ما هي الجاذبية الكمومية

تحكم أربعة قوى أساسية عالمنا، وهي قوة جاذبية الأجسام الضخمة، والتفاعل الكهرومغناطيسي بين الشحنات الكهربائية، والتفاعل النووي القوي الذي يجمع النوى الذرية معًا، والقوة النووية الضعيفة التي 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.

الجاذبية الكمية هو مصطلح عام يستخدم للنظريات التي تحاول توحيد الجاذبية مع القوى الأساسية الأخرى في الفيزياء، والتي تم توحيدها بالفعل معًا. بشكل عام، يفترض وجود كيان نظري يُسمى الجاذبية، وهو جسيم افتراضي يتوسط قوة الجاذبية.

وهذا هو ما يميز الجاذبية الكمية عن نظريات مجال موحدة أخرى محددة،وعلى الرغم من ذلك، فإن بعض النظريات التي تصنف عادةً كجاذبية كمية، لا تتطلب بالضرورة الجاذبية.

ماهية الجاذبية الكمومية

يقول لانس ديكسون، أستاذ فيزياء الجسيمات والفيزياء الفلكية في جامعة ستانفورد ومختبر تسريع SLAC التابع لوزارة الطاقة، أن تعريف الجاذبية الكمية هو كالتالي.

باستثناء الجاذبية، يمكننا وصف القوى الأساسية للطبيعة باستخدام مفاهيم ميكانيكا الكم، وفي هذه النظريات، التي تم تلخيصها في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، تكون القوى نتيجة لتبادل كميات صغيرة من المعلومات بين الجسيمات المتفاعلة.

في الشحنات الكهربائية، على سبيل المثال، تتفاعل بعضها مع بعض عن طريق تبادل الفوتونات التي تحمل القوة الكهرومغناطيسية، وتمتلك القوى القوية والضعيفة حاملاتًا للمناظرة تسمى الغلونات والو وز بوزونز على التوالي.

تستخدم هذه النظريات بشكل روتيني في حساب نتائج العمليات بدقة معتدلة، ويمكننا على سبيل المثال التنبؤ بتصادمات البروتونات المعقدة في التسارع الجسيمي في CERN بدقة عالية، وهو أقوى مسرع للجسيمات في العالم.

ومع ذلك، الجاذبية مختلفة، فعلى الرغم من أن نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين تشرح الجاذبية على نطاقات أكبر بسبب انحناء الأشياء الضخمة لنسيج الزمكان، إلا أنها لا تكشف لنا عن ما يحدث للجسيمات الدقيقة غير الذرية بفعل الجاذبية.

تُمثِّلُ الجاذبيةُ الكموميةُ محاولةً لدمجِ النظريةِ النسبيةِ العامةِ لأينشتاينَ، وميكانيكا الكمِّ، باستخدامِ القوى الأخرى، ويتوقَّعُ تفسيرُ الجاذبيةِ بواسطةِ حاملِ القوةِ الجاذبيةِ.

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.

ونتيجة لذلك، ستكون قوة الجاذبية وسطًا لقوة الجاذبية إذا تم العثور عليها، ومن المتوقع أن تكون الجاذبية بدون كتلة (لأنها تعمل على الفور لمسافات طويلة)، ولها دوران 2 (لأن الجاذبية حقل من الرتبة الثانية).

هل تثبت الجاذبية الكمومية

المشكلة الرئيسية في اختبار التجربة لأي نظرية للجاذبية الكمية هي أنه لا يمكن التحقق من مستويات الطاقة اللازمة لرصد التوقعات في التجارب المعملية الحالية.

– حتى من الناحية النظرية، تواجه الجاذبية الكمية مشاكل خطيرة، ويتم تفسير الجاذبية حالياً من خلال نظرية النسبية العامة، والتي تضع افتراضات مختلفة تماماً عن الكون على المقياس الماكروسكوبي مقارنة بتلك 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.

تتوقع الفرضيات الكمومية للجاذبية عمومًا أن تكون هذه النظرية بسيطة وأنيقة، ولذلك يحاول العديد من الفيزيائيين العمل عكسيًا، ويقومون بتوقع نظرية يرون أنها يمكن أن تمثل التماثلات التي لوحظت في الفيزياء الحالية، ثم يرون ما إذا كانت هذه النظريات تعمل .

تتضمن بعض النظريات الميدانية الموحدة، التي تصنف على أنها نظريات جاذبية كمية، المواد التالية:

1- نظرية الأوتار الفائقة / 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 أن تكون الجاذبية الكمية موجودة، وإذا كانت كذلك، فلن تكون بسيطة. وفي هذه الحالة، يتم التعامل مع محاولات فهمها بافتراضات خاطئة، ومن المرجح أن تكون هذه الافتراضات غير دقيقة. وسيخبر الوقت والتجربة بالتأكيد.

ومن المحتمل أيضًا، كما تتنبأ بعض النظريات المذكورة سابقًا، أن فهم الجاذبية الكمية لن يساعد فقط في تعزيز النظريات الحالية، بل سيوفر أيضًا فهمًا جديدًا أساسيًا للفضاء والزمان.

الجاذبية الكمومية والكون

تُساعدنا الجاذبية الكمومية في الإجابة على أسئلة مهمة حول الكون، فتأثيرات الكم تلعب دورًا في المناطق القريبة من الثقوب السوداء، وهي كائنات ضخمة لا يمكن للضوء الهروب من جاذبيتها، وذلك عندما ينبعث من داخل نصف قطر محدد .

ومع ذلك، يعتقد أن الثقوب السوداء ليست سوداء تماما، حيث إذا كانت التأثيرات الكمومية قريبة من حدث الأفق، فإنها تنتج أزواجا من الجسيمات، حيث يسقط أحدهما في الثقب الأسود، ولكن الآخر يهرب ما يسمى إشعاع هوكينج.

يأمل الباحثون في فهم اللحظات الأولى بعد الانفجار الكبير بشكل أفضل، حيث كان الكون في حالة ساخنة وكثيفة للغاية، وكانت الجاذبية تؤثر بشكل حاسم على مقياس الطاقة الهائلة التي كانت موجودة في ذلك الوقت، والتي تسمى مقياس بلانك، وعلى الرغم من أن تأثيرات الجاذبية الكمومية كانت مؤثرة بنفس القدر مثل القوى الأساسية الأخرى، إلا أننا لا نزال نفتقر إلى نظرية كمومية مقنعة للجاذبية تستطيع أن تشرح الظواهر الفيزيائية في ذلك الوقت.

أسباب صعوبة إيجاد نظرية كمية عن الجاذبية

يتم توفير نسخة من الجاذبية الكمية بواسطة نظرية الأوتار ، لكننا نبحث عناحتمالات أخرى ، إذ تختلف الجاذبية تمامًا عن القوى الأخرى التي تمتلك نظريات كمية لها.

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.

في المسافات القصيرة، تكون القوة القوية جذابة، ويمكن أن تكون القوة الكهرومغناطيسية إما جذابة أو طاردة.

تختلف الجاذبية عن جميع حاملات القوة الأخرى بسبب خاصية الجسيمات المعروفة باسم السبين، ولديها ضعف دوران الناقلات الأخرى للحركة.

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.

تمكنا من استخدام هذا الاكتشاف لحساب التأثيرات الكمية للترتيب المتصاعد، مما يساعدنا على فهم أفضل عند حدوث الاختلافات، وقمنا أنا وزملائي بعمل حسابات من المرتبة الرابعة في نظرية تسمى الجاذبية الفائقة حيث ن = 8 دون أن نجد أي اختلافات، ومن الناحية المثالية، نرغب في حساب أوامر أعلى لاختبار تنبؤات مختلفة بشكل لا نهائي، ولكن هذا أمر صعب للغاية.

شاركنا في دراسة حديثة تناولنا فيها نظرية اصطدام جثتين ببعضهما، وتبين منذ أكثر من 30 عاما أن الاختلافات التي تحدث في الترتيب الثاني لهذه الحسابات يمكن أن تتغير في ظل ما يسمى بتحولات الازدواجية، التي تحل محل وصف واحد لمجال الجاذبية بآخر مختلف ولكن متكافئ.

كانت هذه التغييرات مفاجئة لأنها قد تعني عدم التكافؤ في الوصف على المستوى الكمي، ومع ذلك، أثبتتالأبحاث الحديثة أن هذه الاختلافات في الواقع لا تؤثر على الفيزياء الأساسية.