المناهج

ما هي الجاذبية الكمومية

إن عالمنا يحكمه أربع قوى أساسية هم ،  سحب الجاذبية للأجسام الضخمة ، والتفاعل الكهرومغناطيسي

بين الشحنات الكهربائية ، والتفاعل النووي القوي الذي يجمع النوى الذرية معًا ، والقوة النووية الضعيفة تتسبب

في انهيار القوى غير المستقرة.ويمتلك الفيزيائيون نظريات كمية لآخر ثلاث منها ، تسمح بإجراء حسابات دقيقة جدًا للظواهر على أصغر المقاييس

دون الذرية ، ومع ذلك  فإن الجاذبية لا تتناسب مع هذا المخطط ، على الرغم من عقود من البحث ، فلا توجد نظرية كمية مقبولة بشكل عام

عن الجاذبية ، وهي ضرورية لفهم الجوانب الأساسية بشكل أفضل

فالجاذبية الكمية هي مصطلح عام للنظريات ، التي تحاول توحيد الجاذبية

مع القوى الأساسية الأخرى للفيزياء ، والتي تم توحيدها بالفعل معًا ، بشكل عام يفترض كيانًا نظريًا ، الجاذبية ،

وهو جسيم افتراضي يتوسط قوة الجاذبية.وهذا هو ما يميز الجاذبية الكمية عن نظريات مجال موحدة أخرى معينة ، وعلى الرغم من ذلك ، فإن بعض النظريات التي تصنف عادة على أنها جاذبية كمية ، لا تتطلب بالضرورة الجاذبية.

ماهية الجاذبية الكمومية

وفقًا لرأي أستاذ فيزياء الجسيمات والفيزياء الفلكية ، لانس ديكسون من جامعة ستانفورد ومختبر تسريع SLAC ، التابع لوزارة الطاقة

أن ما تسمى الجاذبية الكمية تعريفها كالتالي.

باستثناء الجاذبية ، يمكننا وصف القوى الأساسية للطبيعة باستخدام مفاهيم

ميكانيكا الكم ، في هذه النظريات ، التي تم تلخيصها في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، والقوى هي نتيجة لتبادل كميات صغيرة من المعلومات بين الجسيمات المتفاعلة.

فالشحنات الكهربائية ، على سبيل المثال ، تجذب أو تبدد بعضها البعض

عن طريق تبادل الفوتونات ، وكمية من الضوء التي تحمل القوة الكهرومغناطيسية ، وتمتلك القوى القوية والضعيفة حاملات مناظرة تسمى gluons و W و Z bosons ، على التوالي.

وتستخدم هذه النظريات بشكل روتيني لحساب نتائج العمليات ، دون الذرية بدقة فائقة ، فعلى سبيل المثال ، يمكننا عمل تنبؤات دقيقة للتصادمات المعقدة للبروتونات ، في CERN’s Hadron Collider ، وهو أقوى مسرع للجسيمات من صنع الإنسان.

لكن الجاذبية مختلفة ، فعلى الرغم من أن

النظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين تفسر الجاذبية على نطاقات أكبر ، نتيجة لتشويه الأشياء الضخمة لنسيج الزمكان ، إلا أنها لا تخبرنا شيئًا عما يحدث للجسيمات دون الذرية بالجاذبية.

والجاذبية الكمومية هي محاولة للجمع بين النسبية العامة لأينشتاين ، وميكانيكا الكم قياسا على القوى الأخرى ، نتوقع الجاذبية بوساطة حامل القوة الجاذبية.

الجرافيتون

يفترض النموذج القياسي لميكانيكا الكم ،

(والذي تم تطويره بين عامي 1970 م و 1973م) أن القوى الأساسية الثلاثة الأخرى للفيزياء ، تتوسطها بوزونات افتراضية ، وتتوسط الفوتونات في القوة الكهرومغناطيسية ، وتتوسط بوزونات W و Z القوة النووية الضعيفة ، وتتوسط الغلونات (مثل الكواركات) القوة النووية القوية.

وبالتالي ، فإن الجاذبية سوف تتوسط قوة الجاذبية إذا تم العثور عليها ، ومن المتوقع أن يكون الجاذبية بدون كتلة (لأنها تعمل على الفور لمسافات طويلة) ، ولها دوران 2 (لأن الجاذبية هي حقل موتر من المرتبة الثانية).

هل تثبت الجاذبية الكمومية

المشكلة الرئيسية في الاختبار التجريبي لأي نظرية للجاذبية الكمية ، هي أن مستويات الطاقة المطلوبة لمراقبة التخمينات ، غير قابلة للتحقيق في التجارب المعملية الحالية.

حتى من الناحية النظرية ، تواجه الجاذبية الكمية مشاكل خطيرة ، ويتم تفسير الجاذبية حاليًا

من خلال نظرية النسبية العامة ، والتي تضع افتراضات مختلفة تمامًا عن الكون ، على المقياس الماكروسكوبي عن تلك التي صنعتها ميكانيكا الكم على المقياس المجهري.

وتواجه محاولات دمجها بشكل عام (مشكلة إعادة التطبيع) ، حيث لا يتم إلغاء مجموع كل القوى ويؤدي إلى قيمة لا حصر لها ، وفي الديناميكا الكهربائية الكمومية ، حدث هذا في بعض الأحيان ، ولكن يمكن للمرء أن يعيد تنظيم الرياضيات ، لإزالة هذه القضايا ، حيث لا يعمل مثل هذا التطبيع في التفسير الكمي للجاذبية.

وافتراضات الجاذبية الكمومية عمومًا أن مثل هذه النظرية ستثبت أنها بسيطة وأنيقة ، لذا يحاول العديد من الفيزيائيين العمل إلى الخلف ، ويتنبأون بنظرية يشعرون أنها قد تمثل التماثلات التي لوحظت في الفيزياء الحالية ، ثم رؤية ما إذا كانت هذه النظريات تعمل .

تتضمن بعض النظريات الميدانية الموحدة ، المصنفة كنظريات جاذبية كمية ما يلي:

1- نظرية الأوتار / نظرية الأوتار الفائقة / نظرية الأوتار
2- الجاذبية
3- حلقة الجاذبية الكمومية
4- نظرية التويستور
5- هندسة غير تبادلية
6- الجاذبية الإقليدية الكمومية
7- معادلة ويلر ديويت

بالطبع ، من الممكن تمامًا أنه في حالة وجود الجاذبية الكمية ، فلن تكون بسيطة ، وفي هذه الحالة يتم التعامل مع هذه المحاولات بافتراضات خاطئة ، وعلى الأرجح ، ستكون غير دقيقة ، فقط الوقت والتجربة سيخبران بالتأكيد.

ومن الممكن أيضًا ، كما تتنبأ بعض النظريات المذكورة أعلاه ، أن فهم الجاذبية الكمية لن يؤدي فقط إلى تعزيز النظريات ، بل سيقدم فهمًا جديدًا أساسيًا للفضاء والزمان.

الجاذبية الكمومية والكون

يمكن أن تساعدنا الجاذبية الكمومية في الإجابة على اسئلة مهمة حول الكون ،

فعلى سبيل المثال ، تلعب التأثيرات الكمية دورًا بالقرب من الثقوب السوداء ، وهي كائنات ضخمة جدًا بحيث لا يمكن للضوء حتى الهروب من سحب الجاذبية ، عندما ينبعث

من داخل نصف قطر معين .

ومع ذلك ، يعتقد أن الثقوب السوداء ليست سوداء بالكامل ، فإذا كانت التأثيرات الكمومية بالقرب من أفق الحدث تنتج أزواجًا من الجسيمات ،

فإن أحدها سيسقط في الثقب الأسود ، ولكن الآخر سيهرب كما يسمى إشعاع هوكينج.

يأمل الباحثون أيضًا في فهم اللحظات الأولى بعد الانفجار الكبير بشكل أفضل ، عندما كان الكون في حالة ساخنة وكثيفة للغاية

مع كمية هائلة من الطاقة ، وعلى مقياس الطاقة هذا ، الذي نسميه مقياس بلانك ،

كانت الجاذبية قوية مثل القوى الأساسية الأخرى ، وكانت تأثيرات الجاذبية الكمية حاسمة، ومع ذلك ،

ليس لدينا نظرية كمومية مقنعة للجاذبية حتى الآن يمكن أن تصف الفيزياء في تلك الطاقات.

أسباب صعوبة إيجاد نظرية كمية عن الجاذبية

يتم توفير نسخة من الجاذبية الكمية بواسطة نظرية الأوتار ، لكننا نبحث عن احتمالات أخرى ، تختلف الجاذبية تمامًا عن القوى الأخرى ، التي

لدينا بالفعل نظرياتها الكمية.

ففي بادئ ذي بدء ، الجاذبية ضعيفة للغاية  ، وبناء على طلب مليون مليار مليار مرة أضعف من القوة الضعيفة ، ففي الواقع

السبب الوحيد الذي نلاحظه الجاذبية على الإطلاق ، هو أننا نشعر بالسحب المشترك لكمية ضخمة من الجسيمات في الأرض ، وتختلف الجاذبية أيضًا لأن الأشياء الضخمة التي تجذب بعضها البعض دائمًا.

وفي المقابل ، فإن القوة القوية تكون جذابة فقط على مسافات قصيرة جدًا ،

ويمكن أن تكون القوة الكهرومغناطيسية إما جذابة أو طاردة.

وأخيرًا ، يختلف الجاذبية بشكل أساسي عن جميع حاملات القوة المعروفة الأخرى ، في خاصية الجسيمات المعروفة باسم السبين ، ولديها ضعف دوران ناقلات القوة الأخرى.

ما تم تعلمه عن الجاذبية الكمية حتى الآن

يقول  أستاذ فيزياء الجسيمات والفيزياء الفلكية ، لانس ديكسون أنه على مدى العقود الماضية ،

حقق الباحثون في هذا المجال الكثير من التقدم في فهم أفضل ، لكيفية إجراء الحسابات في الجاذبية الكمية ، وعلى سبيل المثال ،

وجد تجريبيًا أنه في نظريات معينة وأوامر معينة ، يمكننا استبدال التعبير الرياضي المعقد ، لتفاعل الجرافيتون مع مربع تفاعل الجلون ،

وهو تعبير أبسط نعرفه بالفعل كيف نحسبه.

ولقد نجحنا في استخدام هذا الاكتشاف لحساب التأثيرات الكمية لترتيب أعلى بشكل متزايد ،

مما يساعدنا على فهم أفضل عند حدوث الاختلافات ، وقمنا أنا وزملائي بعمل حسابات من المرتبة الرابعة في نظرية تسمى الجاذبية الفائقة N = 8

دون العثور على أي اختلافات ، ومن الناحية المثالية ، نود أن نحسب لأوامر أعلى لاختبار تنبؤات مختلفة لانهائية ، ولكن هذا صعب للغاية.

ولقد شاركنا أيضًا في دراسة حديثة نظرنا فيها إلى نظرية ارتطام جثرين ببعضهما ، وقد ظهر منذ أكثر من 30 عامًا ،

أن الاختلافات التي تحدث في الترتيب الثاني من هذه الحسابات ، يمكن أن تتغير في ظل ما يسمى بتحولات الازدواجية ،

التي تحل محل وصف واحد لمجال الجاذبية بآخر مختلف ، ولكن مكافئ.

وقد كانت هذه التغييرات مفاجأة لأنها قد تعني أن الأوصاف ليست متكافئة على المستوى الكمي ،

ومع ذلك فقد أثبتنا الآن أن هذه الاختلافات في الواقع

لا تغير الفيزياء الأساسية

السابق
حل كتاب احياء 3 مقررات
التالي
ما هو تداخل الضوء