ما هي نظرية الاوتار-علوم-freak science society

 

 

نظرية الاوتار

 

تمثل نظرية الأوتار حلمًا كبيرًا للفيزيائيين النظريين -وصفًا لكل القوى والمادة في صورة رياضية واحدة. ولكن بعد عدد لا يحصى من الأوراق والمؤتمرات وأقلام المسح الجاف، فإن التقدم المذهل الذي كان يأمل الكثيرون في تحقيقه يبدو بعيدًا أكثر من أي وقت مضى.

ومع ذلك، حتى بدون وجود علامات على التقدم اللامع، فإن البصيرة الناتجة قد تركت بصمة عميقة في كل من الفيزياء والرياضيات. شئنا أم أبينا (وبعض الفيزيائيين بالتأكيد لا) نظرية الأوتار موجودة لتبقى.

 

نظرية الأوتار مبسطة

بصفتها مرشحًا يسمى "نظرية كل شيء"، تهدف نظرية الأوتار إلى معالجة الألغاز النظرية المختلفة. أهمها كيفية عمل الجاذبية للأجسام الصغيرة مثل الإلكترونات والفوتونات. تصف النسبية العامة الجاذبية على أنها رد فعل للأجسام الكبيرة، مثل الكواكب، على مناطق منحنية من الفضاء، لكن علماء الفيزياء النظرية يعتقدون أن الجاذبية يجب أن تتصرف في نهاية المطاف مثل المغناطيسية -تلتصق مغناطيس الثلاجة لأن جزيئاتها تقوم بتبادل الفوتونات بجزيئات الثلاجة. من بين القوى الأربع في الطبيعة، تفتقر الجاذبية فقط إلى هذا الوصف من منظور الجسيمات الصغيرة. يمكن للمنظرين أن يتنبأوا بالشكل الذي يجب أن يبدو عليه جسيم الجاذبية، ولكن عندما يحاولون حساب ما يحدث عندما يصطدم اثنان من "الجرافيتون" معًا، فإنهم يحصلون على كمية لا حصر لها من الطاقة معبأة في مساحة صغيرة -وهي علامة أكيدة على أن الرياضيات تفتقد شيئًا ما.

 

أحد الحلول الممكنة، الذي استعاره المنظرون من علماء الفيزياء النووية في سبعينيات القرن الماضي، هو التخلص من جسيمات الجرافيتون الإشكالية التي تشبه النقاط. يمكن للأوتار، والخيوط فقط، أن تتصادم وترتد بشكل نظيف دون الإشارة إلى اللانهايات المستحيلة جسديًا.

 

قالت ماريكا تايلور، عالمة الفيزياء النظرية بجامعة ساوثهامبتون في إنجلترا: "كائن أحادي البعد -هذا هو الشيء الذي يروض حقًا اللانهائيات التي تظهر في الحسابات".

 

تقلب نظرية الأوتار الصفحة على الوصف القياسي للكون عن طريق استبدال كل جسيمات المادة والقوة بعنصر واحد فقط: أوتار مهتزة صغيرة تلتف وتدور بطرق معقدة تبدو، من وجهة نظرنا، مثل الجسيمات. سلسلة بطول معين تضرب نوتة معينة تكتسب خصائص الفوتون، وترد آخر مطوي ويهتز بتردد مختلف يلعب دور الكوارك، وهكذا. بالإضافة إلى ترويض الجاذبية، أثبت الإطار أنه جذاب لقدرته على تفسير ما يسمى بالثوابت الأساسية مثل كتلة الإلكترون. تتمثل الخطوة التالية في إيجاد الطريقة الصحيحة لوصف طي وحركة الأوتار، كما يأمل المنظرون، وسيتبع ذلك كل شيء آخر.

 

ولكن تبين أن هذه البساطة الأولية جاءت على حساب التعقيد غير المتوقع -فالرياضيات الوترية لم تنجح في الأبعاد الأربعة المألوفة (ثلاثة من الفضاء وواحد من الوقت). لقد احتاجت إلى ستة أبعاد إضافية (لما مجموعه 10) مرئية فقط للخيوط الصغيرة، تمامًا مثل خط الطاقة يبدو وكأنه خط 1D للطيور التي تحلق فوقها بعيدًا ولكن أسطوانة ثلاثية الأبعاد لنملة تزحف على السلك. إضافة إلى اللغز، توصل الفيزيائيون إلى خمس نظريات أوتار متضاربة بحلول منتصف الثمانينيات. كانت نظرية كل شيء منقسمة.

 

تظهر نظرية أكثر جوهرية

على مدار العقد التالي، بدأ العلماء الذين يستكشفون العلاقات بين النظريات الخمس في العثور على روابط غير متوقعة، والتي جمعها إدوارد ويتن، الباحث في معهد الدراسات المتقدمة في برينستون ، نيو جيرسي ، وقدمها في مؤتمر نظرية الأوتار عام 1995 في الجامعة. جنوب كاليفورنيا. جادل ويتن بأن كل من نظريات الأوتار الخمسة تمثل تقريبًا نظرية أكثر جوهرية ذات 11 بُعدًا في موقف معين، تمامًا مثل كيف تتطابق نظريات أينشتاين في الفضاء والانحناء الزمني مع وصف نيوتن للأجسام التي تتحرك بسرعات عادية.

 

تسمى النظرية الجديدة M-Theory، على الرغم من أن لا أحد يعرف حتى يومنا هذا الشكل الرياضي الذي قد تتخذه. قال تايلور إنه من المحتمل أن يكون الحرف "M" مستوحى من كائنات ذات أبعاد أعلى تسمى الأغشية، ولكن نظرًا لعدم وجود معادلات رياضية ملموسة للنظرية، يظل الحرف "M" عنصرًا نائبًا بدون أي معنى رسمي. قال تايلور: "لقد كان حقًا تحديدًا لجهلنا". "هذه النظرية الأب التي من شأنها أن تصف كل شيء على الإطلاق."

 

حققت محاولات العثور على المعادلات العامة التي من شأنها أن تعمل في كل موقف ممكن تقدمًا طفيفًا، لكن الوجود المزعوم للنظرية الأساسية أعطى المنظرين الفهم والثقة اللازمين لتطوير تقنيات رياضية للإصدارات الخمسة من نظرية الأوتار وتطبيقها في السياق الصحيح. الأوتار أصغر بكثير من أن يتم اكتشافها بأي تقنية يمكن تصورها، ولكن أحد النجاحات النظرية المبكرة كان قدرتها على وصف إنتروبيا الثقب الأسود في عام 1996.

 

يشير الانتروبيا إلى عدد الطرق التي يمكنك من خلالها ترتيب أجزاء النظام، ولكن دون أن تكون قادرًا على رؤية الأعماق غير القابلة للاختراق للثقب الأسود، لا أحد يعرف نوع الجسيمات التي قد تكمن في الداخل، أو ما هي الترتيبات التي يمكن أن تتخذها. ومع ذلك، في أوائل السبعينيات، أظهر ستيفن هوكينج وآخرون كيفية حساب الانتروبيا، مشيرين إلى أن الثقوب السوداء لها نوع من البنية الداخلية. معظم المحاولات لوصف تركيبة الثقب الأسود غير كافية، لكن حصر تكوينات الأوتار الافتراضية يفي بالغرض. يقول تيلور: "لقد تمكنت نظرية الأوتار من تحديد العد الفوري، وليس فقط فهمها بشكل صحيح تقريبًا".

 

ومع ذلك، لا يزال إطار العمل الخيطي يواجه العديد من التحديات: فهو ينتج عددًا مستحيلًا من الطرق لطي الأبعاد الإضافية التي يبدو أنها تتناسب جميعها مع السمات العريضة للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، مع وجود أمل ضئيل في تمييز أيها هو الصحيح. علاوة على ذلك، تعتمد كل هذه النماذج على تكافؤ بين جسيمات القوة وجزيئات المادة يسمى التناظر الفائق الذي، مثل الأبعاد الإضافية، لا نلاحظه في عالمنا. لا يبدو أن النماذج تصف الكون المتوسع.

 

يرى عدد من الفيزيائيين، مثل Peter Woit من جامعة كولومبيا، هذه الاختلافات عن الواقع على أنها عيوب قاتلة. وكتب على مدونته: "المشكلة الأساسية في أبحاث توحيد نظرية الأوتار ليست أن التقدم كان بطيئًا على مدار الثلاثين عامًا الماضية"، ولكنه كان سلبيًا، حيث أظهر كل شيء تم تعلمه بشكل أوضح سبب عدم نجاح الفكرة. "

 

ومع ذلك، jؤكد تايلور أن نماذج اليوم مفرطة في التبسيط، وأن ميزات مثل التوسع الكوني والافتقار إلى التناظر الفائق قد يتم تضمينها يومًا ما في الإصدارات المستقبلية. يتوقع تايلور أنه على الرغم من أن العصر الجديد لعلم فلك الموجات الثقالية قد يجلب معلومات جديدة حول الجاذبية الكمية، فسيتم إحراز المزيد من التقدم من خلال الاستمرار في متابعة الرياضيات بشكل أعمق في نظرية الأوتار. قالت: "لدي تحيز نظري، لكنني أعتقد أن نوع الاختراق الذي أصفه سيأتي من السبورة؛ من الفكر."

 

 

تربط نظرية الأوتار الحديثة بين النقاط الرياضية

بغض النظر عن كيفية تطور ترشيح نظرية الأوتار في نظرية كل شيء، يمكن ضمان إرثها كبرنامج بحث منتج على الجدارة الرياضية وحدها.

قال تايلور: "لا يمكن أن يكون طريقًا مسدودًا بمعنى ما تعلمناه للتو من الرياضيات نفسها". "إذا أخبرتني غدًا أن الكون ليس فائق التناظر ولا يحتوي على 10 أبعاد [مكانية]، ما زلنا نربط فروعًا كاملة من الرياضيات."

عندما أظهر ويتن وآخرون أن نظريات الأوتار الخمسة كانت ظلالًا لنظرية أحد الوالدين، فقد سلطوا الضوء على روابط تسمى الثنائيات، والتي أثبتت أنها مساهمة كبيرة في الرياضيات والفيزياء.

الازدواجية هي علاقة رياضية مجردة بين حالتين تبدوان مختلفتين، لكن يمكن ترجمتهما من موقف إلى آخر. ضع في اعتبارك، على سبيل المثال، صورة ثلاثية الأبعاد للطيور على بطاقة الائتمان. هل هو ثنائي الأبعاد أم ثلاثي الأبعاد؟ من الناحية المادية، يكون الملصق مسطحًا ، ولكن من الناحية المرئية ، فإن الصورة لها عمق. يتفق كلا الوصفين على أن الصورة العاكسة ثلاثية الأبعاد تحتوي على طائر.

 

استخدم الفيزيائيون ثنائيات متشابهة لربط فروع الرياضيات التي تبدو غير مرتبطة، مثل الهندسة ونظرية الأعداد. تعمل كل منها كلغة منفصلة، لكن الثنائيات تسمح لعلماء الرياضيات بالترجمة من واحدة إلى أخرى، ومهاجمة المشكلات التي لا يمكن الدفاع عنها في إطار واحد باستخدام الحسابات التي تم إجراؤها في الإطار الآخر. تساعد الثنائيات الأخرى في التغلب على التحديات في الحوسبة الكمومية. قال تيلور: "لن تصنع الجيل القادم من iPhone الخاص بك، لكنها قد تصنع iPhone الخاص بك للقرن الثاني والعشرين."

 

ما إذا كانت قدرة نظرية الأوتار على إلقاء الضوء على الشبكة المظلمة التي تربط مناطق مختلفة من الرياضيات علامة على إمكاناتها، أو مجرد مصادفة محظوظة، تظل موضع نقاش. اعترف ويتن، الذي كان يتحدث في معهد الدراسات المتقدمة في مايو، أنه على الرغم من أنه لم يعد يشعر بالثقة كما فعل من قبل، فإن نظرية الأوتار ستتطور إلى نظرية فيزيائية كاملة، إلا أن أحشائه تخبره أن النظرية لا تزال مجالًا مثمرًا للبحث.

"بالنسبة لي، من غير المعقول أن يعثر البشر بالصدفة على مثل هذا الهيكل المذهل الذي يلقي الكثير من الضوء على النظريات الفيزيائية الراسخة، وكذلك على العديد من فروع الرياضيات المختلفة،" قال للجمهور. "لدي ثقة في أن المشروع العام يسير على الطريق الصحيح، لكنني لا أدعي أن الحجة التي قدمتها مقنعة علميًا."