الجزء المفقود: لماذا يضطر الفيزيائيون إلى البحث عن نظرية الكم للجاذبية

غالبًا ما تتم مقارنة الرياضيات المستخدمة في العلوم بشكل عام وفي الفيزياء بشكل خاص مع اللغة - وهذا يعطي الانطباع بأنه يعمل بشكل أساسي كرمز سري لتخويف الغرباء وأن هذا أكثر إزعاجًا من الضرورة. وعلى الرغم من أنني أؤيد وأشجع تعميم العلم ، إلا أن تجنب المصطلحات والمعادلات التقنية بعناية يؤدي إلى حقيقة أن الرياضيات يُنظر إليها على أنها شيء اختياري ، في أحسن الأحوال - متصل ، وفي أسوأ الأحوال - أداة تعذيب. لكن الرياضيات أكثر من ذلك بكثير.

بادئ ذي بدء ، الرياضيات هي مجموعة من الأفكار. يتم مسحها من عدم اليقين في اللغة وتعمل كأداة لاشتقاق العواقب من الافتراضات. إنها لا تخضع لضعف الإنسان ولا تعرف الشفقة وتتحفظ على الموضوعية.



تعمل الفيزياء النظرية الحديثة من خلال إنشاء نظريات تستند إلى مجموعة من الافتراضات أو البديهيات ، على الرغم من أنها لا يجب أن تكون واضحة بشكل واضح وأحيانًا محددة بشكل ضمني فقط. ومع ذلك ، عند صياغتها بمصطلحات رياضية ، تؤدي هذه الافتراضات إلى مجموعة أكبر بكثير من الاستنتاجات المفروضة على الفيزيائيين. لكي تصبح النظرية مقبولة من حيث انطباقها على الكون ، يجب أن تكون كل هذه الاستنتاجات متسقة داخليًا ، أي لا تولد تناقضات ، وتتزامن مع الملاحظات.

لوصف أهم مستويات الطبيعة في الوقت الحالي ، لدينا نظريتان - GR والنموذج القياسي في فيزياء الجسيمات. GR هي نظرية كلاسيكية ، والنموذج القياسي هو نظرية المجال الكمومي. الأول لا يطيع مبدأ عدم اليقين في هايزنبرغ ، والثاني يطيع. تستطيع النظريتان معًا وصف جميع الملاحظات الموجودة ، على الرغم من أن بعض جوانب هذه الأوصاف لا ترضينا تمامًا ، على سبيل المثال ، البنية المجهرية الغائبة للمادة المظلمة. يتزامن الجمع بين النظريتين مع الملاحظات ، لكن المشكلة هي أنها لا تتفق مع بعضها البعض.



ويتجلى هذا التناقض بشكل أفضل في مشكلة فقدان المعلومات في الثقب الأسود. من خلال الجمع بين GR ونظرية المجال الكمي ، نحصل على شيء يسمى "نظرية المجال الكمي في الفضاء المنحني". إنها جزئية كلاسيكية ، وجزئية كمومية ، وبالتالي تسمى "الجاذبية شبه الكلاسيكية". في هذه النظرية المركبة ، يمكن حساب أن الثقوب السوداء تنبعث منها إشعاعًا يسمى "إشعاع هوكينغ" تكريمًا لمكتشفها.

إشعاع هوكينج - طيف الجسم الأسود بدون علامات خاصة وبدون تحديد المعلمات ، باستثناء شيء واحد: درجة حرارته ، والتي تعتمد على الكتلة الأولية للثقب الأسود. وهذا يعني أن جميع الثقوب السوداء التي لها نفس الكتلة الأولية تتبخر ، وتنتج نفس الإشعاع الحراري تمامًا ، بغض النظر عما تشكلت منه. عملية التكوين والتبخر اللاحق للثقب الأسود لا يمكن عكسها: حتى لو كنا نعرف كل شيء عن الحالة النهائية ، لا يمكننا تحديد الحالة الأولية. يتم فقدان المعلومات. تكمن المشكلة في أن مثل هذه العملية التي لا رجعة فيها في الأساس لا تتوافق مع نظرية المجال الكمي المستخدمة لاشتقاق هذه العملية: إنها تناقض داخلي ، عدم تطابق - وبالتالي لا يمكن للطبيعة أن تعمل بهذه الطريقة. لقد فرضت الرياضيات علينا هذا الاستنتاج.



يؤدي التوليف شبه الجزئي لـ GR والنموذج القياسي إلى مشاكل أخرى. على سبيل المثال ، لا نعرف ما يحدث لمجال الجاذبية لإلكترون يمر عبر فجوة مزدوجة. نحن نعلم أن الدالة الموجية للإلكترون في تراكب ويمر عبر كل من الفتحتين ، مما يخلق توزيعًا إحصائيًا على الشاشة أثناء القياس. نحن نعلم أيضًا أن الإلكترون يحمل الطاقة. ونحن نعلم أن الطاقة تخلق مجال جاذبية. ولكن بما أن مجال الجاذبية كلاسيكي ، فلا يمكن أن يكون في تراكب ويمر عبر الشقين مثل الإلكترون. ماذا يحدث لمجال الجاذبية للإلكترون؟ لا أحد يعرف ، لأنه أضعف من أن يُقاس. بسيط جدا ومهين جدا!



السبب الثالث الذي يقنع الفيزيائيين بأن الجمع بين GR و SM غير كامل هو أنه يؤدي إلى ظهور التفردات في ظروف عادية إلى حد ما. التفردات هي أشياء ذات كثافة طاقة وانحناء لانهائي. فهي ليست جسدية ولا يجب أن تظهر في نظرية ذات مغزى. تظهر أيضًا ، على سبيل المثال ، في الديناميكا المائية ، عندما يتم فصل قطرة ماء. ولكن في الحالة الأخيرة ، من المعروف أن التفرد هو قطعة أثرية لاستخدام التقريب في الديناميكا المائية ، والتي لا تعمل على مسافات دون ذرية. على مسافات قصيرة جدًا ، يجب استخدام نظريات أكثر جوهرية (أي نظرية الكم والجسيمات الفردية) لوصف قطرة ماء ولا توجد فراغات فيها ، وهو أمر متوقع.



يُعتقد أن تحديد الجاذبية سيحل هذه المشكلات الثلاث من خلال الكشف عن بنية الزمكان على مسافات صغيرة جدًا. لسوء الحظ ، لا يمكن قياس الجاذبية ، مثل التفاعلات الأخرى للنموذج القياسي. إذا طبقنا هذه الأساليب على الجاذبية ، فإننا نصل إلى نظرية "الجاذبية الكمية الفعالة" ، التي لا يمكن أن تحل هذه المشاكل - لا تزال تنكسر بانحناء قوي. هذه الجاذبية الكمية (الساذجة) الكميّة ليست مناسبة لحل المشاكل مع الفرديات وتبخر الثقب الأسود ، لأنها تعمل فقط مع الجاذبية الضعيفة. لا معنى له كنظرية أساسية. بالحديث عن "الجاذبية الكمية" ، عادة ما يعني الفيزيائيون نظرية ستعمل بغض النظر عن مدى قوة الجاذبية.

هناك العديد من المقاربات النظرية للجاذبية الكمية. وأشهرها الجاذبية الآمنة تقاربًا ، والجاذبية الكمومية ، ونظرية الأوتار ، والتثليث الديناميكي السببي ، بالإضافة إلى الأفكار التي ترتبط بجدية بالتناظر مع الديناميكا المائية وتعتبر الجاذبية ظاهرة مشتقة. حتى الآن ، لا يمكن للمرء أن يقول أي من النهج الثلاثة يصف الطبيعة بشكل صحيح.

بعد آثار قياس الاستقطاب في إشعاع الخلفية الميكروية للميكروويف في BICEP (ثبت الآن أن هذا ليس سوى نتيجة للغبار في المقدمة) ، فقد ذكر أن مثل هذا القياس سيقدم لنا دليلاً على تحديد الجاذبية. هذا ليس صحيحًا تمامًا. أولاً ، ينطبق هذا فقط على مجالات الجاذبية الضعيفة ، وبالتالي لا ينطبق على النظرية الأساسية للجاذبية الكمية. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكون حذرًا بشأن الافتراضات التي تم إجراؤها من أجل الجدل. في الواقع ، كان ينبغي أن تترك تقلبات الجاذبية الكمية في أوائل الكون بصمة على إشعاع الخلفية ، والتي يمكن رؤيتها نظريًا. ومع ذلك ، سيكون من الصعب جدًا إثبات أن الجاذبية الكمية هي الطريقة الوحيدة لخلق تقلبات ملحوظة. مثل هذا الاستنتاج يتطلب شيئًا مثل نظرية بيل ، وهو دليل يثبتأن النظرية الكلاسيكية لم تستطع القيام بذلك - ولكن لا يوجد مثل هذا الدليل.



إن الجاذبية الكمومية ليست مجالًا كبيرًا للبحث ، مثل فيزياء المادة المكثفة أو أبحاث السرطان. هذا مجتمع صغير يجذب ، مع ذلك ، اهتمامًا عامًا كبيرًا. وهذا ليس عبثا. بدون الجاذبية الكمية ، لا نعرف كيف يتصرف المكان والزمان ، ولا نفهم كيف بدأ كوننا. نحتاج إلى نظرية الجاذبية الكمومية لشرح كيفية بناء الكون وكيف نشأ.

أعتقد أيضًا أن هذه النظرية ستعطينا دروسًا مهمة حول القياس الكمي ستكون مفيدة لنا عمليًا. إذا كنت تستمع إلى أتباع نظرية الأوتار ، فقد بدأت هذه العملية بالفعل ، بغض النظر عما إذا كانت نظرية الأوتار يمكن أن تحل مشكلة فقدان المعلومات في الثقب الأسود!

يرجع جاذبية الجاذبية الكمية إلى نقاء المشكلة وحتمية المنطق الرياضي ، مما يؤدي إلى استنتاج أنه لا يوجد جزء مهم من اللغز. علينا أن نكتشف ما إذا كان النهج الرياضي البحت سيكون كافيًا لإيجاد هذا الجزء. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فستظل استنتاجاتنا غامضة ، ولن تكون هناك بيانات إرشادية أخرى.

Source: https://habr.com/ru/post/ar397013/