يزعم الفيزيائيون أنهم عثروا على “أول دليل رصدي يدعم نظرية الأوتار”، والذي يمكن أن يكشف أخيرًا عن طبيعة الطاقة المظلمة

يزعم الفيزيائيون أنهم ربما وجدوا تفسيرًا طال انتظاره للطاقة المظلمة، وهي القوة الغامضة التي تدفع التوسع المتسارع للكون، حسبما تشير دراسة جديدة.

تشير حساباتهم إلى أن الزمكان، على أصغر المقاييس، يتصرف بطريقة كمومية عميقة، ويختلف بشكل كبير عن البنية السلسة والمستمرة التي نختبرها في الحياة اليومية. وفقًا للنتائج التي توصلوا إليها، فإن إحداثيات الزمكان لا “تتنقل” – مما يعني أن الترتيب الذي تظهر به في المعادلات يؤثر على النتيجة. وهذا مشابه لكيفية تصرف موضع الجسيم وسرعته ميكانيكا الكم.

واحدة من النتائج الأكثر لفتًا للانتباه لهذا الزمكان الكمي، كما تنبأ بها نظرية الأوتارهو أنه يؤدي بطبيعة الحال إلى التسارع الكوني. علاوة على ذلك، وجد الباحثون أن المعدل الذي يتناقص به هذا التسارع بمرور الوقت يتوافق بشكل ملحوظ مع أحدث الملاحظات من أداة تحليل الطاقة المظلمة (DESI).

“إذا نظرنا إليها من خلال عدسة عملنا، يمكنك التفكير في ذلك نتيجة ديسي كأول دليل رصدي يدعم نظرية الأوتار وربما أول النتائج التي يمكن ملاحظتها لنظرية الأوتار والجاذبية الكمومية “، مؤلف مشارك في الدراسة مايكل كافيتشقال البروفيسور في جامعة ولاية نيويورك أولد ويستبري لموقع Live Science عبر البريد الإلكتروني.

سر توسع الكون

في عام 1998، اكتشف فريقان مستقلان – مشروع علم الكونيات المستعر الأعظم وفريق بحث المستعرات الأعظم High-Z – أن توسع الكون لم يكن يتباطأ، كما كان يُعتقد سابقًا، بل كان يتسارع. لقد توصلوا إلى هذا الاستنتاج من خلال دراسة المستعرات الأعظم البعيدة، والتي بدت باهتة أكثر من المتوقع. وهذا التسارع يدل على وجود كيان غامض يتخلل الفضاء، أُطلق عليه فيما بعد اسم “الكون”. الطاقة المظلمة.

متعلق ب: “لقد ألقى الكون إلينا كرة منحنى”: تكشف أكبر خريطة للفضاء على الإطلاق أننا ربما أخطأنا في فهم الطاقة المظلمة تمامًا

ومع ذلك، ظل أصل الطاقة المظلمة بعيد المنال. تشير إحدى الفرضيات الشائعة إلى أنها تنشأ من تقلبات كمية في الفراغ، مشابهة لتلك التي تظهر في المجال الكهرومغناطيسي. ومع ذلك، عندما حاول الفيزيائيون حساب معدل التوسع بناءً على هذه الفكرة، توصلوا إلى قيمة كانت أكبر من اللازم بمقدار 120 مرة، وهو تناقض مذهل.

أدت ملاحظات DESI الأخيرة إلى تعقيد الصورة. وفقا ل النموذج القياسي للجسيمات الأوليةإذا كانت الطاقة المظلمة مجرد طاقة فراغية، فيجب أن تظل كثافتها ثابتة مع مرور الوقت. ومع ذلك، تشير بيانات DESI إلى أن معدل التسارع ليس ثابتًا ولكنه يتناقص بمرور الوقت، وهو أمر لا يتوقعه النموذج القياسي.

حل اللغز بنظرية الأوتار

ولمعالجة هذه التناقضات، لجأ الباحثون إلى نظرية الأوتار، وهي واحدة من أبرز المرشحين لنظرية الجاذبية الكمومية. على عكس النموذج القياسي، الذي يتعامل مع الجسيمات الأولية على أنها نقطية، تقترح نظرية الأوتار أنها في الواقع كائنات صغيرة، تهتز، أحادية البعد تسمى الأوتار. هذه الأوتار، اعتمادًا على أنماط اهتزازها، تؤدي إلى ظهور جسيمات مختلفة، بما في ذلك الجرافيتون، الناقل الكمي الافتراضي للكون. جاذبية.

في جديد ورق التي تم نشرها في قاعدة بيانات ما قبل الطباعة arXiv ولكن لم تتم مراجعتها من قبل النظراء، قام الفيزيائيون سانهاينج هور، ودجوردجي مينيك، وتاتسو تاكيوتشي (فيرجينيا تيك)، وفيشنو جيجالا (جامعة ويتواترسراند)، ومايكل كافيتش بتطبيق نظرية الأوتار لتحليل الزمكان على المستوى الكمي.

من خلال استبدال وصف النموذج القياسي للجسيمات بإطار من نظرية الأوتار، وجد الباحثون أن الزمكان نفسه بطبيعته كمي وغير تبادلي، مما يعني أن الترتيب الذي تظهر به الإحداثيات في المعادلات مهم.

هذا الابتعاد الجذري عن الفيزياء الكلاسيكية سمح لهم باستخلاص خصائص الطاقة المظلمة ليس فقط من البيانات التجريبية، ولكن مباشرة من نظرية فيزيائية أساسية. لم يسفر نموذجهم عن كثافة طاقة مظلمة تتطابق بشكل وثيق مع بيانات الرصد فحسب، بل توقع أيضًا بشكل صحيح أن هذه الطاقة يجب أن تنخفض بمرور الوقت، بما يتماشى مع نتائج DESI.

أحد الجوانب الأكثر إثارة للدهشة في نتائجهم هو أن قيمة الطاقة المظلمة تعتمد على مقياسين مختلفين تمامًا للطول: طول بلانك، المقياس الأساسي للجاذبية الكمية، والذي يبلغ حوالي 10⁻³³ سنتيمتر؛ وحجم الكون الذي يبلغ عرضه مليارات السنين الضوئية. مثل هذا الارتباط بين أصغر وأكبر المقاييس في الكون أمر غير معتاد إلى حد كبير في الفيزياء، ويشير إلى أن الطاقة المظلمة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالطبيعة الكمومية للزمكان نفسه.

وقال كافيتش: “يشير هذا إلى وجود علاقة أعمق بين الجاذبية الكمومية والخصائص الديناميكية للطبيعة التي كان من المفترض أن تكون ثابتة”. “قد يتبين أن سوء الفهم الأساسي الذي نحمله معنا هو أن الخصائص الأساسية المحددة لكوننا ثابتة في حين أنها ليست كذلك في الواقع.”

الاختبارات التجريبية وآفاق المستقبل

على الرغم من أن تفسير الفريق لتوسع الكون المتسارع يعد إنجازًا نظريًا مهمًا، إلا أن هناك حاجة إلى اختبارات تجريبية مستقلة لتأكيد نموذجهم. وقد اقترح الباحثون طرقًا ملموسة لاختبار أفكارهم.

وأضاف مينيك أن أحد الأدلة “يتضمن الكشف عن أنماط التداخل الكمي المعقدة، وهو أمر مستحيل في فيزياء الكم القياسية ولكن يجب أن يحدث في الجاذبية الكمومية”.

يحدث التداخل عندما تتداخل الموجات، مثل موجات الضوء أو المادة، وتتضخم أو تلغي بعضها البعض، مما يخلق أنماطًا مميزة. في ميكانيكا الكم التقليدية، يتبع التداخل قواعد مفهومة جيدًا، تتضمن عادةً مسارين كميين محتملين أو أكثر. ومع ذلك، فإن التداخل عالي المستوى – الذي تنبأت به بعض نماذج الجاذبية الكمومية – يشير إلى تفاعلات أكثر تعقيدًا تتجاوز هذه الأنماط القياسية. إن اكتشاف مثل هذه التأثيرات في المختبر سيكون بمثابة اختبار رائد للجاذبية الكمية.

“هذه تجارب منضدية يمكن إجراؤها في المستقبل القريب – في غضون ثلاث إلى أربع سنوات.”

وقال: “هناك العديد من الآثار المترتبة على نهجنا تجاه الجاذبية الكمومية”. دجوردجي مينيك، عالم فيزياء في جامعة فرجينيا للتكنولوجيا ومؤلف مشارك في هذه الورقة، في رسالة بالبريد الإلكتروني. وأضاف مينيك أن أحد الأدلة “يتضمن الكشف عن أنماط التداخل الكمي المعقدة، وهو أمر مستحيل في فيزياء الكم القياسية ولكن يجب أن يحدث في الجاذبية الكمومية”.

يحدث التداخل عندما تتداخل الموجات، مثل موجات الضوء أو المادة، وتتضخم أو تلغي بعضها البعض، مما يخلق أنماطًا مميزة. في ميكانيكا الكم التقليدية، يتبع التداخل قواعد مفهومة جيدًا. ومع ذلك، تشير بعض نماذج الجاذبية الكمومية إلى تفاعلات أكثر تعقيدًا تتجاوز هذه الأنماط القياسية. إن اكتشاف مثل هذه التأثيرات في المختبر سيكون بمثابة اختبار رائد للجاذبية الكمية.

“هذه تجارب منضدية يمكن إجراؤها في المستقبل القريب – في غضون ثلاث إلى أربع سنوات.”

وفي غضون ذلك، لا ينتظر الباحثون تأكيدات تجريبية. وهم مستمرون في تحسين فهمهم للزمكان الكمي، بالإضافة إلى استكشاف طرق إضافية لاختبار نظريتهم.

إذا تم تأكيدها، فإن النتائج التي توصلوا إليها ستمثل إنجازًا كبيرًا، ليس فقط في تفسير الطاقة المظلمة، ولكن أيضًا في تقديم أول دليل ملموس على نظرية الأوتار، وهو هدف طال انتظاره في الفيزياء الأساسية.