اكتشف الفيزيائيون نظرية الأوتار دون أن يبحثوا عنها

عثر الفيزيائيون الذين كانوا يبحثون عن فهم أفضل للجاذبية الكمية على شيء غير متوقع: التوقيعات المميزة لنظرية الأوتار.

تخيل تقطيع تفاحة إلى قطع أصغر وأصغر. ستصل أولاً إلى الجزيئات، ثم الذرات، وفي النهاية الجسيمات دون الذرية الموجودة بداخلها، بما في ذلك البروتونات والكواركات والجلونات. ومع ذلك، وفقًا لنظرية الأوتار، قد تستمر الطبيعة بشكل أعمق. بمقاييس أصغر بكثير من البروتون، يمكن بناء الكون من أوتار صغيرة تهتز.

وضعت نظرية الأوتار في الأصل في الستينيات، وهي تحاول حل واحدة من أكبر المشاكل التي لم يتم حلها في الفيزياء: الجمع بين ميكانيكا الكم والنسبية العامة. تشرح ميكانيكا الكم سلوك المادة والطاقة عند مقاييس صغيرة للغاية، بينما تصف النسبية العامة الجاذبية وبنية الكون على مقاييس أكبر. لقد ناضل الفيزيائيون لعقود من الزمن لدمج الإطارين لأن الرياضيات تميل إلى الانهيار عندما يتم التعامل مع الجاذبية ميكانيكا الكم.

تقدم نظرية الأوتار حلاً ممكنًا عن طريق استبدال الجسيمات النقطية بأوتار مجهرية. ستنتج الاهتزازات المختلفة لهذه الأوتار جميع الجسيمات المعروفة، بما في ذلك الجرافيتون، وهو جسيم افتراضي يعتقد أنه يحمل الجاذبية. وتتنبأ النظرية أيضًا بوجود 10 أبعاد على الأقل، بدلاً من الأبعاد الأربعة التي يعيشها الإنسان في الحياة اليومية.

أحد أكبر التحديات هو اختبار النظرية مباشرة. إن الطاقات اللازمة لسبر الأوتار تجريبيًا هائلة جدًا لدرجة أن الباحثين سيحتاجون إلى مسرع جسيمات بحجم مجرة ​​تقريبًا.

نهج Bootstrap الجديد لنظرية الأوتار

نظرًا لعدم قدرتهم على اختبار نظرية الأوتار بشكل مباشر، يلجأ الفيزيائيون إلى طرق بديلة. تُعرف إحدى الإستراتيجيات ذات الشعبية المتزايدة باسم نهج “التمهيد”. فبدلاً من البدء بنظرية كاملة، يبدأ العلماء ببعض الافتراضات العامة حول الكيفية التي ينبغي أن تتصرف بها الطبيعة ويرون ما هي الهياكل الرياضية التي ستنشأ.

في بحث جديد بعنوان “سلاسل من لا شيء تقريبًا” تم قبوله للنشر أين رسائل المراجعة البدنية، باحثون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، جامعة نيويورك، ومعهد Fisica d’Altes Energies في برشلونة استخدموا هذه الطريقة لاستكشاف تفاعلات الجسيمات عند الطاقات العالية للغاية. بدءًا من عدد صغير فقط من الافتراضات حول سلوك التشتت، استعادوا بشكل غير متوقع السمات المميزة لنظرية الأوتار.

يقول كليفورد تشيونغ، أستاذ الفيزياء النظرية ومدير منتدى لاينويبر للفيزياء النظرية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: “لقد سقطت الخيوط للتو”. “لم نبدأ بأي افتراضات حول السلاسل على الإطلاق، ولكن بعد ذلك احتوى الحل على التوقيعات الأساسية للسلاسل.”

يوضح تشيونغ أن هذا العمل لا يعتبر دليلاً تجريبيًا لنظرية الأوتار، لكن النتيجة لا تزال مهمة لأن الافتراضات كان من الممكن أن تنتج العديد من النتائج الرياضية المحتملة. وبدلاً من ذلك، أدت المعادلات إلى بنية فريدة تتوافق مع نظرية الأوتار.

الطيف اللانهائي للجسيمات

أحد أهم التوقيعات التي ظهرت يسمى طيف السلسلة. في أواخر الستينيات، اكتشف الفيزيائي الإيطالي غابرييلي فينيزيانو سيرن اكتشف دالة رياضية تصف سلسلة لا نهاية لها من الجسيمات المنتجة في تجارب المصادم. ظهرت هذه الجسيمات في نمط منظم مع زيادة مطردة في الكتل والدوران.

يقول تشيونغ: “في زمن فينيزيانو، كانت مصادمات الجسيمات ترى هذا الرذاذ من الخردة يخرج من الاصطدامات، وهي جسيمات ذات كتل مختلفة. كان الأمر رائعًا، ولم يكن لدى أحد أي فكرة عما كان يحدث. كتب فينيزيانو وظيفة لوصف جميع الكتل، وكشف عن برج لا حصر له من الجسيمات”.

وأدرك العلماء فيما بعد أن طيف الجسيمات هذا يشبه الاهتزازات التوافقية للوتر الموسيقي. على سبيل المثال، ينتج وتر الكمان نغمة أساسية مع سلسلة من التوافقيات الأعلى. تقترح نظرية الأوتار أن الجسيمات تنشأ من أنماط اهتزازية مماثلة.

أصبحت العلاقة بين نظرية الأوتار والجاذبية أكثر وضوحًا في عام 1974 عندما أدرك الفيزيائي جون شوارتز من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والفيزيائي الفرنسي جويل شيرك أن النظرية تشمل بطبيعة الحال الجاذبية نفسها.

يقول شوارتز: “مثل جميع علماء فيزياء الجسيمات في تلك الحقبة، لم يكن لدينا أي اهتمام مسبق بالجاذبية. نظريات الأوتار تعمل بشكل جيد عند الطاقات العالية جدًا، على عكس نظرية النسبية العامة لأينشتاين، والتي لا تزال قائمة كتقريب منخفض الطاقة. لذلك، على الرغم من عدم فهم الكثير بعد، إلا أننا كنا متحمسين جدًا لأن نسخة ما من نظرية الأوتار يمكن أن توفر نظرية كم موحدة لكل شيء”.

في نظرية الأوتار، يتوافق كل وضع اهتزازي مع جسيم مختلف. أ الفوتون يمكن أن ينشأ من وتر مفتوح يهتز بالوضع الأساسي، بينما قد ينشأ الغرافيتون من وتر مغلق يهتز بطريقة مماثلة.

لماذا تصبح الجاذبية الكمومية غير مستقرة؟

ركزت الدراسة الجديدة على سعات التشتت، وهي أدوات رياضية تستخدم للتنبؤ بنتائج تصادمات الجسيمات. عند الطاقات العالية جدًا بالقرب من مقياس بلانك، تبدأ الحسابات المستندة إلى النسبية العامة في إنتاج لا نهائيات ليس لها أي معنى فيزيائي.

يقول تشيونج: “إذا نظرت إلى النسبية العامة وتشتتت عند طاقات عالية جدًا فيما يسمى بمقياس بلانك – أي ما يقرب من 19 مرة أكبر من كتلة البروتون – فستحصل على نتيجة لا معنى لها. كل شيء ينهار تمامًا”.

تتجنب نظرية الأوتار هذه المشكلة من خلال خاصية تسمى الليونة الفائقة. عند الطاقات العالية جدًا، تصبح التفاعلات أكثر سلاسة وأقل عنفًا، مما يمنع المعادلات من الانحراف نحو اللانهاية.

يقول تشيونغ: “في إطار نظرية الأوتار، كلما قمت بزيادة نقل الطاقة بين الجسيمات، سترى انخفاضًا سريعًا في احتمالية تشتت الجسيمات. يبدو الأمر كما لو أن الجسيمات لا تريد حتى أن تتبعثر بعضها البعض، بل تتحرك بحرية”. “إن اتساع التشتت لا يصل إلى ما لا نهاية. إنه سلوك أفضل.”

استخدم الباحثون هذا السلوك فائق النعومة كأحد افتراضاتهم الأساسية. وافترضوا أيضًا خاصية تسمى «الأصفار الدنيا»، والتي تحدد عدد النقاط الخاصة التي تختفي فيها احتمالات التشتت.

“من اللافت للنظر أن الاتساق يتطلب سعة تشتت ليس فقط للتفاعل ولكن أيضًا لعدم التفاعل عند نقاط حركية خاصة تسمى “الأصفار”. يقول تشيونج: «إن افتراض «الحد الأدنى من الأصفار» يتطلب العدد الأقل من نقاط التلاشي التي تسمح بها المعادلات رياضيًا».

ومن خلال هذه الافتراضات فقط، أثبت الباحثون رياضيًا أن الحلول الناتجة أعادت إنتاج السمات المركزية لنظرية الأوتار بشكل طبيعي، بما في ذلك طيفها المميز من الجسيمات وقوة التفاعل.

يقول المؤلف المشارك جرانت ن. ريمين (دكتوراه 2017)، وزميل جيمس آرثر لما بعد الدكتوراه في جامعة نيويورك: “لقد ظهرت التفاصيل الدقيقة لنظرية الأوتار تلقائيًا، بما في ذلك البرج اللانهائي من الجسيمات الدوارة الضخمة التي تشكل “توافقيات” الأوتار التي تشتهر بها النظرية”.

إحياء فكرة الفيزياء القديمة

يقارن تشيونغ طريقة التمهيد بحل لغز سودوكو. بدءًا بعدد قليل من القواعد، يبحث الباحثون عن الحل الوحيد الذي يرضي كل الشروط.

“إن المفارقة العميقة هي أن فكرة التمهيد هذه التي نتبعها الآن باستخدام الأدوات الحديثة والأفكار الحديثة هي فكرة قديمة جدًا. إنها فكرة قديمة،” يوضح تشيونج. “لقد اتبع الاكتشاف الأصلي لطيف فينيزيانو، وعمل جون شوارتز، نهجًا مشابهًا. لم يبدأوا بنماذج نظرية الأوتار، بل جاءت الحلول من المبادئ الأساسية.”

كما ينسب تشيونج الفضل أيضًا إلى الرواد الأوائل في مفهوم التمهيد، بما في ذلك عالم الفيزياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ستيفن فراوتشي، وعالم الفيزياء في جامعة كاليفورنيا في بيركلي جيفري تشيو. وفي الستينيات، طوروا أساليب التمهيد في فيزياء الجسيمات واكتشفوا تلميحات مبكرة لنفس طيف الجسيمات اللانهائي الذي تم ربطه لاحقًا بنظرية الأوتار.

يقول هيروسي أوجوري، أستاذ الفيزياء النظرية والرياضيات في جامعة كاليفورنيا للتكنولوجيا، ورئيس قسم الفيزياء والرياضيات وعلم الفلك في كينت وجويس كريسا: “لقد أصبحت فكرة التمهيد عفا عليها الزمن، لكن الآن يقوم أشخاص مثل كليف بإحيائها وتحديثها”. “لدينا الآن فهم أفضل للافتراضات الأساسية التي يمكننا القيام بها، بالإضافة إلى تقنيات أقوى لترجمة هذه الافتراضات إلى خصائص اتساع التشتت وغيرها من الأشياء التي يمكن ملاحظتها.”

المرجع: “سلاسل من لا شيء تقريبًا” بقلم كليفورد تشيونج، وجرانت ن. ريمين، وفرانشيسكو شيوتي، وميشيل تاركويني” مقبولة، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/cw4p-cqh7

تلقت الدراسة دعمًا من وزارة الطاقة الأمريكية، ومعهد والتر بيرك للفيزياء النظرية، ومنتدى لينويبر للفيزياء النظرية، وزمالة جيمس آرثر لما بعد الدكتوراه في جامعة نيويورك، والاتحاد الأوروبي للجيل القادم. ومن بين المؤلفين الإضافيين فرانشيسكو شيوتي من معهد Fisica d’Altes Energies في برشلونة، وميشيل تاركويني، طالبة الدراسات العليا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.