موجات الجاذبية وهندسة الزمكان

عند الحديث عن كوننا، غالبًا ما يقال إن “المادة تخبرنا بكيفية ثني الزمكان، والزمكان المنحني يخبرنا بكيفية التحرك”. وهذا هو جوهر النظرية النسبية العامة الشهيرة لألبرت أينشتاين، ويصف كيف تتحرك الكواكب والنجوم والمجرات وتؤثر على الفضاء المحيط بها. وبينما تلتقط النسبية العامة ما هو كبير في كوننا، فإنها تتناقض مع ما هو صغير في الفيزياء الذي تصفه ميكانيكا الكم.

له دكتوراه. بحثيستكشف سيورز هايفر الجاذبية في كوننا، ولأبحاثه آثار على مجال موجات الجاذبية المثير، وقد تؤثر على كيفية التوفيق بين الكبير والصغير في الفيزياء في المستقبل.

قبل مائة عام، أحدث ألبرت أينشتاين ثورة في فهمنا للجاذبية من خلال نظريته في النسبية العامة.

يقول هايفر: “بحسب نظرية أينشتاين، فإن الجاذبية ليست قوة، بل تنشأ نتيجة لهندسة استمرارية الزمان والمكان رباعية الأبعاد، أو الفضاء الزمني القصير”. “وهو أمر أساسي في أصل الظواهر الرائعة مثل موجات الجاذبية في عالمنا.”

تعمل الأجسام الضخمة، مثل الشمس أو المجرات، على تشويه الزمكان من حولها، وتتحرك الأجسام الأخرى عبر هذا الزمكان المنحني في مسارات محتملة مستقيمة – والمعروفة باسم الجيوديسيا.

ومع ذلك، بسبب الانحناء، فإن هذه الجيوديسيا ليست مستقيمة بالمعنى التقليدي. على سبيل المثال، في حالة الكواكب في النظام الشمسي، فإنها تصف مدارات بيضاوية حول الشمس. بهذه الطريقة، تشرح النسبية العامة بشكل أنيق العديد من ظواهر الجاذبية، بدءًا من حركة الكواكب والمواقف اليومية وحتى الثقوب السوداء والانفجار الكبير. ومن ثم فهو أساس الفيزياء الحديثة.

صراع النظريات

في حين أن النسبية العامة تشرح العديد من الظواهر الفيزيائية الفلكية، إلا أنها تتعارض مع نظرية أساسية أخرى في الفيزياء، وهي ميكانيكا الكم.

يقول هايفر: “تقول ميكانيكا الكم أن الجسيمات (مثل الإلكترونات أو الميونات) موجودة في حالات متعددة في نفس الوقت حتى يتم قياسها أو ملاحظتها”. “بمجرد قياسها، فإنها تختار موقعًا عشوائيًا بسبب تأثير غامض يشار إليه باسم” اضمحلال الدالة الموجية “.”

في ميكانيكا الكم، الدالة الموجية هي تعبير رياضي يصف موضع وحالة جسيم مثل الإلكترون. ومربع الدالة الموجية يؤدي إلى مجموعة من احتمالات موقع الجسيم. كلما زاد مربع الدالة الموجية في موقع معين، زاد احتمال وجود الجسيم في ذلك الموقع.

يقول هايفر: “يبدو أن كل المادة في عالمنا تخضع للقوانين الاحتمالية الغريبة لميكانيكا الكم”. “هذا صحيح بالنسبة لجميع قوى الطبيعة – باستثناء الجاذبية. وتؤدي هذه المفارقة إلى خلافات فلسفية ورياضية عميقة، ويعد حل هذه الخلافات أحد أهم التحديات في الفيزياء الأساسية اليوم.”

هل التوسع هو الحل؟

أحد الأساليب لحل الصراع بين النسبية العامة وميكانيكا الكم هو توسيع الإطار الرياضي وراء النسبية العامة.

فيما يتعلق بالرياضيات، تعتمد النسبية العامة على الهندسة الريمانية الزائفة، وهي لغة رياضية قادرة على وصف معظم الأشكال العامة التي يمكن أن يتخذها الزمكان.

يقول هايفر: “ومع ذلك، تشير الاكتشافات الحديثة إلى أن الزمكان في كوننا قد يكون خارج حدود الهندسة الريمانية الزائفة ولا يمكن وصفه إلا باللغة الرياضية الأكثر تقدمًا وهي هندسة فينسلر”.