قد تكون شظايا الطاقة – وليس الأمواج أو الجسيمات – هي اللبنات الأساسية لبناء الكون
لاري م.سيلفربيرغ
أستاذ الهندسة الميكانيكية والفضائية ، جامعة ولاية كارولينا الشمالية
بيان الإفصاح عن المعلومات
لا يعمل Larry M. Silverberg لصالح أي شركة أو مؤسسة أو مؤسسة تستفيد من هذه المقالة أو يستشيرها أو يمتلكها أو يتلقى تمويلاً منها ، ولم يكشف عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينه الأكاديمي.
المادة هي ما يتكون الكون منها، ولكن ما الذي يتكون منه؟ لطالما كان هذا السؤال صعباً لأولئك الذين يفكرون فيه – خاصة بالنسبة للفيزيائيين. ويعكس الاتجاهات الحديثة في الفيزياء،ولقد وصفت أنا وزميلي جيفري إيشين طريقة محدثة للتفكير في المادة واقترحنا أن المادة ليست مصنوعة من جسيمات أو موجات، كما كان يعتقد منذ زمن طويل، ولكن – بشكل أساسي – من أجزاء من الطاقة.
رسم يوضح صوراً تمثل الأرض والهواء والنار والماء والأثير.
في العصور القديمة ، كان يُعتقد أن خمسة عناصر هي اللبنات الأساسية للواقع. IkonStudio / iStock عبر Getty Images
من خمسة إلى واحد
تصور الإغريق القدماء خمس كتل بناء من المادة – من الأسفل إلى الأعلى: الأرض والماء والهواء والنار والأثير. كانت الأثير هي المادة التي تملأ السماء وتشرح دوران النجوم، كما لوحظ من وجهة نظر الأرض. كانت هذه أول العناصر الأساسية التي يمكن من خلالها بناء عالم. لم تتغير مفاهيمنا للعناصر المادية بشكل كبير لما يقرب من 2000 عام.
ثم، منذ حوالي 300 عام، قدم السير إسحاق نيوتن فكرة أن كل المادة توجد في نقاط تسمى الجسيمات. بعد مائة وخمسين عاماً من ذلك، قدم جيمس كلارك ماكسويل الموجة الكهرومغناطيسية – الشكل الأساسي وغير المرئي غالباً للمغناطيسية والكهرباء والضوء. كان الجسيم بمثابة اللبنة الأساسية للميكانيكا والموجة للكهرومغناطيسية – واستقر الجمهور على الجسيم والموجة باعتبارهما لبنات بناء المادة. أصبحت الجسيمات والأمواج معاً اللبنات الأساسية لكل أنواع المادة.
كان هذا تحسناً كبيراً عن العناصر الخمسة لليونانيين القدماء، لكنه كان لا يزال معيباً. وفي سلسلة مشهورة من التجارب ، تُعرف باسم تجارب الشق المزدوج ، يعمل الضوء أحياناً كجسيم وفي أوقات أخرى يعمل كموجة. وبينما تسمح نظريات ورياضيات الموجات والجسيمات للعلماء بعمل تنبؤات دقيقة بشكل لا يصدق حول الكون، فإن القواعد تتفكك على أكبر وأصغر المقاييس.
اقترح أينشتاين علاجاً في نظريته عن النسبية العامة. باستخدام الأدوات الرياضية المتاحة له في ذلك الوقت، كان أينشتاين قادراً على شرح بعض الظواهر الفيزيائية بشكل أفضل وأيضاً حل مفارقة طويلة الأمد تتعلق بالقصور الذاتي والجاذبية. ولكن بدلاً من تحسين الجسيمات أو الأمواج، قام بإزالتها حيث اقترح تشويه المكان والزمان.
باستخدام أدوات رياضية أحدث، عرضت أنا وزميلي نظرية جديدة قد تصف الكون بدقة. بدلاً من تأسيس النظرية على التواء الزمان والمكان، اعتبرنا أنه يمكن أن يكون هناك لبنة أساسية أكثر من الجسيم والموجة. يدرك العلماء أن الجسيمات والأمواج متضادات وجودية: الجسيم هو مصدر مادة موجود في نقطة واحدة، والموجات موجودة في كل مكان باستثناء النقاط التي تخلقها. اعتقدت أنا وزميلي أنه من المنطقي أن تكون هناك علاقة أساسية بينهما.
تدفق وشظايا الطاقة
تبدأ نظريتنا بفكرة أساسية جديدة هي أن الطاقة “تتدفق” دائماً عبر مناطق الزمان والمكان.
فكر في الطاقة على أنها تتكون من خطوط تملأ منطقة من المكان والزمان، وتتدفق إلى تلك المنطقة وتخرج منها، ولا تبدأ أبداً، ولا تنتهي أبداً، ولا تتقاطع أبداً مع بعضها البعض.
انطلاقا من فكرة الكون من خطوط الطاقة المتدفقة، بحثنا عن لبنة بناء واحدة للطاقة المتدفقة. إذا تمكنا من العثور على شيء من هذا القبيل وتعريفه، كنا نأمل أن نتمكن من استخدامه لعمل تنبؤات دقيقة حول الكون على أكبر وأصغر المقاييس.
كان هناك العديد من اللبنات الأساسية للاختيار من بينها رياضياً، لكننا بحثنا عن واحدة لها سمات كل من الجسيم والموجة – تتركز مثل الجسيم ولكنها تنتشر أيضاً عبر الفضاء والوقت مثل الموجة. كانت الإجابة عبارة عن لبنة بناء تشبه تركيز الطاقة – نوعاً ما مثل النجم – لها طاقة أعلى في المركز وتصغر بعيداً عن المركز.
ولدهشتنا كثيراً، اكتشفنا أنه لم يكن هناك سوى عدد محدود من الطرق لوصف تركيز الطاقة المتدفقة. من بين هؤلاء، وجدنا واحداً فقط يعمل وفقاً لتعريفنا الرياضي للتدفق. أطلقنا عليه اسم جزء من الطاقة. بالنسبة لعشاق الرياضيات والفيزياء، يتم تعريفها على أنها A =-/ r حيث ⍺ هي الكثافة و r هي دالة المسافة.
باستخدام جزء الطاقة باعتباره لبنة بناء للمادة ، قمنا بعد ذلك ببناء الرياضيات اللازمة لحل المشكلات الفيزيائية. كانت الخطوة الأخيرة هي اختباره.
نعود إلى أينشتاين، مضيفاً العالمية
رسم بياني يوضح تحول مدار الزئبق بمرور الوقت.
كانت النسبية العامة أول نظرية تتنبأ بدقة بالدوران الطفيف لمدار عطارد. Rainer Zenz عبر ويكيميديا كومنز
قبل أكثر من 100 عام ، تحول أينشتاين إلى مشكلتين أسطوريتين في الفيزياء لإثبات صحة النسبية العامة: التحول السنوي الطفيف – أو الاستباقية – في مدار عطارد ، والانحناء الضئيل للضوء أثناء مروره بالشمس.
كانت هذه المشاكل في طرفي طيف الحجم. لا يمكن لنظريات المادة أو الموجة أن تحلها، لكن النسبية العامة فعلت ذلك. لقد شوهت نظرية النسبية العامة المكان والزمان بطريقة تتسبب في تحول مسار عطارد والضوء ينحني بدقة في الكميات التي تُرى في الملاحظات الفلكية.
إذا كانت لنظريتنا الجديدة فرصة لاستبدال الجسيم والموجة بالجزء الأساسي المفترض ، فسنكون قادرين على حل هذه المشكلات بنظريتنا أيضاً.
بالنسبة لمشكلة ما قبل الزئبق، قمنا بنمذجة الشمس على أنها جزء ثابت هائل من الطاقة وعطارد على أنها جزء أصغر من الطاقة ولكن لا يزال بطيئاً. بالنسبة لمشكلة انحناء الضوء، تم تصميم نموذج للشمس بنفس الطريقة، ولكن تم تصميم الفوتون على أنه جزء صغير من الطاقة يتحرك بسرعة الضوء. في كلتا المشكلتين، قمنا بحساب مسارات الأجزاء المتحركة وحصلنا على نفس الإجابات التي تنبأت بها نظرية النسبية العامة. لقد أذهلنا.
أظهر عملنا الأولي كيف أن لبنة بناء جديدة قادرة على نمذجة الأجسام بدقة من الضخم إلى الضئيل. عندما تتكسر الجسيمات والأمواج، يظل جزء من لبنة الطاقة قوياً. يمكن للجزء أن يكون لبنة بناء واحدة عالمية محتملة يمكن من خلالها صياغة الواقع رياضياً – وتحديث الطريقة التي يفكر بها الناس حول اللبنات الأساسية للكون.
