نظرية الأوتار

نظرية الأوتار (String Theory) هي مجموعة من الأفكار الحديثة حول تركيب الكون تستند إلى معادلات رياضية معقدة، تنص هذه المجموعة من الأفكار على أن الأشياء أو المادة مكونة من أوتار حلقية مفتوحة و أخرى مغلقة متناهية في الصغر لا سمك لها و أن الوحدة البنائية الأساسية للدقائق العنصرية، من إلكترونات و بروتونات و نيترونات و كواركات، عبارة عن أوتار حلقية من الطاقة تجعلها في حالة من عدم الاستقرار الدائم وفق تواترات مختلفة وإن هذه الأوتار تتذبذب و تتحدد وفقها طبيعة وخصائص الجسيمات الأكبر منها مثل البروتون والنيوترون والإلكترون، أهم نقطة في هذه النظرية أنها تأخذ في الحسبان كافة قوى الطبيعة: الجاذبية والكهرومغناطيسية والقوى النووية، فتوحدها في قوة واحدة ونظرية واحدة، تسمى النظرية الفائقة M-Theory.

تهدف النظرية إلى وصف المادة على أنها حالات اهتزاز مختلفة لوتر أساسي وتحاول هذه النظرية الجمع بين ميكانيكا الكم Quantum Mechanics التي تفسر القوى الأساسية المؤثرة في عالم الصغائر (القوة النووية الضعيفة، القوة الكهرمغنطيسية، القوة النووية القوية) و بين النظرية النسبية العامة General Theory of Relativity التي تفسر قوة الجاذبية في عالم الكبائر ضمن نظرية واحدة والتي تقول بإن الكون هو عالم ذو عشرة أو أحد عشر بُعدًا، على خلاف الأبعاد الأربعة التي نحس بها و أن هنالك 6 أو 7 أبعاد أخرى، إضافةً لأبعاد عالمنا الثلاثة معالزمن، غير محسوسة و منطوية على نفسها. أما هذه النظرية الجديدة فتعتقد بأن الكون مكون من 26 بعداً، اُختزلت فيما بعد إلى عشرة أبعاد. ولتوضيح هذه الفكرة يستعمل البعض مثال خرطوم رش الماء، فعندما تنظر للخرطوم من بعيد لا ترى سوى خط متعرج. لكنك بفحصه عن كثب سترى أنه عبارة عن جسم في ثلاثة أبعاد حيث أن الأبعاد الجديدة ملتفة على نفسها في جزء صغير جدا.

استنادا إلى نظرية الأوتار الفائقة فإن الكون الذي نعيش فيه ليس وحيدا، وإنما هنالك أكوان عديدة متصلة ببعضها البعض، ويرى العلماء أن هذه الأكوان متداخلة ولكل كون قوانينه الخاصة به، بمعنى أن الحيز الواحد في عالمنا قد يكون مشغولاً بأكثر من جسم ولكن من عوالم مختلفة، وبحسب هذه النظرية فإن الكون ما هو إلا سيمفونية أوتار فائقة متذبذبة، فالكون عزف موسيقي ليس إلا ومن الممكن معرفة الكون ومما يتكوّن من خلال معرفتنا للأوتار ونغماتها، فالكون يتصرف على نمط العزف على الأوتار.

يقول العالِم الفيزيائي الأمريكي غوث (مواليد 1947) Alan Guth بما أن الكون ولد من العدم وبما أن العدم يمتد إلى مساحات لا متناهية، إذاً من المتوقع نشوء أكوان لامتناهية في أجزاء مختلفة من العدم. أما العالِم الكوزمولوجي والفيزيائي الأمريكي ريز (مواليد 1942) Martin Rees فيقول: بما أنه توجد عوالم مختلفة وعديدة، إذاً من المتوقع وجود عالم كعالمنا. ويُقدِّم مثلاً على ذلك، إذا دخلنا إلى متجرة لبيع الثياب حيث توجد ثياب بمقاييس مختلفة وعديدة فليس من المستغرب حينئذٍ أن نجد ثوباً بمقاسنا. لذا ليس من المستغرب وجود عالَم كعالمنا لأنه توجد عوالم عدة ومختلفة.

• القوة النووية الشديدة المسؤولة عن ارتباط النيوترونات بالپروتونات في داخل نواة الذرة. كما هو معروف، النواة مشحونة إيجابيا وهي لذلك تتدافع إن تركت لشأنها بفعل القوة الكهربائية ممزقة عرى النواة وهنا تتدخل القوة الشديدة للتغلب على القوى المذكورة وتقريب البروتونات إلى بعضها محاولة لم شمل النواة ولتخلق نوع من التوازن الدقيق بينها وبين القوة الكهربائية التنافرية (repulsive) (التي تسعى إلى تفجير النواة). عندما يطلق العنان للقوة النووية الشديدة تنشأ نتائج كارثية، فمثلا عندما تشطر نواة اليورانيوم عن عمد في القنبلة الذرية تتحرر الكميات الهائلة من الطاقه الحبيسة داخل النواة في شكل انفجار نووي مروع. حيث تطلق القنبلة النووية مليون ضعف من الطاقة التي يعطيها الديناميت ويؤكد ذلك بشكل جلي حقيقة أن بإمكان القوة الشديدة توليد طاقة تتعدى طاقة المتفجرات الكيميائية التي تحكمها القوة الكهرمغنيطيسية. تفسر القوة الشديدة أيضا سبب إضاءة النجوم بأن النجم ليس إلا فرن نووي ضخم تتحرر فيه القوة الشديدة سجينة النواة. ولو أن طاقة الشمس كانت ناجمه عن حرق الفحم بدلا من الوقود النووي لما أطلقت الشمس إلا جزءا ضئيلا من ضوئها ولخبت بسرعة متحولة إلى رماد. وبدون الشمس تبرد الأرض وتنقرض كل أشكال الحياة عليها وبدون القوة الشديدة لايمكن أن توجد الشمس و بالتالي لا يمكن أن تنشاء الحياة وترتقي.

• القوة النووية الضعيفة، و هي القوة التي تتحكم بتحلل الجسيمات الأولية داخل الذرة والمسؤولة عن نشاط الذرات الثقيلة غير مستقرة الإشعاع. لبعض النوى كنواة اليورانيوم التي تضم 92 بروتون كتلا هائله تؤدي إلى تحللها تلقائيا وإطلاق شظايا وبقايا صغيرة فيما ندعوه بالنشاط الاشعاعي. النوى في هذه العناصر هي ببساطة نوى غير مستقرة وتجنح إلى التحلل (disintegration) لذا لابد من تواجد قوة أخرى ضعيفة لتتحكم بالنشاط الاشعاعي وتكون مسؤولة عن تحلل النوى الثقيلة. هذه هي القوة الضعيفة التي تتسم بسرعة الزوال والتلاشي إلى حد أننا لانتحسسها مباشرة في حياتنا لكننا نستشعر آثارها غير المباشرة. فعندما نضع عداد جايجر بالقرب من قطعة اليورانيوم تتناهى إلى مسامعنا الطقطقة التي تقيس النشاط الاشعاعي للنوى الناجم عن فعل القوة الضعيفة. ويمكن أن تستخدم الطاقة المتحررة من قبل القوة الضعيفة لتوليد الحرارة أيضا، فمثلا إن الحرارة الشديدة الموجودة في باطن الأرض قد نجمت جزيئا عن تحلل العناصر المشعة في عمق نواة الأرض تتفجر هذه الحرارة الهائله بدورها في هيئة براكين إن وصلت سطح الأرض. وبالمثل فإن الحرارة التي تنتج في نواة مفاعل نووي والتي تستطيع توليد طاقة كهربائية تكفي لإنارة مدينة كاملة تعزى أيضا إلى أثر القوة الضعيفة.

كان هناك نواقص في نظام نيوتن لتفسير قوة الجاذبية. أحدها أن النظام كان يقول بأن قوة الجاذبية لحظية، أي كأن هنالك حبل يربط الأرض بالشمس فلا تحتاج قوة الجاذبية إلى مدة للانتقال، وأن الجاذبية تعمل فقط على المدى الضخم كالكواكب و النجوم و المجرات و تصبح هذه القوة معدومة في الجزيئات الصغيرة و داخل الذرات. و أنه على الرغم من أن الجاذبية تبدو هي القوة الأكثر وضوحا إلا أنها تعتبر ضعيفه جدا جدا مقارنة بالقوى الأخرى فعلى سبيل المثال يمكننا باستخدام المغناطيس أن نرفع مسمار من على سطح الأرض، نلاحظ هنا أن المغناطيس الضئيل الحجم هذا قد تغلب على الجاذبية الناتجة من هذا الكوكب الضخم. لكن آينشتاين رأى خلاف ذلك و هو أن سرعة الضوء هي السرعة القصوى في هذا الكون، فلا يمكن للجاذبية بأن تكون أسرع من الضوء فقام آينشتاين بتفسير أدق لهذه الجاذبية و هي بأن الكتلة تصنع انحناء في الفضاء و يتسبب هذا في تدحرج (انجذاب) الأجسام الأخرى إلى الكتلة على هذا المنحدر، فكان هذا الإكتشاف مدخل إلى فكرة توحيد القوى في هذا العالم تحت قوة واحدة تحكم هذا الكون ولكن آينشتاين توفي قبل أن يحقق ذلك.

و ترى هذه النظرية المادة متكونة من سترينغات أي حلقات مفتوحة و تلتصق نهاية الحلقة بغشاء أو فضاء يسمى بران هو عبارة عن الكون الذي نعيش فيه إلا أن الحلقات الغير ملتصقة بالبراين كالجسيم النظري جرافيترون التي يعتقد أنها الحامل لقوة الجاذبية فإنها يمكنها الإبتعاد عن البران لتذهب إلى بران أخرى.

توحيد القوى الأربعة

الهدف الكبير للفيزياء هو إيجاد نظرية أو علاقة رياضية واحدة تصبح معها القوى الأربعة حالاتٍ خاصة من قوة وحيدة اصطُلِحَ على تسميتها بالقوة الفائقة ولكن هذا الهدف يواجهه مشكلاتٌ عديدة، أهمها وجود نظريتين كبيرتين تسودان الفيزياء، هما: نظرية أينشتاين في النسبية والنظرية الكمية، و حتى الآن لم يتمكن الفيزيائيون من توحيد هاتين النظريتين على نحوٍ كلِّيٍّ ومُرْضٍ. تقوم الفيزياء الحديثة على ركيزتين أساسيتين، الأولى هي النظرية النسبية العامة لالبرت آينشتاين، و التي تمنحنا الإطار النظري لفهم العالم في أبعاده الكبرى: النجوم والمجرات وتجمعات المجرات، وحتى ما وراء المدى البعيد للكون نفسه. أما الركيزة الثانية فهي ميكانيكا الكم، وهي التي تزودنا بالإطار النظري لفهم العالم في أصغر أبعاده: الجزيئات والذرات وحتى الدقائق تحت الذرة مثل الإلكترونات والكواركاث وبالرغم من إثبات صحة التنبؤات التي بشرت بها كل من هاتين النظريتين، إلا أن الوسائل النظرية في البحث أدت وبشكل لا يقبل الجدل إلى نتيجة غير مريحة في نفس الوقت وهي أن النظرية النسبية العامة ونظرية ميكانيكا الكم، تنفي احداهما الأخرى بحيث لا بد من أن تكون واحدة منهما فقط على صواب. وهكذا فإن النظريتين اللتين تشكلان أساس التقدم الهائل في الفيزياء خلال المائة عام الماضية غير متوافقتين.

ترى النسبية العامة الكونَ كمتَّصَل مكاني–زماني محدَّب بسبب وجود كتل كبيرة كالشمس؛ وهي تفسر الجاذبية تفسيراً جيداً. أما النظرية الكمية فهي تهتم عموماً بالأجسام الصغيرة، كالقُسَيْمات particles التي يُعَد تحديبها للمكان–الزمان مهمَلاً لضآلته. تدريجيا أصبحت النظرة السائدة للقوى على أنها تبادُل لقُسَيْمات بين الأجسام المتفاعلة: فتنافُر إلكترونين (التفاعل الكهرومغناطيسي) يتم بسبب تبادُلهما لفوتونات ناقلة messenger photons، وليس بسبب تَضادِّهما. وقد عُمِّمَتْ هذه النظرة على بقية القوى، فافتُرِضَ أن الجاذبية تسري عبر تبادُل قُسيمات تسمى الغرافيتونات gravitons. أما التفاعل الضعيف فهو يتم بواسطة قُسيمات W ± وZ، فيما التفاعل القوي يتم عبر تبادُل الغلووُنات gluons بين الكواركات، تلك القُسيمات التي يُفترَض أنها تؤلف الپروتونات والنوترونات. وهكذا صار مشروع توحيد القوى، من هذا المنظور، مرادفًا للبحث عن المركَّبات الأساسية للمادة .

كانت أول محاولة لتوحيد هذه القوى الأربعة في العصر الحديث هي محاولة توحيد القوة الكهرومغناطيسية و القوة النووية الضعيفة تحت مسمى القوة الكهروضعيفة. كان التوحيد مجرد حسابات رياضية و قاموا باستنتاج جزيء جديد لحامل هذه القوة الموحدة و سموه z-particle. ولكن المشكلة الرئيسية في هذا التوحيد كانت التنبآت بأن القوتان لن تتوحدا إلا تحت طاقات حرارية هائلة جدا أعلى حتى من حرارة قعر أضخم نجوم الكون. مثل هذه الحرارة تواجدت في فترة الانفجار العظيم ولكن تم إثبات أن هذه الطاقة الحرارية العالية يمكن بالفعل إنتاجها عن طريق مصادمة جزيء بروتون مع جزيء بروتون مضاد anti-proton والتي أدت إلى نشوء طاقة هائلة جدا مقاربة لما كانت عليه حرارة الانفجار العظيم.

بعد إثبات إمكانية الدمج بين القوة الكهرومغناطيسية و القوة النووية الضعيفة إستمرت التنبؤات الرياضية بأنه إذا ماتم العودة بالزمن أكثر للوراء إلى بداية الكون لأصبحت الحرارة أشد بكثير و حينها تذوب أيضا القوة النووية القوية بفعل هذه الحرارة و تتوحد مع النووية الضعيفة و الكهرومغناطيسية لتكون قوة واحده و اسم الجزيء الحامل لهذه القوة هو بوزون يسمى بوزون X. لكن لم يتم اكتشاف هذا الجزيء بعد.

لهدف توحيد هذه القوى الأربعة يأمل العلماء في التوصل إلى مجموعة من التناظُرات الرياضية التي يُطلَق عليها اسم التناظر المعياري gauge symmetry والتي لا يمكن وصفها بكلمات بسيطة. يرتبط التناظر المعياري، بفكرة المعاير(تبديل المستوى أو قيمة الكمية) وتتصف جملةٌ ما بتناظر معياريٍّ إذا لم تتبدل الطبيعةُ الفيزيائية للجملة نتيجة تحويل من هذا النوع، ولتوضيح الفكرة يستعمل البعض مثال السفر بالقطار فإذا كنَّا مسافرين، مثلاً، في قطار يسير بسرعة خطِّية منتظمة لما شعرنا بأثر لحركته؛ أما إذا دار القطار على خطٍّ متعرج فإننا سنشعر بقوة تختلف من نقطة إلى أخرى بحسب السرعة وتقوس الخط. فإذا أجرينا تحويلاً معياريًّا على أثر الدوران من خلال إدخال حقل جاذبية يعوِّض عن التبدلات من نقطة لأخرى، نعود من جديد لنشعر وكأن القطار ساكن على الرغم من دورانه، بذلك نكون قد جعلنا قوانين الفيزياء لا تتبدل بالنسبة إلى تحويلات معيارية محلِّية تتعلق بالمسافة .

الهدف الرئيسي هو توحيد القوى السابقة كلِّها مع الجاذبية. وأفضل نظرية مرشَّحة الآن هي نظرية "الأوتار الفائقة" التي تبحث عن تناظُر فائق (تناظر إفتراضي بين البوزونات و الفرميونات، لكل فرميون نظير فائق هو عبارة عن بوزون و العكس صحيح) supersymmetry يحل المشكلة. وتفترض هذه النظرية أن عالمنا يتألف من عشرة أبعاد على الأقل: الأبعاد الثلاثة المكانية والبُعد الزمني، إضافة إلى ستة أبعاد جديدة لا نراها لأنها منطوية على ذاتها (أي أنها صغيرة جدًّا، لا تشعر بها سوى القُسَيمات، مما يسمح بتوحيد هويتها). أما لبنة الكون الوحيدة فهي "الوتر" String الذي يمكن أن نقول، في تبسيط مفرط، بأن القُسيمات المختلفة تشكِّل "اهتزازات" متباينة له.

جدول زمني

يمكن تلخيص الجدول الزمني لنشوء فكرة الأوتار الفائقة بالتالي:

• في عام 1968 وعندما كان الفيزيائي الإيطالي غبرايل فينيزيانو Gabriele Veneziano يحاول فهم القوة النووية الشديدة إكتشف أن معادلة رياضية قديمة لعالم الرياضيات السويسري ليونارد أولير (1707 - 1783) Leonhard Euler تطابق مفهوم القوة النووية الشديدة.

• في عام 1970 ظهرت نظرية أخرى اسمها الكروموديناميك الكمومي نجحت في وصف التفاعلات الشديدة وبنتيجة ذلك وبالرغم من حصول قدر هائل من العمل في النظرية الوترية أثناء تلك المرحلة المبكرة هجر معظم الناس الموضوع في أواسط السبعينات عندما أنشئ الكروموديناميك الكمومي.

• في عام 1974 قام الأمريكي جون شوارتز (مواليد 1941) والفرنسي جوئيل شيرك (إنتحر في عام 1979) بدراسة استخدام الأوتار لتوصيف القوة النووية الشديدة و الجاذبية في آن واحد وتوصلوا إلى أن الأوتار يجب أن تكون أصغر بكثير مما كان يعتقد في البدء .

• في عام 1980 وبعد إنتحار جوئيل شيرك تعاون جون شوارتز مع الفيزيائي البريطاني مايكل جرين (مواليد 1946) Michael Boris Green بخصوص تطوير السلوك الرياضي المفصل للنظرية الوترية ذات الأبعاد العشرة ونجحوا في عام 1984 في حذف الشذوذ المتعلقة بنظرية الأوتار وأدى ذلك إلى إزدياد تقبل النظرية و أزداد بشكل كبير عدد المشتغلين بهذا الموضوع.

نموذج الوتر

بمقتضى نظرية الأوتار هذه فإن محتويات الكون ليست جٌسيمات أولية Particles، بل خيوط دقيقة جداً، ذات بُعد واحد أشبه بأشرطة مطاطية متناهية الدقة، تتذبذب إلى الأمام والوراء. وتقول هذه النظرية أن الأوتار مقومات مجهرية فائقة الصغر تتكون منها الجسيمات الدقيقة التي منها تتكون الذرات وعليه فإن لبنات الطبيعة الأساسيه تتكون من أوتار دقيقه مهتزه. فإن كان ذلك صحيحا فإن كل أشكال المادة بدءا من أجسادنا وانتهاءا بالنجوم البعيدة تتكون في الجوهر من أوتار. لم يشاهد أحد هذه الأوتار ذلك انها أكثر الاوتار ضالة من ان ترى او تلاحظ ويبدو عالمنا وفقا لنظرية الاوتار الفائقة مصنوعا من جسميات نقطيه لأن أدوات قياسنا بدائية وبسيطة لدرجة لاتسطيع معها أن تتحسس تلك الأوتار الضئيلة. وطول الوتر، كما يزعم أصحاب هذه النظرية، أصغر بمقدار مئة بليون بليون مرة من نواة الذرة. هذه الصورة تكملة للفكرة القديمة التي أدخلها موري غيل Murray Gell-Mann و كازوهيكو نيشيجيما Kazuhiko Nishijima في عام 1961 والتي نصت على إن النيوترونات والپروتونات مصنوعة من كواركات. حيث أضافت نظرية الأوتار الفائقة إن على هذه الكواركات أن تكون مضمومة معاً بقوة ما، وبذلك كانت الصورة أن الأوتار وصف للقوة التي تمسك بالكواركات معاً، على شاكلة نتف من المطاط. ويمكن أن يتخيل المرء بأن الكواركات وكأنها مربوطة عند أطراف هذه الأوتار.

تنص النظرية بأن الوتر (الوحدة البنائية الأساسية للدقائق العنصرية من إلكترونات و بروتونات و نيترونات و كواركات) من المحتمل أن يكون عبارة عن خيط دائري مغلق ومن المحتمل أيضا أن يكون خيط مفتوح بطرفين. فبالنسبة للقوى الثلاثة الكهرومغناطيسية و القوة نووية قوية و القوة نووية ضعيفة يكون الوتر مفتوح و بطرفين “ملتصقين” بغشاء الكون, أما بالنسبة لقوة الجاذبية فالوتر عبارة عن خيط دائري ليس له طرف ليرتبط بهذا الكون بل له الحرية بالدخول و الخروج من هذا الكون. وللتوضيح فعندما يجذب المغناطيس المسمار من على سطح الأرض فالجزيئات التي تجذب المسمار إلى المغناطيس مثبته على غشاء الكون. أما القوة المضادة و هي قوة الجاذبية فجزيئاتها تدخل و تخرج من هذا الكون لعدم ارتباطها بالغشاء، لكن لا يوجد حتى الآن أي اثبات عملي على هذا الكلام لأن هذه الأوتار متناهية في الصغر ومن المستحيل رؤيتها لذلك فالطريقة الوحيدة لاختبار هذه النظرية هي البحث عن تنبؤات هذه النظرية.

من المفترض أن تقوم نظرية الأوتار الفائقة بفهم جميع الأحداث المبكرة عند نشوء الكون و وقوع الانفجار العظيم حيث يعتقد ستيفن هوكينغ أن الحرارة الهائلة للإنفجار العظيم تؤدي إلى انعدام الفوارق بين الزمن والفضاء، ويُصبح الزمن بُعداً فضائياً، أي أن الزمن "يتفضأ" على حد تعبير هوكنغ. وقد استند هوكنغ إلى الأعداد التخيلية، وطبقها على مفهوم الزمن، وعند ذلك سيفقد الزمن طابعه الأساسي في جريانه الدائم باتجاه واحد (هو المستقبل)، أو ما يُسمى سهم الزمن، وهذا الزمن الخيالي سيؤشر إلى الاتجاهين المتعاكسين. وتصور هوكنغ أن الزمن يرتد إلى الوراء في ظروف خاصة: يحدث هذا كما قال، عندما يكفّ الكون المتحدد حالياً عن النمو ويبدأ بالتقلص. في عام 2002 ألف هوكينغ كتابه الكون في قشرة جوز وفيه يقول إن الكون بدأ في شكل كرية مفلطحة في أجزاء منها، تشبه قشرة الجوز في حجمها وشكلها وإن الثقوب السوداء لم تعد كاملة السواد، وانما هي تشع وتتبخر لتتلاشى، وحيث ينشأ الكون من بذرة حجمها وشكلها كثمرة جوز.

إستنادا إلى العالم الأميركي بريان غرين Brian Greene (مواليد 1963) في كتابه الكون الأنيق (2000) The Elegant Universe فإنه في ومضات زمنية قصيرة جداً (نحو واحد على عشرة ملايين الترليونات، الترليونات، الترليونات من الثانية) ومسافة فضائية قصيرة جداً (نحو واحد من بليون ترليون ترليون من السنتيمتر)، تشوه اضطرابات ميكانيك الكم والفضاء والزمن إلى حد أن المفهوم التقليدي لليسار واليمين والخلف والأمام، والأعلى والأسفل والقبل والبعد يصبح لا معنى له ويعتقد غرين ان العالم مشرف على ثورة كبرى، ستكشف النقاب عن الطبيعة الجوهرية للزمن والفضاء، هذه ستتمخض عن صوغ لقانون طبيعي جديد بكل معنى الكلمة سيُلزم العلماء على التخلي عن مصفوفة الفضاء - الزمن التي كانوا يتعاملون معها لقرون، مقابل عالم مجرد من الفضاء والزمن.

يعتقد المؤمنون بهذه النظرية بأن هنالك إمكانية حول انبثاق الجوهر من فيزياء الأبعاد الإضافية أكثر من أبعاد الفضاء الثلاثة المعهودة ويتكئون هنا على نظرية الأوتار، التي تتنبأ بوجود عشرة أبعاد، أربعة منها هي أبعادنا الثلاثة المعروفة مضافاً إليها الزمن. أما الستة المتبقية فينبغي أن تكون خفية. وهناك بديل آخر، هو تطوير لنظرية الأوتار، وذلك بإضافة بعد آخر إلى العشرة، ليصبح عدد الأبعاد أحد عشر. وهذا كله بعد الاحتكام إلى الرياضيات لإيجاد حل مفترض للتنسيق بين نظرية النسبية العامة حول الجاذبية، ونظرية ميكانيك الكم الذي يتعامل مع اجزاء الذرة.

توضيح

• لتوضيح فكرة نظرية الأوتار الفائقة فكر في أوتار العود أو الكمان أو الغيتار وكيف أن العازف ينظم إيقاع الوتر و الصوت بواسطة شد أو رخي الوتر الواحد بواسطة المفتاح الذي يرخي أو يشد الوتر وكيف يمكن الحصول على نغمات مختلفة بشد أو إرخاء وتر معين، وتصور أيضا أن الذرات في المادة بدءا من أجسادنا وانتهاءا بالنجوم البعيده تتكون من أوتار دقيقة مهتزة وبحسب هذه النظرية فإن الكون ما هو إلا سيمفونية أوتار فائقة متذبذبة فالكون عزف موسيقي ليس إلا ومن الممكن معرفة الكون ومما يتكوّن من خلال معرفتنا للأوتار ونغماتها.

• الفرق بين وتر الآلة الموسيقية و الوتر في نظرية الأوتار الفائقة هو أن الأوتار في الأخيرة عائمة في الفضاء وغير مربوطة كما هو الحال في الأوتار المربوطة بالآلات الموسيقية وبالرغم من حالة االحرية هذه فإن هناك توتر أو ضغط على هذه الأوتار ومقدار هذا التوتر يمكن الإشارة إليها بالمعادلة 1/(2 p a') حيث يشير a إلى مربع طول الوتر الذي هو عبارة عن مقدار صغير جدا يصل إلى 10^-13 سنتمتراً أي أصغر بمقدار مئة مليار مليار مرة من نواة الذرة و p إلى طول بلانك الذي هو كمية صغيرة لدرجة لا تصدق من السلم النووي أصغر ب 10^20 مرة. و للتعبير عن ذلك هنالك طريقة تقول بأن نسبة سلم بلانك على (مقاس) الذرة كنسبة هذا إلى مقاس المنظومه الشمسية. وهذه الأوتار على نوعين إما وتر مغلق يمكن أن يتحول إلى وتر مفتوح أو وتر مغلق لا يمكن أن يتحول إلى وتر مفتوح. فنحن إذن أمام مسافات بالغة الصغر. ويمكن القول هنا إن الفرميونات هي جسيمات المادة و البوزونات جسيمات تنقل القوى بين جسيمات المادة.

• هناك نظريتان ، نظرية النسبية العامة لالبرت آينشتاين التي تفسر قوة الجاذبية في عالم الكبائر وهي تمنحنا الإطار النظري لفهم العالم في أبعاده الكبرى: النجوم والمجرات وتجمعات المجرات‚ وحتى ما وراء المدى البعيد للكون نفسه, والنظرية الأخرى هي ميكانيكا الكم التي تفسر القوى الأساسية المؤثرة في عالم الصغائر (القوة النووية الضعيفة، القوة الكهرمغنطيسية، القوة النووية القوية) وهي التي تزودنا بالاطار النظري لفهم العالم في أصغر أبعاده: الجزئيات والذرات وحتى الدقائق تحت الذرة مثل الإلكترونات والكواركات وبالرغم من أن النظريتين متكاملتان كل على حدى إلا أن الجمع بينهما يؤدي إلى نتائج كارثية في فهم الكون من أصغر الأجزاء إلى أكبرها حيث أن نظرية النسبية العامة ونظرية ميكانيكا الكم، إحداهما تنفي الاخرى بحيث لا بد من أن تكون واحدة منهما فقط على صواب وهكذا فإن النظريتين اللتين تشكلان أساس التقدم الهائل في الفيزياء خلال المائة عام الماضية غير متوافقتين. وقد يتسائل البعض عن غرض جمع النظريتين من الأساس والجواب التقليدي هو تصور أنك تعيش في مدينة يسودها نظامين مختلفين من أنظمة السير و المرور فهذا يؤدي إلى فوضى كارثية والدمج بين النظريتين هي الطريقة الوحيدة لفهم منشأ الكون وماحصل عند الأنفجار العظيم حيث أن هذا الكون العملاق نشأ من جسم صغير كروي مفلطح في اجزاء منه، تشبه قشرة الجوز في حجمها وشكلها.

• استنادا إلى نظرية الأوتار الفائقة فإن الأفكار التي كانت تعتبر محض خيال مثل الإنتقال عبر الزمن والإنتقال من مكان إلى آخر هائل البعد في لحظات يمكن إعتبارها غير مستحيلة. لتوضيح هذه الفكرة تصور أن الكون هو عبارة عن المدينة التي تعيش فيها، ففي هذه المدينة إذا أردت الإنتقال من منزلك إلى مكان عملك فإنك تحتاج إلى واسطة نقل و وقت للوصول إلى مكان العمل، لكن حاول للحظة أن تنسى المفهوم التقليدي الخطي المسطح للكون أو المدينة وتصور ان المدينة تحتوي على طيات بحيث يكون مكان عملك فوق منزلك بدلا من كونها تقع على بعد عدة كيلومترات وأن هنالك نفق أو جسر يوصلك بسرعة إلى مكان عملك ولنطلق تسمية ثقب دودي على هذه الأنفاق ، كانت هذه فكرة ألبرت أينشتاين.

• طرح ألبرت أينشتاين فكرته الجريئة في إضافة بعد الزمن إلى الأبعاد الثلاثة المعروفة لإنتاج نسيج واحد |زمكاني أشبه بشبكة الصيادين وعلى هذا النسيج كانت الكواكب والنجوم والشمس وكل منها يحدث تقعرا في ذلك النسيج حسب ثقله. فعلى سبيل المثال، التقعر الذي تحدثه الشمس في هذا النسيج أكبر من التقعر الذي تحدثه الأرض مما يؤدي إلى دوران الأرض حول الشمس في أطراف التقعر الذي أحدثته الشمس على نسيج الكون. كانت هذه ثورة على مفهوم الجاذبية القديمة لنيوتن وسميت هذه النظرية بنظرية النسبية العامة. لكن آينشتاين كان يحلم أيضا بتوحيد قوة الجاذبية مع القوة الكهرومغناطيسية وكان معجبا جدا بما حققه ماكسويل من توحيد للقوتين الكهربائية و المغناطيسية وكان حلم آينشتاين أن يتمكن من توحيد فكرته الجديدة عن قوة الجاذبية مع القوة الكهرومغناطيسية في شكل معادلة رياضية الهدف منها التقرب أكثر من فهم الكون.

• في العشرينيات تمكن مجموعة من العلماء و على رأسهم نيلز بور من اختطاف الأضواء من آينشتاين, كان هؤلاء العلماء وعلى عكس آينشتاين مهتمين بالأجزاء الصغيرة من الكون مثل الذرة و الإلكترونات والبروتونات. و لعجز نظرية الجاذبية التي طرحها أينشتاين لتفسير التجاذب بين الكواكب العملاقة عن تفسير هذا العالم الصغير وغير المرئي في الذرة الواحدة وضعت نظرية حاصة بذلك أطلق عليها ميكانيكا الكم. لم يكن هنالك أي دور للتنظيم و الحتمية في هذه النظرية وإنما كان كل شيء عبارة عن إحتمالات. فحتى إذا كان هنالك 1000 إحتمال لشيئ ما فإن هنالك إحتمالا لحدوث هذه الإحتمالات الألف، وحتى الأشياء التي تعتبر مستحيلة مثل إختراق جدار فإن ميكانيكا الكم وبالرغم من تأكيدها على أن إحتمالية وقوع هذا الشيئ هو من الصغر بحيث أنه قد يتطلب دفع الجدار إلى مالانهاية ولكنه إحتمال قائم. مجمل القول أن ميكانيكا الكم كانت تؤمن بالإحتمالات وبأنه لايوجد يقين لايقبل الشك بنتائج أي تجربة أو نظرية وهذا ماكان يرفضه آينشتاين و النظرية النسبية العامّة الذي كان مؤمنا بأن هنالك تنظيم لكل شيء في الكون ولكن التجارب المتلاحقة أثبتت خطأ أينشتاين في هذه النقطة.

• لغرض التقريب بين التناسق الرائع للنظرية النسبية و عدم التناسق و الإحتماليات غير الحتمية لنظرية الكم حاول العديد إيجاد وسيلة للتقريب بينهما, وفي عام 1968 وعندما كان الفيزيائي الإيطالي غبرايل فينيزيانو Gabriele Veneziano، الشاب والمتخرج حديثا يحاول فهم القوة النووية الشديدة اكتشف أن معادلة رياضية قديمة لعالم الرياضيات السويسري ليونارد أولير (1707 - 1783) Leonhard Euler تطابق مفهوم القوة النووية الشديدة وكانت هذه المعادلة بمثابة ولادة لنظريةالأوتار. الثورة التي احدثتها هذه النظرية هي قابلية هذه الأوتار الدقيقة للتمدد إلى غشاء هائل Brane بحجم الكون متعدد الأبعاد، وجود هذا الغشاء الهائل المتعدد الأبعاد يفتح الباب لفكرة جريئة و غريبة وهي أن الكون الذي نعيش فيه ما هو إلا غشاء واحد ضمن فضاء أوسع متعدد الأبعاد. ويستعمل البعض مثال الخبز الذي يمكن قطعه إلى عدة شرائح والكون الذي نعيش فيه ماهو إلا شريحة واحدة فقط وعليه فإن هناك العديد من الأكوان المجاورة وقد تكون هذه الأكوان مشابهة لكوننا أو قد تكون خاضعة لقوانين فيزيائية مختلفة تماما.

الأبعاد الأخرى

مرت نظرية الأوتار بمراحل مختلفة فمن وتر صغير متحرك تم التقسيم إلى وتر مغلق يمكن أن يتحول إلى وتر مفتوح و وتر مغلق لا يمكن أن يتحول إلى وتر مفتوح. ثم بدأ تقسيم آخر فيما إذا كان الوتر عبارة عن جسيمات تنقل القوة والتي تسمى البوزونات أو إذا كان الوتر عبارة عن الجسيمات التي تكون المادة والتي تسمى الفرميونات ثم تطور الأمر إلى محاولة التوافق بين البوزون و الفرميون تحت نظرية التناظر الفائق supersymmetry (تناظر إفتراضي بين البوزونات و الفرميونات ، لكل فرميون نظير فائق هو عبارة عن بوزون و العكس صحيح). يختلف عدد الأبعاد الكونية الأخرى حسب هذه التقسيمات وفيما يلي قائمة توضيحية بالأبعاد الأفتراضية.

نظرية الأوتار الفائقه

أنظر أيضا إلى نظرية الأوتار الفائقة

استنادا إلى نظرية الأوتار الفائقة فإن الكون الذي نعيش فيه ليس وحيدا، وإنما هنالك أكوان عديدة متصلة ببعضها البعض، ويرى العلماء أن هذه الأكوان متداخلة ولكل كون قوانينه الخاصة به، بمعنى أن الحيز الواحد في عالمنا قد يكون مشغولاً بأكثر من جسم ولكن من عوالم مختلفة، وبحسب هذه النظرية فإن الكون ما هو إلا سيمفونية أوتار فائقة متذبذبة، فالكون عزف موسيقي ليس إلا ومن الممكن معرفة الكون ومما يتكوّن من خلال معرفتنا للأوتار ونغماتها، فالكون يتصرف على نمط العزف على الأوتار.

كان هنالك اعتقاد في السابق بأن كل نظرية من النظريات المذكورة أعلاه مستقلة عن بعضها البعض لكنه تم التوصل إلى اكتشاف نوع من العلاقة بينها و سميت هذه العلاقة بالثنائيات dualities ومعناها أن كل نظرية يمكن تحويلها إلى نظرية أخرى.

العلاقة مع النظرية النسبية

مقالة رئيسية: نظرية النسبية العامة

العلاقة مع نظرية الكم

مقالة رئيسية: ميكانيكا الكم

الكون باختصار: أحد أحدث كتب ستيفن هوكينغ

الصعوبات الرئيسية في الفكرة

استنادا إلى جون شوارتز أستاذ الفيزياء بمعهد كاليفورنيا التقني (كالتيك) هناك العديد من الصعوبات التي تواجه نظريات الأوتار منها:

• ذلك الجسيم عديم الكتلة (الوتر عبارة عن جسيم ذو كتلة إفتراضية تخيلية وتم إطلاق تسمية تاكيون tachyon على هذا الجسيم) الذي تفرزه الرياضيات إلزامياً ولا ينتمي إلى مجموعة الجسيمات التي نصادفها في العمليات النووية.

• إن تماسك النظرية رياضياً يتطلب أن يكون الزمكان ذا أبعاد أكثر من أربعة.

• عشرة أبعاد إضافية مسألة خطيرة جداً في مجال توصيف الجسيمات النووية، لأننا نعلم حق العلم أنه يوجد ثلاثة أبعاد مكانية وواحد زمني، وأن الموقف لا يحتمل مطلقا أبعاداً إضافية.

• إحدى المسائل البارزة في برنامج الأوتار الفائقة هي مسألة تحديد الشكل الخاص الذي تتخذه الأبعاد الإضافية في التفافها على نفسها.

• النظرية ليست مفهومة فهماً كاملاً والمشكلة الكبرى تكمن في محاولة فهم لماذا يجب أن يكون واحد من هذه الحلول أحسن من سواها. لا يوجد في المرحلة الراهنة أية طريقة للاختيار بين هذه الحلول سوى القول بأن أحدها يتفق مع الطبيعة أحسن من غيره لكن لا يوجد معيار رياضي لاختيار الأحسن.

• التعويل على فكرة أن العالم قائم حقا على مبادئ رياضية وأنه يوجد تفسير منطقي لكل شي والرياضيات طريقة لوصف الأشياء بشكل منطقي.

• صعوبة بل استحالة اختبار النظرية بصورة عملية في المختبر بسبب الحيز الذي هو عبارة عن مسافات بالغة الصغر.

المصادر

• الموقع الرسمي لنظرية الأوتار [1]

• مجلة ضاد--مقدمة في نظرية الأوتار [2]

• كتاب وفيلم الكوكب الأنيق على الإنترنت [3]

• مقابة مع جون شوارتز [4]

• مقالة لعزيز محمد أبوخلف [5]

• البحث عن نظرية كلِّ شيء [6]

• الكون الأنيق والأبعاد الدفينة والبحث عن النظرية النهائية [7]

• محاور الإلحاد العلمي في الحضارة الغربية [8]

• تاريخ التوحيد الفيزيائي [9]

• وزارة التربية الكويتية [10]

• حين تدنو الفيزياء الحديثة من الفلسفة والتأمل [11]

• سمفونية كل شيء [12]

• مقدمة في نظرية الوتر [13]

• الثنائيات و ميكانيكا الكم [14]

• البعد السيني [15]

• موقع الفيزيائيين الأمريكيين [16]