مصر: إيهاب محمد زايد
كان الفيزيائيون منشغلين في استكشاف كيف يمكن أن يظهر كوننا مثل صورة ثلاثية الأبعاد من ورقة ثنائية الأبعاد. لقد أتت أدلة جديدة من التماثلات الموجودة في “الكرة السماوية” البعيدة بلا حدود. كرة تحتوي على مساحة بهندسة زائدية.
درس الباحثون منذ فترة طويلة كيف يمكن للجاذبية أن تنبثق من سطح ثنائي الأبعاد في مساحات زائدية مثل هذا السطح. في كوننا ، سيكون السطح بعيدًا جدًا.
لقد عرفنا الجاذبية منذ مواجهة نيوتن الملفقة مع التفاحة ، لكننا ما زلنا نكافح لفهمها. في حين أن جميع قوى الطبيعة الثلاثة الأخرى ترجع إلى نشاط الحقول الكمومية ، فإن أفضل نظرية لدينا للجاذبية تصفها بأنها انحناء الزمكان. على مدى عقود ، حاول الفيزيائيون استخدام نظريات المجال الكمومي لوصف الجاذبية ، لكن هذه الجهود غير مكتملة في أحسن الأحوال.
واحدة من أكثر تلك الجهود الواعدة تتعامل مع الجاذبية على أنها شيء مثل الهولوغرام – تأثير ثلاثي الأبعاد ينبثق من سطح مستو ثنائي الأبعاد. حاليًا ، المثال الملموس الوحيد لمثل هذه النظرية هو مراسلة AdS / CFT ، حيث يؤدي نوع معين من نظرية المجال الكمي ، يسمى نظرية المجال المطابق (CFT) ، إلى الجاذبية فيما يسمى بـ anti-de Sitter (AdS ) الفراغ. في المنحنيات الغريبة لفضاء AdS ، يمكن لحدود محدودة أن تغلف عالمًا لانهائيًا. أطلق عليها خوان مالداسينا ، مكتشف النظرية ، “كونًا في زجاجة”.
لكن كوننا ليس زجاجة. كوننا مسطح (إلى حد كبير). أي زجاجة تحتوي على كوننا المسطح يجب أن تكون بعيدة بشكل لا نهائي في المكان والزمان. يسمي الفيزيائيون هذه الكبسولة الكونية “الكرة السماوية”.
يريد الفيزيائيون تحديد قواعد CFT التي يمكن أن تؤدي إلى الجاذبية في عالم بدون منحنيات مساحة AdS. إنهم يبحثون عن CFT للمساحة المسطحة – CFT السماوية.
سيكون CFT السماوي أكثر طموحًا من النظرية المقابلة في AdS / CFT. نظرًا لأنه يعيش على كرة ذات نصف قطر لانهائي ، فإن مفاهيم المكان والزمان تنهار. نتيجة لذلك ، لن يعتمد CFT على المكان والزمان ؛ بدلاً من ذلك ، يمكن أن يشرح كيف يأتي المكان والزمان.
أعطت نتائج الأبحاث الحديثة علماء الفيزياء الأمل في أنهم يسيرون على الطريق الصحيح. تستخدم هذه النتائج التماثلات الأساسية لتقييد الشكل الذي قد يبدو عليه CFT. اكتشف الباحثون مجموعة مدهشة من العلاقات الرياضية بين هذه التماثلات – العلاقات التي ظهرت من قبل في نظريات سلسلة معينة ، مما دفع البعض إلى التساؤل عما إذا كان الارتباط أكثر من مجرد مصادفة.
قال نيما أركاني حامد ، عالم فيزياء نظرية في معهد الدراسات المتقدمة في برينستون ، نيو جيرسي: “هناك حيوان كبير جدًا ومدهش هنا”. “الشيء الذي سنجده سيكون مذهلًا للغاية ، كما نأمل.”
تماثلات على الكرة
ربما تكون الطريقة الأساسية التي يستكشف بها الفيزيائيون القوى الأساسية للطبيعة هي تفجير الجسيمات معًا لمعرفة ما سيحدث. المصطلح التقني لهذا هو “التشتت”. في منشآت مثل مصادم الهادرونات الكبير ، تطير الجسيمات من نقاط بعيدة ، وتتفاعل ، ثم تطير إلى الكاشفات في أي حالة تحول تمليها القوى الكمومية.
إذا كان التفاعل محكومًا بأي من القوى الثلاث بخلاف الجاذبية ، يمكن للفيزيائيين من حيث المبدأ حساب نتائج مشاكل التشتت هذه باستخدام نظرية المجال الكمي. لكن ما يريد العديد من الفيزيائيين معرفته حقًا هو الجاذبية.
يوجد حيوان كبير جدًا ومدهش هنا.
نعمة أركاني حامد
لحسن الحظ ، أظهر ستيفن واينبرغ في الستينيات أنه يمكن حساب بعض مشاكل التشتت التثاقلي الكمومي – تلك التي تتضمن الجرافيتونات منخفضة الطاقة -. قالت مونيكا بات من جامعة هارفارد في هذا الحد المنخفض للطاقة “لقد سمّرنا السلوك”. “الجاذبية الكمية تعيد إنتاج تنبؤات النسبية العامة.” يستخدم المصممون الهولوغرافيون السماويون مثل Pate و Sabrina Pasterski من جامعة برينستون مشاكل التشتت منخفضة الطاقة هذه كنقطة انطلاق لتحديد بعض القواعد التي يجب أن يلتزم بها CFT السماوي الافتراضي.
يفعلون ذلك من خلال البحث عن التماثلات. في مشكلة التشتت ، يحسب الفيزيائيون نواتج التشتت – “استطالات التشتت” – وكيف ينبغي أن تبدو عندما تصطدم بالكاشفات. بعد حساب هذه السعات ، يبحث الباحثون عن الأنماط التي تصنعها الجسيمات على الكاشف ، والتي تتوافق مع القواعد أو التماثلات التي يجب أن تتبعها عملية التشتت. تتطلب التماثلات أنه إذا قمت بتطبيق تحويلات معينة على الكاشف ، فيجب أن تظل نتيجة حدث التشتت كما هي.
تمامًا كما يمكن ترجمة التفاعلات الكمية إلى SCAمن خلال تحويل السعات التي تؤدي بعد ذلك إلى التماثلات ، يأمل الباحثون الذين يعملون على الجاذبية الكمية في ترجمة مشاكل التشتت إلى تناظرات على الكرة السماوية ، ثم استخدام هذه التناظرات لملء كتاب قواعد CFT السماوي.
قال باسترسكي ، مشيرًا إلى التماثلات ، “نحاول أن نبدأ من المكونات الأساسية للقاموس ، ثم ننتقل من هناك.”
في تشرين الثاني (نوفمبر) ، نشرت مجموعة بقيادة أندرو سترومينغر من جامعة هارفارد ورقة تصف “جبر التناظر” الذي يجب أن يطيعه CFT السماوي. يحدد الجبر كيف تتحد تحويلات التناظر المختلفة لتشكل تحولات جديدة. من خلال دراسة بنية تكوين التحولات ، تمكن سترومينجر وزملاؤه ، بما في ذلك بات ، من تقييد CFT المحتمل. اكتشفوا أن مجموعة التناظرات في الكرة السماوية تخضع لعلم الجبر الراسخ والمدروس جيدًا – وهو ما ظهر بالفعل في بعض نظريات الأوتار ويرتبط بوصف أنظمة كمومية معروفة مثل تأثير هول الكمومي.
قال ديفيد سكينر ، عالم الفيزياء النظرية بجامعة كامبريدج: “حقيقة أن الهيكل الذي هبطت عليه هو شيء اكتشفه الناس ولعبوا به من قبل يمنحك التشجيع لأنه ربما يوجد شيء ما فيه”.
قضايا لانهائية
عندما يكون لديك نظرية تنطبق على كرة نائية غير متناهية ، تظهر المشاكل. ضع في اعتبارك جسيمين يجتمعان ويتفرقان. إذا تبعثروا في أي زاوية غير صفرية ، بحلول الوقت الذي يصلون فيه إلى الكرة السماوية البعيدة بلا حدود ، سيكونون أيضًا متباعدون بشكل لانهائي. مفهوم المسافة ينهار. تعتمد نظرياتنا العادية على المكان ، حيث تعتمد قوة التفاعلات بين الأشياء على بعدها عن بعضها البعض. ولكن إذا كان كل شيء بعيدًا بشكل لا نهائي عن كل شيء آخر ، يجب أن يتجاوز تمويل الإرهاب المحلي.
الأمر الأكثر إرباكًا: ما هو مفهوم الوقت على الكرة السماوية ، وهو بعيد بلا حدود في كل من الماضي والمستقبل؟ ليس لها معنى هنا.
يعتبر أركاني حامد حقيقة أن مفاهيم المكان والزمان تنهار على الكرة السماوية لتكون ميزة وليست خلل. إنه يوفر إمكانية شرح الزمكان كخاصية ناشئة لنظرية أكثر جوهرية.
يخفف آخرون من حماسهم. قال سكينر: “أعتقد أنه أمر مثير ، لكنني أعتقد أن هناك طريق طويل لنقطعه”. “هناك بعض الأشياء التي يمكنني القول إنها تحديات كبيرة يجب التغلب عليها.”
أركاني حامد لا يختلف. “الأمر برمته هو نوع من استيعاب وفهم ماهية السؤال. لكن المخاطر كبيرة أيضًا “.
