ما تحتاجه للجاذبية الكمية هو المزيد من التجريب

لن تحل الرياضيات مشكلة الجاذبية الكمية ، فقط التجارب يمكنها القيام بذلك

في منتصف التسعينات ، درست الرياضيات. لم أكن متأكدة تمامًا مما أردت القيام به في الحياة ، لكنني تأثرت بقدرة الرياضيات على وصف العالم الطبيعي. بعد حصص في الهندسة التفاضلية والجبر لي ، حضرت سلسلة من الحلقات الدراسية من قسم الرياضيات ، والتي ناقشت أكبر مشكلة في الفيزياء الأساسية: تحديد الجاذبية وتوحيد جميع قوى الطبيعة تحت مظلة نظرية واحدة. تم إجراء ورش العمل حول نهج جديد تم تطويره بواسطة أبي أشتيكار من جامعة بنسلفانيا. لم أواجه هذه الدراسة من قبل ، وتركت هناك مع الانطباع الكامل بأن المشكلة قد تم حلها ، ولا أحد يعرف عنها بعد.

بدا كل هذا انتصارا خالصا لعقل واضح. أدت متطلبات الاتصال الرياضي ، على سبيل المثال ، إلى اكتشاف بوزون هيجز. بدونه ، فإن النموذج القياسي للجسيمات التي تتصادم مع طاقات أعلى من 1 تي في سيتوقف عن العمل - وهذه الطاقات متاحة في مصادم الهادرون الكبير. لن تعطي الاحتمالات ما مجموعه 100 ٪ وستفقد معناها الرياضي. لذلك ، عند عبور حدود الطاقة هذه ، كان يجب أن يظهر شيء جديد. كان هيجز أبسط الاحتمالات التي يمكن للفيزيائيين التوصل إليها ، وقد وجدوا ذلك بشكل طبيعي.


يعيش نجم نيوتروني سريع الحركة PSR B1509-58 في هذا السديم. تنبعث النجوم النيوترونية نبضات منتظمة في النطاق الراديوي ، ويمكن استخدامها للبحث عن تأثيرات الجاذبية الكمية.

في العشرينيات والثلاثينيات من القرن العشرين ، أدى التناقض الرياضي بين نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين والنسخة الأصلية من ميكانيكا الكم إلى ظهور نظرية المجال الكمي ، التي استند إليها النموذج القياسي. أدى التناقض الرياضي بين النظرية النسبية الخاصة والجاذبية النيوتونية إلى ظهور نظرية عامة للنسبية - أحدث نظرية للجاذبية لدينا. الآن ، لدى الفيزيائيين تناقض بين النموذج القياسي و GR. بالطبع نتوقع أن يصبح حل هذه المشكلة في شكل نظرية الكم للجاذبية هو نفس اختلال الأغطية كالحالات السابقة.

ولكن بمرور الوقت ، تعرفت على باحثين آخرين استخدموا أساليب أخرى ، واقتنعوا أنهم اقتربوا أيضًا من حل المشكلة. نظرية الأوتار ، الجاذبية الكمومية العروية ، التثليث الديناميكي السببي ، الجاذبية الآمنة بشكل مقارب ، المجموعات السببية ... العلماء الذين مارسوا هذه الأساليب كانوا واثقين أيضًا من أنهم يستطيعون فك رموز الطبيعة باستخدام الرياضيات فقط. اختلفوا ليس لأن أحدهم ارتكب أخطاء في الاستنتاجات الرياضية ، ولكن لأنهم بدأوا من فرضيات مختلفة. الرياضيات مطلوبة لتنفيذ سلسلة من الاستنتاجات المنطقية ، ولكن ليس هناك استنتاج رياضي واحد أفضل من فرضياته. المنطق لا يكفي للاختيار بين النظريات المادية. الطريقة الوحيدة لمعرفة النظرية التي تصف الطبيعة هي إجراء اختبار تجريبي.

لكن الفيزيائيين الذين يعملون على مناهج مختلفة نادرًا ما يتواصلون مع بعضهم البعض ، وإذا تواصلوا ، لم يوافقوا أبدًا. ولماذا؟ في غياب أدلة تجريبية ، لم يكن لديهم سبب للاتفاق. تراكمت الرياضيات ، تم إنشاء عشرات الآلاف من المقالات ، وعقدت مئات المؤتمرات. ولم ينتج عن نهج واحد حل لا لبس فيه. ومع مرور العقود دون جدوى ، تلاشت الشكوك أكثر فأكثر حول البحث عن الجاذبية الكمية.



غريب ، ولكن في التسعينات لم يحاول أحد تقريبًا العثور على أدلة ملحوظة على الجاذبية الكمية ؛ كان يعتقد أن هذا مستحيل. إن تأثيرات الجاذبية الكمية ضعيفة للغاية. قدر الفيزيائيون احتمالية اكتشاف جزيئات الجاذبية المزعومة - الجرافيتون - ووجدوا أن فرص حدوث ذلك ضئيلة حتى مع وجود أجهزة كشف بحجم كوكب المشتري يدور حول نجم نيوتروني. [روثمان ، ت & بوغن ، س. ، هل يمكن الكشف عن الجرافيتونات؟ أسس الفيزياء 36 ، 1801-1825 (2006)]

ولكن هل من الضروري حقًا الكشف عن الجاذبية بشكل مباشر من أجل العثور على دليل على الجاذبية الكمية؟ هذا السؤال لم يسمح لي بالذهاب. بحلول نهاية التسعينات ، تحولت إلى دراسة الفيزياء. لا يزال معظم الفيزيائيين الذين يعملون مع الجاذبية الكمومية يعتقدون أن الرياضيات ستفتح لهم طريق النجاح. لا أصدق ذلك. لكن ليس لدي تشاؤم حول عدم إمكانية الوصول إلى الجاذبية الكمية. على العكس من ذلك ، آمل بحذر أنه حتى خلال حياتي سنثبت بنجاح قياس الجاذبية في التجربة.

من منا يبحث عن أدلة تجريبية على الجاذبية الكمية يواجه مشكلة بحثية فريدة: ليس لدينا نظرية ولا بيانات! ولكن حتى في غياب نظرية مقبولة بشكل عام عن الجاذبية الكمية ، يمكننا التحقق من الخصائص الأساسية المتوقعة منها والموجودة في نظريات مرشحة مختلفة.

على سبيل المثال ، تشير بعض النظريات إلى خصوصية الزمكان. في هذه الحالة ، قد يكون لها عيوب ، مثل البلورات ، قادرة على الخلط بين الضوء والتعتيم في الصور من النجوم الزائفة البعيدة. تعتقد بعض النظريات أن الزمكان هو نوع من القاعدة أو السائل ، وفي هذه الحالة حتى في فراغ يمكن للمرء أن يجد خصائص مادية ، مثل اللزوجة أو التشتت. تتنبأ بعض النظريات بكسر التماثل ، وتحترم في النسبية العامة. يعتقد البعض الآخر أن التقلبات الكمومية في الزمكان يمكن أن تزعج الأنظمة الكمية الحساسة. يمكن البحث عن كل هذا.

أنت تعلم بالفعل أننا لم نجد أي شيء - وإلا كنت قد سمعت عنه. ولكن حتى قلة النتائج تساعد على تطوير النظريات. تعلمنا مثل هذه الحالات أن بعض الأفكار - على سبيل المثال ، أن الزمكان يمكن أن يكون شبكة دورية - هي ببساطة غير متوافقة مع الملاحظات.

بالطبع ، سيكون من الأفضل الحصول على تأكيد حقيقي. في السنوات الأخيرة ، تمكنا من العثور على العديد من الفرص الجديدة للوصول إلى الهدف. خذ موجات الجاذبية الأولية. يجب أن تكون هذه التقلبات الصغيرة في الزمكان في الكون المبكر قد تركت بصمة مميزة على الإشعاع المتراكم. في عام 2014 ، أعلنت مجموعة BICEP2 المشتركة قياس بصمة الإصبع هذه ، وعلى الرغم من أنها كانت خاطئة ، فإن هذا لا يعني أن الموجات غير موجودة. فقط للعثور عليهم سوف يتطلب المزيد من الجهد. وإذا اكتشفناها ، ستساعدنا خصائصها الكمية على تطوير نموذجنا. يجادل لورانس كراوس من جامعة أريزونا وفرانك ويلشيك من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) بأن الكشف عن موجات الجاذبية الأولية سيظهر أنه يجب قياس الجاذبية [Krauss، L. & Wilczek، F. ، باستخدام علم الكونيات لتحديد كمية الجاذبية. مراجعة البدنية د 89 ، 047501 (2014)]. إن حجتهم مبسطة بشكل مفرط ، لكن فينسنت فينين [Martin، J. & Vennin، V. الكم الكمّي للتضخم الكوني: هل يمكننا أن نبين أن تباين cmb له أصل ميكانيكي كمّي؟ المراجعة الفيزيائية د 93 ، 023505 (2016)] ويوجين بيانكي [بيانكي ، إي ، هاكل ، إل ، ويوكوميزو ، وقت التشابك في الكون البدائي. المجلة الدولية للفيزياء الحديثة D 24 ، 1544006 (2015)] تشارك بشكل مستقل في تحليل بيانات CMB التي يمكن أن تميز بين التقلبات الكمومية وغير الكمومية.


تلسكوب BICEP2 في القطب الجنوبي

لا تزال هناك ثقوب سوداء. تعد فيزياء الثقب الأسود أحد الموضوعات الرئيسية في دراسة الجاذبية الكمية. لفترة طويلة كان يعتقد أن تأثيرات الجاذبية الكمومية ستكون ملحوظة فقط أقرب إلى مركز الثقوب السوداء ، مخفية خلف الأفق تشير إلى حدودها ، وبالتالي لا حد لها من الخارج. ولكن في السنوات الأخيرة ، اهتز هذا الاعتقاد. على سبيل المثال ، وفقًا لأحد الافتراضات النظرية ، فإن الثقوب السوداء محاطة بجدران الحماية - أسطح المواد التي تدمر المواد التي تسقط فيها. على الرغم من أنني وبعض العلماء الآخرين شككوا في هذه الحجة [Hossenfelder، S. Disetangling فراغ الثقب الأسود. المراجعة الفيزيائية D 91 ، 044015 (2015)] ، ليس السبب الوحيد للافتراض أن تأثيرات الجاذبية الكمية قد تظهر في الأفق.

وإذا ظهرت ، فإن دراسة الثقوب السوداء قد تكشف لنا معلومات عن الجاذبية الكمية. اقترح مايكل كافيك من جامعة لونغ آيلاند البحث عن أنظمة ثنائية تتكون من نجم نيوتروني يدور حول ثقب أسود. ينبعث نجم نيوتروني من موجات الراديو ، وإذا ضرب هذا الشعاع أفق الثقب الأسود ، فسيتم تغيير الزخم الملاحظ ببنية هذا الثقب [Estes ، J. ، Kavic ، M. ، Lippert ، M. ، & Simonetti ، JH ، تسليط الضوء على الجاذبية الكمية مع النجم النابض. - ثنائيات ثقب أسود. arXiv: 1607.00018 (2016)]. نهج آخر من Niayesh Afshordi من معهد Perimeter هو دراسة موجات الجاذبية الناتجة عن دمج الثقوب السوداء. يمكن أن تحدث التأثيرات الكمية عندما يأخذ الثقب الأسود المشكل حديثًا شكله النهائي [Abedi، J.، Dykaar، H.، & Afshordi، N. Echoes from the Abyss: Evidence for Planck scale scale at black hole horizon. arXiv: 1612.00266 (2016)].

لكن الفكرة الواعدة جاءت من زاوية غير متوقعة. إذا كان من الممكن قياس مجال الجاذبية كميا ، فيجب أن يكون له خصائص كمية معينة ، مثل التراكب الذي يكون فيه النظام في نفس الوقت في حالات مختلفة.

لنأخذ مثالًا أساسيًا للسلوك الكمي: تجربة مع شقين. إذا قمت بتوجيه شعاع إلكترون إلى شاشة يتم فيها قطع فتحتين ، فإن الإلكترونات تشكل نمط موجة معين. لمظهره ، يجب أن يمر كل إلكترون عبر الفتحتين في وقت واحد - وهذا تراكب للمسارات. لكن للإلكترون كتلة ويؤثر على مجال الجاذبية. إذا كان الإلكترون في تراكب كمومي ، فيجب أن يكون مجاله أيضًا في تراكب كمومي. هذه فكرة غريبة جدا إذا حدث الشيء نفسه مع الأرض بأكملها ، فستختبر التفاحة التي تقع من شجرة مجالين جاذبين مختلفين وستسقط في اتجاهين مختلفين في نفس الوقت. هذه الميزات غير متوافقة مع ميكانيكا الكم والنسبية العامة ؛ يجب أن يكون تراكب الحقول متأصلاً في الجاذبية الكمية.

حتى الآن ، لم يلاحظ أحد مثل هذه التأثيرات ، لأن مجال الجاذبية لإلكترون واحد ضعيف جدًا بحيث لا يمكن قياسه. في السنوات الأخيرة ، أنشأت العديد من المجموعات التجريبية تراكبات لأشياء أكبر بكثير. تعمل أحدث العلوم اليوم مع الكتلة في النانوجرام. شرع ماركوس أسبيلماير ومجموعته في فيينا في مشروع طموح لقياس جاذبية الكتلة التثاقلية 1 مليغرام [Schmöle، J.، Dragosits، M.، Hepach، H.، & Aspelmeyer، M. تجربة إثبات مبدأ الميكانيكا الدقيقة لقياس قوة الجاذبية من كتل المليغرام. الجاذبية الكلاسيكية والكمية 33 ، 125031 (2016)]. اليوم ليس بعيدًا جدًا عندما يمكننا قياس مجال الجاذبية للأجسام الكمومية.

يتم استخدام نهج مماثل من قبل ماورو باتيرنسترو مع زملائه من جامعة كوينز في بلفاست لتحديد الميزات التي يجب أن تميز بالضبط مجال الجاذبية الكمي عن حقل غير محدد الكمية [Krisnanda، T.، Zuppardo، M.، Paternostro، M.، Tomasz Paterek، T. -كلاسيكية الأشياء غير المقاسة. arXiv: 1607.01140 (2016)]. نهجهم مرتبط بخاصية كمية نموذجية ، التشابك ، حيث يوجد ارتباط بين خصائص الأشياء المختلفة. تخيل شيئين يتفاعلان من خلال الجاذبية. ستعتمد الارتباطات بينهما على ما إذا كان هذا المجال محددًا كمًا أم لا. من الناحية النظرية ، يمكن قياس الارتباطات وتحديد المجال.


إذا كان لدينا نظارات لمراقبة موجات الجاذبية ، لكان دمج الثقوب السوداء يبدو أكثر إشراقًا من انفجار المستعر الأعظم

حقيقة أن العلم يحتاج إلى تأكيد تجريبي للأفكار لا يمكن تسميتها بالأخبار ، ولكن حلم الفلاسفة القدماء أن التفكير وحده يمكن أن يكشف أسرار الطبيعة ، للأسف ، يعيش بين المنظرين الذين يعملون على الجاذبية الكمية. ونتيجة لذلك ، فإن التمارين العقلية ، سواء كانت معقدة بشكل تعسفي ، تأتي إلى التفضيلات الجمالية أو الفلسفية عند اختيار المتطلبات الأساسية. تشارك كمية كبيرة من المؤلفات عن الجاذبية الكمية في دفن هذه المباني تحت الجبال الرياضية.

بعد عشرين عامًا من سمعي لأول مرة عن الجاذبية الكمية ، لا يزال العلماء يسيطرون على هذه المنطقة من التسلسل الرياضي. لكن عدد أولئك الذين يدرسون ، مثلي ، إمكانيات التحقق التجريبي من الجاذبية الكمية آخذ في الازدياد. وكلما أصبح فشل الطريقة الرياضية أكثر وضوحًا ، أصبح من الواضح أن السبيل الوحيد للمضي قدمًا هو البحث عن أدلة تجريبية ، بغض النظر عن تعقيدها. الخطوة الأولى هي إظهار قياس الجاذبية. وبعد ذلك يمكنك البدء بمجموعة كاملة من ظواهر الجاذبية. هذه هي الطريقة التي سننقل بها الجاذبية الكمية من الرياضيات إلى الفيزياء.

وما أصبح فيزياء يمكن أن يصبح هندسة. على عكس العديد من زملائي ، أعتقد أن فهم قياس الجاذبية يمكن أن يساعدنا في الممارسة. لن تحسن مثل هذه النظرية فهمنا للمكان والزمان فحسب ، بل ستعمل أيضًا على تحسين النظم الكمية بشكل عام. سيكون طريق طويل. لكن الأمر استغرق منا 2000 سنة للانتقال من العناصر الأربعة لأرسطو إلى القوى الأربع للفيزياء. لذا ستكون الرحلة طويلة.