هل نحتاج حقًا إلى نظرية كل شيء؟

يمكن القول إن العثور على نظرية لكل شيء – شرح جميع القوى والجسيمات في الكون – هو الكأس المقدسة للفيزياء. في حين أن كل من نظرياتها الرئيسية تعمل بشكل جيد للغاية ، فإنها تتعارض أيضًا مع بعضها البعض – مما يترك علماء الفيزياء للبحث عن نظرية أعمق وأكثر جوهرية.

لكن هل نحتاج حقًا إلى نظرية لكل شيء؟ وهل نحن قريبون من تحقيق واحد؟ هذا ما نناقشه في الحلقة السادسة والأخيرة من بودكاست أسرار الفيزياء العظيمة – استضافتها ميريام فرانكل ، محررة العلوم في The Conversation ، وبدعم من FQxI ، معهد الأسئلة الأساسية.

أفضل نظريتين لنا عن الطبيعة هما ميكانيكا الكم والنسبية العامة ، وتصفان أصغر وأكبر مقاييس الكون ، على التوالي. كل منها ناجح بشكل هائل وتم اختباره بشكل تجريبي مرارًا وتكرارًا. المشكلة هي أنها غير متوافقة مع بعضها البعض من نواح كثيرة – بما في ذلك الرياضيات.

“النسبية العامة هي كل شيء عن الهندسة. يوضح فلاتكو فيدرال ، أستاذ الفيزياء في جامعة أكسفورد في المملكة المتحدة ، أن هذه هي الطريقة التي ينحني بها الفضاء وكيف أن الزمكان – هذا الكيان الموحد الذي يحتوي على ثلاثة أبعاد للفضاء وبُعد واحد من الزمن – هو نفسه أيضًا منحني. “فيزياء الكم هي في الواقع كل شيء عن الجبر.”

لقد نجح الفيزيائيون بالفعل في توحيد نظرية الكم مع نظرية أينشتاين الكبيرة الأخرى: النسبية الخاصة (شرح كيف تؤثر السرعة على الكتلة والزمان والمكان). تشكل هذه معًا إطارًا يسمى “نظرية المجال الكمي” ، وهي الأساس للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات – أفضل إطار لدينا لوصف اللبنات الأساسية للكون.

يصف النموذج القياسي ثلاثة من أصل أربع قوى أساسية في الكون – الكهرومغناطيسية ، والقوى “القوية” و “الضعيفة” التي تحكم نواة الذرة – باستثناء الجاذبية.

بينما يشرح النموذج القياسي معظم ما نراه في تجارب فيزياء الجسيمات ، هناك بعض الفجوات. لجسر هذه ، تم اقتراح امتداد يسمى “التناظر الفائق” ، مما يشير إلى أن الجسيمات مرتبطة من خلال علاقة عميقة. يشير التناظر الفائق إلى أن كل جسيم له “شريك فائق” له نفس الكتلة ، ولكن دوران معاكس. لسوء الحظ ، فشلت مسرعات الجسيمات ، مثل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في سيرن في سويسرا ، في العثور على دليل على التناظر الفائق – على الرغم من تصميمها الصريح للقيام بذلك.

من ناحية أخرى ، هناك تلميحات حديثة من كل من LHC و Fermilab في الولايات المتحدة تشير إلى أنه قد تكون هناك قوة خامسة للطبيعة. إذا أمكن تكرار هذه النتائج وتأكيدها على أنها اكتشافات فعلية ، فسيكون لذلك آثار على توحيد ميكانيكا الكم والجاذبية.

“أظن [the discovery of a new force] يقول فيدرال. “من شأنه أن يتحدى هذا الشيء الذي كان موجودًا الآن لأكثر من نصف قرن أن هناك أربع قوى أساسية”.

يجادل فيدرال بأن أول شيء يجب فعله إذا اكتشفنا أن القوة الخامسة ستكون تحديد ما إذا كان يمكن وصفها بميكانيكا الكم.

إذا كان ذلك ممكنًا ، فسيشير إلى أن نظرية الكم قد تكون في النهاية أكثر جوهرية من النسبية العامة ، حيث تمثل أربع قوى من أصل خمس – مما يشير إلى أن النسبية العامة قد تحتاج في النهاية إلى تعديل. إذا لم يستطع ذلك ، فسيؤدي ذلك إلى زعزعة الفيزياء – مما يشير إلى أننا قد نحتاج إلى تعديل ميكانيكا الكم أيضًا.

ماذا عن الخصائص الغامضة الأخرى؟

لكن ما الذي يجب أن تتضمنه نظرية كل شيء؟ هل يكفي توحيد الجاذبية وميكانيكا الكم؟ وماذا عن الخصائص الغامضة الأخرى مثل الطاقة المظلمة ، التي تجعل الكون يتمدد بمعدل متسارع ، أو المادة المظلمة ، وهي مادة غير مرئية تشكل معظم المادة في الكون؟

كما توضح Chanda Prescod-Weinstein ، الأستاذة المساعدة في الفيزياء وعلم الفلك بجامعة New Hampshire في الولايات المتحدة ، يفضل الفيزيائيون استخدام مصطلح “نظرية الجاذبية الكمية” على “نظرية كل شيء”.

المادة المظلمة والطاقة المظلمة هي معظم محتوى طاقة المادة في الكون. لذا فهي ليست نظرية عن كل شيء حقًا إذا لم تكن مسؤولة عن معظم محتوى الطاقة للمادة في الكون ، “كما تجادل. “لهذا السبب أنا سعيد لأننا لا نستخدم في الواقع” نظرية كل شيء “في عملنا.”

على الرغم من أنها قد لا تفسر كل شيء ، إلا أن هناك العديد من النظريات المقترحة حول الجاذبية الكمية. إحداها هي نظرية الأوتار ، والتي تشير إلى أن الكون يتكون في النهاية من أوتار متذبذبة صغيرة. آخر هو الجاذبية الكمومية الحلقية ، والتي تشير إلى أن الزمكان لأينشتاين ينشأ من التأثيرات الكمومية.

يوضح بريسكود-وينشتاين: “إحدى نقاط القوة التي سيشير إليها الناس في نظرية الأوتار هي أن نظرية الأوتار مبنية على نظرية المجال الكمومي”. “إنه يجلب معه النموذج القياسي بأكمله ، والذي لا تفعله الجاذبية الكمية الحلقية بالطريقة نفسها.” لكن نظرية الأوتار لها أيضًا نقاط ضعفها ، كما تجادل ، مثل طلب أبعاد إضافية لم نر أي دليل عليها.

يصعب اختبار النظريات تجريبياً – تتطلب طاقة أكثر بكثير مما يمكننا إنتاجه في أي مختبر. يجادل فيدرال أنه في حين أننا لا نستطيع في نهاية المطاف التحقيق بشكل مباشر في المقاييس الدقيقة اللازمة لإيجاد دليل على نظريات الجاذبية الكمومية ، فقد يكون من الممكن تضخيم هذه التأثيرات حتى نتمكن من مراقبتها بشكل غير مباشر على نطاقات أكبر من خلال تجارب على سطح الطاولة.

يمكنك الاستماع إلى Great Mysteries of Physics عبر أي من التطبيقات المذكورة أعلاه ، أو موجز RSS الخاص بنا ، أو تعرف على طرق أخرى للاستماع هنا. يمكنك أيضًا قراءة نص الحلقة هنا.