ما هي الجاذبية الكمومية؟ ويعتقد العلماء أنه يمكن أن يفسر بداية كوننا

أعاد العلماء تعريف الجاذبية لتفسير الانفجار الكبير وربما تغيير صورتنا للحظات الأولى من الكون. هذا الإطار الجديد لـ “الجاذبية الكمية” قد يفسر جوانب من الانفجار الكبير التي فشلت نظرية ألبرت أينشتاين للجاذبية، النسبية العامة، عام 1915، في تفسيرها – وربما حتى التخلص من المفهوم الصعب المتمثل في التفرد الموجود قبل فجر الكون.

إن إثبات مفهوم الجاذبية الكمومية هو بمثابة الكأس المقدسة للفيزيائيين، لأنه من شأنه أن يسد الفجوة بين التفسير الذي لدينا عن الكون على المقاييس الكونية الشاسعة (النسبية العامة) وعلى مقاييس صغيرة (فيزياء الكم).

ومع ذلك، فإن النسبية العامة لا تفشل فقط عند المقاييس الصغيرة؛ تنهار النظرية أيضًا عند محاولة تفسير ظروف الطاقة العالية الشديدة التي كانت موجودة خلال اللحظات الأولى للكون. للتغلب على هذه المشكلة، قام فريق من الباحثين بقيادة نياش أفشوردي، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة واترلو ومعهد المحيط، باستكشاف نظرية تسمى الجاذبية الكمومية التربيعية. كما اتضح، يبدو أن هذه النظرية تعمل حتى عند تفسير ولادة الكون ذات الكثافة العالية ودرجة الحرارة المرتفعة.

قال أفشوردي لموقع Space.com: “تعمل النسبية العامة بشكل جيد للغاية في العديد من الظروف، ولكن عندما نعود بها إلى الانفجار الكبير، ونطبقها على داخل الثقوب السوداء، فإنها تتنبأ بالتفرد: لحظة تصبح فيها الكثافة والانحناء ودرجة الحرارة لا نهائية رسميًا. وعادة ما تكون هذه علامة على أن النظرية قد تم دفعها إلى أبعد من حيث يمكن الوثوق بها”. “وبعبارة أخرى، من المرجح أن النسبية العامة غير مكتملة لوصف اللحظات الأولى للكون، عندما تكون التأثيرات الكمومية مهمة أيضًا.”

توسيع الصورة القياسية للنسبية العامة

وأوضح أفشوردي أنه في الصورة القياسية لـ الانفجار العظيميبدأ العلماء عادةً بنظرية أينشتاين للجاذبية، ثم يضيفون مكونات إضافية لشرح اللحظات الأولى للكون، وأبرزها “مجال التضخم” الافتراضي لتفسير التوسع السريع الأولي للكون.

وقال: “يتساءل نهجنا عما إذا كان بعض سلوك الكون المبكر يمكن أن يأتي مباشرة من الجاذبية نفسها، بمجرد تمديد الجاذبية بطريقة تظل تتصرف بشكل أفضل عند الطاقات العالية للغاية”. “لذا، بدلاً من التعامل مع الانفجار الكبير كنقطة تفشل فيها معادلاتنا ثم تصحيح ذلك بافتراضات إضافية، فإننا ندرس نظرية تحتوي فيها الجاذبية بالفعل على المكونات اللازمة لوصف تلك المرحلة المبكرة جدًا بشكل أكثر اتساقًا. وهذا ما يسميه الفيزيائيون الاكتمال فوق البنفسجي: وهي النظرية التي تظل كاملة ومتسقة مع نفسها حتى في الطاقات العالية بشكل اعتباطي.

يستعيد امتداد الجاذبية الكمي المتسق للفريق نموذجًا للتضخم الكوني المبكر، بينما يحتمل أيضًا إزالة المفهوم المقلق المتمثل في التفرد الأولي.

وقال أفشوردي “نموذجنا يوفر توافقا جيدا للغاية مع البيانات الحالية، وفي بعض الحالات أفضل من العديد من النماذج التضخمية القياسية”. “أكثر ما أدهشني هو مدى ظهور مرحلة شبيهة بالتضخم بشكل طبيعي بمجرد معالجة النظرية في إطار ثابت عالي الطاقة، أو كامل فوق البنفسجي. غالبًا ما نفكر في التضخم كشيء يجب إضافته فوق الجاذبية، لذلك من اللافت للنظر أنه قد ينشأ بدلاً من ذلك من الجاذبية نفسها. وعلى نطاق أوسع، كان من المشجع أن نرى أن التوسع البسيط نسبيًا لنظرية أينشتاين يمكن أن يقطع شوطًا طويلًا نحو حل المشكلة العميقة لأصولنا الكونية”.

وأضاف الباحث أن الخطوة التالية للفريق هي صقل توقعات النموذج الرصدية ومقارنتها بعناية مع البيانات المستقبلية.

وتابع أفشوردي: “هناك اتجاهان رئيسيان. الأول نظري: نريد أن نفهم إطار العمل بشكل أكمل ونختبر مدى قوة الاستنتاجات خارج الإطار المبسط الذي درسناه”. “والثاني هو رصدي: نريد التوصل إلى تنبؤات أكثر وضوحًا لموجات الجاذبية البدائية وغيرها من الآثار من الكون المبكر. وهذا سيساعد في تحديد ما إذا كان يمكن تمييز هذه الفكرة عن النماذج التقليدية للتضخم.”

يمكن أن تأتي الأدلة الرصدية التي تساعد في تأكيد نظرية الفريق من بعض أقدم الإشارات التي يمكن ملاحظتها في الكون، وخاصة التموجات الصغيرة في المكان والزمان التي تسمى موجات الجاذبية البدائية، وكذلك البصمات الدقيقة في أحفورة كونية تسمى خلفية الميكروويف الكونية (CMB)، من بقايا الضوء الأول للكون. وقال أفشوردي: “هذه من بين المجسات القليلة التي يمكنها إخبارنا مباشرة عن الفيزياء في أوقات مبكرة للغاية”. “إذا كشفت الملاحظات المستقبلية عن النمط الصحيح لموجات الجاذبية البدائية، أو غيرها من البصمات المميزة في CMB، فقد يوفر ذلك طريقة لاختبار ما إذا كانت هذه الصورة للكون المبكر صحيحة، أو ما إذا كانت هناك حاجة إلى تفسير أكثر تقليدية.”

ونُشر بحث الفريق في المجلة رسائل المراجعة البدنية.