طور الفيزيائيون نهجًا جديدًا لحل واحدة من أكثر المشكلات إلحاحًا في الفيزياء النظرية: توحيد الجاذبية مع عالم الكم.

في ورقة بحثية حديثة نشرت في المجلة تقارير عن التقدم في الفيزياء، يرسم العلماء الخطوط العريضة لإعادة صياغة الجاذبية التي يمكن أن تؤدي إلى وصف متوافق تمامًا مع الكم – دون استدعاء الأبعاد الإضافية أو الميزات الغريبة التي تتطلبها النماذج الأكثر تأملية، مثل نظرية الأوتار.

في قلب الاقتراح هناك إعادة التفكير في كيفية تصرف الجاذبية على المستوى الأساسي. في حين يتم وصف القوى الكهرومغناطيسية والضعيفة والقوية باستخدام نظرية المجال الكمي – وهو إطار رياضي يتضمن عدم اليقين وازدواجية الموجة والجسيم – جاذبية يبقى الخارج. النسبية العامة، نظرية أينشتاين للجاذبية، هي نظرية كلاسيكية بحتة تصف الجاذبية بأنها تشوه هندسة الزمكان بالكتلة والطاقة. لكن محاولات مزج نظرية الكم مع النسبية العامة غالبًا ما تصطدم بتناقضات رياضية قاتلة، مثل الاحتمالات اللانهائية.

يعيد النهج الجديد تفسير مجال الجاذبية بطريقة تعكس بنية نظريات المجال الكمي المعروفة. “النتيجة الرئيسية هي أن نظريتنا توفر نهجا جديدا للجاذبية الكمية بطريقة تشبه صياغة التفاعلات الأساسية الأخرى في النموذج القياسي،” مؤلف مشارك في الدراسة ميكو بارتانينقال عالم الفيزياء في جامعة آلتو في فنلندا لموقع Live Science في رسالة بالبريد الإلكتروني.

بدلًا من تقويس الزمكان، تتوسط الجاذبية في نموذجهم أربعة مجالات مترابطة، كل منها يشبه المجال الذي يحكم الكهرومغناطيسية. تستجيب هذه المجالات للكتلة بنفس الطريقة التي تستجيب بها المجالات الكهربائية والمغناطيسية للشحنة والتيار. كما أنها تتفاعل مع بعضها البعض ومع مجالات النموذج القياسي بطريقة تعيد إنتاج النسبية العامة على المستوى الكلاسيكي مع السماح أيضًا بدمج التأثيرات الكمومية باستمرار.

متعلق ب: “معادلات أينشتاين تحتاج إلى تحسين”: تعديلات على النسبية العامة يمكن أن تفسر أخيرًا ما يكمن في قلب الثقب الأسود

ونظرًا لأن النموذج الجديد يعكس بنية نظريات الكم الراسخة، فإنه يتجنب المشكلات الرياضية التي أعاقت تاريخيًا الجهود المبذولة لتحديد كمية النسبية العامة. وفقًا للمؤلفين، فإن إطار عملهم ينتج نظرية كمومية محددة جيدًا، تتجنب المشكلات الشائعة – مثل اللانهاية غير المادية في الكميات التي يمكن ملاحظتها، والاحتمالات السلبية للعمليات الفيزيائية – التي تنشأ عادةً عندما يتم تكميم النسبية العامة باستخدام طرق تقليدية ومباشرة.

والميزة الرئيسية لهذا النهج هو بساطته. على عكس العديد من نماذج الجاذبية الكمومية التي تتطلب جسيمات غير مكتشفة وقوى إضافية، فإن هذه النظرية تتمسك بالتضاريس المألوفة.

“إن المزايا أو الاختلافات الرئيسية بالمقارنة مع العديد من نظريات الجاذبية الكمومية الأخرى هي أن نظريتنا لا تحتاج إلى أبعاد إضافية لا تحظى بعد بدعم تجريبي مباشر.” جوكا تولكيوقال البروفيسور في جامعة آلتو والمؤلف المشارك في الورقة البحثية لموقع Live Science في رسالة بالبريد الإلكتروني. “علاوة على ذلك، فإن النظرية لا تحتاج إلى أي معاملات حرة تتجاوز الثوابت الفيزيائية المعروفة.”

وهذا يعني أنه يمكن اختبار النظرية دون انتظار اكتشاف جسيمات جديدة أو مراجعة القوانين الفيزيائية الموجودة. وأضاف تولكي: “يمكن استخدام أي تجارب مستقبلية للجاذبية الكمية بشكل مباشر لاختبار أي تنبؤات (قادمة) للنظرية”.

نتطلع إلى الأمام

وعلى الرغم من الميزات الواعدة، إلا أن النموذج لا يزال في مراحله الأولى. على الرغم من أن الحسابات الأولية تشير إلى أن النظرية تتصرف بشكل جيد في ظل اختبارات الاتساق المعتادة، إلا أنه لا يزال يتعين التوصل إلى دليل كامل على اتساقها.

علاوة على ذلك، لم يتم بعد تطبيق هذا الإطار على بعض أعمق الأسئلة في فيزياء الجاذبية، مثل الطبيعة الحقيقية للكون. تفردات الثقب الأسود أو فيزياء الانفجار الكبير. وقال بارتانين: “إن النظرية ليست قادرة بعد على معالجة تلك التحديات الكبرى، ولكن لديها القدرة على القيام بذلك في المستقبل”.

وقد يكون التحقق التجريبي أكثر صعوبة. الجاذبية هي أضعف القوى المعروفة، وجوانبها الكمومية دقيقة بشكل لا يصدق. إن الاختبارات المباشرة لتأثيرات الجاذبية الكمومية بعيدة عن متناول الأدوات الحالية.

وقال تولكي: “إن اختبار تأثيرات الجاذبية الكمومية يمثل تحديًا بسبب ضعف تفاعل الجاذبية”. ومع ذلك، نظرًا لأن النظرية لا تتضمن أي معايير قابلة للتعديل، فإن أي تجربة مستقبلية تستكشف سلوك الجاذبية الكمومية يمكن أن تؤكد – أو تستبعد – الاقتراح الجديد.

وقال بارتانين: “بالنظر إلى الوتيرة الحالية للتقدم النظري والرصدي، قد يستغرق الأمر بضعة عقود لتحقيق الاختراقات التجريبية الأولى التي تعطينا دليلاً مباشراً على تأثيرات الجاذبية الكمومية”. “يمكن الحصول على أدلة غير مباشرة من خلال الملاحظات المتقدمة في وقت سابق.”

في الوقت الحالي، يفتح عمل بارتانين وتولكي اتجاهًا جديدًا للمنظرين الذين يبحثون عن نظرية كمومية للجاذبية، وهي نظرية تظل راسخة في الأطر الناجحة لفيزياء الجسيمات، بينما من المحتمل أن تفتح بعضًا من أعمق أسرار الكون.