème de l’horizon) ، ولماذا يكون مسطحًا مكانيًا (مشكلة التسطيح الكوني problème de la platitude).

يقدم النموذج التضخمي العديد من التنبؤات: خاصية طيف القدرة المميزة لتقلبات الكثافة البدائية fluctuations primordiales de densité، ودرجة حرارة حرجة وصلت إلى ذروتها بعد لحظات من الانفجار العظيم، ووجود تقلبات fluctuations على نطاقات أكبر من الأفق الكوني، وطيف معين في تقلبات في موجات الجاذبية أو الموجات الثقالية des ondes gravitationnelles. وقد لوحظ كل شيء باستثناء هذه الأخيرة، ولقد تم رصد ما يشبهها مؤخراً في مسرع ومصادم الهدرونات الكبير LHC.

التضخم هو وقت في الكون المبكر عندما تهيمن عليه طاقة الزمكان نفسه l’espace-temps. في هذه العملية، نظرًا لأن الطاقة الكامنة في الزمكان تهيمن على التوسع، كان معدل التوسع أسيًا، مما يؤدي إلى توسيع الفضاء بسرعة كبيرة وبشكل حاد في جميع الأبعاد الزمكانية. العديد من الملاحظات، ولا سيما تلك الخاصة بتقلبات الكثافة (تباين الخواص) داخل الخلفية الكونية المنتشرة، جزئياً بفضل مهمة التلسكوب الفضائي بلانك، جعلت من الممكن تأكيد تنبؤات النموذج التضخمي. لذلك، وعلى نطاق صغير جدًا، فإن أية منطقة غير مسطحة من الفضاء تحتوي على مادة، لن يكون ممكناً تمييزها عن المنطقة المسطحة، وسيتم دفع جميع جسيمات المادة بعيدًا عن طريق التمدد، دون أن يلتقي اثنان منها.

بعد بضع أجزاء من الثانية، يتوقف التضخم، وتتحول الطاقة الكامنة في الزمكان إلى مادة وإشعاع. طريقة واحدة لفهم هذه الظاهرة، وتصور التضخم على أنه رصاصة على قمة التل. طالما ظلت الكرة في القمة، يستمر التضخم وتوسعها الأسي expansion exponentielle.

لكي ينتهي التضخم، بغض النظر عن المجال الكمومي أو الكوانتي le champ quantique الذي يسببه، يجب أن ينتقل من حالة طاقة عالية إلى حالة ثابتة ذات طاقة أقل. هذا الانتقال من أعلى التل إلى أسفله هو شرط لوقف التضخم.

يحتوي الحقل المسؤول عن التضخم على طاقة عالية في أعلى التل. ولكن عندما ينزل من التل، تقل طاقته حتى تصل إلى حالة الأرض. ثم يتم تحويل الطاقة إلى جسيمات وإشعاع.

ومع ذلك، فإن هذا التشبيه صحيح فقط في حالة الحقل أو المجال الكلاسيكي. والحال، فإن التضخم يأخذ شكل مجال كمومي. ومثل أي كائن كمومي، يتم وصف المجال الكمومي بواسطة دالة موجية fonction d’onde تحتوي على احتمالات تحقيق حالاتها الكمومية. وبالتالي، من بين هذه الاحتمالات المختلفة، يمكن أن يتسبب البعض في فقدان المجال الكمومي للطاقة والاستقرار في حالة طاقة أقل، بينما يمكن للآخرين أن يتسببوا في تجاوز حالة التوازن هذه والاستمرار فيما يتعدى ذلك.

هذا يعني أن التضخم لا يتوقف بشكل متزامن في كل مكان في الكون، ولكنه يتوقف في بعض المناطق ويستمر في مناطق أخرى بمعدل أسي. ستشهد بعض مناطق الكون استقرار مجالها الكمومي في قاع التل، وسيستمر المجال الكمومي في مناطق أخرى بنسب واتجاهات مختلفة. هذه هي الآلية التي تشرح نظرية التضخم الأبدي وظهور الكون المتعدد.

فقاعات الكون المنفصلة سببيًا بسبب التضخم الأبدي، وحيث يتوقف التضخم، ينشأ انفجار كبير ثم ينشأ الكون. وحول هذه المناطق، يستمر التضخم ويستمر التوسع بشكل كبير. يؤدي هذا إلى إبعاد الأكوان المختلفة التي تشكلت بسرعة أعلى تكون فيها هذه الأكوان في "تمدد داخلي". يتسبب هذا الاغتراب في الانفصال السببي عن جميع الأكوان، على الرغم من حدوث انفجارات كبيرة جديدة وظهور أكوان جديدة في كل ثانية.

إذا تم تمثيل الكون المتعدد كمحيط، يمكن اعتبار المناطق التي تظهر فيها الانفجارات الكبرى والأكوان على أنها فقاعات صغيرة داخلها.

مثل فقاعات الهواء الحقيقية في الماء، تتوسع هذه الفقاعات بمرور الوقت. ولكن على عكس جسم الماء في المحيط، فإن "محيط الأكوان المتعددة" يتمدد بشكل أسرع بكثير من توسع الفقاعات نفسها. وطالما استمرت المساحة بينهما في التوسع، أي إلى الأبد، لن تلتقي فقاعتان أبدًا. إذا لوحظ أي دليل على تصادم كوننا في الأكوان المتعددة، فسيشكل ذلك دليلًا قويًا يتعارض مع النظرية التضخمية وأغلبية نماذج علم الكونيات الكمومية. إن التصادم بين فقاعتين سيترك بالضرورة بصمة في الخلفية الكونية المنتشرة. ومع ذلك، فقد تمت دراسة هذه الأخيرة بالتفصيل في السنوات الأخيرة، ولم يتم الكشف عن أي دليل على مثل هذا التصادم، مما يدعم نموذج التضخم.

4 - المادة المظلمة أو السوداء La matière noire والطاقة المظلمة أو المعتمة l’énergie noire: متى تم إنشاءهما؟

المادة السوداء أو المظلمة والطاقة الداكنة والمعتمة أو المظلمة هما من أهم الألغاز في علم الكونيات الحديث. يهيمن هذان المكونان الكونيان على الكون، ولا يزالان يفلتان عن  سيطرة العلماء. في حين أن بعض هؤلاء العلماء يشككون في طبيعتها وماهيتها، فإن أصلها هو أيضًا موضوع بحث نشط.

قدرت بعثات المراقبة المختلفة التي تم تنفيذها في السنوات الأخيرة أن المادة السوداء أو المظلمة تمثل حوالي 27٪ من إجمالي كثافة الطاقة في الكون المرئي، والطاقة السوداء أو المعتمة أو المظلمة تمثل حوالي 68٪. ومع ذلك، فإن هذين المكونين الكونيين يظلان افتراضيين ولا يزالان بعيدًا عن أدوات العلماء. في حين أن السؤال عن طبيعتهما وماهيتهما تحتل مقدمة الاهتمامات، فإن أصلهما ضروري أيضًا.

على الرغم من أنه لا يزال هناك القليل جدًا من المعلومات حول هذين العنصرين المراوغين، فإن هذا لا يعني أن علماء الكونيات يجهلونهما تمامًا. تُظهر النماذج النظرية، التي تكملها بعض الملاحظات، على سبيل المثال أن تأثير الطاقة السوداء أو المظلمة على توسع الكون بدأ فقط في الظهور منذ 6 إلى 9 مليارات سنة.

يبدو أن الطاقة المظلمة تؤثر على التمدد والتوسع الكوني في جميع الاتجاهات، وتمتلك كثافة طاقة ثابتة ومتجانسة. بدون فرضية الطاقة السوداء أو المظلمة، يبدو الآن من الصعب تفسير تسارع تمدد وتوسع الكون الذي لوحظ في عام 1998.

من ناحية أخرى، يبدو أن المادة السوداء أو المظلمة تظهر آثارها منذ 13.8 مليار سنة. أي منذ نشأة الكون المرئي، تتطلب البنية الكونية التي تشكلها وفرة أكبر بخمس مرات من المادة الباريونية المعروفة حالياً في الكون المرئي.

على عكس الطاقة السوداء أو المظلمة، تتفاعل المادة السوداء أو المظلمة مع الجاذبية وتلعب دورًا في تكوين الكوازارات والمجرات والسحب الغازية الكبيرة التي تسكن الكون. وفقًا للنموذج القياسي لعلم الكونيات (نموذج L-CDM)، سيكون موجودًا في شكل هالات وخيوط مجرية. يمكن ملاحظة بصمات الجاذبية البدائية للمادة السوداء أو المظلمة في بنية الخلفية الكونية المنتشرة.

على الرغم من أنه يمكن العثور على آثار وأدلة لهذين المكونين على مدار تاريخ الكون، فإن هذا لا يعني أنهما نشأتا بالضرورة خلال الانفجار العظيم. إن العثور على الأصل الدقيق للمادة السوداء أو المظلمة والطاقة السوداء أو المعتمة أو المظلمة هو أمر أكثر صعوبة لأنه في أوقات معينة في الكون، قد تكون آثارهما محجوبة بسبب ظواهر أخرى ذات كثافة أكبر.

هناك طاقة سوداء أو مظلمة ثابتة Une énergie noire constante ولكنها ضئيلة في الكون الشاب: هذا ينطبق بشكل خاص على الطاقة السوداء أو المظلمة. عندما يتمدد الكون تحت تأثير التوسع، يزداد حجمه ولكن يظل عدد الجسيمات ثابتًا؛ وبالتالي فإن كثافة المادة الباريونية والمادة السوداء أو المظلمة تتناقص تدريجياً، وتخفف بالتوسع. أما بالنسبة للإشعاع، فإن كثافته تنخفض بشكل أسرع لأن الطول الموجي للفوتونات يتمدد بسبب تمدد الفضاء (الانزياح الأحمر redshift). تظل كثافة الطاقة المظلمة ثابتة.

اليوم تهيمن الطاقة السوداء أو المظلمة على الكون. لكن في الماضي، كان الكون أصغر وأكثر كثافة، لذلك كانت كثافة المادة والإشعاع أكبر. منذ حوالي 6 مليارات سنة، كانت كثافة المادة والطاقة المظلمة هي نفسها.

بالعودة إلى الوراء، منذ حوالي 9 مليارات سنة، فإن مساهمة الطاقة السوداء أو المظلمة في كثافة الطاقة في الكون صغيرة جدًا ، وتأثيراتها لا تذكر ، وبالتالي يصبح من الصعب إعادة بناء ديناميكياتها.

تكشف الملاحظات والمشاهدات الرصدية الحالية عن كثافة طاقة سوداء أو مظلمة ثابتة تمامًا. تُظهر معادلة الطاقة المظلمة للحالة، المقيدة بملاحظة التذبذب الصوتي للباريونات، أن الكمية المرتبطة بالطاقة السوداء أو المظلمة ثابتة. ومع ذلك، هذا لا يعني أن كثافة الطاقة هذه كانت دائمًا ثابتة. ربما تكون قد تغيرت بمرور الوقت، لأن هذا التعديل حدث مع اختلاف المعلمات والبيانات أو المعطيات الكونية الأخرى des autres paramètres cosmologiques..

وهكذا يمكن أن توجد الطاقة المظلمة أو السوداء منذ فترة التضخم التي حدثت بعد لحظات من الانفجار العظيم، في نهاية زمن بلانك. هذه هي الفرضية التي اقترحها النموذج الجوهري.

لكن الطاقة المظلمة ربما لم تظهر إلا في وقت لاحق من تاريخ الكون المرئي. حاليًا، لا توجد ملاحظة للحكم على وجود أو عدم وجود الطاقة السوداء أو المظلمة خلال أول 4 مليارات سنة من الكون.

الرسم البياني أعلاه يوضح تطور كثافة الطاقة السوداء أو المظلمة خلال الزمن. رغم إن النموذج الكوني الحالي يعتبر الطاقة السوداء أو المظلمة كثابت حقيقي كما يرمز لذل الخط الأزرق الداكن، إلا أن المنطقة التركوازية أو الفيروزية اللون في الرسم البياني تمثل اللادقة واللايقين بشأن ديناميكية هذه الكثافة.

المادة السوداءالمظلمة موجودة طوال تاريخ الكون المرئي:

لكن فترة ظهور المادة السوداء أو المظلمة مقيدة بشكل أفضل. يعد نمط التقلبات المرصودة في الخلفية الكونية الميكروية المنتشرة أقدم مؤشر على وجود المادة السوداء أو المظلمة، بعد 380.000 سنة من الانفجار العظيم. السعة الزاوية لهذه التقلبات تظهر نسبة 5: 1 لصالح المادة المظلمة على المادة العادية. في نموذج L-CDM، تشكل المادة المظلمة الأسمنت الكوني الذي يسمح بتكوين هياكل كبيرة من الكون الشاب.

ومع ذلك، فإن هذا مرة أخرى لا يشير بالضرورة إلى تكوين مادة سوداء أو مظلمة في وقت الانفجار العظيم عكس المادة المضادة التي وجدت في نفس زمن ظهور المادة البايرونية العادية. توجد العديد من فرضيات ما بعد الانفجار العظيم حول هذا الموضوع. يمكن أن يكون قد تم إنشاؤه من خلال التفاعلات عالية الطاقة les interactions de très haute énergie  التي تلت التضخم؛ عن طريق اضمحلال الجسيمات فائقة الطاقة particules ultra-énergétiques في إطار نظرية التوحيد الكبرى (GUT)؛ من خلال الانهيار التلقائي لأي تناظر symétrie على النحو الذي اقترحه نموذج Peccei-Quinn ؛ من خلال تذبذب النيوترينوات الضخمة العقيمة.

إن عدم معرفة الطبيعة الدقيقة والماهية الحقيقية للمادة السوداء أو المظلمة يجعل من المستحيل تحديد أصلها على وجه اليقين. ومع ذلك، تظهر العديد من الملاحظات أنها موجود منذ اللحظات الأولى للكون على الأقل.

ربما ظهرت الطاقة المعتمة أو السوداء أو المظلمة في نفس الوقت أو بعده. تشير بعض الفرضيات إلى أن الطاقة السوداء أو المظلمة تظهر فقط عندما تكون الهياكل الكونية الكبيرة قد تشكلت بالفعل ، بما في ذلك ظهورها ما بعد المادة السوداء أو المظلمة émergence post-matière noire.

لذلك تُعتبر المادة السوداء أو المظلمة موجودة وتعمل منذ اللحظات الأولى للكون المرئي، إن لم يكن أثناء الانفجار العظيم نفسه. بينما يُعتقد أيضًا أن الطاقة السوداء أو المظلمة موجودة منذ البداية ، إلا أنها بدأت تظهر آثارها لاحقًا في تاريخ الكون المرئي. في كلتا الحالتين، ستكون هذه الأسئلة هي التحديات الكبيرة التالية في علم الكونيات.

يقال إن هناك موجة من المادة السوداء أو المظلمة تجتاح النظام الشمسي:

تمثل المادة السوداء أو المظلمة، كما قلنا، حوالي 27٪ من كثافة الطاقة في الكون، وهي مادة افتراضية مدمجة في النموذج القياسي الكوني، مما يساعد على تفسير منحنيات دوران المجرة وتشكيل الهياكل الكونية الكبيرة. بصرف النظر عن هالات المجرات والخيوط بين العناقيد المجرية، يمكن للمادة السوداء أو المظلمة أيضًا أن تتحرك في موجات حقيقية من المادة السوداء أو المظلمة. ووفقًا لعلماء الفيزياء الفلكية، تخترق إحدى هذه الموجات النظام الشمسي بسرعة حوالي 500 كم / ثانية.

تم تقديم المادة السوداء أو المظلمة في عام 1933 من قبل عالم الفيزياء الفلكية السويسري فريتز زويكي Fritz Zwicky ، ثم تم دمجها في السبعينيات من قبل عالمة الفيزياء الفلكية الأمريكية فيرا روبن Vera Rubin ، ومنذ ذلك الحين تم دمج المادة السوداء أو المظلمة في النموذج القياسي لعلم الكونيات - نموذج Λ-CDM (للمادة السوداء أو المظلمة الباردة cold dark matter ou matière noire froide) - لشرح بعض الملاحظات ، مثل منحنى دوران المجرات أو التقلبات في الخلفية الكونية المنتشرة. كما يقدم شرحًا لتكوين الهياكل العظيمة للكون والحفاظ على سلامتها.

على الرغم من عدم اكتشافها أو رصدها على نحو مباشر بعد، فإن الأدلة على وجود المادة السوداء أو المظلمة متعددة الجوانب. تتفق القراءات الأخيرة من بعثتي تلسكوبي دبليو ماب WMAP وبلانك Planck مع وجود كتلة مفقودة masse manquante. وكذلك دراسات المجرات من خلال تأثيرات عدسات الجاذبية lentilles gravitationnelles التي تسببها؛ في هذه الحالة، الكتلة المرئية للمجرة وحدها لا تبرر إنتاج عدسة الجاذبية.

تيار نجمي ذو مسار غير عادي:

كيف إذن يعرف علماء الفيزياء الفلكية أن عاصفة مادة سوداء أو مظلمة تضرب النظام الشمسي؟ الجواب يكمن في حركة النجوم. بتحليل البيانات من مهمة تلسكوب Gaia التي صدرت العام الماضي، اكتشف الباحثون عدة تيارات نجمية حول مجرة درب التبانة. التيار النجمي هو مجموعة من النجوم تدور حول مجرة وينتج عن تدمير مجرة قزمة قديمة.

مجرة درب التبانة مزقت مجرة قزمة كروية (مجرة قزمة تأخذ نجومها توزيعًا مكانيًا كرويًا) والتي شكلت نجومها المتبقية - حوالي 30000 - تيارًا نجميًا يسمى S1. ومع ذلك، فإن الأخير خاص جدًا، لأن مساره يمر بالقرب من النظام الشمسي. على الرغم من عدم وجود خطر الاصطدام على الإطلاق، فإن مثل هذا المسار غير المعتاد يكشف مع ذلك أن المادة السوداء أو المظلمة تتحرك مع تيار S1، وفقًا للدراسة التي نُشرت في مجلة فيزيكال رفيو Physical Review D.

رسم بياني يوضح النجم الحالي S1 في مستوى المجرة. تمثل الكرة الرمادية بصلة المجرة. تمثل الأسهم الرمادية سرعات نجوم S1. يتم تمثيل الشمس وحركتها بنجم وسهم أرجواني.

حاول عالم الفيزياء النظرية سياران أوهار Ciaran O’Hare من جامعة سرقسطة Saragosse في إسبانيا فهم تأثير S1 على المادة السوداء أو المظلمة أثناء مرورها بالقرب من النظام الشمسي. قام هو وزملاؤه بفحص الأنماط المختلفة للكثافة وتوزيع المادة السوداء أو المظلمة المصاحبة للتيار النجمي، ثم توقعوا إشارات المادة السوداء أو المظلمة التي يمكن اكتشافها بواسطة الأجهزة الأرضية.

رصد جسيمات المادة السوداء أو المظلمة من الأرض: تأتي إحدى هذه التواقيع المحتملة أو الكامنة، من جسيمات افتراضية particules hypothétiques تسمى WIMP (الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل Weakly Interacting Massive Particles). تتفاعل هذه الجسيمات المرشحة للمادة السوداء أو المظلمة بشكل ضعيف جدًا مع المادة العادية ولها كتلة مماثلة لتلك الموجودة في النواة الذرية.

إذا كانت جسيمات WIMPs موجودة، فيجب أن تكون قابلة للاكتشاف من خلال اصطدامها بالإلكترونات أو النوى الذرية، مما يتسبب في ارتداد الجسيمات المشحونة وإنتاج الضوء الذي يمكن التقاطه بواسطة الإكزينون السائل xénon liquide أو أجهزة الكشف البلورية الكريستالية cristaux. بناءً على حساباتهم، قرر الباحثون أنه من غير المحتمل أن تتمكن هذه الأدوات من اكتشاف WIMPs الافتراضية التي تشكل تيار S1.

من المرجح أن تكتشفها أجهزة كشف الأكسيون Les détecteurs d’axions - مثل تلك الموجودة في تجربة المادة السوداء أو الأكسيون في المادة السوداء أو المظلمة l’expérience Axion Dark Matter Experiment . تمامًا مثل WIMPs، فإن الأكسيونات هي أيضًا افتراضية. إذا كانت موجودة، فهي خفيفة بشكل لا يصدق، أخف بحوالي 500 مليون مرة من الإلكترون. الأكسيونات، التي أدخلها الفيزيائيان روبرتو بيتشي Roberto Peccei وهيلين كوين Helen Quinn عام 1977، هي حل لمشكلة انتهاك CP، وهي مرشحة للمادة السوداء أو المظلمة.

وفقًا لحسابات الفيزيائي النظري بيير سيكيفي Pierre Sikivie، الخبير في علم الكونيات في جامعة فلوريدا ومخترع منظار الأكسيون l’haloscope à axions، يمكن تحويل هذه الجسيمات الخفيفة إلى فوتونات في وجود مجال مغناطيسي قوي. سيحدث هذا التحويل الفوتوني المحوري خلال تأثير بريماكوف l’effet Primakoff، الذي يصف الإنتاج الرنان للميزونات المحايدة من خلال تفاعل الفوتونات عالية الطاقة مع النواة الذرية.

أوضح الباحثون أن "هالوسكوبات أكسيون لديها القدرة الأكبر على الحساسية لتدفق S1 إذا كان مكون المادة السوداء أو المظلمة باردًا بدرجة كافية". "بمجرد عزل كتلة المحاور، يمكن بسهولة استخلاص توزيع السرعة المتميز لـ S1 من طيف طاقة المحاور."

تستدعي هذه التجربة تساؤلات حول البيانات التي تدعم وجود المادة السوداء أوالمظلمة:

المادة السوداء أو المظلمة هي مكون افتراضي للكون المرئي، مدرج في النموذج الكوني القياسي أو المعياري، والذي يشرح منحنى دوران المجرات، وتشكيل الهياكل الكبيرة وتقلبات الكثافة التي لوحظت في طيف الخلفية الكونية المنتشر. على الرغم من عدم وجود دليل قاطع على وجودها، كشف تعاون DArk MAtter (DAMA) قبل بضع سنوات أنه حدد إشارة إيجابية لوجودها. ومع ذلك، يبدو أن تجربة COSINE-100 تشكك بجدية في هذه النتيجة.

تشير القرائن الفيزيائية الفلكية إلى أن الكون المرئي يحتوي على كمية كبيرة من المادة السوداء أو المظلمة، ولكن لم يتم رصد إشارة دقيقة لها على الرغم من الجهود المتضافرة للعديد من بعثات المراقبة. يعد الادعاء المثير للجدل لتعاون DArk MAtter (DAMA)، الذي أبلغ عن ملاحظات أو مشاهدات رصدية إيجابية للمادة السوداء أو المظلمة في مجموعة أجهزة كشف يوديد الصوديوم، استثناء لهذه القاعدة.

لقد ادعى تعاون DAMA في الواقع أنه أظهر وجود نموذج إيجابي مستقل في بياناته التي تم الحصول عليها على مدى 7 دورات سنوية، من 1995 إلى 2002. هذا النموذج متوافق مع مجموعة كاملة من السيناريوهات التي تتضمن المرشحين المحتملين لـ المادة السوداء أو المظلمة مثل النيوترونات والنيوترينوات المعقمة أو العقيمة. أتاح التحليل الدقيق للبروتوكول التجريبي والنتائج إمكانية استبعاد أي تحيز في القياس وأي مصدر لخطأ منهجي. بدأت تجربة COSINE-100 الجديدة، التي تستند إلى كاشف المادة السوداء أو المظلمة تحت الأرض في مختبر يانغ يانغ Yangyang تحت الأرض في كوريا الجنوبية، في استكشاف البيانات الصادرة عن DAMA. هذه أول تجربة حساسة بدرجة كافية لاختبار نتائج DAMA واستخدام نفس المادة المستهدفة من يوديد الصوديوم. يسجل COSINE-100 البيانات منذ عام 2016 ولديها الآن نتائج أولية تتحدى نتائج داما. تم نشر هذه النتائج في مجلة Nature. تقول رينا ماروياما Reina Maruyama، أستاذة الفيزياء في جامعة ييل، والمتحدثة باسم COSINE-100 والمؤلفة المشاركة للدراسة الجديدة: "لأول مرة منذ 20 عامًا، لدينا فرصة لحل لغز DAMA". تتعقب المرحلة الأولى من عمل COSINE-100 المادة السوداء أو المظلمة من خلال البحث عن إشارة زائدة على الخلفية المتوقعة للكاشف، مع الطاقة المناسبة والخصائص المناسبة. في هذه الدراسة الأولى، لم يجد الباحثون أي إشارة زائدة في بياناته، مما جعل إشارة التعديل السنوية لـ DAMA تتعارض مع نتائج التجارب الأخرى.

أشار علماء COSINE-100 إلى أن الأمر سيستغرق عدة سنوات من البيانات لتأكيد أو رفض نتائج DAMA تمامًا. تستخدم تجربة COSINE-100 ثماني بلورات يوديد الصوديوم ذات الخلفية المنخفضة مخدرة بالثاليوم مرتبة في مصفوفة 4 تقسيم 2 matrice 4-sur-2، مما ينتج عنه كتلة إجمالية مستهدفة تبلغ 106 كغم. تقترن كل بلورة بجهازين للكشف عن الضوء لقياس كمية الطاقة المودعة في البلورة.

يتم غمر مجموعات بلورات يوديد الصوديوم في 2200 لتر من السائل الباعث للضوء، مما يسمح بتحديد الخلفية المشعة التي تلاحظها البلورات وتقليلها لاحقًا. يوجد الكاشف في ترتيب متشابك من مكونات الحماية من النحاس والرصاص والبلاستيك لتقليل مساهمة الخلفية للإشعاع الخارجي، وكذلك ميونات الأشعة الكونية.

حددت النتائج الأولية جزءًا جيدًا من منطقة بحث المادة السوداء أو المظلمة المحتملة التي رسمتها إشارة DAMA. بعبارة أخرى، لا يوجد مجال كبير لهذا الادعاء أن يأتي من تفاعل المادة السوداء أو المظلمة، ما لم يتغير نموذج هذه المادة بشكل كبير "، كما يخلص هيون سو لي Hyun Su Lee ، المشارك الآخر -متحدث باسم COSINE-100 ، ومدير مشارك لمركز الفيزياء الجوفية في IBS.

المصدر: مجلة الطبيعة Nature و: Physical Review D

5- قد يفسر التضخم الثاني كمية المادة المظلمة الموجودة في الكون:

قد تكون لعملية التضخم الفوري الهائل (التوسع السريع والعنيف للكون في لحظاته الأولى)، وهي ظاهرة لم تستمر أكثر من بضعة أجزاء من الثانية لشرح مفارقات نظرية الانفجار العظيم، توأماً. في الواقع، طرحت دراسة نظرية فكرة تضخم ثانٍ، والذي قد يفسر سبب تخفيف المادة السوداء أو المظلمة اليوم في الكون. ومع ذلك، فإن التجارب المستقبلية التي يتم إجراؤها باستخدام مسرعات الجسيمات الكبيرة فقط ستكون قادرة على تأكيد أو نفي هذه الفرضية الجديدة.

هل تخطت النظرية القياسية لتطور الكون المرئي خطوة أو مرحلة؟ يبدو الأمر كذلك، على الأقل وفقًا لنتائج دراسة أجراها علماء الفيزياء في مختبر بروكهفن Brookhaven الوطني. تم قبول مقالة فريق البحث للنشر في مجلة Physical Review Letters والمؤلف الرئيسي للميزات هومان دافودياس Hooman Davoudias. يقدم المقال المعني نظرية لما يسمى بالتضخم الثانوي: عملية مشابهة للتضخم الأول، لكنها أقصر من تلك المقبولة عمومًا من قبل المجتمع العلمي لشرح تطور الكون.

التضخم هو التوسع السريع والعنيف للغاية الذي حدث في غضون أجزاء من الثانية بعد بداية الكون (10-32 ثانية). تم تصورها لأول مرة في أوائل الثمانينيات من قبل الفيزيائي السوفيتي أليكسي ستاروبنسكي Alexei Starobinsky، وفي الوقت نفسه الأمريكي آلان غوث، وهي تحل مفارقات نظرية الانفجار العظيم. ترتبط ارتباطًا وثيقًا بنظرية التضخم، ومع ذلك، هناك مشكلة رئيسية أخرى في علم الكونيات اكتسبت الكثير من الاهتمام وأسالت الكثير من الحبر مؤخرًا ألا وهي: المادة السوداء أو المظلمة. المادة السوداء أو المظلمة هي نوع من المادة لا يمكن اكتشافها باستخدام أدوات الرصد والمراقبة العادية، ولكنها "ضرورية" للنظريات الحالية. فبدونها، ستظل، ديناميكيات المجرات وكذلك الظواهر مثل تأثير عدسة الجاذبية (انحراف أشعة الضوء التي تنشأ من الكون العميق بواسطة أجسام ضخمة جدًا موجودة في المقدمة مقارنة بالملاحظة) ، ستظل غير مفسرة إلى حد كبير.

من بين المرشحين المحتملين الذين قد يشكلون المادة السوداء أو المظلمة، هناك جسيمات WIMPs (جزيئات ضخمة متفاعلة بشكل ضعيف Weakly interacting massive particles) أو "الجسيمات ذات التفاعل الضعيف" باللغة الفرنسية particules à interaction faible، والتي تصطدم مع بعضها البعض عن طريق إبادة بعضها البعض. للقيام بذلك، يجب أن تكون كثافة هذه الجسيمات عالية بما يكفي، وهو ما يفسر سبب إنشاء العلاقة بين التضخم والمادة السوداء أو المظلمة في المراحل الأولى من حياة الكون المرئي. عندما تتجاوز درجات الحرارة مليار درجة في مساحة صغيرة نسبيًا من الفضاء، يمكن أن تتصادم جسيمات المادة المظلمة مع بعضها البعض. ولكن مع استمرار الكون في التمدد والتبريد، اصطدمت جسيمات المادة السوداء أو المظلمة بتردد متناقص. لذلك، فإن معدل الإفناء، اعتمادًا على هذا التردد، لم يستطع مواكبة التوسع.

يوضح هومان دافودياس: "تذكر أن المادة السوداء أو المظلمة تتفاعل بشكل ضعيف جدًا: وبالتالي ، فإن معدل الإبادة المرتفع لا يمكن أن يستمر لفترة أطول في درجات الحرارة المنخفضة". "الإبادة الذاتية للمادة السوداء أو المظلمة أصبحت غير فعالة بسرعة كبيرة. لذا تجمدت كمية المادة السوداء أو المظلمة مرة واحدة وإلى الأبد ".

ما هي كمية المادة السوداء أو المظلمة التي يحتويها الكون؟

من الصعب إعطاء قيمة مطلقة، لكن التجارب في السنوات الأخيرة وضعت قيودًا صارمة بشكل متزايد على شدة تفاعل المادة السوداء أو المظلمة. استنتج أن بعض النظريات الحالية تبالغ في تقدير كمية هذا النوع من المواد.

لكن يجب أن تعلم أن ما جعل من الممكن في البداية إنشاء تقدير أولي لكمية المادة السوداء أو المظلمة في كوننا المرئي لم يكن مجرد نظريات. في الواقع، يعود الفضل جزئيًا إلى ملاحظات القمر الصناعي بلانك واستغلال بياناته في إنشاء النموذج الجديد لتوزيع كثافة الطاقة في الكون. وتبين من المشاهدات الرصدية التي سجلها التلسكوب الفضائي بلانك أن المادة السوداء أو المظلمة هي أحد المكونات الرئيسية للكون المرئي وذلك على نحو قاطع ومؤكد. وسيتم اختبار هذه النظرية قريبا بواسطة التجارب المخبرية.

توزيع كثافة الطاقة في الكون بعد استغلال البيانات الأولى من تلسكوب بلانك الفضائي.

السؤال الذي تم تناوله في الفقرة السابقة هو أحد الأسباب الرئيسية التي دفعت الباحثين في Brookhaven لتأسيس فرضية المرحلة المتوسطة خلال المراحل الأولى من تطور الكون، والتي، كما نتذكر، يمكن تلخيصها في التوسع أقصر وأكثر محدودية من "التضخم الكبير". كان من الممكن أن يحدث بعد ذلك مباشرة، في درجات حرارة عالية. كان هذا من شأنه أن يسمح لعدد كبير من جسيمات المادة السوداء أو المظلمة بالتصادم مع بعضها البعض وبالتالي التسبب في فنائها. قد يفسر "التضخم الثاني" لماذا تبدو المادة السوداء أو المظلمة الآن مخففة للغاية داخل الكون. أصبحت القطعة المفقودة من اللغز الآن تأكيدًا تجريبيًا، علاوة على ذلك، لن يكون من السهل الحصول عليها.

"إذا حدثت بالفعل، فمن المحتمل أن تكون هذه المرحلة الثانية من التضخم تتميز بالطاقات التي كانت جزءًا من مجال الدراسة الذي تم التوصل إليه من خلال التجارب التي يمكن إجراؤها بفضل مسرعات الجسيمات مثل RHIC (مصادم الأيونات الثقيل النسبي) في Brookhaven وبالطبع أيضًا بواسطة LHC (مصادم هادرون كبير) في CERN في جنيف.»، كما يختتم هومان دافودياس .

بالنظر إلى كل هذه العناصر، من نافلة القول إن التجارب التي تجريها هذه المسرعات فقط هي التي ستكون قادرة على إعطاء المؤشرات والمكملات اللازمة لمعرفة المزيد عن هذه النظرية الجديدة للتضخم الثاني وبالتالي تحقيق استنتاجات أكثر دقة. هل سيتم المصادقة عليها رسميًا يومًا ما؟

6- نظرية جديدة توحد المادة السوداء أو المظلمة والطاقة السوداء أو المعتمة أو المظلمة

في النموذج الكوني القياسي أو المعياري le modèle cosmologique standard ، نموذج lambda-CDM ، تساعد المادة السوداء أو المظلمة في تفسير منحنيات دوران المجرات بالإضافة إلى تكوين هياكل كونية كبيرة ، بينما يتم تطوير الطاقة السوداء أو المظلمة لشرح وتفسير تسارع المجرات وتباعدها أي التوسع الكوني. ومع ذلك، لا يزال هذان المكونان افتراضيّان حاليًا. يقترح أحد علماء الكونيات في أكسفورد نظرية جديدة توحد هذين العنصرين.

ربما يكون أحد علماء الفيزياء في جامعة أكسفورد قد حلَّ أحد أكبر الأسئلة في الفيزياء الحديثة، في دراسة جديدة توحد المادة السوداء أو المظلمة والطاقة السوداء أو المظلمة في ظاهرة واحدة: سائل له كتلة سلبية un fluide qui possède une masse négative. يمكن أن تؤكد هذه النظرية الجديدة المدهشة أيضًا التنبؤ الذي قدمه أينشتاين قبل 100 عام.

هذا النموذج الجديد، الذي نُشر في مجلة علم الفلك والفيزياء الفلكية، بقلم جيمي فارنز Jamie Farnes، عالم الكونيات في مركز أكسفورد للأبحاث الإلكترونية، يقدم تفسيرًا جديدًا لفرضيات المادة السوداء أو المظلمة والطاقة السوداء أو المظلمة. "نحن نعتقد الآن أنه يمكن توحيد المادة السوداء أو المظلمة والطاقة السوداء أو المظلمة في سائل يمتلك نوعًا من" الجاذبية السلبية "، ويطرد كل شيء من حولهما. على الرغم من أن هذه المادة غريبة علينا، إلا أنها تشير إلى أن كوننا متماثل symétrique، في كل من خصائصه الإيجابية والسلبية "، كما يشرح جيمي فارنز.

تم استبعاد وجود المادة السلبية سابقًا، حيث اعتقد العلماء أنها ستصبح أقل كثافة مع تمدد الكون، مما أدى إلى هزيمة الملاحظات التي تشير إلى أن الطاقة السوداء أو المظلمة تحتفظ بكثافتها بمرور الوقت. ومع ذلك، يطبق بحث فارنز "موتر الخلق tenseur de création «، والذي يسمح بتكوين كتل سلبية بشكل دائم.

لقد أوضح أنه عندما يتم إنتاج المزيد والمزيد من الكتل السلبية مرارًا وتكرارًا، فإن هذا السائل الكتلي السالب لا يخفف أثناء توسع الكون: في الواقع، يبدو أن السائل هو نفسه الطاقة السوداء أو المظلمة. توفر نظرية فارنز أيضًا أول تنبؤات صحيحة لسلوك هالات المادة السوداء أو المظلمة halos de matière noire. يشير منحنى دوران المجرات إلى ضرورة وجود كتلة غير مرئية بالإضافة إلى الكتلة المضيئة. يقدم البحث الجديد، الذي صدر في 5 كانون الأول (ديسمبر2019) ، محاكاة حاسوبية لخصائص الكتلة السلبية التي تتنبأ بتكوين هالات المادة السوداء أو المظلمة ، على غرار تلك المستخلصة من الملاحظات التي تم إجراؤها باستخدام التلسكوبات الراديوية الحديثة.

قدم ألبرت أينشتاين أول لمحة عن الكون المظلم l’univers sombre قبل 100 عام بالضبط، عندما اكتشف في معادلاته paramètre معلمة تسمى "الثابت الكوني"، والتي يربطها الباحثون اليوم بالطاقة السوداء أو المظلمة.

وقد أعتبر أينشتاين أن الثابت الكوني كان "أكبر خطأ ارتكبته"، على الرغم من أن الملاحظات الفيزيائية الفلكية الحديثة تثبت أنها ظاهرة حقيقية. في ملاحظات من عام 1918، وصف أينشتاين ثابته الكوني من خلال كتابته "أن تعديل النظرية النسبية ضروري، مثل أن" الفضاء الفارغ "يعمل ككتل جاذبة سالبة موزعة في جميع أنحاء الفضاء بين النجوم.». لذلك من الممكن أن يكون أينشتاين نفسه قد تنبأ بكون مليء بالكتلة السالبة.

حاولت المناهج السابقة للجمع بين الطاقة السوداء أو المظلمة والمادة السوداء أو المظلمة، تعديل نظرية النسبية العامة لأينشتاين، والتي أثبتت صعوبة بالغة. يأخذ هذا النهج الجديد فكرتين قديمتين معروفتين بتوافقهما مع نظرية أينشتاين - الكتل السلبية وخلق المادة - ويجمعهما، "كما يشير فارنز Farnes.

"تبدو النتيجة جميلة إلى حد ما: يمكن توحيد الطاقة السوداء أو المظلمة والمادة السوداء أو المظلمة في مادة واحدة، ويمكن تفسير كلا التأثيرين ببساطة على أنهما مادة كتلة موجبة تمتطي بحرًا من الكتل السلبية." ستخضع نظرية فارنز للاختبار في اختبارات باستخدام تلسكوب لاسلكي، مصفوفة الكيلومتر المربع (SKA)، وهو مشروع دولي لبناء أكبر تلسكوب في العالم تتعاون فيه جامعة أكسفورد.

"لا يزال هناك الكثير من المشكلات النظرية وعمليات المحاكاة الحاسوبية للتعامل معها، ونموذج lambda-CDM يقترب من 30 عامًا تقريبًا، لكن العلماء حريصون على معرفة ما إذا كانت هذه النسخة الموسعة الجديدة من النموذج يمكن أن تتطابق بدقة مع البيانات الأخرى في المستقبل. 'الملاحظة. إذا كان الأمر كذلك، فإنه يشير إلى أن 95٪ من الكون مايزال مجهولاً لديهم حل جمالي: لقد نسينا تضمين علامة ناقص بسيطة، "يستنتج فارنز.

تشير الأدلة التجريبية الجديدة إلى، وتقترح وجود جسيم طالما نظّر إليه، مرتبط بالمادة السوداء أو المظلمة تم اقتراحه كحل في عام 1977 لمشكلة تناظر CP في الديناميكا اللونية الكمومية، الأكسيونات les axions  عبارة عن جسيمات افتراضية محايدة ذات كتلة منخفضة جدًا، وتعتبر اليوم مرشحة محتملة للمادة السوداء أو المظلمة. بينما تهدف العديد من التجارب إلى اكتشاف هذه الجسيمات، حيث اكتشف فريق من علماء الفيزياء مؤخرًا أدلة تظهر أن الأكسيونات يمكن أن توجد بالفعل. على الرغم من أن هذه النتائج لا تثبت بشكل مباشر وجود الأكسيونات، إلا أنها خطوة مهمة في البحث عن الجسيمات.

وجد الفيزيائيون أدلة على وجود الأكسيون، وهو جسيم مراوغ نادرًا ما يتفاعل مع المادة الطبيعية. تم توقع الأكسيون لأول مرة منذ أكثر من 40 عامًا، ولكن لم يتم رصده أبدًا حتى الآن. اقترح علماء الفيزياء أن المادة السوداء أو المظلمة يمكن أن تتكون من الأكسيونات. ولكن بدلاً من البحث عن الأكسيونات في الفضاء، اكتشفوا التواقيع الرياضياتية للأكسيون في مادة معينة هنا على الأرض. نُشرت النتائج في مجلة Nature.

إن الأكسيون المكتشف حديثًا ليس جسيمًا نموذجيًا تمامًا: إنه يعمل كموجة من الإلكترونات في مادة فائقة التبريد تسمى شبه معدنية أو نصف معدنية semi-métal. يمكن أن يساعد هذا الجسيم الغريب أيضًا في حل لغز مادي طويل الأمد يُعرف باسم مشكلة CP القوية. لسبب ما، يبدو أن قوانين الفيزياء تعمل بنفس الطريقة على الجسيمات وشركائها من المادة المضادة antimatière ، حتى عندما تنعكس إحداثياتها المكانية.

تُعرف هذه الظاهرة باسم تناظر الشحنة symétrie charge-parité، لكن النموذج القياسي أو المعياري لا يذكر شيئًا عن أصل هذا التناظر. يمكن تفسير التماثل غير المتوقع من خلال وجود مجال خاص (مجال أكسيوني champ axionique)؛ إن اكتشاف المحاور سيثبت وجود هذا المجال، وبالتالي حل هذا اللغز.

7 - البحث عن الأكسيونات les axions في شكل أشباه جسيمات quasi-particules  في المادة المكثفة la matière condensée:

نظرًا لأن علماء الفيزياء يعتقدون أن جسيم الأكسيون بالكاد يتفاعل مع المادة العادية، فقد توقعوا أنه سيكون من الصعب اكتشافه باستخدام التلسكوبات الفضائية الحالية. لذلك تحول الباحثون إلى المادة المكثفة.

تم استخدام تجارب المادة المكثفة، مثل تلك التي أجريت هنا، للكشف عن جسيمات متوقعة بعيدة المنال في العديد من الحالات المعروفة، بما في ذلك حالة فيرميون ماجوراناfermion majorana.

لا يتم اكتشاف الجسيمات بالمعنى المعتاد، ولكنها توجد على شكل اهتزازات جماعية في المواد التي تتصرف وتستجيب تمامًا كما يفعل الجسيم. وبالتالي فهذه هي شبه جسيمات.

عمل فريق البحث باستخدام مادة Weyl شبه المعدنية (TaSe4) I ، وهي مادة خاصة تتصرف فيها الإلكترونات كما لو كانت بلا كتلة ولا تتفاعل ، وتنقسم إلى نوعين: أعسر وأيمن.

خاصية كونك أعسر أو أيمن تسمى chirality- chiralité ؛ تم حفظ chirality - chiralité في شبه معدن Weyl ، مما يعني أن هناك عددًا متساويًا من الإلكترونات اليمنى واليسرى. سمح تبريد شبه المعدن إلى 11 درجة مئوية تحت الصفر بالتفاعل والتكثف للإلكترونات لتشكيل بلورة خاصة بها.

خطوة مهمة نحو الكشف المباشر المحتمل عن الأكسيونات:

تسمى موجات الاهتزازات التي تنتشر عبر البلورات بالفونونات phonons. نظرًا لأن القوانين الغريبة لميكانيكا الكموم الكوانتوم تملي أن الجسيمات يمكن أن تتصرف أيضًا على شكل موجات، فإن بعض الفونونات لها نفس خصائص الجسيمات الكمومية الكلاسيكية، مثل الإلكترونات والفوتونات.

راقب غوث Gooth وزملاؤه الفونونات في البلورة الإلكترونية، والتي تستجيب للحقول الكهربائية والمغناطيسية تمامًا كما هو متوقع بالنسبة للأكسيونات.

علاوة على ذلك، لم يكن لأشباه الجسيمات هذه عدد متساوٍ من الجسيمات اليمنى واليسرى (توقع الفيزيائيون أيضًا أن المحاور ستكسر الحفاظ على عدم التناظر).

اقترح فرانك ويلتشيك Frank Wilczek (الحائز على جائزة نوبل للفيزياء)، الذي لم يشارك في الدراسة الحالية، أنه يمكن استخدام مادة مثل شبه معدن ويل في يوم من الأيام كنوع من "الهوائي" للكشف عن المحاور الأساسية، أو المحاور التي توجد بطريقتها الخاصة كجسيمات في الكون، وليس كاهتزازات جماعية.

بينما سيستمر البحث عن المحور كجسيم منفرد ومستقل، تساعد تجارب كهذه تجارب الكشف الأكثر تقليدية من خلال توفير حدود وتقديرات لخصائص الجسيم، مثل الكتلة. هذا يعطي المجربين الآخرين فكرة أفضل عن مكان البحث عن هذه الجسيمات. كما يوضح بشكل مقنع أن وجود المساواة بين الجسيمات ممكن.

أظهر سلوك الإلكترونات في شبه فلز ويل ديناميكيًا مطابقًا لتلك المتنبأ بها للأكسيونات.

وأخيراً، تختبر بيانات شاندرا "نظرية كل شيء". في عام 1977، وجد الفيزيائيان روبرتو بيتشي Roberto Peccei وهيلين كوين Helen Quinn  حلاً لمشكلة انتهاك تناظر CP في سياق الديناميكا اللونية الكمومية. يتضمن هذا الحل وجود جسيم افتراضي من المفترض أن يكون مستقرًا ومحايدًا وذو كتلة منخفضة للغاية. اليوم، هذا الجسيم، الذي تنبأت به العديد من نماذج نظرية الأوتار الفائقة la théorie des supercordes، هو مرشح للمادة السوداء أو المظلمة. قام الباحثون في الآونة الأخيرة، بتحليل البيانات من مرصد شاندرا للمحاور الافتراضية. سمحت لهم النتائج بتحسين قيود الكتلة والطاقة على هذه الجسيمات.

بالنظر إلى مجموعات وحشودات المجرات، وهي أكبر الهياكل في الكون التي تحتفظ بها الجاذبية، تمكن الباحثون من البحث عن جسيم معين تنبأت به العديد من نماذج نظرية الأوتار الفائقة. على الرغم من أن عدم اكتشاف هذا الجسيم لا يعني عدم صلاحية أو بطلان نظرية الأوتار الفائقة، إلا أنه مع ذلك يسمح بقيود إضافية على وجود هذه الجسيمات. وقد نُشرت الدراسة في مجلة الفيزياء الفلكية.

"حتى وقت قريب، لم أكن أعرف إلى أي مدى يمكن لعلماء الفلك بالأشعة السينية المساهمة في نظرية الأوتار، ولكن يمكننا لعب دور رئيسي. كما يقول كريستوفر رينولدز Christopher Reynolds  من جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة: "إذا تم اكتشاف هذه الجسيمات أخيرًا ، فسوف تغير الفيزياء إلى الأبد".

تحويل الأكسيون إلى الفوتون وبالعكس في وجود المجالات المغناطيسية:

يسمى الجسيم الذي كان يبحث عنه رينولدز وزملاؤه "أكسيون". يجب أن تحتوي هذه الجسيمات غير المكتشفة على كتل منخفضة للغاية. لا يعرف الفيزيائيون المدى الدقيق للكتلة، لكن العديد من النظريات تظهر كتلًا محورية تتراوح من حوالي واحد في المليون من كتلة الإلكترون إلى صفر كتلة. يعتقد بعض علماء الفيزياء أن الأكسيونات يمكن أن تفسر لغز المادة السوداء أو المظلمة.

من الخصائص غير العادية لهذه الجسيمات ذات الكتلة المنخفضة جدًا أنها يمكن أن تتحول أحيانًا إلى فوتونات أثناء مرورها عبر الحقول المغناطيسية. يمكن أن يكون العكس أيضًا صحيحًا: يمكن أيضًا تحويل الفوتونات إلى أكسيونات في ظل ظروف معينة. يعتمد عدد مرات حدوث هذا التغيير على مدى سهولة إجراء هذا التحويل - بعبارة أخرى، "قابلية التحويل".

ابحث عن جسيمات الأكسيون أو الأكسيونات في الأشعة السينية:

اقترح الفيزيائيون وجود فئة أكبر من الجسيمات ذات الكتلة المنخفضة للغاية بخصائص مشابهة للأكسيونات. سيكون للأكسيونات قيمة تحويل فريدة عند كل كتلة، لكن الجسيمات الشبيهة بالأكسونات سيكون لها نطاق قابلية للتحويل عند نفس الكتلة.

"أثناء البحث عن جسيمات صغيرة مثل الأكسيونات في الهياكل العملاقة مثل عناقيد المجرات قد يبدو ذلك أمراً غريبًا، فهذه في الواقع أماكن جيدة للعثور عليها. تحتوي مجموعات المجرات على مجالات مغناطيسية على مسافات مثيرة للإعجاب، وغالبًا ما تحتوي أيضًا على مصادر ضوئية للأشعة السينية. وتزيد هذه الخصائص مجتمعة من فرص اكتشاف تحويل الجسيمات الشبيهة بالأكسيون "، كما يقول ديفيد مارشDavid Marsh  من جامعة ستوكهولم، السويد.

للبحث عن علامات التحويل الأكسيوني، أمضى فريق علماء الفلك خمسة أيام في فحص بيانات الأشعة السينية لشاندرا من المواد التي تسقط باتجاه الثقب الأسود الهائل في مركز مجموعة بيرسيوس l’amas de Persée. درسوا طيف شاندرا (أو كمية انبعاث الأشعة السينية الملحوظة عند الطاقات المختلفة) لهذا المصدر.

عدم وجود آثار للأكسيونات في نطاقات الكتلة المدروسة:

أنتجت الملاحظة الطويلة ومصدر ضوء الأشعة السينية طيفًا ذا حساسية كافية لإظهار التشوهات التي توقعها الفيزيائيون في حالة وجود جزيئات تشبه الأكسيون. سمح الفشل في اكتشاف مثل هذه التشوهات للباحثين باستبعاد وجود معظم أنواع الجسيمات الشبيهة بالأكسيون في النطاق الكتلي الذي كانت ملاحظاتهم حساسة له، أقل من واحد من المليون من المليار من الكتلة الإلكترون. بحثنا لا يستبعد وجود هذه الجسيمات، لكنه لا يسير في اتجاهها. تندرج هذه القيود ضمن نطاق الخصائص التي اقترحتها نظرية الأوتار الفائقة، ويمكن أن تساعد منظري الأوتار في سبر نظرياتهم، "كما تقول هيلين راسل Helen Russell من جامعة نوتنغهام في المملكة المتحدة.

القيود على كتلة الأكسيونات (الدراسة الحالية والدراسات السابقة). تمثل المساحة الزرقاء الفاتحة القيم المستبعدة، وتمثل المساحة البيضاء القيم الممكنة. تشير النقطة الحمراء إلى قيمة الكتلة الأكثر احتمالا.

صقل القيود المفروضة على الكتلة وقابلية تحويل الأكسيونات:

كانت النتيجة الأخيرة أكثر حساسية بثلاث إلى أربع مرات من أفضل بحث سابق عن الجسيمات الشبيهة بالأكسيون، والذي جاء من ملاحظات تشاندرا للثقب الأسود فائق الكتلة في M87. هذه الدراسة التي أجريت في Persée هي أيضًا أقوى بحوالي مائة مرة من القياسات الحالية التي يمكن إجراؤها في المختبرات هنا على الأرض، بالنسبة لمجموعة الكتل التي اعتبروها.

أحد التفسيرات المحتملة لهذا العمل هو أن الجسيمات الشبيهة بالأكسون غير موجودة. تفسير آخر هو أن الجسيمات لها قيم لها قابلية للتحويل أقل حتى من حد الكشف لهذه الملاحظة، وأقل مما توقعه بعض علماء فيزياء الجسيمات. يمكن أن يكون لديهم أيضًا كتل أعلى من تلك التي تم فحصها ببيانات شاندرا. المصادر: مجلة الفيزياء الفلكية

خاتمة:

تم اكتشاف مجرة شبيهة بمجرتنا درب التبانة أو الطريق اللبني في الكون البدائي إسمها: SPT0418-47. تبعد حوالي 12.4 مليار سنة ضوئية، وتظهر لنا اليوم عندما كان عمر الكون 1.4 مليار سنة فقط. هذه المجرة مثيرة للاهتمام للغاية للعلماء، لأنها تبدو بعيدة جدًا عن "التطور" لمثل هذه المجرة الفتية. بالإضافة إلى ذلك، لديها العديد من أوجه التشابه مع مجرتنا درب التبانة ...

مثل أي مجرة حلزونية، تأخذ شكل قرص مسطح دوار مع بصيلة مجرية bulbe galactique في مركزها - وهي منطقة كثيفة بشكل خاص غنية بالنجوم. من ناحية أخرى، ليس لديها أذرع منحنية. يقدر الخبراء أن كتلتها يمكن مقارنتها بكتلة مجرتنا.

مجرة شابة جيدة الترتيب بشكل خاص:

تم اكتشاف أقدم المجرات ذات القرص دوار من قبل، ولكن هذا هو الأول من نوعه الذي يحتوي على بصلة مجرية. ونتيجة لذلك، فهي أبعد نقطة شبيهة لمجرتنا درب التبانة في الكون المرئي. تضيف هذه التفاصيل إلى العديد من العلامات التي لاحظها العلماء، مما يدل على أن المجرات تولد وتتطور في النهاية بشكل مختلف تمامًا عما توقعوه وليست على نفس النسق. وقالت عالمة الفيزياء الفلكية فرانشيسكا ريزو Francesca Rizzo ، من معهد ماكس بلانك ، التي قادت الدراسة: "كانت الهياكل التي نلاحظها في المجرات الحلزونية القريبة وفي مجرة درب التبانة موجودة بالفعل منذ 12 مليار سنة". وهي التي قادت هذه الدراسة حول الموضوع ونشرتها.

من حسن الحظ أن هذه المجرة قد تم اكتشافها ورصدها، فهي هادئة نسبيًا ومنخفضة الإضاءة وبالتالي ليس من السهل مراقبتها. لكن الصدفة أحيانًا تفعل الأشياء بشكل جيد: مجرة ثانية، تقع بيننا وبين SPT0418-47 ، لعبت دور عدسة الجاذبية. في الواقع، فإن قوة الجاذبية التي تمارسها هذه المجرة الأمامية تشوه وتثني الضوء القادم من المجرة البعيدة. تشكل حركة الضوء على هذا المسار المنحني نسخة مكبرة من SPT0418-47.

وأخيراً، كانت مصفوفة أتاكاما الكبيرة المليمترية / المليمترية الصغيرة (ALMA) التابعة لـمرصد ESO، الواقع في تشيلي، هي التي التقطت إشعاعها.

في الأيام الأولى للكون، كان كل شيء أكثر فوضوية. كانت المجرات حارة وغير مستقرة، وكانت نجومها في مدارات فوضوية نسبيًا - ربما لأنها اصطدمت مع بعضها البعض وفقًا لعلماء الفيزياء الفلكية. يوضح مؤلفو دراسة Nature: "من المتوقع أن تؤدي التأثيرات القوية [للظروف القاسية للكون المبكر] المرتبطة بدمج المجرات وانفجارات المستعر الأعظم إلى مجرات شابة شديدة الحرارة وفوضوية وغير مستقرة للغاية".

في حين توقع علماء الفيزياء الفلكية أن يلاحظوا شيئًا فوضويًا إلى حد ما، وخالٍ من البنية المميزة، فإن مجرة SPT0418-47 عبارة عن قرص دوار بارد ديناميكيًا غني بالنجوم. تعكس ALMA صورة حلقة كاملة من الضوء تقريبًا مقابل سماء مظلمة. حتى من خلال إعادة بناء الشكل الحقيقي للمجرة وحركة غازها، فإنها تظل منظمة بشكل جيد، كما يتضح من هذه الصورة (أعاد فريق الباحثين تشكيلها، من خلال تطبيق عنصر جديد تقنية النمذجة الحاسوبية): نماذج التطور المجري للمراجعة ...

"ما وجدناه محير للغاية؛ على الرغم من أنها تشكل نجومًا بمعدل مرتفع وهي مركز عمليات عالية النشاط، فإن مجرة SPT0418-47 هي أفضل قرص مجري مرتب لوحظ حتى الآن في الكون المبكر "، تتساءل سيمونا فيجيتي Simona Vegetti ، من معهد ماكس بلانك، المؤلفة المشاركة في الدراسة. اكتشاف غير متوقع يدعو إلى التساؤل عن النظريات التي تم تأسيسها حتى الآن حول تطور المجرات.

على الرغم من أنها يحتوي بالفعل على بعض الخصائص، يعتقد الخبراء أنه من غير المرجح أن تستمر مجرة SPT0418-47 في التطور إلى مجرة حلزونية. في الواقع، من المؤكد أنها ستتبنى شكل مجرة إهليلجية بدلاً من ذلك. هذا النوع من المجرات شائع جدًا في الكون. فهي أنعم وأكثر تقريبًا من المجرات الحلزونية.

حقيقة أن هذه المجرة قد تشكلت بالفعل بشكل جيد، منذ فترة طويلة (عندما كان الكون بالكاد 10٪ من عمره الحالي!)، دليل على أن العمليات التي أدت إلى تكوين المجرات في بدايته، لم يستغرق الكون الوقت الذي اقترحته النماذج النظرية حتى الآن. ربما لم يكن الكون بهذه الفوضى عند ولادته، ففي السنوات الأخيرة اكتشف علماء الفيزياء الفلكية مجرات أشباه وأضخم وفائقة الكتلة في بدايات الكون أكثر مما كانوا سيحصلون عليه في أي وقت مضى. يعتقد أنه بات الآن ممكناً رصدها. الآن لديهم دليل على وجود عدد من المجرات جيدة التكوين أيضًا. كل هذا يشير إلى أنه كان هناك في النهاية الكثير مما كان يحدث في الأيام الأولى للكون أكثر مما كان يدركه أي شخص. يتفق الخبراء على أن نماذجهم الخاصة بتطور المجرات قد تحتاج إلى مراجعة ...

لحسن الحظ، فإن الدراسات المستقبلية التي ستستخدم تلسكوبات أكثر قوة - ولا سيما التلسكوب الكبير للغاية التابع لـ ESO - ستجعل من الممكن بلا شك اكتشاف أدلة جديدة ومعرفة المزيد حول بدايات الفوضى في الكون البدئي إلى حد ما.

المصادر: ESO and Nature، F. Rizzo et al.

هنالك رؤيتين متباينتين كلياً عن الأصل الذي أوجد كوننا المرئي أو المنظور، الأولى علمية والثانية ثيولوجية. الأولى عقلانية دنيوية بشرية تقبل الخطأ والصواب وقابلة للتطور، وتستند على معطيات علمية ونظريات ومعادلات رياضياتية وعمليات رصد ومشاهدات فلكية وتجارب مختبرية وبالرغم من ذلك فهي ليست قاطعة ومطلقة. والثانية تستند على مسلمة الإيمان، وهي غيبية ماورائية تدعي أنها منزلة من السماء في نصوص إلهية مقدسة لا تقبل الطعن أو النقاش أو المراجعة والتمحيص، لأنها إلهية المصدر نقلها الأنبياء والرسل عن الله، وهي قاطعة ونهائية ومطلقة وثابتة لا تتغير و لا تتطور. الأولى تقول أن الأصل هو مادة مكونة من جسيمات أولية لا متناهية في الصغر تتحرك وتتفاعل وتتجمع في تركيبات متنوعة لتخلق هيئات أكبر فأكبر وتخضع لقوانين فيزيائية جوهرية كالجاذبية الكونية أو الثقالة الكونية والقوة الكهرومغناطيسية والقوة النووية الشديدة والقوة النووية الضعيفة. والثانية تقول بأن الأصل نشأ عن إرادة ربانية أردت أن تخلق الكون " من العدم؟" بطريقة " كن فيكون" ومع ذلك استغرق الله ستة أيام لخلق الكون بما فيه من سماء وأرض وشمس وقمر وليل ونهار وكائنات حية وجماد ونبات وحيوان وبشر، وقبلهم ملائكة وجن، كما ورد في الكتب المقدسة أو المنزلة وهي العهد القديم أو البابيل أو التوارة، والعهد الجديد أو الأناجيل، والقرآن. يقول رجال الدين والمؤسسات الدينية في كل مكان على الأرض، أن الرؤية الثانية هي الصحيحة، وهم لا يؤكدون ذلك فحسب، بل يفرضونه بالقوة تحت التهديد والترغيب والتلويح بالعذاب الدنيوي" كمحاكم التفتيش السيئة الصيت" والوعيد بالعقاب الآخروي والتهديد بعذاب جهنم والنار الخالدة والجحيم لمن لايؤمن بذلك.

ووفق طرح الثيولوجيين بمختلف مشاربهم، لم يكن العالم موجوداً منذ الأزل، الله وحده هو الأزلي وكان موجوداً وحده و لا شيء غيره، فهو الوجود الكلي المطلق. وفي لحظة ما قرر الله أن يخلق الكون، ويعتقد هؤلاء الثيولوجيين أن الله خلقه " من العدم" وهذا يعني ضمناً أن هناك شيء إسمه" العدم" كان موجوداً إلى جانب وجود الله، ولا ندري هل هو من خلقه أيضاً أم لا، أي هل العدم جزء من ملكوت الله أو مستقلاً عنه؟ والحال أننا نعرف، علمياً، أنه لا يوجد شيء إسمه " العدم" إلا في صيغ ومفاهيم فلسفية. وبالتالي لا يمكن لله أن يأخذ شيئاً من شيء غير موجود. والتفسير الوحيد الممكن والمقبول، من وجهة نظر ثيولوجية ودينية بالطبع، هو أن الله أخذ جزءاً من ذاته وصنع منه الكون.

من جهة أخرى يقول الثيولوجيون أن الله يتصف بالكمال والتمامية والكلية، وما يؤخذ منه كجزء لا بد أن يكون ذا صفة كلية تامة وكاملة وتتصف بالكمال، على غرار الكل الأصلي، والحال أن رجال الدين والمؤسسات الدينية تعترف بأن العالم المادي الظاهر لا يتصف بالكمال والتمامية بل يشوبه القصور والنقص. ويقولون أيضاً أن الله خلق بحرية وبكامل إرادته هذا الكون بما فيه وبما يحتويه، وبالتالي فهو مسئولاً عنه وعن النتيجة والهيئة التي ظهر بها هذا الكون المرئي، أي هو مسئول عن خلقه، وإذا كان هناك ثمة نقص فالمسؤولية تقع على عاتق الصانع أو الخالق. مثلما يقولون أن الله خلق للإنسان العقل لكي يختار ولكن إذا أخطأ العقل في اختياره فمن المسئول عن ذلك الاختيار؟ العقل أم من خلق العقل؟. يؤكد رجال الدين أن الشر مصدر الشيطان أو إبليس وأتباعه، لكنهم يتجاهلون حقيقة أن الشيطان أو إبليس وأتباعه هم مخلوقات خلقها الله بنفسه، لكنهم تمردوا عليه وعصوا أوامره مما جعلهم يعيثون فساداً في الكون الذي خلقه الله وتضليل مخلوقاته وبعلمه " لأنه يعلم كل شيء" كما يقول الفقهاء ورجال الدين، فمن غير المعقول أن الله لا يعرف سلفاً بنوايا جزء من ملائكته، وعلى رأسهم إبليس، وبالتالي يحصل الإغواء الشيطاني للبشر بموافقة ضمنية من الله لأنه قادر على منعهم عن ممارسة الشرور ضد البشر لو شاء ذلك، ولو لم يكن موافق ضمنياً لما أتاح لهم ذلك ومنحهم القدرات الخارقة لإتيان الأعمال الشريرة وجر البشر للعصيان والكفر وممارسة الشر. فإما أن يكون الله لم يرد منع الشر أو إنه لم يستطع ذلك وعجز عن منع ظهور الشر، ففي الحالة الأولى يكون مسؤولاً عن الشر، وفي الحالة الثانية تنتفي عنه صفة الكمال والكلية والقدرة اللامحدودة، وهذا ما يرفضه الثيولوجيين ويتهمون من يقول به بالكفر والزندقة. ولقد ورد في الإنجيل أن الله لم يمنع وقوع الشر. :" قال الملك"يسوع" لمن على يمينه، تعالوا أيها المباركون من أبي خذوا المملكة التي أعدت لكم منذ بدء الخليقة، وقال لمن كان على يساره، إبتعدوا عني أيها الملعونون في نار جهنم الخالدة التي أعدت للشيطان ومن تبعه من الملائكة ". فمنذ خلق العالم يكون الله قد خلق السماء وفيها الجحيم أي أن المهندس الأول الخالق يعرف مسبقاً كما يقول الثيولجيين، أن هناك من بين مخلوقاته " من بين أبنائه" من سيتمرد عليه ويعصيه، من ملائكة وبشر وحدد سلفاً من سيذهب للنار ومن سيذهب إلى الجنة ولم يفعل شيئاً لمنع العصاة والمتمردين، لكن ذلك جعل نتاج خلقه ناقص وغير متقن، وإنه أعد النار الخالدة منذ البدء للذين دنسوا عملية خلقه، وهم من مخلوقاته في نهاية المطاف. وعندما يواجه رجال الدين والمؤسسات الدينية بهذه المفارقة يردون بكلمة" هذا سر الله الغامض أو هذا لغز لا يعرف جوابه إلا الله. ومن أهم الألغاز التي يعجز الثيولوجيون الإجابة عنها أو شرحها وتفسيرها وتبريرها هو وجود الشر وتغلغله في ثنايا الوجود الإنساني والبشري وقد يتعدى التبرير حدود الأسطورة، فلا يمكن لرجال الدين إنكار وجود الشر لكنهم حائرون في البوح عمن خلقه ولماذا، فالله خلق النفس الأمارة بالسوء ومنح الشيطان القدرة على الهيمنة على البشر ونشر الشرور بينهم. وقد يحتج البعض أن الله خلق العقل وحباه بالذكاء وملكة التفكير وحرية الاختيار، حسناً وماذا لو اختار العقل الذي خلقه الله طريقاً مغايراً لما أراده الله ورسله وأنبيائه؟ فمن المسؤول هل هو العقل أم الله؟ فالعقل لم يخلق نفسه بنفسه كي يكون مسؤولاً عن اختياراته بل هو من صنع الله . وهل نجح آلاف الأنبياء والرسل في صناعة جنس بشري عاقل يستطيع التمييز بين الخير والشر؟. فماذا يقولون عن مئات الألوف من الحروب بل لعلها ملايين منذ ظهور النوع الإنساني وحتى بعد تحوله لحالة البشر العاقل الواعي؟ وماذا عن جرائم القتل والذبح والتمثيل بالجثث واكل الموتى في المجاعات وغيرها؟ هل ينكر المؤرخون أن البشر اعتادوا على أكل البشر في الكثير من حقب التاريخ البشري والفتك بشعوب كاملة وإبادتها بإسم الله والدين؟

النصوص الأسطورية والحقائق العلمية:  

كلما حقق العلم تقدماً وإنجازاً في عالم المعرفة والبحث عن حقيقة الكون، كلما تبين أن ذلك يتعارض ويختلف كلياً مع ما جاءت به الأديان السماوية والوضعية، وروته من قصص عن موضوع خلق الكون والكائنات، ولتفادي هذه الهوة وتهدئة ذوي العقول المضطربة والحائرة تقد بعض رجال الدين وأنصاف العلماء بموضوعة الإعجاز العلمي المقحم في القرآن وأبرزوا الآية التي تقول أَوَلَمْ يَرَ الَّذِينَ كَفَرُوا أَنَّ السَّمَاوَاتِ وَالْأَرْضَ كَانَتَا رَتْقًا فَفَتَقْنَاهُمَا ۖ(الانبياء 30) فما هي العلاقة أو الصلة بين نظرية الإنفجار العظيم والرتق والفتق بين الأرض والسماء؟ السماء بنظر الكثير من الفقهاء ورجال الدين هي القبة أو الغطاء الفوقي الذي يغطي الأرض والحال لا توجد سماء بل يوجد فضاء في كل مكان بين المجرات والنجوم والكواكب، وفوق الأرض وتحتها وعلى جانبيها، شرقها وغربها، شمالها وجنوبها. هل كان محمد وصحابته قبل 1500 سنة تقريباً يعرفون أن الكون المرئي نشأ عن انفجار نقطة لامتناهية في الصغر عرفت بالفرادة الكونية، وصاغوا هذه المعلومة بآية وفسرها المفسرون على أنها عبارة عن فصل بين السماء والأرض وتقسيم السماء إلى سبع سموات، وكذلك الأرض. الحقيقة العلمية تقول أنه لم يكن هناك سماء و لا أرض عند حدوث الإنفجار العظيم قبل 13.8 مليار سنة وليس خمسة أو سبعة آلاف سنة. بينما يذكر النص الديني أن الفتق حصل لكينونتين موجودتين أصلاً ومندمجتين ببعضهما أي كانتا بمثابة " كتلة" واحدة وتم الفصل بينهما ورفع السماء وأبعدها عن الأرض {اللَّه الَّذِي رَفَعَ السَّمَوَات بِغَيْرِ عَمَد تَرَوْنَهَا الرعد 2}، ومن ثم يستطرد النص القرآني في وصف ما طرأ على السماء والأرض من تغيرات وتطورات وتعديلات لا علاقة لها بما نعرفه عنهما من الناحية العلمية، أَنتُمْ أَشَدُّ خَلْقًا أَمِ السَّمَاء بَنَاهَا رَفَعَ سَمْكَهَا فَسَوَّاهَا وَأَغْطَشَ لَيْلَهَا وَأَخْرَجَ ضُحَاهَا وَالأَرْضَ بَعْدَ ذَلِكَ دَحَاهَا أَخْرَجَ مِنْهَا مَاءَهَا وَمَرْعَاهَا وَالْجِبَالَ أَرْسَاهَا (النازعات 31) ولكن في أية أخرى تناقضها يقول فيها النص القرآني إن الله خلق الأرض وأكمل أقواتها ثم استوي إلى السماء وهي مجرد دخان فسواها سبع سماوات (هُوَ الَّذِي خَلَقَ لَكُمْ مَا فِي الْأَرْضِ جَمِيعًا ثُمَّ اسْتَوَىٰ إِلَى السَّمَاءِ فَسَوَّاهُنَّ سَبْعَ سَمَاوَاتٍ ۚ وَهُوَ بِكُلِّ شَيْءٍ عَلِيمٌ " سورة البقرة 29)

أحتاج تكون الأرض إلى 4 مليار سنة أو أكثر وتقول الآية أن الله خلق الأرض في يومين من ألأيام الستة التي احتاجها الله لخلق الكون برمته:" قُلْ أَئِنَّكُمْ لَتَكْفُرُونَ بِالَّذِي خَلَقَ الْأَرْضَ فِي يَوْمَيْنِ وَتَجْعَلُونَ لَهُ أَنْدَادًا ۚ ذَٰلِكَ رَبُّ الْعَالَمِينَ وَجَعَلَ فِيهَا رَوَاسِيَ مِنْ فَوْقِهَا وَبَارَكَ فِيهَا وَقَدَّرَ فِيهَا أَقْوَاتَهَا فِي أَرْبَعَةِ أَيَّامٍ سَوَاءً لِلسَّائِلِينَ ثُمَّ اسْتَوَىٰ إِلَى السَّمَاءِ وَهِيَ دُخَانٌ فَقَالَ لَهَا وَلِلْأَرْضِ ائْتِيَا طَوْعًا أَوْ كَرْهًا قَالَتَا أَتَيْنَا طَائِعِينَ فَقَضَاهُنَّ سَبْعَ سَمَاوَاتٍ فِي يَوْمَيْنِ وَأَوْحَىٰ فِي كُلِّ سَمَاءٍ أَمْرَهَا ۚ(فصلت 12) أي انه خلق الأرض وأكمل التعديلات عليها في أربعة أيام ثم استوي إلى السماء وسواها ورفع سمكها وهذا يناقض الآية الأولى (النازعات 31) التي تذكر انه عدل السماء ثم رجع يعدل الأرض (والأرض بعد ذلك دحاها)ويناقض أيضا آية (الأنبياء 30) في كونهما مخلوقتان ثم فصلهما كما يقول ! بمعنى انه خلق السماء والأرض ثم قام بالتعديل (الفتق) رغم انه في موضع آخر هنالك تسلسل في الخلق والتعديل (الأرض ثم التعديل (الأقوات) ثم السماء ثم التعديل (رفع السمك) حسب تسلسل آية فصلت 12. أما التوراة فقد سبق القرآن بهذه الأطروحة الخرافية عن نشأة الكون والإنسان من خلال سلسلة من الأسفار الأسطورية لا سيما سفر التكوين الذي يتحدث عن الخليقة وكيف خلق الله العالم والإنسان في ستة أيام ثم استراح في اليوم السابع ففي :" ﺍﻟﻴﻮﻡ ﺍﻷﻭﻝ : ﺧﻠﻖ ﺍﳌﻴﺎﻩ ﻭﺍﻟﻨﻮﺭ ﻭﺍﻟﻈﻠﻤﺔ ﻭﺍﻟﺴﻤﺎﻭﺍﺕ ﻭﺍﻷﺭﺽ وفي ﺍﻟﻴﻮﻡ ﺍﻟﺜﺎﱐ:ﹶ ﺧﻠﻖ ﺍﳉﹶﻠد ﻟﻴﻔﺼﻞ ﺑﲔ المياه وفي ﺍﻟﻴﻮﻡ ﺍﻟﺜﺎﻟﺚ: ﺧﻠﻖ ﺍﻟﻴﺎﺑﺴﺔ والنباتات وفي ﺍﻟﻴﻮﻡ ﺍﻟﺮﺍﺑﻊ: ﺍﻟﺸﻤﺲ ﻭﺍﻟﻘﻤﺮ والنجوم وفي ﺍﻟﻴﻮﻡ ﺍﳋﺎﻣﺲ: خلق ﺍﳊﻴﻮﺍﻧﺎﺕ وفي   ﺍﻟﻴﻮﻡ ﺍﻟﺴﺎﺩﺱ: خلق ﺍﻹﻧﺴﺎﻥ وفي   ﺍﻟﻴﻮﻡ ﺍﻟﺴﺎﺑﻊ: ﺍﺳﺘﺮﺍﺣﺔ الله، كما جاء في كتاب الباحث في التاريخ القديم الدكتور خزعل الماجدي تحت عنوان " أنبياء سومريون : كيف تحول عشرة ملوك سومريين إلى عشرة أنبياء توراتيين؟. ولقد فصل الدكتور الماجدي مقتبساً نصه من التوراة، في عرض عملية الخلق كما وردت في العهد القديم : في البدء خلق الله السماوات والأرض . وكانت الأرض خربة وخالية، وعلى وجه الغمر ظلمة، وروح الله يرف على وجه المياه. وقال الله: ليكن نور، فكان نور . ورأى الله النور أنه حسن. وفصل الله بين النور والظلمة. ودعا الله النور نهاراً والظلمة دعاها ليلاً، وكان صباح يوماً واحداً وهكذا يستمر الله في عملية الخلق وبعد الانتهاء من خلق النباتات والفصل بين الليل والنهار ثم خلق الحيوانات، يقرر خلق الإنسان في اليوم السادس، والذي خلقه على صورته ليسود على باقي الكائنات الموجودة على الأرض وسماه آدم ومن ضلعه خلق له زوجة أنثى سماها حواء ثم يروي لنا باقي الأسطورة عن الجنة والثعبان وإغرائه لحواء بأكل الثمرة المحرمة من شجرة المعرفة أو شجرة الشر والخير، فطردهما الله من الجنة بسبب هذه " الخطيئة " قبل أن يأكلا من شجرة الحياة ويحصلا على الخلود فعاقبهما الله وطردهما من الجنة، التي لا ندري أين توجد هل في السماء أم على الأرض"، وجعلهما على الأرض ليكدحا فيها من تعبهما. عاقب الله آدم وحواء والحية التي قال لها :" لأنك فعلت هذا أنت ملعونة من جميع البهائم ومن جميع وحوش البرية . على بطنك تسعين وتراباً تأكلين كل أيام حياتك" لماذا الحية وليس أي حيوان آخر؟ وكيف تسللت إلى الجنة بدون علم الله؟ وبأي لغة تحدثت مع حواء لتغريها؟ وهل هو الشيطان تنكر بهيئة الحية ليغوي حواء، وإذا كان هذا ما حصل فما ذنب الحية لكي تعاقب؟ هذه هي صورة الخلق الرباني التي لا يمكن للعلم أن يقبلها وللعقل أن يتبناها ويصدقها.

نظرية الانفجار ليست قاطعة لكنها أفضل ما تقدم به العلم عن هذا الموضوع لحد الآن، وبالإمكان نقدها وتفنيدها بالأدلة العلمية ومن الممكن أن يكتشف العلماء نظريات أخرى في تفسير خلق الكون فماذا سيكون موقف القرآن حينئذ؟ هل سيتشبث بصحة النظرية لأن "الإعجاز العلمي للقرآن" أقرها؟ لا بد من إعادة النظر وتمحيص مصداقية ما روته الأديان وكتبها المقدسة من قصص وأخبار وأطروحات أحاطتها بنوع من الهالة المقدسة والغموض المتعمد والرهبة من مناقشتها أو محاولة دحضها أو التشكيك بها تحت طائلة التكفير. والحال أن أغلب تلك النصوص الدينية مأخوذة، إن لم نقل مسروقة، من نصوص قديمة سبقتها بآلاف السنين أنتجتها حضارات قديمة كالسومرية والأكدية والآشورية الكلدانية والبابلية في بلاد ما بين النهرين والفرعونية المصرية وهي نصوص وثنية أفرزتها أديان لحضارات سبقت التوحيد، ما يعني أن النصوص الدينية المقدسة ليست منزلة بل موضوعة ومؤلفة من قبل بشر.

يتبع

د. جواد بشارة