جواد بشارةأو حكايات الكوانتوم الغريبة 4

ترجمة وإعداد: د. جواد بشارة

ثورة الكموم تهيمن على الوسط العلمي للقرن الحادي والعشرين:

وهذه رحلة صغيرة إلى عالم الكوانتا. في عام 1905 ظهرت فيزياء جديدة من شأنها أن تحدث ثورة في طريقة وصف المادة وتفاعلاتها وهي: فيزياء الكموم. فُتحت معها الأبواب لعالم لا يطيع قوانين الفيزياء الكلاسيكية: ويغوص في عالم اللامتناهي في الصغر مع ذراته وجسيماته ما دون المجهرية.

أجبرت هذه الفيزياء الآباء المؤسسين، آينشتاين وبور وهايزنبرغ وشرودنغر على وجه الخصوص، على إعادة مناقشة الحتمية ومعايير الواقع للفيزياء الكلاسيكية، وكذلك الفصل التقليدي بين المراقب والجسم المرصود. لأول مرة في تاريخ العلم، تطلب أحد التخصصات القيام بجهد تفسيري حتى يتم فهمه وتطبيقه: ما نوع الواقع الذي تمثله الشكلانية الكمومية؟ اليوم، ما مقدار المصداقية التي يجب أن تُمنح للتفسيرات المختلفة المقترحة منذ العشرينيات؟

لا تفشل فيزياء الكموم في إثارة الفتنة والامتعاض والسخط أحيانًا. ومع ذلك، لا يزال مجهولاً، لماذا هي ضحية للصور النمطية: ولماذا يتم التذرع به لدعم هذه الظاهرة الغريبة، لكننا نتجاهل وصف مبادئها الأساسية. ما هي هذه المبادئ التي تجد تطبيقات رائعة أكثر من أي وقت مضى، من الليزر إلى التشفير الكمومي، بما في ذلك النقل الآني؟ من أين تأتي هذه الكفاءة المذهلة لفيزياء الكموم؟ من أساسياتها ثبت أن فيزياء الكم فعالة في وصف الظواهر والتنبؤ بنتائج التجارب ولكن ماذا تقول هذه الفيزياء حقًا عن العالم؟ دائمًا ما يطرح تفسيرها صعوبات ويتم استكشاف السبل المختلفة لحلها. هناك تحدٍ آخر يتمثل في بناء نظرية كمومية للجاذبية أو للثقالة قادرة على وصف اللحظات الأولى للكون وقلب الثقوب السوداء. لديها كفاءة غير معقولة في قلب التقنيات الحديثة. لكن على الرغم من خصوبتها المذهلة فإن تفسيرها يحافظ على بعض المناطق الرمادية الغامضة. في العشرينات من القرن الماضي، أربك سلوك الذرات والجسيمات العلماء. ولشرح بعض الظواهر، مثل إشعاع الجسم الأسود، قام العلماء بتطوير مفاهيم جديدة جذرية تقودهم إلى التفكير بشكل مختلف في المادة وتفاعلاتها. كان عقدًا من الفوران الإبداعي والعمل المكثف، كافياً لعدد قليل منهم لتأسيس واحدة من أجمل التركيبات الفكرية في كل العصور ألا وهي فيزياء الكموم. ومن ثم ميكانيك الكموم. سرعان ما لاقى هذا الإنجاز نجاحًا كبيرًا، بفضل تأكيد تنبؤاته التجريبية الدقيقة. واليوم هو موجود في كل مكان في حياتنا اليومية: في أجهزة الكمبيوتر لدينا، في هواتفنا، في شاشاتنا ...

ومع ذلك، وعلى الرغم من نجاحها الذي لا يمكن إنكاره، تظل فيزياء الكموم غامضة من نواحٍ عديدة، خاصةً لأن هذا الصرح النظري يتطلب عملًا في التفسير، وهو ما يواجه الفيزيائيون صعوبة أكبر في تنفيذه. يجب أن يقال إن نظرية الكم تطرح أسئلة غير مسبوقة ومذهلة: كيف نفهم شكليتها؟ هل هو بسيط

مجرد أداة للتنبؤ بنتائج التجربة؟ ما هي المكانة التي تمنحها الفرصة التي تتدخل في تحديد النتائج؟ هل يتيح لها ذلك الوصول إلى وصف لواقع العالم؟

إذا عانت فيزياء الكموم كثيرًا، فذلك لأنها خرجت من إطار تفسير الفيزياء الكلاسيكية. بالنسبة لأي نظام، تربط الفيزياء الكلاسيكية خصائص مناسبة للنظام (على سبيل المثال، مثل هذه الدراجة زرقاء وتعمل بسرعة 30 كيلومترًا في الساعة)، ولا تنسب دورًا أساسيًا لعملية القياس.، وهو فقط التسجيل المحايد والسلبي للكميات الموجودة بشكل موضوعي (الدراجة زرقاء، سواء نظرنا إليها أم لا).

لا يبدو أن فيزياء الكموم تشترك في مثل هذا "الالتزام الوجودي" القوي. أولاً، لا تمنح الجسيمات أي موضع أو مسار أو شكل محدد جيدًا. ثم وفوق كل شيء، تتخلى عن الاستفادة من فكرة، مهما كانت أولية، أن تنسب إلى الجسيمات حقيقة تكون مستقلة تمامًا عن وسائل ملاحظتها ومراقبتها أو رصدها. هل كانت هذه علامة على التخلي بشكل نهائي عن إطار التفسير الكلاسيكي؟ أو، على العكس من ذلك، أن هذا الجسم الجديد يفتقر إلى المكونات التي، إذا تم أخذها في الاعتبار، ستجعلها "تنسجم مع الخط السائد"؟

حول هذه الأسئلة، أصبح الفيزيائيان نيلز بور وألبرت أينشتاين صديقين بهدوء، لكن بحزم، على عكس بعضهما البعض. اعتبر بور أن فيزياء الكموم أجبرتنا على قلب النظريات التي تفسر العلاقة بيننا وبين ما ندعوه، "الواقع". اعتقد أينشتاين أنه من السابق لأوانه التوصل إلى مثل هذا الاستنتاج. لم يزعم مؤسس النسبية أبدًا أن فيزياء الكموم كانت نظرية خاطئة، ولكن، وفقًا له، لا ينبغي الحكم على النظرية الفيزيائية على أساس كفاءتها التشغيلية وحدها: يجب أيضًا أن تصور الهياكل اتساق حميم مع الواقع. ومع ذلك، في نظره، فإن فيزياء الكموم، على الرغم من نجاحاتها التجريبية المذهلة والتي لا جدال فيها ، لم تفعل ذلك بشكل مرضي للجميع.

في إطار نظرية الكموم، يتم وصف النظام المادي بواسطة كائن رياضياتي وهو، دالة الموجة. تتم كتابة هذا بشكل عام على أنه مجموع عدة وظائف تمثل كل منها حالة معينة، تتأثر بمعامل معين. ثم نواجه "تراكبًا" للحالات المحتملة، وهو وضع لا مثيل له في الفيزياء الكلاسيكية. تنص النظرية بعد ذلك على أنه بمعرفة دالة الموجة، لا يمكننا تحديد نتيجة القياس بشكل عام، ولكن فقط نحسب احتمالات الحصول على نتيجة معينة. ومن بين جميع النتائج المحتملة بشكل مسبق، يتم اختيار واحدة فقط، بشكل عشوائي، بواسطة عملية القياس. هذا الأخير يستلزم "تقليص الاحتمالات" الذي يحدث إن هذا الأخير يؤدي إلى "تقليص الاحتمالات" وهو الأمر الذي يتم بشكل مفاجئ وعشوائي. اعتقد أينشتاين فقط أنه من السابق لأوانه التوصل إلى مثل هذا الاستنتاج لأنها ليست مكتملة. والآن، وفقًا لأينشتاين، يجب على النظرية الفيزيائية الجيدة أن تقضي على الصدفة، وتلغيها، إن لم يكن من بنائها، فعلى الأقل من مبادئها. ثانيًا، تمسك أينشتاين بشكل ما من إدراك "الواقع"، فكرة العالم الواقعي الذي توجد أصغر أجزاء منه بشكل موضوعي، سواء لاحظناها أم لا، مشيرًا إلى أن هذا الواقع يتعرض للخطر من خلال فيزياء الكموم، فقد أراد إثبات وجود عناصر من

حقيقة أن هذه النظرية غير قادرة الإحاطة بماهية وحقيقة الواقع وبالتالي فهي غير مكتملة.

"هل كان الوصف الكمومي للواقع المادي مكتملاً؟" هو السؤال الذي أجاب عنه الباحثون الثلاثة بالنفي وهم ألبرت آينشتاين وناثان روزين وبوريس بودولسكي في مفارقة EPR. يعتمد منطقهم على ثلاث فرضيات. الأولى تنص على صحة تنبؤات فيزياء الكموم. لا شك أن أينشتاين وزملائه يعتبرون أن فيزياء الكموم هي نظرية إن لم تكن خاطئة، فهي ناقصة، فهم يشككون فقط في تماسكها الداخلي واعتبارها نظرية لا محلية.

الفرضية الثانية: لا تأثير يمكن أن ينتشر بسرعة أسرع من الضوء، وفقًا للنسبية الخاصة. والفرضية الثالثة هي أن العالم الحقيقي موجود بشكل موضوعي مستقل عن الملاحظة والرصد والمشاهدة والقياس. لذلك هم يعترضون على وصف قائم على الصدفة وليس وصف عالم موجود بشكل مستقل عن الملاحظة. وبالعكس من ذلك، كان بور نفسه يكره اعتبار أن هناك حقيقة موضوعية مستقلة عن جهاز القياس. ووفقًا له، فإن ما يمكن أن تدعي النظرية الفيزيائية وصفه هو مجرد ظواهر بما في ذلك في تعريفها السياق التجريبي الذي يجعلها ظاهرة. لذلك لم تكن فيزياء الكموم بحاجة إلى تعديل. إن خاصية المحلية localité هذه تنطوي ببساطة على أنه عندما يكون هناك حدثان بعيدان جدًا في الفضاء وقريبان جدًا من الوقت بحيث لا يتوفر للضوء الوقت لربطهما، فلا يمكن لأي من هذين الحدثين التأثير على الآخر؛ ثم تحدث "كل واحدة في ركن خاص بها" ، تمامًا كما لو أن الآخر لم يحدث. وإذا طبقنا معيار الموقع أو المحلية على الجسيمات، فهذا يعني أن كل واحدة تحمل معها، أي "محليًا"، الخصائص التي ستحدد نتائج القياسات.

أخيرًا، يشير المعيار الأخير، أي فرضية الواقع، إلى أنه إذا كان بإمكان المرء أن يتنبأ على وجه اليقين بقيمة الكمية المادية، فعندئذ يوجد عنصر من الواقع المادي يتوافق مع هذه الكمية. القيمة الناجمة ليست هلوسة أو هذيان ولا شبحاً وهناك عنصر من الواقع يتوائم ويتوافق معها بالضرورة وعلى الشكلانية أن تدمجها وبدونها لن تكون مكتملة. أساس ما يسمى بتفسير كوبنهاغن (ومختلف الفروق الدقيقة فيه)، والذي حمله بور وفيرنر هايزنبرغ وآخرون، لطالما اعتبر أنه الطريقة الوحيدة لتصور فيزياء الكموم.

عندما يعارض أينشتاين بور ويبدأ بينهما السجال الشهير:

بدأ الجدل بين أينشتاين وبور في عام 1927، في بروكسل، خلال مؤتمر سولفاي ، وهو مؤتمر علمي جمع أعظم علماء الفيزياء في ذلك الوقت. بحث أينشتاين عن تناقض في "علاقات عدم اليقين التي عرضها هايزنبيرغ Heisenberg»، والتي تتعلق بسلوك الجسيمات الكمومية الفردية. يتم التعبير عن هذه العلاقات الأساسية لنظرية الكموم في شكل عدم التكافؤ أو عدم المساواة التي تربط بين كميتين

"مكملتين لبعضهما البعض"، مثل الموضع والسرعة. تتمثل إحدى نتائج هذه التفاوتات في أنه من غير الممكن معرفة الكميات التكميلية تمامًا في نفس الوقت. لكن مع كل هجوم، نجح بور في مواجهة حجج أينشتاين. في عام 1935، استؤنفت المناقشة حول مقال نشر الثلاثي ألبرت آينشتاين وبوريس بودولسكي وناثان روزين EPR، تضمن نص مقالتهم اعتراضاً على، ليس فقط سلوك جسيم واحد فقط فحسب، بل زوجين من الجسيمات ترتبط خصائصهما على نحو وثيق بحيث يضطرنا الأمر للحديث عن " جسيمات متشابكة " وعنوان المقال " الوصف الكمومي للواقع الفيزيائي هل يمكن اعتباره كاملاً؟  وهو تساؤل رد عليه العلماء الثلاثة بالنفي.

أسباب حجة الثلاثي EPR مبنية على ثلاث فرضيات. تحدد هذه الفرضيات الثلاثة معًا ما يجب أن نفهمه عن «الشيء الحقيقي" أو الواقع، إذ تظل رؤيتهم قريبة من الفطرة السليمة وأفكار الفيزياء الكلاسيكية. مسلحين بهذه الحجج، تعاطى أينشتاين وبودولسكي وروزين تجربة فكرية تعتمد على نظام يتكون من إلكترونين متشابكين، تم إنشاؤه بواسطة عملية تربط سرعتيهما وموقعيهما في علاقات محددة مسبقًا. بتعبير أدق، يغادر الإلكترونان في اتجاهين متعاكسين بنفس السرعة. بقياس سرعة الجسيم 1، نستنتج سرعة الجسيم 2 في نفس اللحظة دون تغيير حالته؛ وبموجب معيار الواقع، فإن سرعة الجسيم 2 هي عنصر من عناصر الواقع. بالاستمرار بنفس الطريقة مع الموضع، توصلوا إلى استنتاج مفاده أن موضع الجسيم 2 هو أيضًا عنصر من عناصر الواقع. الآن، ومع جمعهما فإن هذين التأكيدين يتعارضان مع مبدأ عدم الدقة أو اللايقين لهايزنبيرغ ولذي ينص على أنه لا يمكن قياس وتحديد سرعة وموضع الجسيم بدقة في آن واحد.

جلب هذا التناقض العلماء الثلاثة لاستنتاج أن فيزياء الكم غير قادرة على تفسير عناصر الواقع هذه (هنا الموضع والسرعة). لذلك يجب اعتبار النظرية غير كاملة: المتغيرات التي لا تظهر في شكلها الرياضياتي ستحمل هذه المعلومات، أي عناصر الواقع هذه. وإلا، سيتعين على المرء أن يتخيل أن الموقع والسرعة ليسا من عناصر الواقع؛ وأن القياس الذي تم إجراؤه على الجسيم 1 سيحدد، على مسافة، فورًا وكأنه بمعجزة (بواسطة "التخاطر" كما يقول أينشتاين)، الكميات المتعلقة بالجسيم 2. كان هذا الحل مستحيلًا في نظر الفيزيائيين الثلاثة، لأنه انتهك فرضية الموقع أو المحلية localité وقوانين النسبية المقيدة. ستكون فيزياء الكموم عندئذٍ نظرية يمكن تسميتها بــ "غير محلية".

لفهم المشكلة بشكل أفضل، دعنا نختار توضيحًا أقرب إلى التجربة المشتركة. لنفترض أن لدينا بطاقتين، واحدة زرقاء والأخرى حمراء، ووضعنا كل منهما في مظروف مغلق. دعونا نخلط المغلفين بعيدًا عن الأنظار، ثم نعطي أحدهما لبول والآخر لجولي. عندما يفتح بول مظروفه، يكتشف لون بطاقته. من الواضح أن النتيجة التي يحصل عليها مرتبطة بتلك التي ستحصل عليها جولي: إذا كانت بطاقة بول زرقاء، فستكون بطاقة جولي بالضرورة حمراء، والعكس صحيح. كيف نفسر هذا؟ بكل بساطة من خلال اعتبار أن الألوان الخاصة ببطاقات بول وجولي قد ثبتت قبل فتح المغلف إن هذا الفعل قد كشف عن حالة لم تكن معروفة من قبل بول لكنها كانت محددة مسبقاً وعلى نحو تام جداً. بعبارة أخرى، الأمر لايتعلق بمعرفة بول بلون بطاقته الذي ثبت هذا اللون ولا من حدد لون بطاقة جولي من خلال بعض المعلومات التي انتقلت من المغلف الأول عند بول باتجاه المغلف الثاني عند جولي، فللبطاقتين لونيهما بموجب السبب المشترك الذي ثبتهما عندما تم دسهما داخل المغلفين بالفعل قبل فتح الظرف: لم يكشف هذا الإجراء إلا عن موقف لم يكن معروفًا لبولس بعد، ولكنه تم تحديده تمامًا بالفعل. بعبارة أخرى، ليست حقيقة أن بول يعلم لون بطاقته هو الذي ثبت هذا اللون، ولا هو من كان يحدد لون بطاقة جولي من خلال بعض المعلومات المنقولة من المغلف الأول إلى الثاني. تصادف أن كلتا البطاقتين تحملان اللونين اللذين بحوزتهما بسبب السبب المشترك الذي أمّنهما عندما تم انزلاقهما في المظاريف. هذا النوع من الجدل هو الذي تتكثف فيه فرضية واقع أينشتاين: هناك "عنصر من الواقع المادي" مرتبط بلون بطاقة جولي منذ ذلك الحين، دون فتح الظرف لديها بين يديها، وهي قادرة على التعرف عليه. كل ما عليه فعله هو أن يسأل بول عما حصل عليه ويصل إلى النتيجة. من الواضح أن حالة بطاقات بول وجولي هي مشكلة ذات طبيعة كلاسيكية، حيث يأخذ الجزء الاحتمالي مصدره في مبدئي "خلط إحصائي" للبطاقات. في حالة النظام الكمومي المكون من إلكترونين متشابكين، فإن تراكب الحالات هو الذي يلعب دوره. لكن ما أوضحه أينشتاين وزملاؤه هو أن تطبيق معيار الواقع على النظرية الكموم يؤدي إلى "مفارقة EPR" (وهي الأحرف الأولى للموقعين الثلاثة على المقال الذي أثار المفارقة). بتعبير أدق، لضمان الواقعية ولتجنب تعارضات التماسك الداخلي داخل النظرية، يجب أن تكون هناك متغيرات إضافية غير واردة في فيزياء الكموم. وهكذا فإن هذه الشكليات عالقة في فعل عدم الاكتمال. لذلك يجب أن يوجد، وفقًا لأينشتاين وزملائه، مستوى وصف أدق للواقع من ذلك الذي تقترحه فيزياء الكموم.

بمجرد نشر هذا المقال، قرر بور التصدي للدفاع عن فيزياء الكموم كما هي. لكنه سرعان ما أدرك أن منطق أينشتاين كان دقيقًا للغاية وأن دحضه يجب أن يكون دقيقًا أيضاً. بالطبع، كانت الإجابة التي قدمها على السؤال المطروح (هل فيزياء الكم مكتملة؟) كانت نعم لا لبس فيها، لكن حجته بدت مشوشة إلى حد ما، غيرة قادرة على تحديد حتى أدنى خطأ في حجة EPR، اختصر بور في التأكيد على أن الأدلة التي قدمها أينشتاين لم تكن قوية بما يكفي وأن نقده ركز على معيار واقع الشخص الذي يحاوره.

في الواقع، لم تكن هذه المناقشات ذات أهمية كبيرة للفيزيائيين، حيث لم يكن لها تأثير على طريقتهم في استخدام شكليات فيزياء الكموم، أي إجراء الحسابات والتنبؤات. الذين كانوا لا يزالون على اتفاق مع القياسات. إن خصوبة نظرية الكموم كانت مذهلة للغاية لدرجة أنها لا تبدو ضرورية ولا مفيدة لفهمها وليست تلك الخاصة بالنظريات المفيدة لفهم التنافس بشكل أفضل. في النهاية، كان هناك انفصال كامل بين المتخاصمين، ولكن في عام 1964، في CERN، بالقرب من جنيف، وجد جون بيل، الفيزيائي الأيرلندي الشمالي، المولع جدًا بنظريات الواقعية المحلية، نفسه يدحض موقف أحد الطرفين. في وقت لاحق، تم تعديل تجارب أخرى أكثر اتقاناً ودقة، من الوضوح المفاهيمي وأكثر تفصيلاً.

ساعد نيلز بور وألبرت أينشتاين في العثور على فيزياء الكموم وتفسيرها. من خلال رؤاهم المتناقضة والمناقشات المستفيضة التي ميزت التطورات بعمق لكشف هذه النظرية والتي سمحت بفهمها بشكل أفضل.

اقترحا حالات تجريبية بحيث ستعطي فيزياء الكموم تنبؤات مختلفة عن تنبؤات نظرية تدعي التكاملية باحترام فرضة المحلية وذلك بفضل إدخال "المتغيرات المخفية المحلية"، مهما كانت كبيرة، لا تضعف التشابك. علينا بعد ذلك أن نعترف بالطابع غير المحلي لنظرية الكموم.

كان هذا هو الحال في أوائل الثمانينيات، عندما أجرى فريق من معهد البصريات في أورساي Institut d'Optique d'Oray بقيادة آلان آسبيه Alain Aspect سلسلة من التجارب مع فوتونات متشابكة أثبتت أن تنبؤات الفيزياء الكمومية هي الصحيحة والمضبوطة وليس النظريات المناوئة والمنافسة.

 

 

جواد بشارةأو حكايات الكوانتوم الغريبة 3

إعداد وترجمة د. جواد بشارة


رحلة في الكون الخاص جدًا لفيزياء الكموم. سوف نكتشف عالماً جديداً، ولكن ما الذي يميز فيزياء الكم؟ إنه ببساطة أبعد من خيالنا، وأبعد تصورنا للأشياء.

نحاول في هذه الدراسة أن نتيح للقاريء الاقتراب بطريقة بسيطة جدًا من شيء يبدو في البداية معقدًا للغاية.. في حكاية مريحة لا تحتاج إلى في الحلقات القادمة تفكير، ستتعرف على قطة شرودنجر المسكينة الحية الميتة في آن واحد، وهذه مجرد تجربة فكرية ولم يتم إساءة معاملة أي حيوان في هذه القصة! لكن هل يمكن أن يؤدي تراكب حالات الإلكترون إلى جعل القطة ميتة وحية في نفس الوقت؟ يكون الكموم غريبًا في بعض الأحيان، لكن في هذه الحالة، لن يؤدي إلى أي مفاجأة: كون القط "أكبر من أن يكون كموميًا"، وسنوضح أن لديه فرصة واحدة من كل 2 للبقاء على قيد الحياة بعد ذلك.

فيزياء الكموم ليست حديثة وتعود لبدايات القرن الماضي، لكن ما هو مستقبلها؟ يعتقد أنها ستكون فيزياء المستقبل، ولا سيما في مجال معالجة موضوع الكمبيوتر الكمومي. وستكون قادرة على حساب مئات الآلات ومليارات العمليات الحسابية في ثوان، وسرعان ما تم وصفها بأنها ثورة. ولكن تبقى هناك العديد من العناصر المثالية، والتي لا تمنع من وجود بادرة تفاؤل لعقود قادمة.

في الأساس، أرجو أن تكون هذه الرحلة من الحكايات الكمومية ممتعة. وأن تكون أيضًا نوع من التعرف على العالم الكمومي، والذرات، والإلكترونات، وما إلى ذلك.. والمفاهيم الكمومية المختلفة مثل تأثير النفق، وثنائية الموجة والجسيم أو حتى فك الترابط، والتي سيكون لها عدد أقل من الأسرار بالنسبة للقاريء غير المتخصص.

بشرت نهاية القرن التاسع عشر بعصر ذهبي حقيقي للفيزيائيين. لم يكن هناك ما يشير إلى أنهم سيشهدون الولادة الحقيقية لعصر جديد شهد ثورة حقيقية في الفيزياء مع ظهور النسبية الخاصة والعامة لآينشتاين وفيزياء الكموم الكوانتوم على يد ماكس بلانك ومجموعة كبيرة من العلماء الآخرين وعلى رأسهم نيلز بور وشرودنغر وآينشتاين نفسه وهايزنبيرغ وغيرهم.

وكانت تلك الدعامتان من أقوى النظريات وأكثرها إثارة للقلق في تاريخ العلم. انتهى القرن بانتصار "العلوم الحديثة" بلا منازع، التي تأسست عام 1687 بواسطة نظرية الجاذبية الكونية لإسحاق نيوتن. الشعور العام هو أن الإكتمال، كما يتضح، حص في عام 1894، من خلال هذا البيان الصادر عن جائزة نوبل المستقبلية في الفيزياء ألبرت ميكلسون: "يبدو من المحتمل أن معظم المبادئ العظيمة الكامنة وراء [الفيزياء! قد تم اكتشافها وبات من الضروري البحث عن تطورات جديدة بشكل رئيسي في التطبيق الصارم لهذه المبادئ على جميع الظواهر التي تحظى باهتمامنا. "وبعبارة أخرى، تم وضع قوانين الفيزياء، ولم يعد عمل علماء الفيزياء في القرن العشرين سوى القيام بصقلها وتطبيقها! لم يبق سوى شرح اثنين أو ثلاثة تفاصيل عنيدة.

"كارثة الأشعة فوق البنفسجية":

"من بين هذه" التفاصيل "التي لا يمكن تفسيرها، يشرح هيرفي زويرن Hervé Zwirn، الفيزيائي وعالم المعرفة، مدير الأبحاث في CNRS، هناك بالضبط نتائج تجربة ميكيلسون ومورلي، في عام 1887، مما أشار لديهما وجود سرعة ثابتة للضوء. كما أثيرت مشكلة إشعاع "الجسم الأسود"، والتي لا يمكن للمرء أن ينشئ قانونًا متماسكًا بشأنها آنذاك. "ومن غير المعروف إذن أن هذه" التفاصيل "الصغيرة التي تبدو غير ضارة ستؤدي في الواقع إلى نظرية النسبية للأول، أي سرعة الضوء، وميكانيكا الكموم للثاني، أي حل لغز إشعاع الجسم الأسود. بعبارة أخرى، ظهور الثورتان العظيمتان في الفيزياء، ولدا معاً في نفس الوقت تقريباً ولم تفصل بينهما سنوات قليلة.

ولكن إذا كانت النسبية من عمل رجل واحد وهو ألبرت أينشتاين، الذي سيطورها بين عامي 1905 و1915، فإن فيزياء الكموم، شارك فيها العديد من العلماء: وتم تشكيل مدارس ورواد لامعين، سيستغرقون سبعة وعشرين عامًا (1900-1927) لتكوينها. يوضح أوليفييه داريغول Olivier Darrigol، مؤرخ الفيزياء والأستاذ بجامعة باريس ديدرو: " البعض اغمس بحماسة واندفع في هذه الثورة الراديكالية الجديدة بينما فضل البعض التريث والمقاومة لغاية سنة 1926 آملين أن يكون باستطاعتهم ربطها بشيء يبدو أكثر كلاسيكية "بالنسبة للمؤرخين، لا يوجد إجماع ولا تجانس في هذه العملية.

كان الفيزيائي الألماني ماكس بلانك (1858-1947) أول من نص على أن تبادل الطاقة بين الضوء والمادة يتم بطريقة متقطعة، بواسطة حزم طاقة غير قابلة للتجزئة، "الكمات". ومن ثم فهو يعتبر والد ميكانيكا الكموم. إنه بالكاد يوافق على فكرة أينشتاين عن تطبيق مبدأ الكموم على الضوء، وحتى أقل من فكرة بور لتطبيقه على الذرة. سيضع في النهاية صلاحية نظريته في عشرينيات القرن الماضي.

بلانك هو "الجد" لكل أولئك الذين سيبنون النظرية من خلال كوانتيه- كمومه، لقد فتح الباب ولكنه ترك نجاحاته تدخله. كان وصيًا للفيزياء في ذلك الوقت، ربما كان بالفعل كبيرًا في السن، ومترسخًا في الفيزياء "الكلاسيكية"، بحيث لا يجرؤ على الشروع في المغامرة المجنونة التي بدأها. بسرعة كبيرة في هذه الراديكالية الجديدة، بينما قاوم آخرون حتى عام 1926، على أمل أن يتمكنوا من ربطها بشيء أكثر كلاسيكية ".

وبالتالي كان ماكس بلانك أول من أحدث خرقاً دون حتى أن ينتبه لذلك. أدرك الفيزيائي الألماني ماكس بلانك ذلك في نهاية عام 1900. في مقال، سيتبعه عرض تقديمي إلى جمعية برلين الفيزيائية، يدعي بلانك أنه حل المسألة القديمة "إشعاع الجسم الأسود" التي أبقت الفيزيائيين في مأزق لمدة 40 عامًا. تتعلق هذه المشكلة النظرية بالتفاعل بين المادة والإشعاع. يمكننا توضيح ذلك بتخيلنا لفرن يفرغ من كل هوائه حيث يتم إغلاق الأشياء المراد تسخينها بإحكام. تمتص الأجسام الإشعاع الحراري (على شكل ضوء)، وهو الضوء المنبعث من جدران الفرن، ثم تستقر عند درجة حرارة معينة ثم تبدأ في إصدار نفس الإشعاع بأطيافه المختلفة، بغض النظر عن المادة المصنوعة منها. هذه الحقائق ليست موضع نقاش، لكن العلماء لا يستطيعون وضع معادلات الطريقة التي يتبادل بها الضوء والذرات طاقتهم. أدت جميع المحاولات حتى الآن إلى نتائج عبثية: تبدأ المعادلات في التباعد نحو اللانهاية لأكثر الأطوال الموجية نشاطًا، نحو الأشعة فوق البنفسجية. مما يعني أن أي جسم إذا تعرض لفترة معينة للأشعة فوق البنفسجية، مثل تلك الموجودة في الشمس، فسوف يصبح كالقنبلة قابل للانفجار ... ومن الواضح أن الأمر ليس كذلك.

ومع ذلك، وجد بلانك الحل لما كان يسمى في ذلك الوقت "بكارثة الأشعة فوق البنفسجية". ولكن على حساب بعض الحريات: بدلاً من اعتبار أن الطاقة يتم تبادلها بين الضوء والمادة بطريقة مستمرة، فإنه يفترض بالفعل أن الشعاع يعطي الطاقة في شكل حبيبات للجسم الأسود. بالنسبة إلى بلانك، فإن هذا المرور من المستمر إلى المنفصل ليس سوى "حيلة رياضياتية"، حيلة لتجنب الاختلاف في معادلته. وبما أن هذا يتماشى مع النتائج التجريبية، فقد تم تبنيها دون أن يتساءل أحد عن معنى هذه المخاتلة.، أي ماهي تبعات ذلك على طبيعة الضوء التي كان آينشتاين يشتغل عليها؟

بنى أينشتاين (1879-1955) نظرية النسبية من تلقاء نفسه وافترض، في عام 1905، الطبيعة الحبيبية للضوء على أساس كوانتا بلانك. ثم اكتشف "قسرا" في عام 1935 ظاهرة التشابك.

كان هناك اعتراف جمعي به من قبل أقرانه على أنه عبقري ذلك الوقت، ظل آينشتاين دائمًا محميًا من التيارات والمدارس الفكرية. لا معلم ولا تلاميذ (على الأقل ممن يدعون ذلك). من خلال التشكيك في معنى الكموم بلا هوادة، سيكون أحد المحركات الرئيسية لهذه النظرية. حتى لو كانت قوة حسه السليم - فإن جوهر عبقريته سيمنعه من الاعتراف حتى وفاتها بأنه يمكن فصل النظرية عن الواقع الذي تصفه. وكان على خطأ. وبسرعة. دون أن يشكك أحد في المعنى المادي لهذه الالتفاف ... أي: ما هي عواقب ذلك على طبيعة الضوء؟ حتى مايو 1905، نشر شخص غير معروف آنذاك، يبلغ من العمر 25 عامًا مقالته الأولى: حول وجهة نظر إرشادية تتعلق بإنتاج وتحويل الضوء. يُدعى الوافد الجديد لساحة الفيزياء ألبرت أينشتاين، ويوضح أن التأثير الكهروضوئي، وتحويل الضوء إلى كهرباء في مادة ما، ينتج عن تبادل كمية الطاقة التي تصورها بلانك. إلا أن أينشتاين يعطيها معنى فيزيائيًا: فهي بالنسبة له جزيئات ضوء! "أينشتاين هو أول من انفصل عن الفيزياء الكلاسيكية بسرعة كبيرة في هذه الراديكالية الجديدة، بينما قاوم آخرون حتى عام 1926، على أمل أن يتمكنوا من ربطها بشيء أكثر كلاسيكية "كما ذكرنا أعلاه.

في الواقع، كان من المقبول حتى ذلك الحين أن الضوء عبارة عن كمية مستمرة يمكن أن تنبعث أو تمتص بنفس الطريقة التي يتم بها نقل الماء من وعاء إلى آخر. لكن أينشتاين يوضح ذلك بطريقته الخاصة: فالضوء يفضل أن يشبه مجموعة من الكرات غير القابلة للتجزئة التي تتدفق واحدة تلو الأخرى. سلسلة من الانقطاعات. "في ذلك الوقت، كان أينشتاين وحيدًا تمامًا"، ولسبب وجيه! لأكثر من قرن من الزمان، تم اعتبار أن الضوء يتكون من موجات مستمرة: في عام 1801، لم يكن الإنجليزي توماس يونغ يعرف ذلك من خلال تمرير الضوء أحادي اللون بواسطة شقين صغيرين، حصلنا على "شكل تداخل"، تناوب للخطوط الساطعة والمظلمة؟ وهو التوقيع بامتياز للظاهرة الموجية للضوء بطبيعتها المستمرة!

هنا يبدأ الارتباك: فالضوء يظهر بشكل متكرر مثل موجة ومثل جسيم حبيبي ... على مدى السنوات التالية،

انضم علماء الفيزياء الرواد تدريجيًا إلى فكرة أن رياحًا جديدة تهب في الفيزياء. حركة أدت في عام 1911 إلى المؤتمر الأول حول نظرية الإشعاع والكمات Rayonnement et Quantas (الذي أطلق عليه مؤتمر فيزياء الكموم) الذي تم تنظيمه في بروكسل.

كسر القواعد:

تدفق فطاحل علماء الفيزياء الكبار إلى مؤتمر سولفاي الأول: هندريك لورنتز، وإرنست رذر فورد، وماري كوري، وهنري بوانكاريه، وبول لانجفان، وألبرت أينشتاين، وماكس بلانك ... "لكننا مازلنا في وضع الغموض والحيرة والضبابية وعدم الوضوح، كما يتذكر أوليفييه داريغول.  الذي تساءل: هل هذه الطبيعة الحبيبية أو المتقطعة للطاقة والضوء أساسية وغير قابلة للاختزال، أم أنها تتعلق بشيء معروف؟ "

عندها ظهرت شخصية ثالثة:

إنه الدنماركي نيلز بور. نحن عام 1913، عندما قرر بور تطبيق مبدأ القياس الكمومي على الذرات. بعد طاقة بلانك، وضوء أينشتاين، يمتد مفهوم الكوانتا إلى المادة. "بور يخالف القواعد، كما يوضح هيرفي زويرن. فهو يسن مبدأ دون يبرره. فمدارات الإلكترونات في الذرة محددة ومستقرة. فالإلكترون محضور عليه أو محتجز دون إنفاق للطاقة، ومن أجل الانتقال من مدار إلى آخر، يجب أن يمتص أو يطلق فوتونًا تتوافق طاقته مع فرق الطاقة بين المدارات ". كتب بور بهذا الخصوص: "يبدو ضروريًا إدخال كمية غريبة في هذه القوانين، غريبة عن الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، مثل ثابت بلانك. "على الرغم من أن نموذجه قطعي، إلا أنه سرعان ما تم قبوله لأنه تم التحقق من صحته من خلال التجربة!" أدرك بور تمامًا أننا لم نواجه فيزياء جديدة فحسب، بل أيضًا نظرية جديدة للمعرفة، طريقة مختلفة للتفكير في الفيزياء، كما يكشف أوليفييه داريغول. يراه كمزيج غير عادي من الاستمرارية والانقطاع: للذرات مدارات منفصلة [مستويات طاقة]، لكنها يمكن أن تتشوه باستمرار. "

حماسة مشوبة بضربات ارتباك تهب على الفيزياء ... حتى الحرب العظمى، التي ستقتل الشباب الأوروبي. تتذكر مارثا سيسيليا بمستأمنتي، عالمة الفيزياء ومؤرخة الفيزياء، "نحن نعلم أنه من بين الفيزيائيين الفرنسيين الشباب قبل الحرب، كان هناك الطلاب السابقون الذين كانوا في أعقاب جيل بول لانجفان قد ذهبوا لجبهات القتال، ثم عاد عدد قليل جدًا منهم". لقد مر ما يقرب من عشر سنوات قبل أن يضع عالم فيزيائي فرنسي آخر حجره على المبنى: كان اسمه لويس دي برولي. طالب الدكتوراه الشاب الذي كان بول لانجفان هو المشرف على أطروحته. كان هذا من شأنه أن يشجعه، حسب المؤرخ، على "التفكير في توليفة بين بلانك وأينشتاين وبور". يرى دي برولي الآن رابطًا عميقًا بين عملهم، ويضع لذلك فرضية مجنونة: إذا كان الضوء أيضًا جسيمًا، فلماذا لا تكون المادة أيضًا موجة؟ "هذان التمثيلان، كما كتب دي برولي في أطروحته التي دافع عنها في تشرين الثاني (نوفمبر) 1923، ربما يكونان على الأرجح أقل تعارضًا مما كان مفترضًا، ومع التطور يبدو أن تطوير نظرية الكموم يؤكد هذا الاستنتاج. ومن هنا "ولد مبدأ ازدواجية طبيعة المادة الموجية والجسيمية. كانت تلك المقاربة بمثابة قنبلة!

مبادئ بديهية مضادة:

ينص هذا المبدأ غير البديهي تمامًا على أنه، مثل الضوء والطاقة، فإن لبنات المادة (الذرة، والإلكترون، وما إلى ذلك) هي جسيمات مثلها مثل الموجات. سيؤدي هذا إلى ولادة مبدأ التراكب superposition، وهو أحد أغنى المفاهيم في ميكانيكا الكموم! بما أن المادة (أيضًا) عبارة عن موجة، فيمكننا عندئذٍ تركيب جزيئات المادة على بعضها البعض، بل وحتى تركيبها على نفسها! وبفضل مبدأ التراكب هذا ستستمر في تحديد المسار حتى النهاية. أي حتى صياغة النظرية بشكل كامل والتي كانت هي بأمس الحاجة لذلك.

منذ بداية العشرينيات من القرن الماضي، في الواقع، كانت صياغتها في حالة ركود. صحيح أن بور استمر في بناء نموذج لذرة الهيدروجين، وهي الأبسط من بين كل النماذج، حتى إنه طور نظرية كموم الأطياف والخطوط كوفئت بمنحه جائزة نوبل للفيزياء سنة 1922. مع حدوث بعض المسافة يمكننا القول إنها لم تكن نجاحاً منقطع النظير فلم يكن ممكناً توسيع نظريته لتشمل الذرات الأكثر تعقيداً وتركيباً. فمازال هناك شيء ما يفلت من تفكيره. ولم يدم ذلك وقتاً طويلاً. إذ في خضم الحماسة التي رافقت أطروحة دي برولي تواصلت واستمرت عمليات نشر البحوث والدراسات بإيقاع جنوني حتى إن انشقاقاً فلسفياً كان يتخمر قد اندلع في ضوء النهار بين الفيزيائيين، بين من يعتقد إنه يجب التخلي عن فكرة نظرية تصف واقعاً ملموساً ومرئياً وآخر حدسي تخميني احتمالي وبين من يعتقد عكس ذلك. أي النظرية التي تصف حقيقة يصعب تخيلها وواقعاً غير قبل للإدراك. المعسكر الأول هم أتباع وأصحاب ومؤيدي بور الذي أسسوا مدرسة كوبنهاغن والذي كانوا فكرياً وثقافياً مستعدين لمسح كامل أرضية الحدس والملموس والرؤية في الفيزياء الكلاسيكية ومن بين هؤلاء فيرنر هايزنبيرغ وفولفغانغ بولي وماكس بورن وجاكوب جوردان وأعتقد هؤلاء أنه ليس من سمات نظرية فيزيائية بالضرورة أن تكون قابلة للتصور ولا إعطاء حدس ملموس للواقع وإن حقيقة سلوك المادة وطبيعتها المزدوجة الموجية والجسيمية لا تزعجهم حتى لو كانت تصف واقعا يصعب إدراكه. يبدو أن نتائجهم تثبت صوابهم. قام باولي وبورن بتحفيز هايزنبرغ والعكس صحيح. في عام 1925، اكتشف باولي المبدأ المعروف باسم "الاستبعاد" principe d’exclusion، والذي يحظر على إلكترونين متشابهين أو متماثلين أن يتواجدا معاً في نفس مستوى الطاقة جلب بورن خبرته الرياضياتية لهايزنبيرغ  عندما شرع هذا الأخير بإجراء الحسابات باستخدام جداول قيم منظورة وتعرف على جبر المصفوفة  - وهي نظرية رياضياتية تجريدية وغير مألوفة ولا معروفة وغير مسبوقة في الفيزياء – ثم التحق بالثلاثة جاكوب جوردان حيث قاموا خلال عام 1925 بصياغة ميكانيك المصفوفة mécanique matricielle والذي لايزال مستخدماً إلى اليوم والذي تكون فيه الأجسام ذات متجهات ومصفوفات متعددة الأبعاد.

إن الذي كان يغلي منذ فترة طويلة، يظهر في ضوء النهار، استمر الخلاف بين الفيزيائيين الذين يعتقدون أنه من الضروري إعطاء فكرة عن نظرية تصف واقعًا مرئيًا وبديهيًا، وأولئك الذين لا يفكرون بذلك.

وفي خصم هذا الاندفاع، وصل قادم جديد عام 1926، إنه النمساوي إروين شرودنغر الذي نشر تباعاً أربعة مقالات استنتج منها معادلته الشهيرة المستوحاة على نحو مباشر من قوانين الميكانيك الموجي الكلاسيكي  والتي تحمل اليوم إسمه" معادلة شرودنغر"  إثر ذلك ولد الأمل من جديد عند أينشتاين وأولئك الذين يعتقدون أنه لا يجب أن تكون النظرية الفيزيائية "تخيلية" ما بدا كأنه يعطي الحق لمعسكر خصوم البوريين – أتباع بور – المكون من الــ outsiders الدخلاء وغير المعروفين أو اللامنتمين  لمعسكر آينشتاين  والمدفاعين عن فيزياء الكموم الحدسية. على عكس المعسكر المناويء الذي يقوده آينشتاين والذين

يشتركون في الاقتناع بأن النظرية يجب أن تعطي حدسًا للواقع الأساسي ".. الذين نجد بينهم آينشتاين، ودي بروجلي وشرودنغر.

"الله لا يلعب النرد!":

ومع ذلك، من مقالته الثانية، اتخذ شرودنغر خطوة نحو ميكانيكا المصفوفة لمدرسة كوبنهاغن.  ويعترف: "لم أتمكن من العثور على الاتصال بعد"، على أمل أن "يكمل كل منهما الآخر". قبل أن نلاحظ في مقالته الثالثة، هذه الحقيقة "الغريبة جدًا وهي أن هاتين النظريتين الجديدتين تتفقان مع بعضهما البعض فيما يتعلق بالحقائق المعروفة". وأخيرًا نعترف بأن تمثيل المصفوفة للبوريين، من خلال منع الحدس، يمكن أن يكون متفوقًا، لأنه "لا يشجعنا على تكوين صور مكانية-زمانية للعمليات الذرية التي ربما يجب أن تظل غير قابلة للسيطرة [من أجل العقل]". لذلك يقبل شرودنغر على مضض أن فيزياء الكم تتخلى عن الحدس وهو الأمر الذي لم يتقبله آينشتاين أبداً.

قدم بول ديراك على الفور دخولًا رائعًا. لن يُظهر هذا البريطاني التكافؤ الصارم لصيغتي شرودنغر وهايزنبيرغ فحسب، بل سيحدد أيضًا قواعد حساب هذه الشكلانية: ستحتوي معادلة شرودنغر الآن على مصفوفات ومتجهات كمتغيرات! بعبارة أخرى، هنا تستوعبها الرؤية البورية.

سيؤدي هذا التوليف إلى ارتدادات جديدة. في وقت مبكر من مارس 1927، أظهر هايزنبرغ في مقالته عن المحتوى البديهي للكينماتيكا cinématique وميكانيكا الكموم أنه وفقًا لمعادلة شرودنغر المصاغة بمساعدة المتجهات، من المستحيل قياس موضع الإلكترون وسرعته بدقة كبيرة: هذا هو المبدأ الشهير في عدم اليقين أو عدم التحديد incertitude et indétermination. وهو مبدأ ينبع من طبيعة الملحوظات وحساب المصفوفة: إذا ضربنا المصفوفات A في B، فإن النتيجة ليست هي نفسها B في A. وعند ترجمتها إلى الفيزياء، فإن هذا يعني أن قياس الموضع (A)، ثم السرعة (B) قياس السرعة (ب)، ثم الموضع (أ) لنفس الجسيم ما من شأنه منع حالة التحديد الدقيقة للإعدادين أو المعلمتين معاً.

المصفوفات ومعادلة شرودنجر، مبدأ التراكب، مبدأ اللاحتمية ... سواء كانوا يؤمنون بواقع يمكن تمييزه أم لا، لكنه "مخفي" وراء الشكلية الكمومية، بلانك، أينشتاين، بور، دي بروجلي، بورن، باولي شرودنجر وهايزنبرغ وديراك قم كل هؤلاء  بشكل جماعي ببناء ركائز ميكانيكا الكموم.

بالطبع، ستظل هناك إعادة صياغة، لكن أسس النظرية لن تتزحزح، حتى اليوم. لم يرفضها أينشتاين، وبدلاً من ذلك يقبلها كأداة فعالة، مع الاستمرار في التأكيد على أنها لا تصف بالكامل الظواهر الأساسية، مثل المجهر المتأثر بقوة ضعيفة من العزم. نشوئها يواجه صعوبة في قبول أن تنبؤات النظرية احتمالية: بالنسبة له، أن يقول أن الجسيم لديه فرصة بنسبة 30 ٪ للرصد هنا و70٪ من الوجود هناك ناجم عن جهلنا وليس عن الطبيعة الموضوعية للكيانات المادية. "الله لا يلعب النرد!" كان آينشتاين يردد عدة مرات. الذي لم يكن بور ليفشل في الرد عليه بأنه "ليس لنا أن نفرض على الله كيف يجب ان يحكم العالم أو كيف يجب أن يتصرف"!

"اخرس واحسب!": حسب التعبير المنسوب إلى العالم الأمريكي ريتشارد فاينمان، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1965... ولكن ربما نطق بها فيزيائي أمريكي آخر، ديفيد ميرمين. سيتعين علينا الانتظار حتى عام 1964 لكي تستأنف المناقشات بين آينشتاين وبور عندما قام الفيزيائي جون بيل بابتكار بروتوكول يجعل من الممكن الاختيار بينهما تجريبيًا. سيجعل هذا التقدم في النهاية من الممكن تحقيقه في عام 1982، لتسوية الخلاف بين العبقريتين بشكل نهائي، اللذان غذت نقاشاتهما بالرسائل أو المؤتمرات المتداخلة جيلًا من علماء الفيزياء. إن التاريخ سيثبت ذلك لبور في نهاية المطاف: فالعالم الكمومي غريب، ومضاد للحدس، ويبدو أنه يتعارض مع واقعنا كما تدعي معادلاته. مجهر الكموم ليس قصير النظر. إنها الحقيقة التي تبين لنا ما هو سديمي غامض ربما يلعب الله النرد. "هذا ليس واقعًا تمامًا، ويجب إكماله. رؤية تتعارض مع رؤية نيلز بور وأنصار مدرسة كوبنهاغن، الذين يعتقدون، على العكس من ذلك، أنه لا يوجد شيء يتم انتهاكه بالتشابك، حيث أن "الجسيمين" المفترضين ليسا كذلك تشكلاً واحدًا لنفس النظام الكمومي: لذلك لا يوجد انتقال للإشارة المادية من واحد إلى الآخر.

 

 

جواد بشارةأو حكايات الكوانتوم الغريبة 2

غرائب الكوانتوم أو فيزياء الكموم l’étrangeté de la physique quantique

أعداد وترجمة د. جواد بشارة


الفيزياء المعاصرة تستند على دعامتين صلدتين هما الفيزياء النسبية والفيزياء الكوانتية أو الكمومية يتعاطعان مع ما نسميه الواقع ويقدمان تصورهما لهذا الواقع سواء مافوق الذري أو مادون الذري، ماكروسكوبيك أو ميكروسكوبك. الدعامة الأولى تصف اللامتناهي في الكبر وفق الهندسة الكونية وهيكيلية وطبيعة وماهية الزمكان التي تتيحها قوانين ومعادلات نسبية آينشتاين، والثانية تبحث في هندسة وطبيعة العالم المجهري مادون الذري في اللامتناهي في الكبر. ولكل منهما نموذجه المعياري أو القياسي سواء في نطاق الكواكب والنجوم والمجرات والسدم أو في نطاق الجسيمات الأولية المكونة للمادة الكونية .

ثورة الذرة: 25 قرنا لإثبات وجودها

كان لدى الفيلسوف اليوناني ديموقريطس الحدس: المادة تتكون من جسيمات غير مرئية. لكن الأمر استغرق 25 قرنًا حتى يتمكن الفيزيائيون من اختراق جوهر الذرة والتلاعب بها بنجاح. وبالتالي الوصول إلى الطاقة النووية والإمكانيات اللانهائية للعالم النانوي.

1953 الكوانتم

ذرات نحاسية محصورة داخل حاوية مكونة من 48 ذرة حديد. تحت عين المجهر النفقي الماسح، يمكن رؤية إلكتروناتهم تتصرف مثل الموجات.

هذا المقال مأخوذ من العدد الخاص رقم 191 "9 الثورات العلمية التي تغير العالم" بتاريخ أكتوبر / نوفمبر 2017. قصة الذرة ترويها آني غروسمان، أستاذة باحثة في معهد علوم النانو في باريس (INSP). -جامعة بيير-ماري-كوري) وهوبير كريفين، فيزيائي، باحث سابق في معمل الفيزياء النظرية والنماذج الإحصائية في جامعة أورساي، محاضر فخري في جامعة بيير-و-ماري-كوري.

"المادة مكونة من ذرات ..." لا أحد يحلم اليوم بالتساؤل عما يبدو أنه واضح - ومع ذلك فقد تمكنا من "الرؤية" مؤخرًا فقط! لكننا لا نعرف كثيرًا ما هي الرحلة الطويلة التي أدت إلى اكتشاف "اللبنات الأساسية" للكون. لأنه من الإغريق القدماء إلى جان بيرين Jean Perrin (جائزة نوبل للفيزياء عام 1926)، الذي قدم دليلاً قاطعًا على وجود اللبنات الأولى لبناء الكون، شهدت القليل من النظريات الكثير من المغامرات!

لا تزال أصول النظرية الذرية غير مفهومة جيدًا. تعود هذه العقيدة إلى الفيلسوف السابق لسقراط ديموقريطس (460 - 370 قبل الميلاد) وأبيقور (341-270 قبل الميلاد). ولكن للعثور على نص كامل صادر مباشرة من عالم ذري، علينا انتظار الفيلسوف روماني لوكريس Lucrèce، في القرن الأول قبل الميلاد، وقصيدته عن طبيعة الأشياء. يصف المادة بأنها مكونة من جسيمات غير مرئية للعين المجردة، ذرات - من اليونانية a-tomos، غير قابلة للتجزئة، غير قابلة للتقسيم - تتحرك في فراغ ويمكن أن تتحد مع بعضها البعض.

لكن هذه النظرية لا تمثل سوى عصور ما قبل التاريخ للذرة الحديثة. تخمين بحت، لا يمكن اختباره بالتجربة أو يؤدي إلى أي عمل. ومع ذلك، فهي تعتمد جزئيًا على الملاحظات، لأنها فجّة في وسائلها كما هي رؤيويّة في تفسيرها. وهكذا نجد عند لوكريس وصفًا مذهلاً لرقصة حبات الغبار في أشعة الشمس، والتي تصور الحركة البراونية التي تم وصفها بعد 17 قرنًا.

رائحة الكبريت في عصر النهضة:

حتى فجر الثورة الصناعية الأولى، ستختبر الفكرة الذرية رحلة طويلة عبر الصحراء. هل هذا خطأ أرسطو؟ صحيح أن الفيلسوف العظيم، الذي ستكون نصوصه موثوقة طوال العصور الوسطى، رفض بشكل قاطع نظرية ديموقريطس. في ضوء البيانات الضئيلة التي كانت متاحة آنذاك، فإن رؤيته لمادة مستمرة وطبيعة بها "رعب من الفراغ" لم تكن، مع ذلك، سخيفة، واستندت إلى منطق بعد كل شيء منطقي تمامًا، على الرغم من خطأه: إذا تحركت الذرات في فراغ، فلن تواجه حركتها أي مقاومة، وبالتالي ستصل إلى سرعة غير محدودة، وهو أمر مستحيل. سيظهر خطأها فقط مع فيزياء غاليليو، والتي بموجبها يكون الجسم المتحرك المتخلى عن القصور الذاتي هو الوحيد الذي لديه سرعة ثابتة وتسارع صفري. بالنسبة لأرسطو، كانت الحركة ممكنة فقط تحت تأثير قوة ثابتة، والتي استبعدت فكرة القصور الذاتي.

سبب آخر، أكثر دوغمائية، يفسر رائحة الكبريت التي أحاطت بالنظرية الذرية حتى عصر النهضة: لم تدعم هذه النظرية فلسفة مادية فحسب، بل إنها نقية بشكل خطير بحيث تبطل العقيدة الكاثوليكية لاستحالة الجوهر. لأنه كيف يمكن أن نفسر أن ذرات الخبز والنبيذ يمكن أن تتحول إلى لحم ودم أثناء الأوخارستيا l’eucharistie؟ لم يكن هذا الكسوف الطويل للفكرة الذرية مكتملاً: في شكلها الفلسفي والتخميني، كان لها العديد من المؤيدين، من عالم الرياضيات الفرنسي بيير غاسندي Pierre Gassendi (1592-1655) إلى غاليليو ونيوتن. ولكن في نهاية القرن الثامن عشر فقط ظهرت الذرات كفرضية علمية، يمكن التحقق منها بالتجربة ويمكن قياسها. كان أول من صاغها السويسري دانييل برنولي Daniel Bernoulli في مجال الفيزياء في عام 1738. وباعتماد هذه الفرضية، قدم تفسيرًا رائعًا لقانون بويل ماريوت Boyle-Mariotte، المنصوص عليه في القرن السابق، والتي بموجبها، عند درجة حرارة ثابتة، يتناقص ضغط الغاز بالتناسب مع زيادة حجمه (والعكس صحيح). بالنسبة إلى برنولي، يرجع الضغط إلى تواتر تأثيرات جزيئات الغاز على جدران الحاوية: فكلما كانت الحاوية أكبر، زادت المسافة التي يتعين قطعها، وبالتالي الفاصل الزمني بين الصدمتين، وكلما زاد ينخفض الضغط. وطوال القرن التاسع عشر، سيستخدم فيزيائيون مثل ماكسويل Maxwell أو بولتزمان Boltzmann، الذرة لشرح قوانين الديناميكا الحرارية، ولكن دون إقناع معظم زملائهم.

ذرة الكيميائي، وذرة الفيزيائي:

يُنسب للكيميائي البريطاني جون دالتون John Dalton حقًا الفضل في أصل النظرية الذرية الحديثة. بشكل مستقل عن برنولي، الذي لم يذكر عمله في أي مكان، افترض دالتون في عام 1808 وجود كريات مجهرية تتحد أثناء التفاعلات. في ذكرى أسلافه اليونانيين، قام بتعميد هذه الجسيمات بالـ "ذرات"، والتي سيكون هناك نوع مميز لكل عنصر معروف.

جون دالتون، بين الذرية والدالتونية أو عمى الألوان: John Dalton, entre atomisme... et daltonisme

وُلد جون دالتون (1766-1844) لعائلة من الكويكرز البريطانيين، وكان باحثًا متحفظًا ومتواضعًا. بالإضافة إلى عمله في الكيمياء، وهو الذي أسس الذرية الحديثة، فقد درس بشكل خاص أمراض العيون التي تأثر بها، والتي أثرت على رؤيته اللونية والتي أطلق عليها اسمه (بالفرنسية فقط، لأنه من الغريب، الأنجلو- ساكسونيون يسمونها color blind من خلال التعبير البسيط لعمى الألوان aveugle aux couleurs، "عمى الألوان"): بينما يسمي الفرنسيون عمى الألوان بالدالتونية daltonisme.

لكن هناك القليل من الحماس لهذه الفرضية. يجب أن نعترف أنه، كما هو، بعيد عن الكمال. على وجه الخصوص، لم يخمن دالتون أن ذرات نفس العنصر يمكن أن تتحد مع بعضها البعض. كان أميديو أفوغادرو Avogadro الإيطالي (1776-1856) هو من فهم هذه الحقيقة التي تبدو غير ضارة، لكنها مكنت من حل الألغاز التي طرحتها ردود الفعل العديدة. ومع ذلك، فإن التقلبات في المفردات تلحق الضرر بالنظرية الذرية الناشئة: حيث تحدث دالتون عن "الذرات" ("بسيطة" أو "مركبة)، يقسم أفوغادرو بـ "الجزيئات" ("المكونة" أو "المتكاملة"). في عام 1833، وضع الفرنسي غودان Gaudin بعض الترتيب في المصطلحات، واصفًا الذرات بالمكونات البسيطة، والجزيئات بــ مركباتها.

ساهم أفوغادرو بشكل أساسي في النظرية الذرية الناشئة من خلال صياغة قانون، كان افتراضي بحت: عند درجة حرارة وضغط ثابتين، تحتوي أحجام متساوية من الغازات المختلفة على نفس العدد من الجزيئات. لكن الأمر سيستغرق أكثر من قرن حتى يتم التحقق من صحة هذا الحدس الرائع من خلال التجربة.

في خلال القرن التاسع عشر كله تقريباً، عارض أنصار الأطروحة الذرية شكوك أولئك الذين رفضوا الحكم على نظرية تستند إلى كيانات افتراضية علمية. في الفيزياء، تم تمثيل هذا التيار الأخير بواسطة "علم الطاقة"، الذي فضل الاستمرار في التفكير من حيث الطاقة على تخيل جسيمات المادة متناهية الصغر. في الكيمياء، اعتقد "المتكافئون équivalentistes " أنه يمكن للمرء دراسة مجموعات العناصر المختلفة دون افتراض أنها مكونة من ذرات أو جزيئات. لكن طريقة تسجيل النقاط المكافئة الخاصة بهم، والتي تتكون من اختيار عشوائي لأحد "مكونات" التفاعل كمرجع للآخرين (على سبيل المثال، تتحد وحدة واحدة من الأكسجين مع مكافئتي الهيدروجين لتكوين مكافئ واحد من الماء.)، كان له أيضًا عيوبه. أدى ذلك لبعض المركبات إلى العديد من الصيغ والأسماء (19 لحمض الخليك l’acide acétique!) اعتمادًا على العنصر المختار. في سياق صناعة كيميائية مزدهرة، كان هناك شعور مؤلم بالحاجة إلى وحدة في التسمية ...

في عام 1860، تحت رعاية الكيميائي الألماني العظيم فريدريش كيكولي Friedrich Kekulé، تم تنظيم ما كان بلا شك أول مؤتمر علمي دولي كبير في كارلسروه Karlsruhe، بهدف حسم الجدل بين علماء الذرة والمكافئين. إذا انتهى الاجتماع بطلب مصالحة بين "المعسكرين"، فإنه يسمح للعلماء الذريين بالعودة إلى مقدمة المسرح، وخاصة التواصل بينهم. يعبر الإيطالي ستانيسلاو كانيزارو Stanislao Canizzarro، الذي يبرز في هذه المناسبة كقائد لهم، بشكل خاص عن رغبته في ألا نعتبر "ذرة الكيميائي" (التي تحدد العناصر وردود أفعالها) و " "ذرة الفيزيائي" (شرح الديناميكا الحرارية) كموضوعين مختلفين - لأن الحوار بين علماء الذرة في المجالين لم يكن موجودًا في ذلك الوقت. لم تبقى هذه الرغبة حبرا على ورق: لقد فرض بيران Perrin الذرية على وجه الخصوص من خلال الجمع بين مساهمات الفيزياء والكيمياء.

قرب نهاية القرن التاسع عشر، تم ابتكار عدة طرق لقياس ثابت أفوغادرو، أي عدد المكونات الأولية (الذرات أو الجزيئات) الموجودة في كمية محددة بشكل عشوائي من المادة. ومع ذلك، فقد كان الفهم والتوضيح التجريبي لظاهرة غامضة معقدة وطويلة، وهي الحركة البراونية، هي التي أثارت دعمًا شبه إجماعي من المجتمع العلمي. يعود تاريخ هذا اللغز الحقيقي، الذي يوفر حله مفتاح الذرة، إلى بداية القرن التاسع عشر. في عام 1828، لاحظ عالم النبات روبرت براون Robert Brown أن حبوب اللقاح المعلقة في الماء قد تم تحريكها في حركة لا هوادة فيها تبدو عشوائية. هذا لم تكن نتيجة أشكال الحياة المجهرية، حيث يمكن ملاحظتها أيضًا بشظايا معدنية من نفس الحجم. لسنوات، فشل العلماء في توضيح هذه الظاهرة.

غير مرئي حتى اختراع مجهر المسح النفقي Invisibles jusqu’à l’invention du microscope à effet tunnel:

في عام 1905، - الذي كان عامًا حافلًا بالتأكيد - اقترح ألبرت أينشتاين تفسيرًا نظريًا للحركة البراونية التي تنطوي على الذرات. إذا كانت هذه الأشياء لا تزال غير مرئية حتى في ظل أعلى مستويات التكبير التي توفرها المجاهر في ذلك الوقت، فيمكنها نقل حركاتها إلى أجسام وسيطة (تُعرف باسم البراونيون browniens)، المرئية تحت المجهر الضوئي ولكنها صغيرة بما يكفي للتأثر بصدماتها، مثل حبوب اللقاح. من خلال مراقبة هذه الحركة البراونية في السوائل، حيث تكون الاصطدامات أكثر تواترًا من الغازات، أصبح من الممكن دراستها وقياسها. لقد وجدت عبقرية الفيزياء للتو الطريق الأصح الذي سيؤدي مباشرة إلى الذرات!

لا يزال وجودهم ليتم إثباته من خلال التحقق التجريبي من صحة هذه النظرية. كان الفيزيائي الفرنسي جان بيران هو الذي ارتقى إلى مستوى التحدي. منذ عام 1908، نجح في إثبات صحة نظرية أينشتاين من خلال سلسلة من التجارب الدقيقة والصارمة، من خلال متابعة حركات الجسيمات البراونية في عدة سوائل (ماء، غلسرين) أو عن طريق قياس كثافتها عند درجات مختلفة. ارتفاعات عمود مائي. مكنته هذه التجارب من تحديد رقم ثابت أفوغادرو Avogadro بدقة مرضية. على الأقل نسبيًا، نظرًا لترتيب حجم الرقم نفسه!

جان بيران، المدافع عن العلم المتاح:

بعد اكتشاف أشعة الكاثود، والتي تحولت فيما بعد إلى تدفق للإلكترونات، كرس جان بيران كل طاقته للنظرية الذرية، وعلى وجه الخصوص لقياس عدد أفوغادرو. إلى جانب إثباته بالحركة البراونية التي نظّرها أينشتاين، فهو يحدد هذا العدد بما لا يقل عن اثنتي عشرة طريقة أخرى بناءً على ظواهر فيزيائية ذات طبيعة مختلفة تمامًا، ولكن جميعها تعطي نفس النتيجة (باستثناء حالات عدم اليقين التجريبية).

وهكذا تمكن من "شرح المعقد المرئي من خلال غير المرئي البسيط"، فإنه يقنع المجتمع العلمي بواقع الذرات. نُشر كتابه الذرات Les Atomes في عام 1913، والذي يلخص فيه بحثه بأسلوب واضح يمكن الوصول إليه من قبل غير المبتدئين، ويظل أحد روائع الأدب العلمي. لعب بيران أيضًا دورًا بارزًا في سياسة العلوم الفرنسية. وعين كوكيل لوزارة الدولة للبحوث في الجبهة الشعبية، وعمل على نطاق واسع من أجل تأثير العلم، لا سيما من خلال تأسيس قصر الاكتشافات Palais de la Découverte في عام 1937 ثم من خلال إعطاء دفعة لإنشاء المركز الوطني للأبحاث العلمية المستقبلي CNRS.

وبالتالي، رفعت الجهود المشتركة للمُنظِّر أينشتاين والمُجرب بيران الذرة من مرتبة الفرضية، التي يعتبرها الكثيرون خيالية، إلى مرتبة الحقيقة العلمية المُثبتة. إن عرض بيران هو الأكثر إتقانًا حيث ظلت الذرات غير مرئية حتى اختراع المجهر النفقي (1981)، والذي أتاح أخيرًا تصور الذرات وحتى معالجتها، وكذلك الجزيئات بشكل فردي. كما قال هنري بوانكاريه Henri Poincaré في عام 1913: "الذرات لم تعد خيالًا مناسبًا؛ يبدو لنا، إذا جاز التعبير، أننا رأيناها منذ أن عرفنا كيف نحسبها".

سباق الــ Nanocar: الجزيئات في كتل البداية! Nanocar Race : des molécules dans les starting-blocks:

فقط في نهاية القرن العشرين، بعد 2500 عام من الوجود النظري، أصبحت الذرة حقيقة مرئية، ومؤخراً ... ملموسة! نظرًا لأن مجهر المسح النفقي، الذي تم اختراعه في عام 1981، لا يجعل من الممكن فقط تصور بنية الذرات والجزيئات - بعيدًا، علاوة على ذلك، من الكرات الصغيرة أو المخططات الكوكبية المقترحة لأول مرة لتمثيلها - ولكن أيضًا للتلاعب بالمادة على المستوى الجزيئي: هكذا ولدت علوم النانو وتقنيات النانو. لإثبات التقدم المحرز في هذا المجال، تم تنظيم سباق "النانوكار"، التجمعات الجزيئية القادرة على الحركة، في 28 و 29 أبريل 2017 في مختبر سيميس Cemes (مركز تطوير المواد والدراسات الهيكلية) في CNRS في تولوز. كان على البوليدات bolides الجزيئية الستة التي تم تطويرها و "توجيهها" بواسطة باحثين من جميع أنحاء العالم أن تسافر في مسار 100 نانومتر (أي 0.0000001 متر). وفازت "السيارة النانوية" للفريق السويسري من جامعة بازل بالمسابقة.

طاقة كبيرة ومدمرة بشكل لا يصدق:

ومن المفارقات، أنه ما أن فرضت الذرة نفسها عندما تم اكتشاف أنها ليست ذرة أي أصغر جسيم مكون أولي، ولكنها بدورها يمكن أن تتحلل إلى مكونات أصغر، الجسيمات الأولية! بعد اكتشاف الإلكترونات في عام 1897 وقبل فهم دورها، أظهر رذرفورد Rutherford في عام 1911 وجود نواة الذرة. لم تكن الذرات قابلة للكسر فحسب، بل كانت في الأساس ... فارغة! كان حينها عالمًا جديدًا تم الكشف عنه للفيزيائيين، وكان مفاجئًا جدًا أنه ولد نظرية ثورية، وهي ميكانيكا الكموم. لكن تشريح المادة لم يتوقف عند هذا الحد: فقد تم اكتشاف أن النواة يمكن تقسيمها بدورها إلى نيوكليونات (بروتونات ونيوترونات)، تتكون نفسها من جسيمات أصغر، وهي الكواركات. كما تنبأ جان بيران، حيث يمكن العثور على روح علماء الذرة الأوائل اليوم في السباق الذي لا هوادة فيه في البحث عن الجسيمات الأولية، بما في ذلك بوزون هيغز boson de Higgs الشهير الذي اكتشف في عام 2012 بعد سنوات طويلة من التعقب، إذ تنبأ هيغز بوجوده سنة 1964.

كان اكتشاف الذرة بمثابة علامة على ظهور الكيمياء الفيزيائية، مما رفع الانضباط إلى مرحلة النضج الكامل. أنشأ مندلييف Mendeleïev في عام 1869، الجدول الدوري للعناصر أخذ معناها الكامل عندما يمكن ربط كل خلية من خلاياه بنوع من الذرة. وقد جعل اكتشاف التركيب الذري من الممكن توضيح طبيعة الروابط الكيميائية: مشاركة (أو تبادل) للإلكترونات بين الذرات. كان من المفهوم أيضًا، خلال القرن العشرين، أنه لضمان تماسك الجسيمات التي تتكون منها، تخفي الذرات بداخلها طاقة كبيرة، والتي يمكن استغلالها (في محطات الطاقة النووية)، ولكنها أيضًا مدمرة بشكل لا يصدق (الأسلحة الذرية).

أخيرًا، أتاح تأكيد وجود الذرات تبرير الديناميكا الحرارية الإحصائية. يمكننا بالتالي تفسير الظواهر العيانية، التي يمكن ملاحظتها على مقياسنا (مثل درجة الحرارة أو الضغط)، من خلال السلوك الجماعي للجزيئات، والتي تتطلب كميتها، التي تتحدى الخيال، معالجة إحصائية "لمتابعة" تطورها. كان برنولي على حق!

تجربة الكموم ترى وجود نسختين من الواقع في نفس الوقت:

نحن نعلم أن فهمنا للواقع متحيز للغاية. تشكل حواسنا وثقافاتنا ومعرفتنا كيف نرى العالم. وإذا كنت تعتقد أن العلم سيمنحك دائمًا حقيقة موضوعية، فقد ترغب في إعادة النظر.

تمكن الفيزيائيون أخيرًا من اختبار تجربة فكرية تم اقتراحها لأول مرة في عام 1961 من قبل الحائز على جائزة نوبل يوجين وينر. تُعرف التجربة باسم "صديق فاينر Wigner" والإعداد ليس معقدًا للغاية. تبدأ بنظام كمومي له حالتان في حالة تراكب superposition، مما يعني أنه حتى تقيسه، توجد كلتا الحالتين في نفس الوقت. في هذا المثال، يكون استقطاب الفوتون (المحور الذي يدور عليه) أفقيًا وعموديًا.

صديق فاينر Wigner موجود في المختبر لإجراء التجربة وبمجرد قياسها، سينهار النظام وسيتم تثبيت الفوتون في إحدى هاتين الحالتين. لكن بالنسبة إلى فاينر Wigner، الذي لا يعرف نتيجة القياس خارج المختبر، والأهم من ذلك والأهم من ذلك، لا يزال النظام الكمومي (والذي يتضمن أيضًا المختبر) في حالة تراكب. على الرغم من النتائج المتناقضة، إلا أن كلاهما صحيح. (هذا مشابه لقطة شرودنغر، وهي تجربة فكرية أيضًا حول التراكب، إذا كان شرودنغر وقطته في الصندوق أيضًا في صندوق معاً.) لذلك، يبدو أن هناك واقعين موضوعيين، وهما صديق فاينر وفاينر، يتعايشان. وهذه مشكلة.

لم يكن اختبار هذه الفكرة ممكنًا لفترة طويلة جدًا. ليس من السهل استنتاج صيغة ميكانيكا الكموم لرؤية فاينر Wigner صديقه يقوم بتجربة. ولكن بفضل الإنجازات الأخيرة، تمكن الباحثون من بناء تجربة ميكانيكا الكموم من شأنها إعادة إنتاج ذلك بالضبط.

يحتوي النظام على أربعة مراقبين متشابكين وتجربة حديثة بستة فوتونات وأظهروا أنه بينما أنتج أحد أجزاء النظام قياسًا، أظهر الآخر أن القياس لم يتم. تم قياس حقيقتين في وقت واحد. يجادل الفريق بأن هذا يعزز حالة نظريات الكموم التي يعتمد إطارها بالفعل على المراقب.

كتب العلماء في ورقتهم البحثية، والتي لم تخضع بعد لمراجعة النظراء ولكنها متاحة للقراءة على ArXiv: "هذا يدعو إلى التساؤل عن الوضع الموضوعي للحقائق التي وضعها المراقبان".

"هل يمكن للمرء التوفيق بين سجلاتهم المختلفة، أم أنها غير متوافقة بشكل أساسي - بحيث لا يمكن اعتبارها" حقائق عن العالم "موضوعية ومستقلة عن المراقب؟"

في حين أن العلم هو أفضل أداة لدينا لفهم الواقع، إلا أن تأثيرات وقيود المراقبين كانت معروفة لفترة طويلة. أظهرت النسبية أن المراقبين قد لا يواجهون أحداثًا متزامنة في نفس الوقت. تخبرنا ميكانيكا الكموم أن المراقبين يؤثرون على تجاربهم. يبدو الآن، على المستوى الكمومي على الأقل، أن حقيقتين مختلفتين يمكن أن تكونا حقيقيتين في آن واحد.

 

......................

المصادر

Hubert Krivine et Annie Grosman, De l’atome imaginé à l’atome découvert. Contre le relativisme, De Boeck, 2015

Jean-Marc Lévy- Leblond, L’Atome expliqué à mes petits-enfants, Seuil, 2016

Claude Lécaille, L’Atome, chimère ou réalité ? Vuibert, 2009

Sur les nanocars : http://nanocarrace. cnrs.fr

 [H / T: MIT Technology Review]

جان بيير فارابود وجيرار كلاين، الرعب والمصائب في فيزياء الكم، أوديل جاكوب، 2017

نيكولا جيزين، الفرصة التي لا يمكن تصورها، أوديل جاكوب، 2012

سفين أورتولي وجان بيير فارابود، Le Cantique des quantiques، La Découverte / Poche، 2007 (إعادة إصدار الكتاب المنشور في 1987)

هيوبيرت كريفين و آني غروسمان :" من الذرة المتخيلة إلى الذرة المكتشفة. ضد النسبية، دي بوك، 2015

جان مارك ليفي- لبلون، شرح الذرة لأحفادي، منشورات سوي، 2016

كلود ليكاي، الذرة، الوهم أم الواقع؟ منشورات فويبيرت، 2009

حول سباق سيارات النانو: راجع موقع http: // nanocarrace. cnrs.fr

معجم LEXIQUE:

ذرة : Atome إنها أصغر وحدة للمادة المميزة للعنصر. إنها غير قابلة للتحلل كيميائيًا، على الرغم من أنها تتكون من جسيمات أصغر (جسيمات أولية) يمكن فصلها بالوسائل الفيزيائية.

جسم واحد / جسم مركب Corps simple/corps composé يتكون الجسم البسيط من عنصر واحد، وبالتالي من نوع واحد من الذرات (على سبيل المثال، الأكسجين، أو O2، أو الأوزون، O3)، وهو جسم يتكون من عنصرين مختلفين على الأقل.

عنصر Élément المكون الأساسي للمادة. هذه هي الأجسام الكيميائية التي لم يعد من الممكن تحللها بواسطة طرق التحليل (التقطير، التحليل الكهربائي، إلخ). أظهر لافوازييه Lavoisier، على سبيل المثال، أن الماء ليس عنصرًا، ولكنه مركب من الأكسجين والهيدروجين.

رقم (أو ثابت) أفوغادرو Avogadro الكمية المرجعية المقابلة لعدد الذرات الموجودة في 12 جرامًا من الكربون 12، وقياس عدد المكونات الأولية (الذرات أو الجزيئات) في كمية معينة من المادة، تسمى المول la mole. تقدر أحدث القياسات أنه سيكون حوالي 6.02214076 × 1023، أو أكثر من 600 ألف مليار المليار.

الجدول الدوري للعناصر: تم إنشاء تصنيف العناصر الكيميائية في عام 1869 من قبل ديميتري مندلييف. يتم تقديم العناصر هناك من خلال زيادة الوزن الذري، حيث يجمع كل عمود العناصر التي لها خصائص متشابهة.

 

جواد بشارةأو حكايات الكوانتوم الغريبة

يحدثنا علم الكونيات أن الكون المرئي بدأ من "فرادة" كونية "وهذه الأخيرة كينونة كمومية أو كوانتية تطبق فيها قواني الكموم في اللامتناهي في الصغر وليس قوانين الفيزياء ما فوق الذرية أي قوانين نيوتن وآينشتاين ومعادلات الفيزياء المعاصرة وقوانين الكون الجوهرية الأربعة في اللامتناهي في الكبر. ففي عالم الفرادة ومادونها لا نمتلك سوى قوانين ميكانيك الكموم ومعادلاته الفيزيائية.

غرائب الكوانتوم أو فيزياء الكموم l’étrangeté de la physique quantique

أعداد وترجمة د. جواد بشارة

ثورة ميكانيكا الكم أو عندما يتحول اللامتناهي في الصغر إلى عالم متقطع un monde discontinu وغير متصل

بينما تبدو المادة في نظرنا صلبة وخفيفة التدفق غير المنقطع، فإن ميكانيكا الكموم، التي تمت صياغتها في القرن العشرين، تكشف على نطاق العالم اللامتناهي في الصغر، عن عالم متقطع. هناك حيث يسود فيها عدم اليقين l’incertitude وعدم التحديد واللاحتمية l’indétermination. تستخدم الخصائص لجعل الرموز السرية غير قابلة للانتهاك، والتي يمكن أن تضاعف قريبًا قوة أجهزة الكمبيوتر. هذا المقال مأخوذ من العدد الخاص رقم 191 "9 الثورات العلمية التي تغير العالم" بتاريخ أكتوبر / نوفمبر 2017. قصة ميكانيكا الكموم رواها الفيزيائي جان بيير فارابود. Jean-Pierre Pharabod

تبدو بعض الثورات العلمية مبهرة. فيزياء الكموم أو الكوانتوم، العلم الذي ينظر إلى الطبيعة على نطاق مجهري وما دون مجهري، هو عكس ذلك تمامًا. فهذه الفيزياء تبدو بطيئة، شاقة، بدأت بخطوات صغيرة في فجر القرن العشرين، أثارت هذه الفيزياء الجديدة، على مدى عقود طويلة، ألكثير من الشكوك. حتى روادها – مثل فيرنر هايزنبيرغ  Werner Heisenberg   الذي اكتشف المبدأ – مبدأ اللايقين أو عدم الدقة – أصيب بالأرق، لدرجة أنه أعتقد بأنه انتهك الفطرة السليمة وأزعج التمثيلات les représentations  التي تم تطويرها حتى ذلك الحين لحساب العالم.

1950 الكموم 1

شكل توضيحي لانشطار جسيمي في مصادم

فيرنر هايزنبرغ، الرجل المستعجل:

حصل الألماني فيرنر هايزنبرغ (1901-1976)، الشغوف بالرياضيات، على درجة الدكتوراه في الفيزياء عام 1923، بعد ثلاث سنوات فقط من دخوله جامعة ميونيخ. في العام التالي أصبح مساعداً لماكس بورن. في يونيو 1925، بعد هجوم عنيف من حمى القش de rhume des foins، ذهب هايزنبرغ للراحة في جزيرة هيليغولاند Heligoland الألمانية، حيث لم يكن هناك حبوب لقاح. وكان يعمل كالمجنون. "كانت الساعة تقترب من الثالثة صباحًا عندما ظهرت النتيجة النهائية أمامه، كما قال لاحقًا." كنت متحمسًا جدًا لدرجة أن الأمر لم يعد يتعلق بالنوم. غادرت المنزل وانتظرت شروق الشمس على الصخرة ". لقد وضع هايزنبرغ للتو أسس ميكانيكا الكموم في عشرة أيام فقط. لهذا حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1932. بعد ذلك، كرس نفسه لتطبيقات هذا المجال الجديد وانضم إلى الدنماركي نيلز بور. لكن بينما يفر الأخير من الدنمارك التي احتلها الجيش النازي، قرر هايزنبرغ البقاء في ألمانيا، حيث سيتعاون في مشروع الأسلحة الذرية. سُجن لمدة ستة أشهر بعد انتصار الحلفاء، ثم شارك في إعادة بناء الهياكل البحثية في بلاده. في عام 1957، وقع على بيان غوتنغن، الذي طلب فيه ثمانية عشر فيزيائيًا من المستشار أديناور عدم تزويد الجيش الألماني بأسلحة نووية.

في نهاية القرن التاسع عشر، الذي كان مثمرًا بشكل خاص للفيزياء، انغمس المجتمع العلمي في الأوهام، متخيلًا أنه يمكن للمرء الوصول مباشرة إلى الطبيعة واقتحامها وسبر أغوارها وفك أسرارها، بما في ذلك تفاصيلها الأكثر خصوصية. حتى أن بعض العلماء اعتبروا أن معرفة العالم على وشك الاكتمال، وهي ليست سوى قضية نسبية ومجرد"مسألة تقسيم السدس العشري "une question de sixième décimale", "، كما كان يؤكد ألبرت ميكلسون Albert Michelson عام 1894، الذي طور علم البصريات بخطوات كبيرة.

في ذلك الوقت، شكل الفيزيائيون مجتمعًا صغيرًا إلى حد ما، تحركه نقاشات حية تغذيها تبادل الرسائل والمخطوطات وتخللتها مؤتمرات مثمرة، مثل مؤتمرات سولفاي congrès Solvay الذي نظم عام 1911 في بروكسل بمبادرة رجل الصناعة إرنست سولفاي. وهي الاجتماعات التي تم اختيار المشاركين فيها بعناية: في عام 1927، كان 17 منهم، من أصل 29، من الفائزين بجائزة نوبل - أو سيكونون كذلك لاحقًا. من اجتماعات القمة تلك، نشأت خلافات أجبرت مؤسسي فيزياء اللامتناهي في الصغر وفيزياء الجسيمات الأولية على إعادة اكتشاف أنفسهم في محاولة لإقناع أقرانهم.

كان ماكس بلانك Max Planck  هو من وضع اللبنة الأولى لفيزياء الكموم في عام 1900، من خلال التفكير فيما يحدث عندما تصدر المادة ضوءًا: عندما يتم تسخين كتلة من الحديد، على سبيل المثال، تبدأ بالاحمرار، ثم تتحول إلى اللون الأزرق. نظرًا لأن اللون الأحمر أقل نشاطًا من اللون الأزرق، فهذا يعني أن موجة الضوء تحتوي على المزيد والمزيد من الطاقة. ومع ذلك، يشير بلانك إلى أن هذا لا يمكن أن يأخذ أي قيمة: يبدو أن البعض فقط مرخص لهم في الخوض في ذلك المجال، كما لو أن الطاقة لا يمكن أن تتغير باستمرار. بينما لم يدرك بلانك على الفور نطاق اكتشافه، استغل ألبرت أينشتاين ذلك لتطوير الفرضية الثورية في عام 1905 التي من شأنها أن تجعله يفوز بجائزة نوبل في عام 1921: اقترح أن الضوء في الواقع يتكون من حبيبات صغيرة، مماثلة للجسيمات عديمة الكتلة - الفوتونات. هذه تحمل كتلًا غير قابلة للتجزئة من الطاقة، التي أسماها الكميات quantas، والتي لا يمكن إصدارها أو امتصاصها إلا في قطعة واحدة. وهكذا، يتحرك الضوء فقط في قفزات نوعية، بطريقة متقطعة. سيستغرق ماكس بلانك عدة سنوات لقبول هذه الفكرة.

وسوف تتحول تلك الفكرة إلى نظرية في عام 1913 مع الدنماركي نيلز بور Niels Bohr، الذي استند على " الكمات les quantas  لتقديم تمثيل غير مسبوق للذرة. حتى ذلك الحين، كان يُعتقد أن تركيب الذرة يشبه النظام الكوكبي، يتكون من نواة مركزية محاطة بالإلكترونات تتحرك باستمرار، بسلاسة، في مدارها، مثل الكواكب حول الشمس. في نموذج بور، يمكن للإلكترونات أن تقفز من مدار إلى آخر، بشكل مفاجئ وبدون سبب، تصدر أو تمتص كمات محددة، أو كمات من الطاقة. ومع ذلك، لم يكن الأمر كذلك حتى ثمانينيات القرن الماضي لرصد هذه القفزات الكمومية بشكل مباشر.

طيف قوس قزح منقط بخطوط سوداء: نموذج بور انتصار لنظرية الكموم!:

لأول مرة، تكون الفيزياء قادرة على تفسير طيف ذرة الهيدروجين، مجموعة الألوان المنبعثة أو الممتصة بواسطة الأخير عند تسخينه: وهكذا، عندما نمرر الضوء الأبيض – طيف الأشعة هو قوس قزح - في الهيدروجين، يتم امتصاص ألوان معينة فقط، وتنقيط الطيف بخطوط سوداء. وبالمثل، عند إنشاء الضوء، تصدر ذرة الهيدروجين ألوانًا معينة فقط، والتي تتوافق مع نفس الطاقات مثل خطوط الامتصاص. بحلول عام 1924، بعد سنوات من العمل الشاق من قبل بور وزملائه الآخرين، كان النموذج الذري قادرًا على شرح خطوط الذرات - سواء كان لديها إلكترون واحد، مثل الهيدروجين، أو عدة إلكترونات. لكنه لا يزال يفشل في التنبؤ بكثافة هذه الخطوط، وعدد الفوتونات المنبعثة أو الممتصة في كل لون.

بعد عدة إقامات في كوبنهاغن ومناقشات مكثفة مع بور، قرر الفيزيائي الألماني الشاب فيرنر هايزنبرغ معالجة المشكلة تحت إشراف ماكس بورن، أستاذ الفيزياء النظرية بجامعة غوتنغن (ألمانيا). في عام 1925، طور - في غضون عشرة أيام فقط - شكليات formalismes جديدة تسمى "ميكانيكا الكموم" والتي ستكون خصائصها الرياضياتية حاسمة بالنسبة لمستقبل الفيزياء. وسرعان ما تم تحسين النموذج بدعم من ماكس بورن Max Born  وباسكوال جوردان Pascual Jordan، وهو أحد تلاميذه الذين جاءوا كتعزيزات لأفكاره وفرضياته. لكن رياضياتهم كانت مجردة أو تجريدية لدرجة أن النموذج رفض من قبل العديد من الزملاء.

في جامعة زيورخ، كان النمساوي إروين شرودنغر Erwin Schrödinger أحد المعترضين. بالنسبة له، لا فائدة من الاعتماد على هذه الرياضيات غير المفهومة حيث يمكن للمرء أيضًا وصف الجسيمات بأنها موجات، بطريقة أكثر واقعية من حبيبات هايزنبرغ الكمومية الصغيرة. في عام 1926، توصل إلى معادلة يمكن أن تمثل حالة الجسيم - كل خصائصه الفيزيائية، مثل الموقع والسرعة وما إلى ذلك. - في شكل دالة رياضياتية يسميها دالة الموجة fonction d’onde. ولقد اشتهرت المعادلة باسم معادلة شرودينغر.

إروين شرودنغر، الفيزيائي الفيلسوف:

طوال حياته، كان قلب إروين شرودنجر، المولود في النمسا عام 1887، يتأرجح بين العلوم الدقيقة والفلسفة. لدرجة أنه فكر في التخلي عن الفيزياء بعد القتال في الحرب العالمية الأولى. ولكنه في عام 1920، انضم إلى جامعة بريسلاو Breslau (فروكلاو Wroclaw الآن)، ثم جامعة زيورخ بعد ذلك بعامين. هذا هو المكان الذي سيطور فيه المعادلة التي تحمل اسمه. كوفئ عمله في عام 1933 بجائزة نوبل، تقاسمها مع البريطاني بول ديراك Paul Dirac . في عام 1935، تخيل شرودنغر مفارقة، عرفت بمفارقة قطة شرودينغر، والتي اشتهرت وظلت مشهورة بإلقاء الضوء على الطبيعة الغريبة لفيزياء الكموم، والتي تسمح للكائن أن يكون في حالة تراكب أي في عدة حالات في نفس الوقت. تتضمن التجربة (الفكرية!) قطة محبوسة في صندوق، حيث يمكن للجهاز أن يطلق السم بشكل عشوائي في أية لحظة. طالما لم ننظر من خلال النافذة، فإن القطة إما حية أو ميتة بمعنى الفيزياء الكلاسيكية، لكنها حية وميتة في نفس الوقت بمعنى فيزياء الكموم! في عام 1938، عارض النازية، وإثر موقفه هذا غادر شرودنغر إلى أيرلندا. بعد ست سنوات، نشر كتابه ما هي الحياة؟ وهي تجربة اقترح فيها تخزين المعلومات الجينية في جزيئات. وقد ألهم هذا الكتاب كل من جيمس واتسون James Watson  وفرانسيس كريك Francis Crick، مكتشفي بنية الحمض النووي.

إنها ولادة ميكانيكا الموجة أو الميكانيك الموجي la mécanique ondulatoire. ثم يوضح شرودنغر أن معادلته، مثل معادلة هايزنبرغ، تشرح خطوط طيف الهيدروجين. بعد قراءة مخطوطته، كتب له أينشتاين أن عمله "يحمل علامة العبقرية الحقيقية". لكن انتصار شرودنغر لم يدم طويلا! لأن ماكس بورن لا ينوي الاستسلام. تمسك بمعادلة شرودنغر - الذي كان يأمل أن تكون دالة الموجة كمومية يمكن الوصول إليها بشكل مباشر وتكون قابلة للقياس - ويوضح أن هذه الدالة تتوافق مع الاحتمال: لم يعد الأمر يتعلق بالقول إن الجسيم تجده هنا أو هناك، ولكن لديه احتمالية معينة لوجوده هنا أو هناك، وحتى أنه ... هنا وهناك في نفس الوقت!

ينقسم مجتمع الفيزيائيين إلى معسكرين:

إن هذا التفسير المسمى بالاحتمالي - وبعبارة أخرى، من حيث الاحتمالات - لفيزياء الكموم سوف يؤجج النار. إنه في الواقع يتعارض بشكل مباشر مع الحتمية déterminisme، وهو مبدأ علمي وفلسفي يعتبر حتى ذلك الحين غير ملموس يمكن بموجبه وصف أي تعاقب للأحداث على وجه اليقين على أساس الماضي وقوانين الفيزياء. ينقسم مجتمع علماء الفيزياء الآن إلى معسكرين يبدو أنهما لا يمكن التوفيق بينهما. من ناحية أخرى، المدافعون عن الحتمية، مثل شرودنغر وأينشتاين أو بلانك. من ناحية أخرى، مؤيدو التفسير الاحتمالي لفيزياء الكموم، مثل هايزنبيرغ Heisenberg، بورن Born، جوردان Jordan، بور Bohr والبريطاني الشاب بول ديراك Paul Dirac، الذي اقترح للتو إعادة كتابة أكثر تجريدًا لأفكار هايزنبيرغ Heisenberg.

بول ديراك Paul Dirac، العبقري الخفي:

كان البريطاني بول ديراك (1902-1984) ليس ثرثاراً وشحيحًا جدًا في كلامه لدرجة أن زملائه في كامبريدج ابتكروا وحدة ديراك،: كلمة واحدة في الساعة! ومع ذلك، لم يساهم أحد غيره اكثر منه في فيزياء الكموم، ولا تزال شكلياته مستخدمة حتى اليوم. في عام 1923، التحق بالجامعة الإنجليزية الشهيرة، حيث طور شغفه بالنسبية العامة وعلم الفلك. لكنه سرعان ما اكتشف مقالة عن ميكانيكا الكموم والتي من شأنها أن تجعل من هايزنبرغ مشهوراً، وانغمس في هذه الفيزياء الجديدة. كان الأعزب الراسخ، بول ديراك مدمن عمل يكرس أيام الأحد للتفكير، أثناء المشي الانفرادي الطويل. بعد التفكير بأطروحته، التحق بــ  بور في كوبنهاغن، ثم استقر عام 1927 جنبًا إلى جنب مع هايزنبرغ في غوتنغن. في عام 1928، اقترح معادلة تنبأت، من بين أمور أخرى، بوجود المادة المضادة، وعلى وجه الخصوص مضاد الإلكترون البوزيترون positron - وهو جسيم ذو كتلة مماثلة للإلكترون، ولكنه ذو شحنة كهربائية معاكسة - والذي سيتم تأكيد حقيقته بعد أربع سنوات أخرى. تم تعيينه في عام 1932، على كرسي الرياضيات في كامبريدج، وسيحقق أقصى استفادة من حياته المهنية هناك. شارك شرودنغر في جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1933.

في عام 1927، وجه الضربة النهائية للحتمية بمبدأ اللاحتمية le principe d’indétermination. أزواج معينة من المعلمات المعايير أو الإعدادات paramètres التي تصف الجسيم - على سبيل المثال، بالنسبة لجسم ثقيل، موقعه وسرعته (أو بشكل أكثر تحديدًا ناتج كتلته من خلال سرعته) - مرتبطة بعلاقة عدم يقين؛ إذا وجدنا طريقة لتحديد موقع الإلكترون بدقة كاملة، فلا توجد طريقة لمعرفة سرعته بدقة في نفس الوقت. وبالمثل، فإن الرادار القادر على قياس سرعة الإلكترون بشكل مثالي سيكون عديم الفائدة تمامًا لأننا لن نعرف كيفية توجيهه، دون أن يكون لدينا أدنى فكرة عن موقع هدفه! في ذلك العام، في مؤتمر سولفاي، اشتبك الجانبان مرة أخرى ونشبت سجالات شهيرة بين بور وآينشتاين. يصرخ آينشتاين، الذي يعارض التفسير الاحتمالي لفيزياء الكموم بجملته الشهيرة: "الله لا يلعب النرد!" والتي رد عليها نيلز بور: "من أنت، يا ألبرت أينشتاين، لتقول لله ماذا يفعل؟"

يدحض بور تجارب أينشتاين الفكرية واحدة تلو الأخرى:

على مر السنين، ستهدأ المناقشات في نهاية المطاف. كان "حكماء" كل معسكر، وبشكل خاص بور وألبرت أينشتاين، متعارضين ومختلفين فيما بينهم. الأول يدافع عن تكامل أفكار هايزنبيرغ Heisenberg وشرودنغر Schrödinger بينما يعتقد الثاني أنه سيكون من الضروري تجميع الاثنين. يواصل أينشتاين الخروج بتجارب فكرية لإثبات أنه على حق. بينما قام بور بدحضها بصبر واحدة تلو الأخرى، حتى عام 1935 عندما وجه أينشتاين ضربة كان يعتقد أنها قاتلة لأفكار خصومه، في مقال وقع عليه بالاشتراك مع معاونيه، الفيزيائيين الأمريكيين بوريس بودولسكي Boris Podolsky وناثان روزين Nathan Rosen. يصف "ثلاثي EPR" مبدأ التجربة التي تتضمن جسيمين - على سبيل المثال فوتونان - قد تفاعلا في البداية قبل الابتعاد في اتجاهين متعاكسين. بالنسبة لشرودنغر، فإن هذه الجسيمات ستتابع إلى الأبد تفاعلها السابق، بغض النظر عن بعدها عن بعضها والمسافة التي تفصل بينها. يقول إنهم متشابكون ــ التشابك الكمومي ــ، وسيكونون دائمًا قادرين على التفاعل على الفور. على العكس من ذلك، بالنسبة لثلاثي EPR، فإن أي إجراء فوري يكون بالضرورة محليًا. بمعنى آخر، يختفي التأثير المتبادل بين جسيمين عندما يتحركان بعيدًا. وإلا فإن ذلك يعني أنه يمكنهما "التواصل" على الفور، وبالتالي يكون الاتصال بينهما أسرع من الضوء: وهذا مستحيل! لأنه لا شيء أسرع من الضوء.

استنتج آينشتاين وبودولسكي وروزين من ذلك أن نظرية الكموم غير قادرة على احترام مبدأ المحلية، وبالتالي فهي غير مكتملة، وأنه يجب استبدالها بشيء آخر. سوف يمر ما يقرب من خمسين عامًا قبل أن تثبت تجربة حاسمة خطأهم.

في عام 1982، أجرى الفرنسي آلان أسبكت Alain Aspect  واثنان من زملائه من كلية العلوم في أورساي تجربة باستخدام أزواج من الفوتونات المتشابكة المنبعثة من نفس الذرة ولكن في اتجاهين متعاكسين. على كل جانب، يتم تثبيت كاشف لقياس حالة الاستقطاب للفوتونات الواردة، بتعبير آخر الطريقة التي يهتزون بها. الإحصائيات التي تم الحصول عليها أثناء التجربة لا جدال فيها: الفوتونات التي تصل إلى الكاشفين في نفس الوقت لها نفس الاستقطاب دائمًا. تم الحفاظ على التشابك! ومع ذلك، يفصل بين الكاشفين ثلاثة عشر مترًا، وهي مسافة أكبر من أن تتمكن الفوتونات من تبادل "إشارة" تنتقل بسرعة أسرع من سرعة الضوء. يوضح آلان أسبكت أن الثلاثي EPR كان خاطئًا: فيزياء الكموم ليست محلية، إنها غير محلية. تم التأكيد عدة مرات منذ ذلك الحين على أن تجربة آسبكت ستكون نقطة البداية لنظام جديد غني بالتطبيقات والآمال الملموسة: نظرية المعلومات الكمومية، التي تثير الحماس الحقيقي وتجذب جماهير كبيرة. وحصلت على الدعم، وخاصة التمويلات العسكرية.

من أجل بضع مئات من الكيوبتات: Pour quelques centaines de qubits

وهكذا، منذ عام 1991، وبفضل عمل أنجلو بول و أرثر إكيرت Anglo-Pole Artur Ekert، تعلمنا استخدام تشابك فوتونين لنقل الرموز السرية بعيدًا عن آذان المتطفلين : تؤدي أية محاولة للاستماع أو الرصد إلى تدمير تشابك الفوتونات المستخدمة لتبادل الشفرة بين اثنين من المحاورين، وبالتالي يتم تحذيرهما على الفور من أنه قد تم التجسس عليهما. كان التقدم سريعًا، لدرجة جعل هذه التقنية قابلة للاستخدام بطريقة ملموسة: من 13 مترًا من تجربة Aspect، ذهبنا إلى 400 متر في عام 1997 مع النمساوي أنطون زيلينجر Anton Zeilinger، ثم 10 كيلومترات للسويس نيكولاس جيزن Gisin في عام 1998. منذ عام 2017، الرقم القياسي هو 1400 كيلومتر. التطبيق الرائع الآخر للتشابك، الحوسبة الكمومية، لا يزال في طي النسيان. إنه يقوم على أساس قدرتنا على عزل ومعالجة الجسيمات الكمومية واحدة تلو الأخرى. ومن ناحية أخرى، ما يسمى النقل الآني الكمومي la téléportation quantique، وهي طريقة تسمح لخاصية مادية أن تنتقل من جسيم إلى آخر، على سبيل المثال اتجاه دورانه على نفسه، بفضل التشابك. جعلت هذه التطورات من الممكن إنشاء أول كيوبتات. هذه هي المعادلات الكمومية للبايت، المعلومات الأولية التي تتلاعب بها أجهزة الكمبيوتر الخاصة بنا. ولكن في حين أن البايتة يمكن أن تأخذ قيمة واحدة فقط، 0 أو 1، يمكن للكيوبايت أن يأخذ أكثر من قيمة واحدة في كل مرة. يأمل الباحثون في أن يتمكنوا من تجميعها يومًا ما لصنع أجهزة كمبيوتر كمومية قوية. لن يتطلب الأمر سوى بضع مئات من الكيوبتات - على الورق - لصنع آلة كومبيوتر قوية مثل جميع أجهزة الكمبيوتر لدينا مجتمعة!

عندما ينقل الصينيون مفاتيح الكموم الصينية آنياً فضائياً:

سعى البشر إلى التواصل بعيدًا عن آذان المتطفلين لثلاثة آلاف عام على الأقل. ينشغل علماء الرياضيات في مجالين - يحمي المشفرون الرسائل ويحاول محللو التشفير "كسرها" - لكن تبادل الرموز والمفاتيح السرية لم يتم حله بعد. كيف يمكنك التأكد من عدم تجسس أي شخص في اللحظة التي يتم فيها إرسال رمز بين طرفين؟ توفر فيزياء الكموم إجابة، لأن أي ملاحظة لحالة الجسيم، على سبيل المثال الطريقة التي يهتز بها (الاستقطاب)، تدمر هذه الحالة. لذلك لا يمكن أبدًا اعتراض الشفرة السرية التي يتم نشرها من خلال التشابك الكمي. بعد ذلك، لا شيء يمنعك من استخدام أي قناة، مثل الإنترنت، لتبادل المعلومات المشفرة باستخدام الرمز. أخبرنا السويسري نيكولاس جيزين، أحد نجوم هذا التخصص، "من المؤكد جدًا، على المستوى النظري، أنه يمكنك حتى الحصول على جهازك لتوزيع المفتاح الكمي من أسوأ أعدائك".  ونيكولاس جيزين هو الذي أنشأ أو أسس شركة رائدة في الصناعة هي، ID Quantique.

لقد أدركت الصين قيمة هذه الاتصالات السرية للغاية. في تشرين الثاني (نوفمبر) 2019، بناءً على التقدم الذي أحرزه باحثوها، ولا سيما جيان ويل بان Jian-Wei Pan، التي تدربت في النمسا عند أنطون زيلنجر Anton Zeilinger، أحد أفضل المتخصصين في هذا القطاع، قامت بتكليف الفروع الأولية لشبكة إنترنت محمية بالتوزيع كم من مفاتيح التشفير. الأول في العالم! وباتت تتوسع بسرعة منذ العام الماضي، وضعت بكين قمرًا صناعيًا مخصصًا لهذا الوضع المحمي جيدًا من الاتصالات في المدار. كانت النتائج أكثر من مشجعة: أكملت المركبة للتو بنجاح أول تجربة تبادل مفتاح كمومي، بالإضافة إلى أول انتقال كمومي عن بعد، على مسافة تزيد عن 1400 كيلومتر بين الفضاء والأرض.

علاوة على ذلك، تجدر الإشارة إلى أن هذه، مثل العديد من الأدوات في مجتمعنا، لم تكن ممكنة إلا بفضل إصرار ومثابرة آباء ميكانيكا الكموم. من هذه الفيزياء الغريبة، التي لم تنتهِ من مفاجأتنا، ظهرت، من بين أمور أخرى، أشعة الليزر الخاصة باتصالاتنا، وأشباه الموصلات لشرائحنا الإلكترونية وخلايانا الشمسية، ولكن أيضًا مغناطيسات فائقة التوصيل من أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) IRM، والتي تقوم بفحص أدمغتنا.

المصطلحات LEXIQUE

دالة الموجة Fonction d’onde: هي أداة رياضية تمثل حالة جسيم المادة أو الضوء، مع الأخذ في الاعتبار الموجة المرتبطة بها.

الشكلية Formalisme: مجموعة من الأدوات والتعاريف المستخدمة لوصف موضوع الدراسة.

ظاهرة التشابك Intrication : حيث يحتفظ جسمان متشابكان بنفس الخصائص الكمومية بغض النظر عن المسافة بينهما.

المحلية Localité: المبدأ الذي وفقًا له لا يمكن أن يكون لكائنان بعيدان تأثير مباشر على بعضهما البعض. تتحدى فيزياء الكموم.

كمية الطاقة Quantum d’énergie : كمية غير قابلة للتجزئة من الطاقة تميز جميع عمليات تبادل الطاقة على النطاق الكمي، على سبيل المثال انبعاث الضوء بواسطة الذرات.

مبدأ اللاحتمية: Principe d’indétermination يشير إلى أنه لا يمكن قياس الموضع ومقدار الحركة بدقة.

النقل الآني الكمومي Téléportation quantique طريقة قائمة على التشابك تنقل على الفور حالة كائن كمي دون نقل الكائن نفسه. نتحدث عن النقل الآني لأن الجسم الكمي يرى حالته مدمرة بالعملية.

 

جواد بشارةإعداد وترجمة د. جواد بشارة

السفر عبر الزمن:

في عام 1988، كشف موريس ثورن Thorne Morris ويورتسيفر Yurtsever عن نتائج حساباتهم باستخدام الطاقة السلبية بالإضافة إلى مشاركتهم المذهلة في مقالة الثقوب الدودية وآلات الزمن وحالة الطاقة الضعيفة.

لم يكن من الممكن نظريًا فقط فتح ممر بين نقطتين في الفضاء وعبوره بأمان للسفر بين النجوم على الفور تقريبًا، ولكن كان علينا أيضًا أن نكون قادرين على السفر في الوقت المناسب! دعونا نلقي نظرة فاحصة

1946 كون 1الحل المتري لمعادلات أينشتاين التي وجدوها هو كما يلي:                

إنه يشبه حل شفوارزشيلد Schwarzschild في الجزء الداخلي من النجم ويجب أن يفي بشروط الانحلال اللانهائي للاتصال بزمكان مينكوفسكي Minkowski المسطح.

كيب ستيفن ثورن عالم فيزياء نظري أمريكي معروف بإسهاماته في مجالات الجاذبية والفيزياء والفيزياء الفلكية. إنه أحد أبرز الخبراء في نظرية النسبية العامة لأينشتاين. © ويكيبيديا-كينان بيبر

هذه هي الطريقة التي يجري بهاالأمر، وهي بسيطة للغاية:

بعد فتح ثقب دودي قابل للاجتياز، وافتراض أنه مستقر للغاية، يمكن للمرء أن يتخيل ترك إحدى فتحات الدخول على الأرض بينما يمكن حمل الفتحة الثانية داخل مركبة فضائية تطير نسبيًا. رحلة ذهابًا وإيابًا (لنقل) لمدة 1000 عام بالنسبة لمراقب على الأرض.

إذا كانت السرعة أثناء الرحلة قريبة جدًا من الضوء، فقد تكون بضع ساعات أو أيام فقط في السفينة. نحن على وجه التحديد في حالة مفارقة التوأم لانجفان الشهيرة  paradoxe jumeaux de Langevin.

لذلك سيكون هناك فارق زمني بين فمي الحفرة أو الثقب مما يجعل من الممكن العودة في الماضي لمدة تصل إلى 1000 عام قبل عودة السفينة إلى الأرض أو في المستقبل حتى 1000 عام بعد رحيل السفينة لشخص بقي على الكوكب.

هذا ما نراه في مخطط الزمكان ملاحظة أدناه مأخوذة من فصول Thorne في Caltech (تبقى ميثيلاد على الأرض بينما تقوم فلورنسا برحلتها بين النجوم).

1946 كون 2

  يُظهر الرسم التخطيطي للزمكان مسارات الفضاء والزمان في Methusalem ميتوسالم التي تظل ثابتة على الأرض ولكنها تتحرك في خط عمودي في الوقت الذي تتسارع فيه فلورنسا لتغادر الأرض بسرعة الضوء تقريبًا ثم تعود. وبالتالي فإن مساره هو منحنى كما هو موضح في الجزء الأيسر من الرسم التخطيطي. على اليمين، هذان هما فمي الثقب الدودي القابل للعبور والذي يظهر مع خطوط حركتهما في الزمكان.

1946 كون 3لا تزال هناك مشكلة "صغيرة". قام مات فيسرMatt Visser ، الفيزيائي المتخصص في نظرية الثقوب الدودية، قام بالتقديرات التالية.

إذا كان على المرء أن يبني ثقبًا دوديًا مستقرًا يبلغ قطره 1 متر، فسيكون كافياً أن "يحيط" فم الثقب الدودي ب 10-21 متراً فقط من الطاقة السلبية، أي أقل من جزء من المليون من البروتون. حيث يتعطل الأمر أننا يجب أن نحصل على الطاقة التي يطلقها 10 مليار نجم في السنة!

 

مات فيسر Matt Visser ، أحد كبار المتخصصين في الثقوب الدودية. © ويكيبيديا كومونس

ظروف بيئة حماية الحياة لهوكينغ conjoncture de la protection chronologique de Hawking

في عام 1992، أجرى هوكينغ سلسلة كاملة من العمليات الحسابية لمحاولة إثبات أن الماضي لا يمكن تغييره لأنه لا يمكن أن توجد حلقة من نوع الزمن بخلاف الجسيمات الأولية. بدون تقديم شرح كامل، من الواضح كانت النتائج التي حصل عليها غير مواتية.استنتاجه الأخير مشهور: "أفضل دليل على استحالة السفر عبر الزمن هو أننا لم نكتظ بجحافل من السياح من المستقبل". يمكننا ربط تفكيره بالظاهرة التالية.

تأثير لارسن Un effet Larsen ؟

إن أخطر مشكلة في إمكانية إنشاء ثقب دودي قابل للاجتياز هي تلك المتعلقة بتأثير معروف جيدًا يسمى تأثير لارسن (سمي على اسم الفيزيائي الدنماركي سورين لارسن (1871-1957). واجه يومًا أو آخر مشكلة مكالمة هاتفية تم تضخيمها بشكل حاد بواسطة مكبر صوت، حيث يقوم الهاتف بتسجيل الصوت الصادر من مكبر الصوت والذي يتم إرجاعه بعد ذلك للمراسل ليتم تسجيله بدوره وإعادة إرساله. باستخدام مكبر الصوت، إلخ. وبالمثل، فإن الموجات الكهرومغناطيسية (على سبيل المثال) التي تنتقل للخلف أو للماضي عبر الثقب الدودي يمكن أن تمر عبره مرة أخرى في المستقبل وهكذا. لذلك سوف تتراكم الطاقة الإيجابية في الثقب الدودي، مما سينتهي به الأمر إلى موازنة الطاقة السلبية المسؤولة عن اجتياز الثقب الدودي. السؤال المركزي هو "حسنًا، ولكن كم من الوقت سيستغرق ذلك؟" ". تُظهر الحسابات التي تم إجراؤها حتى الآن أنه سريع جدًا بحيث لا يكون لدى الجسم "العياني" objet «macroscopique وقت للمرور عبر فتحة الثقب قبل أن تغلق. ومع ذلك، فإن الإجابة النهائية مدفونة في قوانين الجاذبية الكمومية غير المضطربة non perturbative، وهي نظرية لم تولد بعد.

لذلك ربما لا يزال السفر بسرعة تفوق سرعة الضوء supraluminiques ممكنًا في الفضاء، ولكن بمجرد أن يحاول المرء السفر عبر الزمن، فإن قوانين الكون ستتآمر لمنعه. هذا أيضًا هو الاستنتاج الذي توصل إليه إيغور نوفيكوف Igor Novikov ، المتعاون الرئيسي السابق لزيلدوفيتش Zeldovichالعظيم.

مبدأ نوفيكوف في التماسك الذاتي Le principe d'autocohérence de Novikov

1946 كون 4

صورة تجمع من اليسار إلى اليمين شاندراسيخار ، نوفيكوف وزيلدوفيتش.

إن مشكلة أو مفارقة الجد Le problème du grand-père اعتراض كلاسيكي على السفر عبر الزمن. إذا عدت بالزمن إلى الوراء لتقتل جدك، فأنت غير موجود حتى لا تعود بالزمن إلى الوراء وجدك لا يزال على قيد الحياة لذا ستقتله حتى لايولد أبوك ولا تولد أنت، إلخ. لا يمكننا مع ذلك النظر في الأنواع المحتملة للسفر عبر الزمن؟ هذا ما أراد نوفيكوف وآخرون معرفته. نتائج معادلات النسبية العامة (RG) موضحة في المثال التالي.

يمكن للمرء أن يتخيل قطعة من الرخام ألقيت على فم ثقب دودي وظهرت في ماضيها لتتصادم وتمنع نفسها من دخول فمه. إنها نسخة جسدية مباشرة من مفارقة الجد. بالمقابل، يمكن أن يكون لدينا كرة تضرب نفسها لإجبار نفسها على الدخول في الثقب الدودي. تم إجراء جميع الحسابات، فقط هذا الحل الأخير هو مصرح به بواسطة RG الكلاسيكي على ما يبدو.

للوصول إلى هذا الاستنتاج، اعتمد نوفيكوف ومعاونوه على حسابات أولية نسبيًا، لكنهم استندوا إلى أحد المبادئ الأساسية للفيزياء، وهو مبدأ العمل الأقلmoindre action.

كل هذه التكهنات حول الثقوب الدودية تبدو بعيدة المنال ، وهي إلى الأبد بعيدة عن متناول تقنياتنا. دعونا لا نفقد الأمل في القريب العاجل! ربما يعتبر مؤرخو المستقبل السنوات 2010-2020 بمثابة فجر لتغيير عميق في تاريخ البشرية.

لقد رأينا أن إمكانية إنشاء ثقب دودي وإبقائه مفتوحًا يعتمد إلى حد كبير على فهم الجاذبية الكمية وإمكانية الوصول إليها من الناحية التكنولوجية.

ومع ذلك، حتى عام 1998 تقريبًا، بدا أن كل شيء يشير إلى أنه كان من الضروري بناء معجل كبير بحجم المجرة لتوفير الطاقة الكافية لكي تتجلى الجاذبية الكمومية la gravitation quantique على نحو مباشر. في نفس العام، فتحت الأعمال المستقلة لكن التكميلية لنيما أركاني حامد Nima Arkani-Hamed وسافاس ديموبولوس Savas Dimopoulos  وجيا دفالي Gia Dvali من ناحية وليزا راندالLisa Randall ورامان سوندرم Raman Sundrum  من ناحية أخرى ، احتمال أننا كنا مخطئين.

بشكل غير متوقع، قد تكون الطاقات التي ستحدث فيها وتصادمات البروتونات في المصادم LHC أو من يخلفه كافية.

بعد بضع سنوات، في 2001-2002 على وجه الدقة، قدم ستيفن غيدينغزSteven Giddings وسافاس ديموبولوسSavas Dimopoulos في الواقع مقالتين ثوريتين إلى arxiv يفكران بجدية في إمكانية إنشاء ثقوب سوداء صغيرة تتبخر بفعل تأثير هوكينغ في LHC.

سبق، يجب أن تكون الروابط بين الثقوب السوداء والثقوب الدودية واضحة الآن.

ربما تكون الثقوب السوداء الصغيرة في مصادم الهادرونات الكبير ممكنة الصنع، ولكن لماذا لا تحدث الثقوب الدودية أثناء الاصطدام بين البروتونات؟ يبقى أن نجد توقيع تجريبي. لقد تم بالفعل النظر في مثل هذا الاحتمال، ولا سيما من قبل إيرينا أريفيفا Irina Aref'eva وإيغور فولوفيتش Igor Volovich.

1946 كون 5بدأ اكتشاف الانشطار النووي أيضًا بشيء ضعيف جدًا، لذا ربما يمكننا أن نحلم ليس فقط باكتشاف الثقوب الدودية المجهرية في تصادمات LHC ولكن أيضًا بإمكانية جعلها أكبر للحصول على الثقوب الدودية العيانية macroscopiques التي يمكن عبورها كما في مسلسل بوابة النجم Stargate.

شرح ستيفن غيدينغز نظرية المشهد الكوني (paysage cosmique (Landscape بسطح ريمان surface de Riemann. كان Giddings من أوائل الذين درسوا إنشاء الثقوب السوداء الصغيرة في مسرع أو معجل ومصادم الجسيمات  LHC.

اشتهر ديموبولوس بعمله على تطوير نظريات تتجاوز النموذج القياسي أو المعياري modèle standard  الذي يتم اختباره حاليًا في مصادمات الجسيمات والتجارب الأخرى. على سبيل المثال في عام 1981، اقترح نموذجًا لـ GUT مع هوارد جيورجي Howard Georgi ، وساهم في بناء نموذج الحد الأدنى من التناسق الفائق (MSSM). كما اقترح نموذج ADD مع نيما آركاني حامد Nima Arkani-Hamed وغيا دفالي Gia Dvali.

في بداية عام 2012، لم تكن النتائج الأولى التي تم الحصول عليها باستخدام كاشف CMS في CERN مواتية لفكرة أنه يمكننا تصنيع ثقوب سوداء صغيرة في مصادم الجسيمات العملاق LHC. ربما تكون كتلة بلانك أعلى بكثير من عدد قليل من TeV. على أي حال، فإن المخاوف من رؤية الأرض مدمرة من خلال إنشاء ثقوب صغيرة سوداء لا أساس لها من الصحة.

 منذ نشر نظرية النسبية العامة من قبل ألبرت أينشتاين، عمل الفيزيائيون على البحث عن حلول مختلفة من نوع الثقب الأسود لمعادلات مجال الجاذبية. ثقب أسود ثابت، ثقب أسود دوار، ثقب أسود ثابت مشحون، ثقب أسود دوار مشحون، إلخ. يُعتقد أن بعض هذه الثقوب السوداء موجودة في كوننا، والبعض الآخر، نظريًا للغاية، في أكوان ذات تكوينات مختلفة. نظر الفيزيائيون النظريون إلى الثقوب السوداء المشحونة المحاطة بنوع خاص جدًا من الفضاء، واكتشفوا أن الجزء الداخلي من هذه الأجسام كان فوضويًا للغاية في الزمكان ويشكل كونًا فركتليًا غريبًا.

درس العلماء ثقبًا أسود مشحونًا كهربائيًا محاطًا بنوع معين من الفضاء، يُعرف باسم "الفضاء المضاد دي سيتر". بدون التعمق في الموضوع، هذا النوع من الفضاء له انحناء هندسي سلبي ثابت، مثل سرج الحصان، والذي نعرف أنه ليس وصفًا جيدًا لكوننا. (سيكون للكون المضاد دي سيتر ثابت كوني سلبي، مما يعني أن كل المادة تميل إلى التكثف في ثقب أسود، مقارنة بالتوسع المتسارع الذي نراه في كوننا).

فهم أفضل للظواهر الفيزيائية لكوننا:

حتى لو لم تتناسب مع كوننا المرئي، فقد اتضح أن هذه الثقوب السوداء الغريبة لا تزال تحتوي على بعض الهياكل المعقدة بشكل مدهش والتي تستحق الاستكشاف. أحد الأسباب التي تجعل هذا الاستكشاف مرحبًا به هو أن الثقوب السوداء المشحونة تشترك في العديد من أوجه التشابه مع الثقوب السوداء الدوارة، الموجودة في كوننا المرئي، لكن الثقوب السوداء المشحونة يسهل إدارتها رياضياتياً. لذلك، من خلال دراسة الثقوب السوداء المشحونة، يمكننا الحصول على معلومات حول دوران الثقوب السوداء في العالم الحقيقي. بالإضافة إلى ذلك، وجد علماء الفيزياء أنه عندما تصبح هذه الثقوب السوداء باردة نسبيًا، فإنها تخلق "ضبابًا" من الحقول الكمومية حول أسطحها. يلتصق هذا الضباب بالسطح، مرسومًا إلى الداخل بفعل جاذبية الثقب الأسود نفسه، لكنه يدفع للخارج بفعل التنافر الكهربائي من نفس الثقب الأسود.

يُعرف أيضًا ضباب المجال الكمومي المستقر الذي يعمل على السطح باسم الموصل الفائق. الموصلات الفائقة لها تطبيقات في العالم الحقيقي، لذا فإن رؤية الدور الذي تلعبه الموصلات الفائقة في هذه السيناريوهات الغريبة يساعدنا على فهم هياكلها الرياضياتية، والتي يمكن أن تؤدي إلى معرفة جديدة باستخدام تطبيقات العالم الحقيقي. في دراسة نُشرت على خادم arXiv preprint، استخدم فريق من الباحثين بالتالي لغة الموصلية الفائقة لاكتشاف ما يكمن تحت سطح هذه الثقوب السوداء الافتراضية.

ثقب دودي مركزي غير سالك:

الثقوب السوداء المشحونة لها هيكل داخلي غريب نوعًا ما. أولاً، ما وراء أفق الحدث يوجد الأفق الداخلي، وهي منطقة ذات طاقات كمومية مكثفة. أبعد من ذلك، هناك ثقب دودي، جسر إلى ثقب أبيض في قسم آخر من الكون (على الأقل، وفقًا للرياضيات).

لا نعرف حقًا ما إذا كانت الثقوب الدودية مثل هذه موجودة بالفعل، لأن رياضيات الثقوب السوداء المشحونة تضعف في الأفق الداخلي، ولا يمكن تعلم أي شيء آخر حتى نطور فيزياء جديدة. لحسن الحظ، تتجنب الثقوب السوداء المشحونة والمحاطة بفضاء مضاد دي سيتر، والذي سنسميه الآن الثقوب السوداء فائقة التوصيل، هذه مشكلة، إلا أن الخبر السار هو أن الأفق الداخلي للثقب الأسود فائق التوصيل ينهار، مما يسمح للجسم بالمرور خلاله بسلاسة دون أن يتقطع إلى "سباغيتي" كما يفعل في الثقب الأسود العادي. الأخبار السيئة هي أن الثقب الدودي الموجود داخل الثقب الأسود فائق التوصيل يتمزق أيضًا، لذا لا يمكنك استخدامه للسفر.

زمكان فوضوي وكون فركتلي:

لكن هذا لا يعني أنه لا يوجد شيء مثير للاهتمام يحدث للجسم. داخل الأفق الداخلي، يتألق الجزء الداخلي من الثقب الأسود فائق التوصيل قليلاً. عادة، يمكن للجسيمات الموجودة في الموصل الفائق الفعلي أن تتأرجح، مما يدعم الموجات التي تتأرجح في تأثير يُعرف باسم اهتزازات جوزيفسون. وفي أعماق هذه الثقوب السوداء، يهتز الفضاء ذهابًا وإيابًا. إذا كان المرء سيقع فيه جسديًا، فسيخضع لامتداد فوضى شديدة.

بالإضافة إلى ذلك، اعتمادًا على درجة حرارة الثقب الأسود، يمكن لبعض مناطق الفضاء هذه إطلاق دورة جديدة من الاهتزازات، والتي تخلق بعد ذلك مساحة جديدة متوسعة من الفضاء، مما يؤدي إلى إطلاق دورة جديدة من الاهتزازات، وهذا يقود إلى منطقة جديدة تتوسع، وهلم جراً، وعلى نطاقات أصغر باستمرار.

سيكون كونًا فركتليًا صغيرًا، يعيد نفسه إلى ما لا نهاية، من اللامتناهي في الكبر إلى اللامتناهي في الأصغر. من المستحيل وصف ما سيكون عليه السير في مثل هذا المشهد الطبيعي، لكنه بالتأكيد سيكون غريبًا جدًا. في قلب هذه الفركتلة الغامضة والفوضى الفوضوية تكمن الفرادة: نقطة الكثافة اللانهائية، أي المكان الذي توجد فيه كل قطعة من المادة سقطت في الثقب الأسود.

 

 

جواد بشارةإعداد وترجمة د. جواد بشارة

كون غوديل L'univers de Gödel

التعميم في إطار RG للحل النيوتوني الذي يصف مجال الجاذبية للنجم يصف فقط مع شوارزشيلد جسمًا خاليًا من الدوران. هذا ليس واقعيًا جدًا من وجهة نظر فلكية لأن النجوم، تمامًا مثل الكواكب، يتم تحريكها بواسطة حركة دوارة.

أحد الحلول الأولى التي تصف المجال الذي يولده جسم دوار هو حقل فان ستوكوم (Stockum، WJ van (1937) The gravitational field of a distribution of particles rotating around an axis of symmetry. Proc. Roy. Soc. Edinburgh A 57: 135. مجال الجاذبية لتوزيع الجسيمات التي تدور حول محور التناظر. Proc. Roy. Soc. Edinburgh) ج 57 ، 135). وهي قصة لمؤلفها تستحق ان تكون رواية في حد ذاتها.

1945 كون 1

كيرت غوديل وألبرت أينشتاين في جامعة برينستون، م، أرشيف معهد الدراسة المتقدمة

إنه أيضًا المثال الأول الذي نرى من خلاله ارتباطًا بين السفر عبر الزمن ووجود دوران مرتبط بالزمكان. من المحتمل أن يكون هذا الاكتشاف مستوحى من العديد من المناقشات مع ألبرت أينشتاين (الذي كان زميلًا له وصديقًا في جامعة برينستون) حول المكان والزمان وعلاقتهما بالفيزياء والفلسفة، فاجأ عالم الرياضيات العظيم كورت غودل اوسط العلمي في عام 1949 من خلال إظهار حل لمعادلات أينشتاين التي تصف الكون الدوار. والغريب في الأمر أن هناك مسارات داخله تسمح للمسافر بالعودة إلى ماضيه!

كيف يكون ذلك ممكنا؟ في هذا الحل يوجد محور دوران متميز في الكون، مع إيقاع ابتعادنا واقترابنا عن هذا المحور، يتغير الهيكل السببي للزمكان. هناك دائمًا حد للسرعة، ولكن إذا أدخلنا مجالًا من مخاريط الضوء un champ de cônes de lumière ، فإننا نرى أنها تميل أكثر فأكثر كلما ابتعدنا عن المحور، لذلك بحيث يتزامن اتجاه المستقبل بالنسبة للمراقب داخل مخروط الضوء الخاص به مع مسار يعود إلى الماضي! هذا الميل للمخاريط الضوئية هو بالضبط سمة مميزة للمرور من النسبية الخاصة إلى النسبية العامة، كما رأينا أن المقياس ديناميكي. إنها ظاهرة ذات أهمية كبرى، سنراها لاحقًا للثقوب السوداء أو علم الكونيات. 

1945 كون 2مقتطف من تقرير Cern الأصفر 91-06. © روث م. ويليامز

وبهذه الطريقة، يوجد في حل Gödel مجموعة مما يسمى بالمسارات الزمنية المغلقة de trajectoires dites de genre temps closes والتي يسافر بها مراقب باستخدام صاروخ، من شأنها أن تسمح له بالعودة في الوقت المناسب. في حل Gödel هذا، من المهم ملاحظة أنه لا يُسمح إلا بالرحلات إلى الماضي، بصرف النظر بالطبع عن الرحلات المعتادة إلى المستقبل مثل توأمي لانجفان Langevin. 

يسمح إمالة المخاريط الضوئية في كون غوديل بتشكيل حلقات زمنية على طول خطوط معينة للكون (خط عالمي world-line) للمسافر. مقتطف من تقرير Cern الأصفر 91-06 © Ruth M. Williams

هذه ملاحظة مثيرة للاهتمام، حيث يصف هذا الحل الكوني كونًا بدون تفرد أو فرادة بدئية أساسية sans singularité initiale. إن وجود حلقات شبيهة بالزمن سببية مغلقة يرتبط ارتباطًا وثيقًا بغياب التفردات أو الفرادات بشكل عام في حلول معادلات أينشتاين. بقدر ما يحذر القارئ على الفور، فإن البيانات الناتجة عن ملاحظة خلفية الإشعاع الكوني لا تشير إلى أي علامة على الدوران العالمي للكون.

حل كير La solution de Kerr

كجزء من فهم أفضل للحلول التي تصف الأجسام الفيزيائية الفلكية الواقعية، تميزت بداية الستينيات بثورة نظرية مزدوجة. إدخال كروسكال Kruskal لنظام إحداثيات يسمح بالوصف الكامل وبشكل أكثر دقة للبنية الهندسية والطوبولوجية لحل شفارزشيلد Schwarzschild واكتشاف حل كير Kerr.

مخطط :Diagramme de Kruskal

باستخدام نظام الإحداثيات الذي قدمه إيدنغتون Eddington وأعاد اكتشافه بواسطة فينكلشتاين Finkelstein ، تمكن مارتن كروسكال Martin Kruskal من حل المشكلات المتعلقة بوصف بنية الزمكان عندما يغامر المرء تحت السطح الذي يحده نصف قطر شفارزشيلد Schwarzschild . مرة أخرى، كان النظر في مسارات أشعة الضوء هو المفتاح للتغلب على الصعوبة. يمكننا الآن تمثيل الهندسة السابقة والمستقبلية للزمكان لهذا الحل من خلال المخططات أدناه.

2

  Diagrammes de la géométrie passée et future. Voir ci-dessous pour plus de détail. Extrait de Jean-Pierre Luminet - Black Holes : A General Introduction. © Jean-Pierre Luminet

مخططات الهندسة في الماضي والمستقبل. انظر أدناه لمزيد من التفاصيل. مقتطف من جان بيير لومينيت - الثقوب السوداء: مقدمة عامة. © جان بيير لومينيت

يحدد المخروطان المستقبل والماضي لأفق حدث الثقب الأسود، والخطوط المستقيمة ذات الشرطات والنقاط تحدد أقسام زمنية ثابتة من الزمكان، وتتوافق المنحنيات الرأسية التي تشبه القطع المكافئ مع كرات نصف قطر ثابت في الزمن المحيط بالثقب الأسود. نظرًا لأن معادلات أينشتاين متماثلة في الزمن المناسب، فإن المخروط العلوي يتوافق مع ثقب أسود لا يمكن أن يصلح فيه كل شيء إلا دون أن يغادر أبدًا؛ في حين أن المخروط السفلي يتوافق، من خلال عكس الزمن، مع حل يعرف بالثقب الأبيض أو حتى النافورة البيضاء. هنا يخرج كل شيء دون أن يتمكن من الدخول. ترتبط المنطقة الموجودة على اليسار ارتباطًا مباشرًا بصفيحة أخرى من الكون في جسر أينشتاين-روزن pont d'Einstein-Rosen أو حالة نوع ثقب ميسنر الدودي trou de ver de Misner. المناطق باللون الأسود هي تلك "المنتشرة" بواسطة نظام الإحداثيات حيث توجد الفرادة النهائية la singularité finale، حيث يتم إبادة الزمكان هناك!

سيثبت نظام الإحداثيات الجديد أنه لا يقدر بثمن لدراسة الحل الذي يصف نجمًا دوارًا وجده عالم الرياضيات النيوزيلندي روي كيرRoy Kerr. كانت دراسته المكثفة من عمل براندون كارترBrandon Carter وسوبرهماني شاندراسيخار Subrahmanian Chandrasekhar. يصف هذا الحل فقط بالضبط ما سيُطلق عليه لاحقًا ثقبًا أسودًا ولم ينجح أحد في إثبات أن هذا هو الحل الدقيق الذي يصف الهندسة الخارجية لنجم دوار واحد. يمكن كتابة المقياس الذي يصف ثقبًا أسودًا دوارًا وجده كير على النحو التالي (إحداثيات بواير -لاندكويست Boyer-Lindquist ، عن طريق الإعداد ، G = c = 1): أو اعتمادًا على القيم الخاصة بكل من M و a ، يمكننا الحصول على حلقات تشبه زمن ينتهك متطلبات السببية في إطار هندسة الزمكان هذه. لن نتفاجأ من ارتباط a ارتباطًا مباشرًا بالزخم الزاوي J  للثقب الأسود الدوار.

يحتوي ثقب كير الأسود trou noir de Kerr، بالإضافة إلى أفق الحدث، على غلاف جوي إيرغوسفير ergoshère إهليلجي. أي جسم يسقط شعاعيًا يعبر هذه المنطقة، والمعروف باسم سحب الإطار frame dragging وبالفرنسية entraînement des référentiels، سيتم جره بشكل لا يقاوم من خلال دوران الزمكان الناجم عن الثقب الأسود. لذلك سيكون لها مكون سرعة عرضية tangentielle de vitesse   وسنجد أنفسنا في موقف مرتبط (ولكن ليس مطابقًا) لحالة كون غوديل. 

1945 كون 3

رسم بياني يوضح الفرق بين أفق الحدث (كروي) والغلاف الجوي (الإهليلجي) لثقب كير الأسود.

بالاقتران مع الاكتشاف الأخير للكوازارات (التي كان تفسيرها في ذلك الوقت كنجوم فائقة الكتلة موصوفة بالضرورة بالنسبية العامة) ، مع الاكتشاف في عام 1965 للإشعاع الأحفوري الذي تنبأت به النماذج الكونية من نوع الانفجار العظيم وأخيراً النجوم النابضة في عام 1967 (تأكيدًا لوجود النجوم النيوترونية)، ستؤدي هذه الأدوات النظرية الجديدة إلى تسارع مفاجئ في تطوير الفيزياء الفلكية النسبية وإحياء البحث في النسبية العامة ، التي غابت إلى حد كبير عن ثلاثينيات القرن الماضي بنجاحات فيزياء الكموم.

 

جواد بشارةإعداد وترجمة: د. جواد بشارة

جسر أينشتاين روزين - ناثان روزين Le pont d'Einstein-Rosen

في سعيه لتوحيد القوى والمادة مع هندسة الزمكان، اقترح أينشتاين، جنبًا إلى جنب مع مساعده ناثان روزن، تمديدًا طفيفًا لحل شوارزشيلد بعد تحليل أكثر تعمقًا لـ هذا الحل. يمكن بعد ذلك تفسير الطابع الذري للمادة على أنه وجود جسر بين صفحتين من الزمكان. لقد حقق حلم أينشتاين القديم بنظرية غير ثنائية للمادة حيث كانت الجسيمات عبارة عن حلول لمعادلات مجال الجاذبية المفهومة والمعممة بشكل صحيح، وليست افتراضات مستقلة وفوقها.

1940 الكون 1

يمكن رؤية مقدمة هذه المقالة الشهيرة أدناه.

مقالة أينشتاين وناثان روزين:

هذا هو المكان الذي بدأت فيه التكهنات الجادة حول الاختصارات المحتملة في الزمكان أو الممرات بين الأكوان المتوازية. دعونا ننظر مرة أخرى إلى حل شوارزشيلد المتعلق بجسر أينشتاين-روزن. عندما تصبح r أقل من 2GM، نرى أن العلامات الموجودة أمام المصطلحين الأولين تنعكس، r تأخذ مكان الزمان الذي يصبح مساحة أو مكان! الهندسة ديناميكية في الواقع لمراقب داخلي يتجه نحو r = 0. يبدأ حجم مضيق الجسر في الانخفاض ويتم سحق المسافر المغامر تمامًا عند هذه النقطة r = 0 حيث توجد الفرادة. باختصار إلى بعدين، يتم تمثيل هندسة الزمكان من خلال مخطط التضمين أعلاه. يمر المقطع بضيق مع مرور الوقت للمراقب السابق. لذلك لا يمكنك السفر عبر الثقب الأسود لأنك سحقك بالتفرد قبل أن تتمكن من عبور الجسر الذي اكتشفه أينشتاين وروزن.

1940 الكون 2

يرتبط الإحداثي v بتدفق الوقت في هندسة Schwarzschild ولكنه موصوف وفقًا لنظام إحداثيات Kruskal.

كما قلنا أعلاه، بدا حل Schwarzschild مرضيًا بالنسبة لمعاصري أينشتاين لأنه عندما كانت r تساوي 2GM، تم إلغاء معاملات المقياس أو أصبحت لانهائية. لفترة طويلة كان يعتقد أن هذا يعني أنه لا يمكننا اعتبار نجم تقع كتلته تحت هذا الحد الأقصى من نصف القطر المشار إليه Rs. وقد لاحظ إيدنغتون  Eddington ولوميتر Lemaître أنه كان مجرد اختيار سيئ للإحداثيات وبشكل مطلق ليست مشكلة في التركيب الهندسي للحل، لكن ملاحظاتهم مرت دون أن يلاحظها أحد.

يمكننا أن نرى ذلك ببناء الكميات التي نسميها الثوابت بدءًا من موتر الانحناء tenseur de courbure.

كما يوحي اسمه، يمكن حساب الثابت في نظام إحداثيات لكن قيمته مستقلة عنه. في حالة Schwarzschild شفارزشيلد، إذا أخذنا في الاعتبار الثابت أو اللامتغير l'invariant الذي تم الحصول عليه من موتر انحناء ريمان الشهير.

نرى أن المشكلات لا تظهر إلا عندما تكون r صفرًا، وهو بالضبط، كما قلنا، وجود فرادة في مركز الحل. في وقت لاحق فقط، من خلال أنظمة الإحداثيات التي قدمها فنكلشتين Finkelstein وكروسكال Kruskal، في نهاية الخمسينيات من القرن الماضي، كان من الممكن وصف ما كان يحدث بشكل صحيح، أي لا شيء، عند عبور السطح المحدد بــ Rs.

هذا السطح بعيد عن أن يكون غير ضار وسننتهي بإعطائه اسم أفق الحدث لأن لا شيء يخترقه داخل المنطقة التي يحددها لم يعد بإمكانه تركه أو التأثير على المنطقة. بالخارج عن طريق إرسال إشارة. إن وجود أفق لجسم مضغوط هو في الواقع التعريف الدقيق لما سيطلق عليه لاحقًا الثقب الأسود.

الثقوب الدودية ويلر ميسنر Les trous de ver de Wheeler-Misner

في نفس الوقت تقريبًا، ما زال جون ويلر John Wheeler، المؤلف المشارك لنظرية الانشطار الأولى مع نيلز بور والمشرف على أطروحة فينمان، يستخدم مفهوم جسر أينشتاين-روزن لوصف الجسيمات المشحونة وكتلها مثلها. وله أيضًا نحن مدينون بتعبير الثقب الدودي trou de ver wormhole، والهيكيلية على شكل رغوة structure en écume ، دون أن ننسى بالطبع مصطلح الثقب الأسود trou noir (black hole!. بصفته زميلًا لأينشتاين في جامعة برينستون، ليس من المستغرب أنه سمح لنفسه بعد ذلك بالتأثر بفكرته المتمثلة في اختزال كل فيزياء القوى والجسيمات إلى هياكل هندسية.

بسبب عمله على الديناميكا المائية الهدروديناميك l'hydrodynamique للانفجارات النووية وبسبب التوازي بين التركيب غير الخطي لمعادلات ميكانيكا الموائع والنسبية العامة، فقد طور عادة لمقارنة ديناميات هندسة الزمان والمكان للسوائل.

لذا فإن تكوين الثقوب الدودية أو حتى الثقوب السوداء في الزمكان يشبه تكوين الرغوة، والفقاعات عندما تنكسر الأمواج. بهذا المعنى، نحن مدينون له ببعض المقالات الأساسية التي قدم فيها مفهوم الديناميكا الجيوديناميكية géométrodynamique، سواء بالإشارة إلى الديناميكا المائية والديناميكا الكهربية l'électrodynamique (الكلاسيكية والكمومية).

1940 الكون 3

جون أرشيبالد ويلر. تمامًا كما يبدو البحر أملسًا على ارتفاع كبير، حتى لو اهتزت به عاصفة، فإن الزمكان على نطاق مجهري يهتز بسبب التقلبات العنيفة. © د

ربما تساءلت عن السبب في أن فتح بوابة النجوم Stargate في المسلسل التلفزيوني Stargate SG1 يأتي دائمًا بشيء مثل سطح مائي متقطع قليلاً، والآن لديك الإجابة!

1940 الكون 4

لم تعد المواد الموجودة في وسط Stargate لغزا بالنسبة للمشاهد

يمكن إثبات أن الجسيمات المصممة على هذا النحو هي أيضًا ناقلات جماعية. هذا ما عبّر عنه ويلر عندما تحدث عن "شحنة بلا شحنة، كتلة بلا كتلة". على الرغم من جاذبية هذه الصورة، إلا أنها لم تجعل من الممكن أبدًا العثور على القيم الدقيقة لكتلة الإلكترونات (على سبيل المثال) ولا لشحنتها لأننا بالأحرى نجد جسيمات مرتبطة بمقياس بلانك وبالتالي بدون روابط واضحة مع الملاحظات. من خلال تعميم هذا مع صورة ويلر الصغيرة الشبيهة بالرغوة للزمكان، نحصل على الصورة التالية المعذبة طوبولوجيًا.

1940 الكون 5

1940 الكون 6

هيكل الرغوة للزمكان. كيب ثورن

دعونا نلقي نظرة فاحصة على قصة هيكل الرغوة للزمكان. يمكننا النظر في الانحراف من مقياس الزمكان مقابل المقياس المسطح بحجم صغير جدًا منه. تعلمنا ميكانيكا الكموم أنه لكل مكون محتمل من الطول الموجي L لحقل في حجم من الزمكان L4، هناك نصف كم من الطاقة المرتبطة بتقلبات الطاقة في الفراغ ودالة لطول الموجة هذا. من الممكن في الواقع، في الزمكان المسطح على الأقل، أن تحلل الجزء الرئيسي من المجالات الفيزيائية في تراكب التذبذبات والاهتزازات الأولية لأطوال موجية معينة. يتم تعريف كل تذبذب على أنه وضع، فكر في سلسلة تهتز.لا ينبغي أن يكون مجال الجاذبية استثناءً للقاعدة، خاصة أنه يمكن للمرء أن يكتب معادلة خطية تصف تقلبات هذا المجال فيما يتعلق بمسطح الزمكان مشابه جدًا لتلك التي تصف الحقول الأخرى في نفس موقف.

كثافة الطاقة لطول هي L، الذي يعطي حجمًا من الفضاء L3 تقلبًا في الطاقة وبالتالي فإن التذبذب المتري المرتبط بهذا الوضع هو إننا إذا حاولنا قياس طول، فسيكون لدينا خطأ لا مفر منه يظهر حد للمفهوم الكلاسيكي لطول الزمان والمكان لأنه فقط لـ L يمكن الحفاظ على صورة سلسة ومستقرة لهندسة الزمكان. نرى طول مميز يظهر (إذا حددنا G = c = 1 بوحدات مناسبة. هذه القيمة تسمى طول بلانك ويلر longueur de Planck-Wheeler. على هذا المقياس، يصبح الزمكان "مضطربًا" ويجب وصفه بنظرية كمومية للجاذبية. هذا هو بالضبط ما يجب أن يحدث أيضًا بالقرب من التفردات أو الفرادات الكلاسيكية الموجودة داخل الثقوب السوداء وفي أصل الكون المرئي وبدايته.

نتيجة هذا "الاضطراب" هو ظهور التناظرية للتجويف (تكوين الفقاعات) في الديناميكا المائية، وهذا بطبيعة الحال هو ظهور / اختفاء ثقوب دودة صغيرة، والتي يمكن بعد ذلك تفسيرها على أنها أزواج من الجسيمات / الجسيمات المضادة تظهر وتختفي باستمرار.

 

جواد بشارةإعداد وترجمة د. جواد بشارة

الجاذبية النيوتنية والثقالة الآينشتاينية والنسبية الخاصة: Gravitation et relativité restreinte


سرعان ما واجه أينشتاين مشكلة التوفيق بين نظرية نيوتن للجاذبية ونظريته النسبية الخاصة.

أظهر العالم الفرنسي لابلاس Laplace أن تأثير الجاذبية يجب أن ينتشر على الأقل عدة ملايين مرة أسرع من الضوء لمطابقة مدارات الكواكب المرصودة في النظام الشمسي.

بالإضافة إلى ذلك، تتعامل نظرية أينشتاين مع وصف الحركات في أطر مرجعية بدون تسريع. ترتبط هاتان المشكلتان بأعجوبة ويمكن التغلب عليها بالملاحظة التالية البسيطة للغاية: إن الكتل الخاملة والجاذبية للأجسام هي نفسها. ماذا يعني ذلك؟

الكتلة الخاملة La masse inerte   هي المعامل الذي يتدخل في قانون نيوتن الذي يربط تسارع الجسم بالقوة التي يتعرض لها، والمعروف باسم الجاذبية يرتبط بتقدير شدة القوة التي يتعرض لها الجسم في مجال الجاذبية. هذا أمر مزعج للغاية كما في حالة القوة الكهربائية أو المغناطيسية، حيث تظهر الشحنة. لذلك نشك في وجود صلة بين قوانين الميكانيكا وقانون مجال الجاذبية.

التطبيق اللافت لهذه المساواة اليوم هو التجارب في هبوط الطائرات مؤقتًا. داخل الطائرة، تبدأ جميع الأجسام التي تسقط بنفس السرعة بالنسبة إلى الأرض في الطفو بالنسبة لبعضها البعض.

محليًا يمكننا أن نجد إطارًا مرجعيًا تلغي فيه تأثيرات مجال الجاذبية بعضها البعض!

على العكس من ذلك، يمكننا أن نجد إطارًا مرجعيًا متسارعًا بحيث يمكن للمراقب أن يعتقد أنه غير متحرك ولكنه يخضع لحقل جاذبية. تتمثل الخطوة الأساسية التالية في الوصول إلى أساسيات النسبية العامة في النظر إلى ما يحدث عندما نحاول تطبيق النسبية الخاصة على الأجسام المتسارعة. بشكل عام، نعتبر حالة القرص في دوران موحد.

تخضع كل نقطة على طول نصف القطر لسرعة v تزداد مع زيادة المسافة من مركز القرص. لذلك فإن الساعة في كل من هذه سيكون لها تحول أكثر وضوحًا كلما ابتعد المرء عن هذا المركز. بالإضافة إلى ذلك، يشير قياس محيط القرص، بسبب تقلص الأطوال، إلى أن هذا لا يبدو للتحقق من المعادلة أو العلاقة التالية: C = 2πR. وبالتالي، لم تعد الهندسة المكانية إقليدية لبعض المراقبين وهذا يتعلق بحقيقة أننا في وجود حركات متسارعة. ومع ذلك، كما رأينا، يمكن تفسير التسارع في إطار مرجعي محليًا على أنه وجود مجال جاذبية. لذلك أظهرنا للتو صلة بين الجاذبية وهندسة الفضاء. يستنتج أينشتاين من هذا أن ظواهر الجاذبية يجب أن تكون مرتبطة بشكل عام بهندسة غير إقليدية للزمكان وليس الفضاء فقط، وإلا سيكون لدينا تناقض مع مفهوم الزمكان ذاته في نظام بدون الجاذبية.

نظرية الفراغات المنحنية بأبعاد N: La théorie des espaces courbes à N dimensions

من الطبيعي تمامًا أنه تم توجيهه لاستخدام النظرية العامة للمساحات المنحنية ذات الأبعاد N التي قدمها ريمان Riemann في القرن التاسع عشر.

في هذه النظرية الريمانية، لم تعد الهندسة إقليدية، ومجموع زوايا المثلث لم يعد 180 درجة ولم يعد محيط الدائرة يساوي2πR- 2πR. يمكن رؤية هذا بسهولة مع الأشكال الهندسية على الأسطح أدناه. امتلاك انحناء موجب على التوالي (كما هو الحال بالنسبة للكرة)، أو سلبي (كسرج حصان)، لا يمكن تطبيقها على طائرة دون تمزيقها أو بدون تجعدها.

Une surface à courbure positive à gauche ne peut pas s'aplatir sur un plan sans se déchirer. Une surface à courbure négative ne peut pas s'aplatir sans se friper. Extrait de Cern yellow report 91-06. © Ruth M. Williams

لا يمكن أن يتم تسطيح السطح المنحني بشكل إيجابي إلى اليسار على مستوى بدون تمزق. لا يمكن أن يتم تسطيح السطح المنحني بشكل سلبي بدون تجعد. مقتطف من تقرير Cern الأصفر 91-06. © روث م. ويليامز يظهر المقياس السابق في الفاصل الزمني بشكل متناهي الصغر.                                      سيتم تعميمها في، وسيتم وصفه بواسطة موتر والذي من الواضح أنه يتقلص إلى السابق عندما تكون المساحة مسطحة.

يعود تاريخ تقديمها إلى تحقيقات غاوس Gauss في أوائل القرن التاسع عشر حول هندسة الأسطح المنحنية، وهي نتيجة واضحة لعمله في الجيوديسيا la géodésie.

لاحظ أيضًا أن هناك مفهوم الفعل ورد الفعل في فيزياء نيوتن. ترتبط قوى الطرد المركزي بإطارات مرجعية متسارعة وبمبدأ التكافؤ الذي يمكن تفسيره على أنه قوى الجاذبية، إلى ما يمكن بالتالي أن يتوافق مع تفاعل المادة مع التسارع من خلال تغيير الإطار المرجعي؟ في السياق السابق، تظهر الاستجابة بشكل طبيعي، يجب تشويه الزمكان نفسه! نجد بطريقة أخرى علاقة بين زمكان ذي هندسة متغيرة ومجال الجاذبية.

نظرًا لأن توزيع المادة مرتبط بتوزيع الطاقة، فبالإضافة إلى أن المادة تولد مجال جاذبية، فإننا نستنتج أنه لا بد من وجود معادلات تعمم معادلات الجاذبية النيوتونية وتربط توزيعات المادة / الطاقة بهندسة الزمكان.

كان استغلال أينشتاين الرئيسي هو الحصول على هذه المعادلات، وهي مكتوبة:

العضو الأيسر يحتوي على هندسة الزمكان، نجد موتر متري le tenseur métrique   بالإضافة إلى مشتقاته المكانية والزمانية. هذا موتر أينشتاين الشهير الذي تم بناؤه باستخدام موتر انحناء ريمان كريستوفيل Riemann-Christoffel الذي تقلص مرة واحدة (عن طريق الجمع وفقًا لأينشتاين للمؤشرين،) يعطي موتر ريتشي le tenseur de Ricci  بمؤشرين.

يحتوي الجانب الأيمن للمعادلة، على سبيل المثال، على الطاقة وكمية الحركة المنسوبة إلى توزيع المادة أو المجال الكهرومغناطيسي. هذا موجود في موتر T مع مؤشرين يسميه أحدهما موتر الطاقة النبضية le tenseur d'impulsion-énergie. وبالتالي يصبح مقياس الزمكان كائنًا ديناميكيًا يحدده توزيع وحركة المادة / الطاقة.

Albert Einstein devant ses équations de la gravitation dans le vide. Elles se réduisent à la nullité du tenseur de Ricci. © DR

ألبرت أينشتاين أمام معادلاته في الجاذبية في الفراغ. يتم تقليلها إلى بطلان موتر ريتشي. © د

الجيوديسية  La géodésique

دعونا ننتقل الآن إلى مفهوم مهم آخر في النسبية العامة.

يُطلق على تعميم الخط المستقيم في الزمكان المنحني اسم الجيوديسية. إذن على سطح الأرض، إذا بدأنا من خط الاستواء للوصول إلى القطب باتباع خط الطول الذي يتقاطع مع نقطة البداية، فسيكون هذا المنحنى على وجه التحديد. بشكل عام، هو منحنى الطول الأدنى بين نقطتين على السطح. وفقًا لغاليليو ونيوتن، فإن الجسم في حالة عدم وجود قوة يكون في حالة راحة أو يتحرك على طول مسار مستقيم متماثل، خط مستقيم. وبالتالي ، فإن التعميم في الزمكان المنحني هو بالفعل جيوديسي ، وإذا تم وصف القوة في فيزياء نيوتن بانحراف عن مسار مستقيم متشابه ، ففي هذا السياق ، لم تعد الجاذبية وفقًا لأينشتاين قوة بالمعنى الذي قدمه نيوتن لأن الأجسام تتبع فقط مسارات "مستقيمة" في الزمكان تحت تأثير الجاذبية.

هذا ما توضحه الرسوم البيانية أدناه لحركة الكواكب حول الشمس.

Une particule cherchant à se déplacer selon la ligne la plus droite possible peut emprunter une tangente à un cercle centré sur le puits à gauche. Atteignant le cercle, elle se trouvera piégée en orbite en suivant la courbe la plus droite, c'est à dire ici précisément ce cercle. À droite, un bloc d'espace-temps avec la trajectoire dans le temps d'un astre fixe et un objet tournant autour de lui. Cern yellow report 91-06. © Ruth M. Williams

يمكن أن يأخذ الجسيم الذي يسعى إلى التحرك في أبسط خط ممكن مماسًا لدائرة متمركزة على البئر إلى اليسار. عند الوصول إلى الدائرة، سيتم حصرها في مدار باتباع المنحنى الأكثر استقامة، أي هنا بالضبط هذه الدائرة. على اليمين، كتلة زمكان مع مسار في الزمن لنجم ثابت وجسم يدور حوله. تقرير سيرن الأصفر 91-06. © روث م. ويليامز

نظرية الإمكانات النيوتونية الكامنة للنجوم La théorie du potentiel newtonien pour les étoiles

من المتوقع بالطبع تعديل نظرية حركة الكواكب. كما أوضح كارل شوارزشيلد Karl Schwarzschild، من الممكن إيجاد حل يعمم نظرية الإمكانات النيوتونية للنجم. خارج نجم كروي تمامًا، ذو كتلة M وبدون دوران (نتحدث عن حالة ثابتة)، يتم وصف هندسة الزمكان من خلال: وجود حل داخلي نكتبه ببساطة في النموذج أدناه: مخطط تضمين ثنائي الأبعاد لحل شوارزشيلد.  إذا أخذنا في الاعتبار كرة نصف قطرها r

داحل النجم، فسوف تحتوي على كتلة M (r). هذا ما يفسر مظهره في الفترة الزمنية السابقة للمكان والزمان.

كانت هذه الحلول في الواقع مناجم ذهب قد تستغرق ثرواتها عقودًا لتكشف عن نفسها. كانت الإشارة الأولى تأتي من أينشتاين في عام 1935.

Karl Schwarzschild (1873-1916). © DR

كارل شوارزشيلد (1873-1916). © د

في غضون ذلك، تم ملاحظة مشكلتين. عندما تمر كتلة النجم الموصوفة بالحلول السابقة تحت نصف قطر Rs = 2GM / c2 (أو GM2 عندما حددنا c = 1 في نظام الوحدات المستخدمة عادة)، تسمى نصف قطر Schwarzschild ، ماذا سيحدث ؟ يبدو بالفعل أن الحل الأول في الفراغ يصبح مرضيًا عندما يكون r = Rs لأننا نحصل على اللانهاية للمصطلح الثاني من المقياس.

وبالمثل، عندما يكون r = 0 وما زلنا في الحالة الأولى، نجد أن انحناء الزمكان يصبح لانهائيًا. هنا نبدأ الحديث عن الفرادة لهندسة الزمكان في هذه المرحلة حيث معادلات أينشتاين وهيكل الزمكان ينهار.

 

جواد بشارةإعداد وترجمة د. جواد بشارة

عندما نعرف حقيقة الثقوب السوداء سنكتشف حقيقة الكون المرئي وهل هو ثابت أم تعاقبي:

من المؤكد أن الثقوب السوداء هي واحدة من أغرب الأشياء في الكتالوج الكوني. تنبأت معادلات النسبية العامة لألبرت أينشتاين بها، ولم يعد وجودها موضع نقاش اليوم، فقد نشر تعاون Event Horizon Telescope الصورة الأولى للجانب الهيكلي للثقب الأسود في عام 2019. ولكن على الرغم من كل القرائن الملاحظة التي لدينا حول هذه الأشياء، ما زلنا لا نعرف بالضبط ما بداخلها. قدمت العديد من النظريات، مثل نظرية الأوتار الفائقة والجاذبية الكمومية الحلقية، إجابات نظرية، لكن السؤال لا يزال حتى يومنا هذا عصياً وعلقاً.

يتناسب نصف قطر الثقب الأسود مع كتلته، وهذا يعني أن كثافة الثقب الأسود تتناسب عكسيًا مع كتلته. بعبارة أخرى، كلما كان الثقب الأسود أصغر، كان أكثر كثافة، وكلما زادت كثافة جاذبيته ستكون بالقرب من أفق الحدث. إن محاولة الدخول إلى ثقب أسود نجمي هي المخاطرة بالتعرض للفرم مثل المعكرونة على الفور، أي التمدد ثم التدمير بفعل قوى المد والجزر الشديدة للثقب الأسود.

الثقوب السوداء الهائلة أقل كثافة بكثير لذلك من الممكن الاقتراب منها، وحتى تجاوز أفق الأحداث دون التعرض لأدنى خطر (عن طريق وضع جانباً بالطبع الإشعاعات فائقة الطاقة القادمة من قرص التراكم الذي من شأنه أن يطبخ أي رائد فضاء على الفور). ومع ذلك، كان أينشتاين واضحًا في هذه النقطة: بغض النظر عما إذا كنت قد تمكنت من دخول ثقب أسود أم لا، فإن فرادته المركزية أو تفرده المركزي سيكون نقطة نهاية الرحلة. ولكن هل هذا هو الحال فعلا؟

الثقوب الدودية: ممرات الزمكان داخل الثقوب السوداء؟

على مر السنين، درس العلماء احتمالية أن تكون الثقوب السوداء ثقوبًا دودية تؤدي إلى مجرات أخرى وربما إلى أكوان أخرى. قد تكون، كما اقترح البعض، طريقًا إلى عالم آخر. كانت هذه الفكرة موجودة منذ بعض الوقت: تعاون أينشتاين مع ناثان روزن لوضع نظرية للجسور التي تربط بين نقطتين مختلفتين في الزمكان في عام 1935.

trou noir ver blanc voyage interstellaire matière exotique

على الرغم من أنها حل محتمل لمعادلات النسبية العامة، تتطلب الثقوب الدودية أن تظل المادة الغريبة مستقرة. ومع ذلك، وفقًا للعديد من الفيزيائيين (مثل Jefferis et al.) ، قد يكون هناك تكوين مستقر للثقب الدودي لا يتطلب مثل هذه المواد. الائتمان: Andrzej Wojcicki / Getty.

اكتسبت النظرية قوة في الثمانينيات من القرن الماضي عندما أثار الفيزيائي كيب ثورن Kip Thorne - أحد الخبراء البارزين في الآثار الفيزيائية الفلكية لنظرية النسبية العامة لأينشتاين - نقاشًا حول ما إذا كانت الأجسام يمكن عبورها جسديا. ومع ذلك، يبدو من غير المحتمل وجود الثقوب الدودية في الوقت الحاضر.

في الواقع، كتب ثورن، الذي قدم مشورته الخبيرة لفريق إنتاج فيلم أنتير ستيلير ــ بين النجوم ـــ Interstellar: "لا نرى أي شيء في كوننا يمكن أن يصبح ثقبًا دوديًا مع تقدمنا ​​في العمر"، في كتابه " علم بين النجوم ". يوضح ثورن أن السفر عبر هذه الأنفاق النظرية سيظل على الأرجح خيالًا علميًا، وبالتأكيد لا يوجد دليل قوي على أن الثقب الأسود يمكن أن يسمح بمثل هذا المرور. وهناك فرضية أخرى أكثر إدهاشاً وثورية.

ثقوب السوداء: بوابات للثقوب البيضاءTrous noirs des passerelles vers des trous blancs

إذا أدت الثقوب السوداء إلى مجرات أو أكوان أخرى، فقد تكون عكسها تمامًا في نهاية النفق،من الجهة الأخرى المقابلة، على سبيل المثال ، الثقوب البيضاء ، وهي نظرية طرحها عالم الكونيات الروسي إيغور نوفيكوف Igor Novikov في عام 1964. اقترح نوفيكوف أن الثقب الأسود مرتبط بثقب أبيض كان موجودًا في الماضي. على عكس الثقب الأسود، يسمح الثقب الأبيض للضوء والمادة بالخروج، لكن الأخير لا يمكنه الدخول.

واصل الفيزيائيون استكشاف الصلة المحتملة بين الثقوب السوداء والثقوب البيضاء. أكد الفيزيائيان كارلو روفيلي وهال إم هاغارد Carlo Rovelli et Hal M. Haggard في دراستهما لعام 2014 المنشورة في مجلة Physical Review D، أن "هناك مقياسًا كلاسيكيًا يرضي معادلات أينشتاين خارج منطقة زمكان محدودة حيث تنهار المادة في ثقب أسود ثم تنبثق من ثقب أبيض ". بعبارة أخرى، يمكن رفض المادة التي تمتصها الثقوب السوداء، ويمكن أن تتحول الثقوب السوداء نفسها إلى ثقوب بيضاء عندما تموت.

بعيدًا عن تدمير المعلومات التي يمتصها، سيتم إيقاف انهيار الثقب الأسود. بدلاً من ذلك، سيخضع لارتداد كمومي، مما يسمح للمعلومات بالهروب. إذا كان الأمر كذلك، فسوف يدعم اقتراحًا قدمه عالم الكونيات والفيزياء النظرية السابق بجامعة كامبريدج ستيفن هوكينغ، الذي استكشف في السبعينيات احتمال أن تصدر الثقوب السوداء جسيمات وإشعاعات إلى سلسلة التقلبات الكمومية على حافة أفقها.

حسب هوكينغ أن الإشعاع سيؤدي إلى فقدان الثقب الأسود للطاقة ، والتقلص ، والاختفاء ، كما هو موضح في بحثه عام 1976 المنشور في مجلة Physical Review D. استنادًا إلى ادعاءاته بأن الإشعاع المنبعث عشوائي و لا يحتوي على معلومات حول ما تم امتصاصه ، فالثقب الأسود ، أثناء تبخره ، سيمحو جميع المعلومات الواردة.

transition trou noir trou blanc gravité quantique boucles

انطباع الفنان عن الانتقال بين الثقب الأسود والثقب الأبيض. باستخدام الجاذبية الكمومية الحلقية gravité quantique à boucles ، أظهر أشتيكار وأولميدو وسينغ Ashtekar, Olmedo et Singh أن الثقوب السوداء تتطور إلى ثقوب بيضاء. المصدر: F. Vidotto

هذا يعني أن فكرة هوكينغ كانت على خلاف مع ميكانيكا الكموم بحيث لا يمكن تدمير المعلومات. أدت فكرة هوكينغ إلى "مفارقة معلومات الثقب الأسود" وقد حيرت العلماء لفترة طويلة. قال البعض إن هوكينغ كان ببساطة مخطئًا، بل إن الرجل نفسه قال إنه ارتكب خطأ في مؤتمر علمي في دبلن عام 2004.

في دراستهم لعام 2013 المنشورة في مجلة Physical Review Letters، طبق خورخي بولين Jorge Pullin  من جامعة ولاية لويزيانا ورودولفو جامبيني Jorge Pullin من جامعة جمهورية مونتيفيديو في أوروغواي الجاذبية الكمومية الحلقية على ثقب أسود ووجدوا ديناميكية جاذبية متماسكة مع وجود مخرج للمادة. أعطت النتائج مصداقية إضافية لفكرة عمل الثقوب السوداء كجسور في الزمكان. في هذه الدراسة، لا توجد التفردات أو الفرادات، لذا فهي لا تشكل حاجزًا منيعًا ينتهي به الأمر إلى سحق كل شيء يواجهه. كما يعني أن المعلومات لا تختفي.

ومع ذلك، يعتقد الفيزيائيون أحمد المهيري ودونالد مارولف وجوزيف بولشينسكي وجيمس سولي Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski et James Sully أن هوكينغ كان على حق. لقد عملوا على نظرية تعرف باسم جدار الحماية AMPS pare-feu ، أو فرضية جدار حماية الثقب الأسود. وفقًا لحساباتهم، يمكن لميكانيكا الكموم أن تحول أفق الحدث إلى جدار ضخم من النار وأي شيء يلامسه سيحترق في لحظة. بهذا المعنى، لا تقود الثقوب السوداء إلى أي مكان، لأنه لا شيء يمكنه ولوجها. وقد يكون الكون الفركتلي الصغير موجودًا في الثقوب السوداء المشحونة افتراضيًا، سنتناول ذلك بالتفصيل لاحقاً.

إلا أن هذا، مع ذلك، ينتهك نظرية النسبية العامة لأينشتاين. يجب ألا يشعر الشخص الذي يعبر أفق الحدث بأي تأثيرات معينة، لأنه سيكون في حالة سقوط حر، ووفقًا لمبدأ التكافؤ، لن يشعر هذا الشخص بالتأثيرات القصوى للجاذبية. وحتى لو لم تنتهك النسبية العامة، فإن هذه الفرضية تتعارض مع نظرية المجال الكمومي la théorie quantique des champs. لقد ذهب هوكينغ إلى حد القول إن الثقوب السوداء قد لا تكون موجودة أصلاً. وكتب بهذا الصدد: "يجب إعادة تعريف الثقوب السوداء على أنها حالات مرتبطة ثابتة في مجال الجاذبية". لن يكون هناك تفرد أو فرادة، وبينما يتحرك الحقل الظاهر إلى الداخل بسبب الجاذبية، فإنه لن يصل أبدًا إلى المركز، وبالتالي لا يشكل أبدًا فرادة.

بعض الثقوب السوداء فائقة الكتلة هي في الواقع ثقوب دودية:

يفترض علماء الفلك الفلكيون الروس أن بعض الثقوب السوداء الفائقة الكتلة هي في الواقع ثقوب دودية، وهي أجسام افتراضية تعمل كجسر بين نقطتين في الكون. إذا كانت هذه الاختصارات الكونية عبر المكان والزمان موجودة، فيمكنها يومًا ما أن تسمح بالسفر بين النجوم والسفر عبر الزمن، حسبما أفاد موقع Vice في 6 أكتوبر. يمكن أن تؤكد الدراسة التي نشرها علماء الفلك الفلكيون في مرصد بولكوفو de l’ob­ser­va­toire de Poul­kovo في سانت بطرسبرغ التنبؤات التي قدمها أينشتاين في 1935 في الإطار العريض لنظريته عن النسبية العامة - في السنوات الأخيرة، المزيد والمزيد من الاكتشافات الفلكية تؤكد تجريبيًا ما كان يتخيله في بداية القرن العشرين بما في ذلك وجود الثقوب السوداء.

يشير علماء الفيزياء الفلكية الروس إلى أن سفينة فضائية ربما يكون بوسعها أن تمر عبر أحد هذه الثقوب الدودية يمكن أن تنقل المسافرين عبر الزمن. وأوضحوا أن "إحدى النتائج الرائعة لوجود هذا النوع من الثقوب الدودية هي أنها في الواقع آلات طبيعية للسفر عبر الزمن" ، كما شرح ميخائيل بيوترويفيتش Mikhail Piotro­vich ، المؤلف المشارك في الدراسة.

يتابع الباحث: "الثقوب الدودية التي نتحدث عنها هي ثقوب دودية يمكن عبورها، وهذا يعني أنه من الناحية النظرية، يمكن للسفن الفضائية السفر الإبحار عبرها". "لكن بالطبع، عليك أن تفهم أننا لا نعرف سوى القليل جدًا عن البنية الداخلية للثقوب الدودية، ولا نعرف حتى على وجه اليقين ما إذا كانت موجودة. "

حتى لو كانت موجودة، فإن الثقوب السوداء الخارقة التي يتحدث عنها الباحثون هي تلك الموجودة في المجرات النشطة، مع نواة تنبعث منها أشعة نشطة قوية.. إن الثقوب السوداء العملاقة في مركز هذه المجرات هي في الواقع "أفواه" الثقوب الدودية التي يمكن عبورها. لكن أقربها يبعد ملايين السنين الضوئية من مجرة ​​درب التبانة، والتي يُقال إن ثقبها الأسود الهائل هو مجرد ثقب أسود. محبط أم مطمئن؟

تم الكشف عن فرضية (عمرها 50 عامًا بالفعل) تتنبأ بوجود أجسام تسمى GEODEs (الكائنات العامة للطاقة المظلمة) من خلال تصحيح مقترح للنظريات التي نستخدمها لنمذجة كيف كيف يتوسع الون المرئي.

إذا كانت هذه النسخة الجديدة من النموذج الكوسمولوجي الكلاسيكي صحيحة، فهذا يعني أن بعض الثقوب السوداء قد تحتوي بشكل جيد على نوى من الطاقة المظلمة النقية، مما يتسبب في توسع الكون واستدامته.

تعاون عالم الفيزياء الفلكية في جامعة هاواي كيفن كروكر وعالم الرياضيات جويل وينر لإبراز أن كمية البيانات، بالنسبة إلى حجم ونمو الكون المرئي بشكل عام، ضعيفة جدا. وبالتالي، في نفس الوقت، يحتمل أن تكون غير ذات صلة.

قال كروكر: "لمدة 80 عامًا، كنا نميل بشكل عام إلى الاعتقاد بأن الكون لم يتأثر بعناصر معينة في منطقة صغيرة". "ولكن من الواضح الآن أن النسبية العامة يمكن أن تربط بشكل ملحوظ النجوم المنهارة (مناطق بحجم هونولولو) بسلوك الكون ككل، والذي يزيد حجمه عن مليار مرة.".

كائنات مثل Powehi ، وهو جسم مدمج فائق الكتلة تم تصويره مؤخرًا في مركز المجرة M87 ، يمكن أن يكون في الواقع GEODEs. تم تصوير GEODE Powehi، الموضح هنا بالتفصيل (الصندوق الأخضر) ، بواسطة تلسكوب Event Horizon. المنطقة التي تحتوي على الطاقة المظلمة مصورة هنا باللون الأخضر (في المربع). تعتمد خصائص أي قشرة (أرجوانية)، إن وجدت، على نموذج GEODE. الائتمان: EHT / NASA / CXC / جامعة فيلانوفا

قد لا يؤدي هذا التفسير البديل للفيزياء الأساسية فقط إلى تغيير فهمنا لتوسع الكون، ولكن قد نحتاج أيضًا إلى إعادة التفكير في كيفية تأثير هذا التوسع على الأشياء المحيطة في الكون، مثل نوى النجوم المنهارة.

حقيقة أن الفضاء كان يتوسع باطراد لمدة 13.8 مليار سنة هي الآن سمة مقبولة على نطاق واسع للكون. مجموعة المعادلات التي نستخدمها لوصف هذا التوسع وضعها الفيزيائي الروسي ألكسندر فريدمان على الورق منذ أكثر من قرن بقليل. قدمت هذه المعادلات حلاً لنظرية النسبية العامة لأينشتاين، والتي تدعم الآن نموذجنا العالمي المعياري لعلم الكونيات.

ومع ذلك، على الرغم من أن معادلات فريدمان كانت مفيدة للغاية، إلا أنها تستند إلى افتراض أن كل المادة في الفضاء المتسع لها تركيبة مماثلة، وبالتالي تتوسع بشكل منصف عبر lلكون. هذا يعني أننا نميل إلى تجاهل مدارات النجوم والمجرات، تمامًا كما قد لا ندرج البط في الديناميكا المائية للبحيرة، على سبيل المثال.

ومع ذلك، يتساءل كروكر ووينر عما يمكن أن يحدث للمساحة والأشياء الموجودة داخلها إذا قمنا بإجراء بعض التغييرات المعقولة على البيانات التي تغذي هذه الافتراضات. والعواقب ليست تافهة! في الواقع، وفقًا لنموذجهم المناسب، يمكن أن تؤثر مساهمات البط (المجازية) بشكل جيد على مياه البحيرة بعد كل شيء ... علاوة على ذلك، فإن توسع البحيرة قد يتسبب في فقدهم أو اكتسابهم الطاقة اعتمادًا على نوعهم.

من الناحية النظرية، قد يتضمن هذا التفسير مراعاة نمو الكون عند وصف ظواهر معينة، مثل موت نجم على سبيل المثال.

في عام 1966، تساءل الفيزيائي الروسي، إيراست جلينر، كيف ستبدو بعض الكثافات في الفضاء (بالقرب من الانفجار العظيم ومن ناحية النسبية)، مثل الفراغ الذي يمكنه مواجهة تأثيرات الجاذبية.. بدا حله وكأنه ثقب أسود عند النظر إليه من الخارج. باستثناء الداخل، كانت فقاعة الطاقة تنتشر ضد الكون المحيط.

بعد نصف قرن، شرع علماء الفيزياء الفلكية أخيرًا في البحث عن قوة الدفع هذه. اليوم نسمي هذه الطاقة غير الموصوفة "الطاقة المظلمة" أو "الطاقة المظلمة"، لكن هل يمكن أن يكون جيب غلينر النسبي من العدم هو مصدر التوسع المتسارع لكوننا؟

وفقًا لعمل كروكر ووينر ، إذا كان هناك عدد قليل من النجوم القديمة تم انهيارها لتوليد GEODEs (بدلاً من الافتراضات الأكثر نموذجية والمقبولة اليوم) ، فإن متوسط ​​تأثيرها على توسيع الفضاء سيبدو مثل الطاقة المظلمة.

لكن العلماء ذهبوا إلى أبعد من ذلك، حيث طبقوا نموذجهم المصحح على أول اكتشاف ورصد لموجات الجاذبية (نتيجة تصادم الثقوب السوداء) التي تم قياسها بواسطة LIGO. من أجل تطابق الحسابات، افترض الباحثون أن النجوم التي شكلت الثقوب السوداء المنصهرة شكلت نفسها في بيئة منخفضة المعادن، مما يجعلها نادرة.

من الناحية التكنيكية الفنية، يجب أن تتطور طاقة GEODE بالتوازي مع نمو الكون، وضغط نفسه بكفاءة باعتباره المكافئ الكوني لـ "الانزياح الأزرق" (وهو التأثير المعاكس للانزياح الأحمر، يحدث عندما تصبح المسافة بين مصدر الضوء والمراقب أصغر وأصغر).

"نتوقع العديد من النتائج الأخرى لمراقبة سيناريو في GEODEs ، بما في ذلك طرق عديدة لاستبعاده! لقد بدأنا بالكاد في خدش السطح ".

في وقت سابق في فبراير – شباط سنة 2016 ، حقق علماء الفلك اكتشافًا تاريخيًا: بعد ما يقرب من 100 عام من تنبؤات ألبرت أينشتاين ، نجح الباحثون في اكتشاف موجات الجاذبية. تم الكشف عن هذه التذبذبات في انحناء الزمكان من خلال إشعاعها المنبعث من اندماج ثقبين أسودين.

كان ذلك، بطريقة ما، تأكيدًا لنظرية النسبية العامة لأينشتاين، لكن اكتشافًا غير متوقع اقترح للتو حقيقة أن نظريته تفشل في تفسير أفق الحدث للثقوب السوداء. في الواقع، منذ فبراير، تمكن مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) من تحليل ما مجموعه ثلاث ظواهر لموجات الجاذبية.

لكن الآن بعد أن تمكن الباحثون من تحليل البيانات بدقة، زعموا أنهم وجدوا آثارًا لصدى في موجات الجاذبية التي تتحدى توقعات أينشتاين.

تم نشر هذه المطالبات الجديدة على ArXiv.org ، حيث يمكن النظر فيها من قبل بقية المجتمع العلمي وكذلك الجمهور ، قبل إخضاعها لمراجعات الأقران. تظهر الحسابات الأولية أن هامش الخطأ هو 5 سيغما، مما يعني في عالم الفيزياء أن هناك فرصة واحدة من كل 3.5 مليون تكون النتيجة بسبب الصدفة.

إذا أظهر بحث جديد أن هذه الأصداء موجودة بالفعل، فسيكون هذا اكتشافًا ذا أهمية كبيرة للفيزياء. قال ستيف جيدينجز، الباحث في الثقوب السوداء بجامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا، والذي لم يشارك في الدراسة: "إن اكتشافات مرصد ليغو تمثل فرصة مثيرة للتحقيق في نظام فيزيائي جديد".

من ناحية أخرى، إذا اختفت الأصداء، فإن نظرية النسبية العامة كانت ستجتاز اختبارًا إضافيًا. في الواقع، حاول الفيزيائيون في جميع أنحاء العالم منذ عقود خلق ثغرات في نظرية أينشتاين، في محاولة لإيجاد طرق قد لا تكون متوافقة مع النتائج الحالية، ولكن حتى الآن لطالما ازدهرت النسخة الأصلية لأينشتاين.

مما تتكون هذه الأصداء وما علاقتها بالنسبية العامة؟ يجب أن نشير إلى مفارقة المعلومات. مفارقة المعلومات هي مفارقة أبرزها ستيفن هوكينغ في عام 1976، حيث عارض قوانين ميكانيكا الكموم لقوانين النسبية العامة. في الواقع، تشير النسبية العامة إلى أن المعلومات يمكن أن تختفي بشكل أساسي في الثقب الأسود. يشير فقدان المعلومات هذا إلى عدم قابلية الانعكاس (يمكن أن تأتي الحالة نفسها من عدة حالات مختلفة) وتطور غير موحد للحالات الكمومية، وهو بالتالي في تناقض جوهري مع افتراضات ميكانيكا الكموم.

وفقًا للنظرية النسبية العامة لأينشتاين، يجب أن يختفي كل شيء يعبر أفق حدث الثقب الأسود دون ترك أي أثر. حتى الضوء لا يمكن أن يفلت منه. لكن في الآونة الأخيرة، طعن الباحثون في هذه الفكرة لأنه وفقًا لميكانيكا الكموم، فإن المادة التي تم التقاطها بواسطة الثقب الأسود ستظل تترك آثارًا لنفسها خارجها. إذن كيف يمكن لأفق الحدث أن يرضي كلاً من النسبية العامة (وبالتالي فإن كل ما يعبر هذه الحدود سيتم تدميره تمامًا) وميكانيكا الكموم (حيث ستبقى الآثار)؟ هذه واحدة من أكبر المشاكل في الفيزياء، ولا أحد لديه إجابة حتى الآن.

أحد التفسيرات المقترحة في عام 2012 هو فرضية جدار النار. يشير الأخير إلى وجود حلقة من الجسيمات عالية الطاقة حول أفق حدث الثقب الأسود، وبالتالي تمتلك كثافة طاقة عالية، والتي تحرق حرفياً أي مادة تمر عبرها. لكن الفيزيائي ستيفن هوكينغ يعتقد أن الأمر مختلف: يقال إن الثقوب السوداء محاطة بـ "شعر" ناعم. هذه "الشعيرات" عبارة عن إثارة كمومية منخفضة الطاقة، والتي تخزن نمطًا مميزًا لكل ما تم امتصاصه في الثقب الأسود.

أيًا كانت الفرضية التي تصدمك أكثر من غيرها، فإن الرسالة هي نفسها: فبدلاً من امتلاك أفق الحدث الخاص بها (الذي تنبأ به النسبية العامة)، قد تكون الثقوب السوداء ومحيطها أكثر ازدحامًا منا. كانت المشكلة، أنه لم يكن لدينا طريقة لاختبار هذه الفرضيات، حتى اكتشف LIGO موجات الجاذبية هذه في وقت سابق من عام 2015.

الآن، مع توفر أحدث البيانات، توصل فريق من الباحثين الدوليين إلى طريقة لقياس ما يحدث حول الثقوب السوداء: إذا كانت حافة الثقوب السوداء تتحدى النسبية العامة، فيجب أن تكون سلسلة من الأصداء. المنبعثة أثناء انتشار موجات الجاذبية الأولى. يتنبأ الفريق بأن الضبابية حول الثقب الأسود ستعمل كغرفة مليئة بالمرايا، محاصرة بعض موجات الجاذبية التي تفلت من اندماج الثقوب السوداء وترتدها مرة أخرى (بحيث لا يتمكن سوى عدد قليل من الهروب منها. في كل مرة)، مما يعني أنهم سيصطدمون بـ LIGO بعد ذلك بقليل.

وفقًا لحسابات الفريق، كان من الممكن أن يكتشف LIGO هذه الأصداء عند 0.1 و 0.2 و 0.3 ثانية بعد اكتشاف موجة الجاذبية الأولية وهذا بالضبط ما تظهره البيانات. الشيء نفسه ينطبق على الأحداث الثلاثة التي لاحظها LIGO. بالطبع، ثلاثة أحداث موجات ثقالية لا تمثل عينة كبيرة: هناك احتمال أن تكون هذه الأصداء مجرد نوع واحد من ضوضاء الخلفية الإشعاعية الميكروية، فرصة واحدة من كل 270 (2.9 سيغما) لتكون دقيقة، ولكن يجب أن تساعد الملاحظات الإضافية في تقليل هذه الفرص. قال نيايش أفشوردي: "الشيء الإيجابي هو أنه سيكون لدينا بيانات جديدة من LIGO استنادًا إلى الحساسية المحسنة ويجب أن نكون قادرين على تأكيد ذلك أو استبعاده خلال العامين المقبلين". ، جامعة واترلو (كندا).

حتى لو تأكدت الأصداء، ما زلنا لا نعرف كيف ولماذا تظهر. إنهم لا يعطون أي معلومات عن نوع الحدود التي قد تكون للثقوب السوداء. لذلك لا يزال هناك الكثير لاكتشافه من أجل فهم مفارقة المعلومات بشكل كامل. في كلتا الحالتين، يظل اختبار فرضيات كهذه، المقبولة على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم، جزءًا أساسيًا من الفيزياء. سوف نتعلم المزيد عندما يتم إجراء المزيد من الأبحاث حول هذا الموضوع.

 

.......................

المصادر: arXiv.org، Physics.org، Nature

التفردات والثقب الدودي والسفر

رسم بياني يظهر تذبذبات جوزيفسون في نظام التوصيل الفائق. نفس التذبذبات ستؤثر على الزمكان في الثقوب السوداء المشحونة. ائتمانات: Sean A. Hartnoll et al. 2020

العالم لفيزيائي Wolfgang Pauli، أحد الرواد لأوائل لفيزياء ميكانيكا الكم ، من أهم ما قدمه هو مبدأ باولي للاستبعاد، ذلك عام 1925، بعد أن استغرق في إعداده حوالي 15 عام تقريبًا.

ينص هذا المبدأ على “أنه لا يمكن لاثنين من الفيرميونات مثل الإكترونات، أن يحتلا نفس الحالة الكمومية في نفس الوقت، في عام 1945 استلم باولي جائزة نوبل في الفيزياء

الثقوب السوداء هي أشياء رائعة. على سبيل المثال، تحدث أحداث تدمير المد والجزر عندما يقترب نجم من الثقب الأسود لدرجة أنه يتعرض لقوى المد والجاذبية. هذه تؤدي إلى تدمير تدريجي للنجم، والذي ينبعث منه بعد ذلك إشعاع كهرومغناطيسي يمكن اكتشافه. ائتمانات: NASA / CXC / M. وايس

المصادر: المجلة الفلكية ، PhysOrg

أصداء موجات الجاذبية يمكن أن "تبطل" نظرية النسبية العامة لأينشتاين!

- انطباع الفنان عن نجم كوازار يحيط بثقب أسود هائل. على الرغم من أنه لا يمكن لأي شيء "يسقط" في الثقب الأسود الهروب، فإن جاذبيته الشديدة تولد تكوين قرص تراكم من جسيمات الضوء والغازات التي تحيط به. الائتمان: يوشيكي ماتسوكا

 

جواد بشارةترجمة وإعداد د. جواد بشارة

الثقوب السوداء والثقوب الدودية وفرضية السفر عبر الزمن

درس المؤلفون ثقبًا أسود مشحونًا كهربائيًا محاطًا بنوع معين من الفضاء، يُعرف باسم "الفضاء المضاد دي سيتر". بدون التعمق في الموضوع، هذا النوع من الفضاء له انحناء هندسي سلبي ثابت، مثل سرج الحصان، والذي نعرف أنه ليس وصفًا جيدًا لكوننا. (سيكون للكون المضاد دي سيتر ثابت كوني سلبي، مما يعني أن كل المادة تميل إلى التكثف في ثقب أسود، مقارنة بالتوسع المتسارع الذي نراه في كوننا).

نحو فهم أفضل للظواهر الفيزيائية لكوننا:

حتى لو لم تتناسب مع كوننا المرئي، فقد اتضح أن هذه الثقوب السوداء الغريبة لا تزال تحتوي على بعض الهياكل المعقدة بشكل مدهش والتي تستحق الاستكشاف. أحد الأسباب التي تجعل هذا الاستكشاف مرحبًا به هو أن الثقوب السوداء المشحونة تشترك في العديد من أوجه التشابه مع الثقوب السوداء الدوارة، الموجودة في كوننا المرئي، لكن الثقوب السوداء المشحونة يسهل إدارتها رياضياتياً. لذلك، من خلال دراسة الثقوب السوداء المشحونة، يمكننا الحصول على معلومات حول دوران الثقوب السوداء في العالم الحقيقي. بالإضافة إلى ذلك، وجد علماء الفيزياء أنه عندما تصبح هذه الثقوب السوداء باردة نسبيًا، فإنها تخلق "ضبابًا" من الحقول الكمومية حول أسطحها. يلتصق هذا الضباب بالسطح، مرسومًا إلى الداخل بفعل جاذبية الثقب الأسود نفسه، لكنه يدفع للخارج بفعل التنافر الكهربائي من نفس الثقب الأسود.

يُعرف أيضًا ضباب المجال الكمومي المستقر الذي يعمل على السطح باسم الموصل الفائق. الموصلات الفائقة لها تطبيقات في العالم الحقيقي، لذا فإن رؤية الدور الذي تلعبه الموصلات الفائقة في هذه السيناريوهات الغريبة يساعدنا على فهم هياكلها الرياضياتية، والتي يمكن أن تؤدي إلى معرفة جديدة باستخدام تطبيقات العالم الحقيقي. في دراسة نُشرت على موقع arXiv preprint ، استخدم فريق من الباحثين بالتالي لغة الموصلية الفائقة لاكتشاف ما يكمن تحت سطح هذه الثقوب السوداء الافتراضية.

ثقب دودي مركزي غير سالك:

الثقوب السوداء المشحونة لها هيكل داخلي غريب نوعًا ما. أولاً، ما وراء أفق الحدث هو الأفق الداخلي، وهي منطقة ذات طاقات كمومية مكثفة. أبعد من ذلك، هناك ثقب دودي، جسر إلى ثقب أبيض في قسم آخر من الكون (على الأقل، وفقًا للرياضيات).

لا نعرف حقًا ما إذا كانت مثل هذه الثقوب الدودية موجودة بالفعل، لأن رياضيات الثقوب السوداء المشحونة تضعف في الأفق الداخلي، ولا يمكن تعلم أي شيء آخر حتى نطور فيزياء جديدة. لحسن الحظ، تتجنب الثقوب السوداء المشحونة والمحاطة بفضاء مضاد دي سيتر، هذه المشكلة، والذي سنسميه الآن الثقوب السوداء فائقة التوصيل.

الخبر السار هو أن الأفق الداخلي للثقب الأسود فائق التوصيل ينهار، مما يسمح بالمرور خلاله بسلاسة دون أن تكون "سباغيتي" كما هو الحال في الثقب الأسود العادي. الأخبار السيئة هي أن الثقب الدودي الموجود داخل الثقب الأسود فائق التوصيل يتمزق أيضًا، لذا لا يمكنك استخدامه للسفر.

زمكان فوضوي وكون فركتلي univers fractal:

لكن هذا لا يعني أنه لا يوجد شيء مثير للاهتمام يحدث داخل الأفق الداخلي، يتألق الجزء الداخلي من الثقب الأسود فائق التوصيل قليلاً. عادة، يمكن للجسيمات الموجودة في الموصل الفائق الفعلي أن تتأرجح، مما يدعم الموجات التي تتأرجح في تأثير يُعرف باسم اهتزازات جوزيفسون. وفي أعماق هذه الثقوب السوداء، يهتز الفضاء ذهابًا وإيابًا. إذا وقع فيه المرء جسديًا، فسيخضع لامتداد فوضى شديدة.

رسم بياني يظهر تذبذبات جوزيفسون في نظام التوصيل الفائق. نفس التذبذبات ستؤثر على الزمكان في الثقوب السوداء المشحونة. ائتمانات: Sean A. Hartnoll et al. 2020

graphique oscillations Josephson supraconducteur

ولكن بمجرد أن تتخطى اهتزاز الزمكان، فإن ما يأتي بعد ذلك سيكون مفاجئًا حقًا. وجد الباحثون أن المناطق الأعمق من الثقب الأسود فائق التوصيل يمكن أن تتميز بكون مصغر متوسع، وهو مكان يمكن أن يمتد فيه الفضاء ويلتوي بسرعات مختلفة في اتجاهات مختلفة.

بالإضافة إلى ذلك، اعتمادًا على درجة حرارة الثقب الأسود، يمكن لبعض مناطق الفضاء هذه إطلاق دورة جديدة من الاهتزازات، والتي تخلق بعد ذلك مساحة جديدة متوسعة من الفضاء، وما إلى ذلك، على نطاقات أصغر باستمرار.

سيكون كونًا فركتليًا صغيرًا، يعيد نفسه إلى ما لا نهاية، من المقاييس الأكبر إلى الأصغر. من المستحيل وصف ما سيكون عليه السير في مثل هذا المشهد الطبيعي، لكنه بالتأكيد سيكون غريبًا جدًا. في قلب هذه الفركتلة الغامضة والفوضى العشوائية أو الفوضوية يكمن التفرد أو الفرادة singularité: نقطة الكثافة اللانهائية، المكان الذي توجد فيه كل قطعة من المادة سقطت في الثقب الأسود.

في العام الماضي، كشف تعاون تلسكوب أفق الحدث Event Horizon Telescope (EHT) عن أول تصور فلكي لثقب أسود فائق الكتلة: M87 *. دفعت هذه الصورة المذهلة بعض علماء الفيزياء الفلكية إلى دراسة الرؤية بمزيد من التفصيل ومقارنتها بالأجسام الكونية النظرية الأخرى. هذا هو الحال بشكل خاص مع النجوم البوزونية، أي الأجسام المدمجة المكونة من البوزونات ولها خصائص فيزيائية معينة. من خلال محاكاة ديناميكيات نجوم البوزون، أظهر فريق من الباحثين أنها تشبه الثقوب السوداء من نواح كثيرة. تشير هذه النتائج الجديدة إلى أنه إذا تم تأكيد وجود هذه الأجسام الكونية، فإن نجوم البوزون يمكن أن تسكن الكون تمامًا مثل الثقوب السوداء.

طرح فريق بقيادة عالم الفيزياء الفلكية هيكتور أوليفاريس من جامعة رادبود في هولندا وجامعة غوته في ألمانيا السؤال التالي: كيف نعرف أن M87 * عبارة عن ثقب أسود؟ يقول أوليفاريس: "بينما تتوافق الصورة مع توقعاتنا لما سيبدو عليه الثقب الأسود، من المهم التأكد من أن ما نراه هو حقًا ما نفكر فيه".

"مثل الثقوب السوداء، تنبأت النسبية العامة بالنجوم البوزونية، وهي قادرة على النمو إلى ملايين الكتل الشمسية وتحقيق ضغط عالٍ جدًا. حقيقة أنها تشترك في هذه الخصائص مع الثقوب السوداء فائقة الكتلة دفعت بعض العلماء إلى اقتراح أن بعض الأجسام المدمجة فائقة الكتلة الموجودة في مركز المجرات قد تكون في الواقع نجوم بوزونية  d’étoiles à bosons.

النجوم البوزونية: أجسام مضغوطة ذات خصائص خاصة:

في مقال نُشر في مجلة MNRAS، قام أوليفاريس Olivares  وفريقه بحساب الشكل الذي قد يبدو عليه نجم بوزون لأحد تلسكوباتنا وكيف سيختلف عن الصورة المباشرة لثقب أسود متزايد. النجوم البوزونية هي من أغرب الأشياء النظرية. لا تبدو مثل النجوم التقليدية ظاهرة لعيان سهولة ولكن حيث تتكون النجوم في الغالب من جسيمات تسمى الفرميونات - الإلكترونات والكواركات وما إلى ذلك. -، ستتكون نجوم البوزونات بالكامل من ... البوزونات. تخضع الفرميونات لمبدأ استبعاد باولي *، مما يعني أنه لا يمكنك الحصول على جسيمين متطابقين يشغلان نفس المساحة. ومع ذلك، يمكن تكديس البوزونات؛ عندما يجتمعون، فإنهم يعملون كجسيم واحد كبير أو موجة من المادة. تم إثبات ذلك بشكل تجريبي باستخدام مكثفات بوز-آينشتاين.

في حالة النجوم البوزونية، يمكن أن تتراكم الجسيمات في فضاء يمكن وصفه بقيم مميزة، أو نقاط على مقياس. بالنظر إلى النوع الصحيح من البوزونات في الترتيبات الصحيحة، يمكن أن يشكل هذا "الحقل القياسي" ترتيبًا مستقرًا نسبيًا. على الأقل هذه هي النظرية. لم يتم رصد البوزونات ذات الكتلة اللازمة لتشكيل مثل هذا الهيكل، ناهيك عن كتلة الثقب الأسود الهائل (SMBH).

"من أجل تكوين بنية كبيرة مثل مرشحات SMBH ، يجب أن تكون كتلة البوزون صغيرة للغاية (أقل من 10-17 إلكترون فولت). تظهر بوزونات ذات السبين الدوار 0 وذات كتل متشابهة أو أصغر في العديد من النماذج الكونية ونظريات الأوتار، وقد تم اقتراحها كمادة مظلمة مرشحة تحت أسماء مختلفة (المادة المظلمة للحقل القياسي matière noire de champ scalaire، الآكسيونات الخفيفة للغاية axions ultralégers، المادة المظلمة الضبابية matière noire floue، المادة المظلمة لموجة الكموم matière noire d’onde quantique). قد يكون من الصعب للغاية اكتشاف مثل هذه الجسيمات الافتراضية، لكن مراقبة جسم يشبه نجم بوزون يشير إلى وجودها "، كما يقول أوليفاريس.

مظهر هيكلي مشابه لمظهر الثقوب السوداء:

لا تدمج النجوم البوزونية النوى ولا تصدر أي إشعاع. على عكس الثقوب السوداء، يقال إنها شفافة - ليس لديها سطح ماص يوقف الفوتونات أو أفق الحدث. يمكن للفوتونات الهروب من نجوم البوزونات، على الرغم من أن مسارها قد ينحرف قليلاً عن طريق الجاذبية.

accretion magnitude trou noir etoile bosons

رسم بياني يقارن معدل التراكم (أ) والقدر المطلق (ب) لثقب أسود دوار (أحمر) ، النوع أ (أسود) ونوع ب (أزرق) نجم بوزون. ائتمانات: هيكتور أوليفاريس وآخرون. 2020

لكن يمكن أن تُحاط بعض نجوم البوزونات بحلقة دوارة من البلازما - تشبه إلى حد كبير قرص التراكم الذي يحيط بالثقب الأسود. أجرى أوليفاريس وفريقه محاكاة لديناميكيات حلقات البلازما هذه، وقارنوها بما قد نتوقع رؤيته من ثقب أسود. "تكوين البلازما الذي نستخدمه لا يتم اختياره عشوائيًا، ولكنه ينتج من محاكاة ديناميكيات البلازما. هذا يسمح للبلازما بالتطور بمرور الوقت وتشكيل هياكل كما لو كانت في الطبيعة، كما "يقول أوليفاريس.

وبهذه الطريقة، يمكننا ربط حجم المنطقة المظلمة في صور نجم البوزون (الذي يحاكي ظل الثقب الأسود) بنصف القطر حيث يتوقف عدم استقرار البلازما عن العمل. بدوره، هذا يعني أن حجم المنطقة المظلمة ليس عشوائيًا - فهو يعتمد على خصائص الزمكان لنجم البوزون - ويسمح لنا أيضًا بالتنبؤ بحجمه بالنسبة لنجوم البوزونات الأخرى. لم نقم بمحاكاته ".

apparence trou noir etoile bosons

المظهر المحاكي لثقب أسود ثابت (أ) وثقب أسود دوار (ب) ونجم بوزون (ج). الاعتمادات:

هيكتور أوليفاريس وآخرون. 2020 سوف يتم بتأكيد أو إنكار وجود نجوم بوزونات باستخدام EHT

وجد الباحثون أن ظل نجم البوزون سيكون أصغر بكثير من ظل ثقب أسود له كتلة مماثلة. وبالتالي، يمكن استبعاد M87 * كنجم بوزون ؛ على الأقل حسب نموذج الفريق. "تتوافق كتلة M87 * المستخلصة من الديناميكيات النجمية مع التوقعات المتعلقة بحجم ظلها لحالة الثقب الأسود، وبالتالي فإن المنطقة المظلمة كبيرة جدًا بحيث لا تتوافق مع نجم بوزوني غير دوار مشابه لذلك الذي درسناه ".

لكن الفريق أخذ في الاعتبار أيضًا القدرات التقنية وقيود تلسكوب أفق الحدث، الذي قدم هذه الصورة الأولى لثقب أسود. لقد شرعوا عن عمد في تصور نتائجهم لأنهم اعتقدوا أن نجوم البوزون قد تبدو مثل تلك الموجودة على تلسكوب أفق الحدث EHT. هذا يعني أنه يمكن مقارنة نتائجهم بملاحظات EHT المستقبلية، لتحديد ما إذا كان ما نفحصه هو ثقب أسود هائل.

إذا لم يكن الأمر كذلك، بالطبع، فإن هذا لا يعني أن SMBHs غير موجودة، ولكنه سيدعم وجود النجوم البوزونية. وهذا يعني أن الحقول العددية الكونية موجودة وتلعب دورًا مهمًا في تكوين الهياكل في الكون. لا يزال نمو الثقوب السوداء فائقة الكتلة غير مفهوم جيدًا، وإذا اتضح أن بعضًا على الأقل من النجوم المرشحة هم في الواقع نجوم بوزونية، فسنحتاج إلى التفكير في آليات مختلفة لتشكيل الحقول العددية champs scalaires.

تأكيد إشعاع هاوكينغ: الثقوب السوداء ليست سوداء تمامًا!:

rayonnement hawking trou noir pas si noir

الثقوب السوداء، بحكم التعريف، هي أجرام سماوية مضغوطة للغاية بحيث تمنع قوة مجالات الجاذبية الخاصة بها أي شكل من أشكال المادة أو الإشعاع من الهروب منها. وبالتالي لا يمكنها إصدار أو عكس الضوء منه وعنها، وبالتالي فهي سوداء (غير مرئية). هذا هو أبسط تفسير للثقب الأسود. ولكن بمجرد إضافة الديناميكا الحرارية la thermodynamique والآليات الكمومية les mécanismes quantiques إلى هذا المزيج، تصبح الأمور أكثر تعقيدًا.

مع وضع كل هذه الأمور في الاعتبار، افترض الفيزيائي ستيفن هوكينغ (في عام 1974) أن الثقوب السوداء ليست سوداء في الواقع (على الأقل، ليس تمامًا): بدلاً من ذلك، فإنها تصدر إشعاعات، تفقدها الطاقة وتتراجع بمرور الوقت. ومع ذلك، فإن كمية الإشعاع صغيرة جدًا بحيث لا يمكن ملاحظتها، فكيف تختبر هذه الفكرة؟ كان البروفيسور جيف ستينهاور Jeff Steinhauer من معهد إسرائيل للتكنولوجيا هو من وجد طريقة لاختبار ذلك! في تقرير نُشر في مجلة Nature Physics، كشف عن دليل على أن إشعاع هوكينغ حقيقي.

في البداية، كان يتوجب عمل ثقب أسود في المختبر، وهو أول إنجاز بحد ذاته لأنه في المجرات، تمتلك هذه الأجسام كتل تصل إلى مليارات المرات من كتلة الشمس، وتجذب كل ما يمر بقربها أو في متناول أيديها وقبل كل شيء، تمنع المادة وحتى الضوء من الخروج منها. لحسن الحظ، ثقب التكنيون الأسود (المعهد الإسرائيلي للتكنولوجيا، حيفا Technion) هو مجرد نظير لهذه العمالقة الكونية. في الواقع، بدلاً من التقاط الضوء أو المادة، فإنها تحبس الصوت (لكن من الواضح أنها ليست غرفة عازلة للصوت بسيطة).

إنه فخ حقيقي له تردد معين أكبر بكثير من طاقة جسيمات "الصوت" (الفونونات les phonons)، والتي لا يمكنها التحرك إلا بسرعة الصوت. في أسطوانة يبلغ طولها 100 ميكرومتر، تم تبريد حوالي مليون ذرة روبيديوم من خلال الليزر، مما جعلها تقترب من الصفر المطلق (أو حوالي -273 درجة مئوية) لصنع نوع من التركيبة تشبه الدبس mélasse تسمى مكثف بوز-آينشتاين. Condensat de Bose-Einstein. الذرات تتصرف بطريقة موحدة. ثم "قسم" الموضوع إلى منطقتين. في إحداها، تمتلك الموجات الصوتية الفرصة للانتشار بشكل طبيعي في كلا الاتجاهين. من ناحية أخرى، يقول جيف ستينهاور Jeff Steinhauer ، "إنها مثل سباح يحاول سحب تيار أقوى منه". لذلك، لا يمكن للصوت الهروب، كما هو الحال في الثقب الأسود.

قد يبدو هذا الرنين بسيطًا بعض الشيء، لكنه مع ذلك نموذج ملموس ودقيق، يشير إلى شيء حقيقي للغاية. من أجل زيادة سرعة التيار بقوة على جانب واحد، يرسل الباحث طلقة ليزر في منتصف القناة، كما لو كانت تصنع شلالًا، مما يؤدي إلى تسارع السائل: تيار النهر ثم يصبح قويًا جدًا بالنسبة لـ "الأسماك" الصوتية التي ترغب في الصعود أو الخروج. النتيجة: الثقب الأسود وحدوده الرهيبة، التي تسمى أفق الحدث، وكلاهما موجود.

تم تأكيد إشعاع هوكينغ Le rayonnement de Hawking confirmé

كانت فكرة هوكينغ "ضرورية" لأنه، كما نعلم، النسبية وميكانيكا الكموم لا تعملان معًا بشكل جيد. من ناحية أخرى، فإن استخدام العناصر المختلفة التي تقترحها هاتان النظريتان ضروري لمواصلة البحث عن الثقوب السوداء وبالتالي محاولة فهمها بشكل أفضل. وفي نهاية المطاف، "الغرض من دراسة الثقوب السوداء هو معرفة المزيد عن قوانين الفيزياء الجديدة، وليس فقط الثقوب السوداء نفسها! كما يضيف ستينهاور.

في الواقع، تنبأ ستيفن هوكينغ (بالفعل في عام 1974)، بأن الإشعاع يجب أن يهرب من أفق الأحداث، وهو "هروب" حقيقي شرحه على هذا النحو: الفراغ الكوني ليس فارغًا حقًا، باستمرار، بسبب ميكانيكا الكموم، تظهر أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة، وتفنى، وتظهر، وتفنى، إلخ. إذا سقط أحد أعضاء الزوج (من الجسيمات والجسيمات المضادة) في الثقب الأسود، تاركًا الآخر حراً، فإن الجسيمات المنبعثة تشكل ما يسمى بإشعاع هوكينغ. المشكلة هي أن هذا الإشعاع ضعيف جدًا وبالتالي سيكون من الصعب جدًا مراقبته.

ما لاحظه جيف ستينهاور لمدة ستة أيام متتالية بفضل ثقبه الأسود الصغير هو أن بعض الموجات الصوتية تنبعث في وقت واحد وفي أزواج، على جانبي الأفق،"كنت سعيدًا عندما لقد رأيت هذين الاستيقاظين sillages لأنني عملت بجد، بمفردي، لشهور "، يعترف الفيزيائي. "هذه أول تجربة مقنعة لرصد إشعاع هوكينغ! إنه اختراق حقيقي.»، كما يقول إياكوبو كاروسوتو Iacopo Carusotto ، الباحث في المركز القومي الإيطالي للبحوث في ترينتو Trente. "هذا تتويج لمشروع امتد لأكثر من عشرين عامًا وتأكيدًا لتوقعات هوكينغ! يقول رينو بارنتاني Renaud Parentani ، الأستاذ في جامعة أورساي ، مشيرًا إلى مقترحات ويليام أونروه William Unruh (في عام 1981 وخاصة في عام 1995) ، والتي أطلقت السباق على الثقوب السوداء الاصطناعية.

لكن مقال مجلة فيزياء الطبيعة Nature Physics يذهب إلى أبعد من ذلك ويظهر أن هذه الارتباطات بين جانبي "الثقب الأسود" ذات طبيعة كمومية! ويضيف إياكوبو كاروسوتو، تمامًا كما هو الحال في نموذج هوكينغ ، "إنه أكثر استثنائية". يشير أولف ليونهارت Ulf Leonhardt من معهد وايزمان (إسرائيل) ، أحد الرواد في هذا المجال ، إلى أن "تاريخ هذه النظائر يظهر أن الأشياء غالبًا ما تبدو أكثر تعقيدًا مما تبدو عليه في البداية". شيء واحد مؤكد، تاريخ هذا البحث والاكتشاف لم ينته بعد. إنه يفتح الكثير من وجهات النظر، ولا سيما الأمل في فهم أفضل لهذه الأجرام السماوية المعقدة للغاية والتي هي ثقوب سوداء.

 

جواد بشارةإعداد وترجمة: د. جواد بشارة

مفتاح لمرحلة ما قبل الانفجار العظيم وتقصي مكونات الكون المرئي:

الثقوب الدودية، التعبير يجعلك تحلم، ولكن ما هي بالضبط مكانتها في العلم الحالي؟ هل يمكننا حقًا أن نأمل في السفر عبر الزمن والوصول إلى النجوم بفضلهم تمامًا مثل أبطال مسلسل بوابة النجوم Stargate أو Valérian؟ وماهي الخصائص المميزة، للثقب الدودي والسفر عبر الفضاء بين النجوم والمجرات واختراق الزمكان. زمكان مينكوفسكي، وجسر أينشتاين-روزن والثقوب الدودية وثقب ويلر-ميسنر الدودي، التفردات أو الفرادات في النسبية العامة واسطوانة Tipler، إشعاع هوكينغ، علوم ميكانيكا الكموم وتقلبات الفراغ، والسفر عبر الزمن، المصادم LHC في عام 2012: الثقوب السوداء والثقوب الدودية في المختبر؟ النسبية العامة لأينشتاين والكون حسب غوديل.

trou noir ver blanc voyage interstellaire matière exotique

يستفيد الخيال العلمي بشكل كبير من السفر عبر الزمن بالإضافة إلى مفهوم الثقوب الدودية، وهي اختصارات في الزمكان تتجاوز السرعة القصوى للسفر بين النجوم التي تفرضها قوانين النسبية الخاصة.

هل هذا شيء مستحيل، هل محكوم علينا أن نرى آلات الزمن فقط أو "بوابات النجوم" في السينما؟ وكتب الخيال العلمي؟ الهدف من هذا الملف هو فحص ما هو موثوق وما هو غير موثوق من أحدث بيانات الفيزياء النظرية الحديثة. ستكون نظرية النسبية، خاصة تلك التي تتناول الجاذبية (أي النسبية العامة لأينشتاين) ، دليلنا خلال رحلتنا إلى طبيعة المكان والزمان.

Peut-on voyager dans le temps grâce aux trous noirs ? © DR

هل يمكننا السفر عبر الزمن بفضل الثقوب السوداء؟

سنحاول أولاً معرفة ما إذا كان السفر عبر الزمن أو الفضاء من ثقب أسود أمرًا واقعيًا. حتى وقت قريب، كانت هذه هي الطريقة التي سمح بها الخيال العلمي لشخصياته بالتحرر من حدود الزمكان l'espace-temps. من أجل ذلك سيتعين علينا استكشاف جزء من النسبية التي تتعامل مع التفردات أو الفرادات des singularités. سيتبين أيضًا أن فكرة السفر عبر الزمن باستخدام التأثيرات التي تنبأت بها النسبية العامة قديمة، على الرغم من أنه لم يكن هناك، حتى منتصف الثمانينيات أية مناقشات جادة حقًا حول كيفية الذهاب في السفر باستخدام التشوهات في بنية المكان والزمان.

زمكان مينكوفسكي L'espace-temps de Minkowski:

هناك علاقات عميقة بين مفاهيم النسبية الخاصة ومفاهيم نظرية ماكسويل لورينتز الكهرومغناطيسية. تاريخيا، كان أحدهما هو أصل الآخر. نحدد المجال الكهربائي على أنه بيانات شدة هذا المجال في أي نقطة في الفضاء. لماذا؟

دعونا نعطي أنفسنا كرة صغيرة محملة في نهاية زنبرك عند نقطة في الفضاء. إذا امتد الزنبرك (أو ضغط) سيقال إن هناك قوة كهربائية موجودة. بالامتداد، إذا تمكنا من تخيل سلسلة من الأجهزة من نفس النوع في كل مكان في الفضاء، سيكون لدينا عدد لا حصر له من قيم القوة التي يمكن ممارستها على أحمال الاختبار في نهاية الزنبركات. إذا تغيرت القوى بمرور الوقت، فيمكننا إذن وصف ديناميكيات كل منهم من خلال ديناميكيات مجال القوة la dynamique d'un champ de forces، حيث يكون المجال هو توزيع القوة هذا في أي نقطة في الفضاء. وبالتالي، فإن النظرية الكهرومغناطيسية هي، في بعض النواحي، النظرية الميكانيكية المتخفية كمجموعة غير محدودة ومتواصلة من النقاط الأولية المشحونة التي تمثل حالة المجال الكهرومغناطيسي في أي نقطة في الفضاء.

transition trou noir trou blanc gravité quantique boucles

Le concept d'espace-temps:

مفهوم الزمكان

ما رآه أينشتاين هو أن هذه الميكانيكا المقنعة، المتعلقة بإمكانية انتشار موجة ضوئية، كانت متناقضة مع ميكانيكا نيوتن المعتادة. من أجل حل هذا التناقض، تم دفعه إلى التشكيك في مفاهيم الزمان والمكان في الفيزياء الكلاسيكية. لهذا يجب أن نأخذ في الاعتبار عددًا لا نهائيًا من المراقبين في كل نقطة في الفضاء وأن نمتلك، بدلاً من الجهاز الموصوف سابقًا، مسطرة وساعة وإجراء قياسات للوقت والمكان لكل حدث مادي. كل هذه الأحداث، مثل انفجار أو وصول قطار إلى محطة، حيث يتم تنسيق قيم الزمان والمكان، هو بالضبط ما يسمى الزمكان. بهذه الطريقة، ومن خلال تعديل الصلاحية العالمية لتدفق الزمن والقيم المكانية المنسوبة إلى الأحداث، يمكن للمرء حل التناقضات بين ميكانيكا نيوتن والكهرومغناطيسية لماكسويل. كان هذا على سبيل المثال هو الحال مع ثبات سرعة الضوء لجميع المراقبين، والذي أظهرته تجربة ميكلسون مورلي. هذا الثبات هو مصدر تحولات لورنتز الشهيرة transformations de Lorentz، والتي تنبع مباشرة من المطلب التالي: يجب أن يظل مجال الضوء واحدًا عند الانتقال من إطار مرجعي في حركة مستقيمة منتظمة إلى أخرىréférentiel en mouvement rectiligne uniforme à un autre.

هندسة الزمكان La géométrie de l'espace-temps:

وهكذا قادت النظرية التي تم الحصول عليها من تجربة مينكوفسكي – كلاين، إلى إدخال هندسة جديدة لأحداث العالم، وهي هندسة الزمكان. يمكن اعتبار جميع تأثيرات النسبية الخاصة لأينشتاين مشتقة من هذه الهندسة. في الواقع، تشكل هذه التحولات ما يسمى بالمجموعة un groupe   ونعلم منذ فيليكس كلاين أن مجموعة من التحولات المعطاة يجب أن تتوافق مع هندسة معينة. وفقًا لبرنامج إيرلانغين Erlangen الشهير لكلاين، يمكننا بالتالي دراسة الهندسة بعمق إذا عرفنا مجموعتها الأساسية من التحولات. بالمقابل، إذا علمنا أن المعادلات ثابتة وفقًا لمجموعة معينة، فيمكننا ترجمة محتوى هذه المعادلات هندسيًا بطريقة محددة.

تسمى النظرية العامة التي تربط بين المجموعات والأشكال الهندسية في أواخر القرن التاسع عشر بنظرية الثوابت أو اللامتغيرات théorie des invariants. لذلك كان من الطبيعي أن يستخدم مينكوفسكي مساحته بشكل منهجي لمناقشة عواقب اكتشافات أينشتاين على مجموعة القوانين التي تحكم الظواهر في المكان والزمان. لن نفاجئ القارئ المبتدئ نوعًا ما بالإشارة إلى أن نظرية الثوابت تستخدم بطريقة مركزية مفهوم الموترات de tenseurs، التي تكون نواقلها les vecteurs  حالات خاصة. على الرغم من تقديم مينكوفسكي نفسه لها، إلا أنه لن يقال الكثير عنها هنا.

ولكن من المهم أن نرى بالفعل أنه يمكننا إشراك الموجهات الرباعية quadrivecteurs   في هذه الهندسة رباعية الأبعاد géométrie quadridimensionnelle  والتي هي التعميم الطبيعي للفضاء.

Hermann Minkowski et Félix Klein ont théorisé certaines questions autour du concept d'espace-temps. © DR

وضع هيرمان مينكوفسكي وفيليكس كلاين نظرية لأسئلة معينة حول مفهوم الزمكان.

دياغرام أو مخطط الزمكان Le diagramme d'espace-temps

إحدى الطرق القوية جدًا للقيام بالنسبية هي تقديم مفهوم مخطط الزمكان.

تتعلق بهذا المفاهيم الأساسية الثلاثة التالية:

- 1 °) المقياس La métrique

وهو يحدد قيمة مربع قاعدة العداد الرباعي بين نقطتين من الزمكان. نتحدث عن فاصل زمني بين حدثين في كل نقطة من هذه النقاط ويتم التعبير عنها في إطار مرجعي معطى بواسطة:

باستخدام "المصفوفة" أدناه، المقابلة بدقة لمقياس الزمكان، يمكننا إعادة كتابة الفترة السابقة بالشكل:

منذ أينشتاين، نعتمد الاتفاقية التالية لمثل هذه التعبيرات. يشير وجود الفهارس المتكررة لأعلى ولأسفل في الواقع إلى تجميع في الفهرس بكل القيم، z. 0,1,2,3 pour t,x,y,z

نتحدث أيضًا عن موتر متري tenseur métrique لـكي نقوم من خلاله بتغيير الإطار المرجعي، للتبديل إلى الإطار ذي الترجمة المستقيمة المنتظمة بسرعة v فيما يتعلق بالثاني، يتم إعطاء قيم جديدة لإحداثيات الأحداث السابقة. ومع ذلك، فإن الفاصل الزمني الذي يحدده المقياس لا يتغير، فهو على وجه التحديد ثابت في ظل تحولات لورنتز. هي تعبيرات هذه التحولات الشهيرة (وضعنا ج = 1 on a posé c=1) يتم التعبير عنها بالشكل أعلاه أو مع- 2 °) مخروط الضوء Le cône de lumière إذا أردنا تمثيل وميض من الضوء ينبعث عند نقطة في الزمكان، ويتوافق مع مجال متسع من الضوء، فمن الملائم إزالة بُعد من الفضاء. يمكننا بعد ذلك تمثيله بواسطة مخروط كما في الرسم التخطيطي للزمكان أدناه. مع مرور الوقت، ينمو مجال الضوء وهذا يتوافق بشكل جيد مع زيادة حجم جزء من هذا المخروط.

Le cône de lumière, vu selon un observateur (observer) en un point de l'espace. Au fil du temps qui passe, la sphère de lumière grandit. Les deux cônes représentent le passé (past light cone) et le futur (future light cone) sur l'ordonnée du temps (Time). © DR

مخروط الضوء، يُرى وفقًا لمراقب (راصد) في نقطة في الفضاء. مع مرور الزمن، ينمو مجال الضوء. يمثل المخروطان الماضي (مخروط الضوء الماضي) والمستقبل (مخروط الضوء المستقبلي) على إحداثي الزمن.

كما كما ذكرنا سابقًا، يمكن للمرء تقديم حساب مع نواقل تعمم ذلك في فضاء فيزياء ما قبل النسبية. سنتحدث بعد بذلك عن الموجهات الرباعية، وأبسط مثال هو بالطبع الذي يربط بين حدثين في الزمكان وبالتالي نقطتين في فضاء مينكوفسكي.

إذا أخذنا مربع القاعدة لمثل هذا المتجه vecteur، فإننا نعود إلى الفاصل الزمني بين الزمكان. لنأخذ موقع المراقب في الرسم البياني أعلاه كأصل. اعتمادًا على ما إذا كانت النقطة الأخرى داخل مخروط الضوء أم لا، سيكون لدينا الفروق التالية:

- داخل الفاصل الزمني سالب، ويقال إنه من نوع الوقت ويتوافق مع إمكانية تأثير المراقب بطريقة أو بأخرى على ما سيحدث في المستقبل في هذه المرحلة؛ • على مخروط الضوء، يُقال أن الفاصل الزمني هو صفر ويتوافق مع إمكانية التأثير على المستقبل للمراقب عن طريق إرسال إشارة بسرعة الضوء نحو النقطة المعتبرة؛ • خارج مخروط الضوء، يكون الفاصل الزمني موجبًا ويقال إنه من النوع الفضائي. لا يمكن أن تكون هناك علاقة سبب وتأثير بين المراقب والنقطة قيد النظر لأن هذا قد ينطوي على تجاوز سرعة الضوء عند إرسال إشارة.

بشكل عام، تحتوي جميع الموجهات الرباعية على مربع معياري له قيمة تقع في الفئات الثلاث الموصوفة سابقًا. سيقال على التوالي الزمن، معدوم (أو ضوء)، الفضاء.

أخيرًا، يحدد المخروطان على التوالي المناطق الماضية والمستقبلية التي يمكن أن تكون على علاقة سببية مع المراقب.

Les deux cônes définissent respectivement les régions passées et futures pouvant être en relations causales avec l'observateur. © DR

يحدد المخروطان على التوالي المناطق الماضية والمستقبلية التي يمكن أن تكون على علاقة سببية مع المراقب.

- 3 °) التركيب السببي أو البنية السببية La structure causale

إنه مفهوم ذو أهمية قصوى بالنسبة لبقية البحث، ويمكننا حتى القول إنه يسبق فكرة المقياس عندما نريد بناء هندسة الأحداث الزمانية المكانية. لهذا، نقدم مجالًا حقيقيًا من أقماع الضوء في كل نقطة من زمكان مينكوفسكي. بالمناسبة، نتذكر أنه في الفيزياء، المجال هو ارتباط كمومية رياضياتية، مثل رقم أو ناقل، في كل نقطة في الفضاء. ومن الأمثلة المعروفة درجة الحرارة والضغط وسرعة الرياح. في الحالة الحالية، يجعل المقياس من الممكن بناء مخروط في كل نقطة من الزمكان.

Quand l'espace-temps est plat et statique, les cônes sont tous « rigidement » fixés. Extrait de Cern yellow report 91-06. © Ruth M. Williams

عندما يكون الزمكان مسطحًا وثابتًا، تكون جميع الأقماع ثابتة "بشكل صارم". مقتطف من تقرير Cern الأصفر 91-06.

يمكننا بعد ذلك إدخال الساعات والقواعد ومجموعات المنحنيات في الزمكان، أي المسارات الزمانية المكانية للأشياء الموجودة فيه. نتحدث عن التطابقات لمثل هذه المجموعة من المنحنيات عندما تكون متوازية إلى حد ما، تذكر هذا المصطلح. الضوء عبارة عن ساعة (نبضة) ومسطرة طبيعية (طول موجي) والتي من السهل قياس خصائصها بدقة، ستكون مسارات شعاع الضوء مهمة جدًا لعرض خصائص الزمكان. سيلعبون دورًا مشابهًا للدور الانسيابي في الديناميكا المائية لتفسير ظاهرة ميكانيكا الموائع.

يجري الحديث عن تطابق المنحنيات congruence de courbes   لكل من الخطوط الحالية ومسارات الفوتونات في الزمكان. إن بنية الأحداث في الزمان والمكان، وكذلك ديناميكياتها - لأننا نتعلم من النسبية العامة، هذا منحنٍ وقابل للتغيير - تتم ترجمته من خلال بيانات هذه الساعات والقواعد. حقل مخروطي حقيقي في كل نقطة من الزمكان. عندما يكون الزمكان مسطحًا وثابتًا، تكون جميع الأقماع ثابتة "بشكل صارم" (انظر الرسم البياني أعلاه). لن يكون هذا هو الحال عندما يكون الزمكان منحنيًا ويعتمد على الوقت.

ملخص نظرية الزمكان لمينكوفسكي Résumé de la théorie de l'espace-temps de Minkowski:

باختصار، تستند نظرية الزمكان عند مينكوفسكي على:

- فكرة الحدث.

- القواعد والساعات.

- مخاريط الضوء.

- فاصل الزمكان المحدد بواسطة مقياس؛

- خطوط الكون مع تطابقات المنحنيات.

إن النتيجة الأكثر إثارة لهذه الهندسة للزمكان هو تمدد الزمن الذي يتضح من مفارقة التوأم لـ لانجفان le paradoxe des jumeaux de Langevin.

هذا هو المثال المعروف لتوأمين، أحدهما يبقى على الأرض بينما يقوم الآخر برحلة ذهابًا وإيابًا بسرعة قريبة من الضوء بين الأرض ونقطة على بعد 20 سنة ضوئية على سبيل المثال. عندما يعود إلى الأرض، سيكون قد مر ما يقرب من 40 عامًا على الأرض بينما قد يكون عمره بضعة أيام فقط.

هذا ليس خيالا علميا! تم استخدام الساعات الذرية فائقة الدقة في رحلات الطائرات والصواريخ حول العالم لتأكيد صحة المبدأ (تباطؤ الزمن مع السرعة)، ولم يتم التحقق باستمرار من هذه الظاهرة فحسب، بل تم التحقق من صحة التنبؤات الدقيقة لمعادلات النسبية لأينشتاين. ناهيك عن اضمحلال الميونات muons في الأشعة الكونية أو في المسرعات التي تعيش لفترة أطول لمراقب ثابت على الأرض لأنها تتحرك بسرعة بالنسبة له. مرة أخرى، الاتفاق مع تنبؤات معادلات النسبية أمر رائع.

Muon

Un muon est un lepton. C'est la réplique de l'électron de la deuxième famille.

يعد هذا التمدد الزمني أمرًا بالغ الأهمية لأي شخص يريد أن يفهم كيف يمكن استخدام الثقب الدودي للسفر عبر الزمن على النحو الذي اقترحه كيب ثورن في أواخر الثمانينيات.

 

.................

مصادر

النسبية العامة لأينشتاين

ملف - التفردات أو الفرادات، والثقب الدودي والسفر إلى الزمكان

 

جواد بشارةl'univers cyclique 

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

التطورات الأخيرة للكون المرئي:

المقصود بالكون الدوري أو التعاقبي هو أن الكون المرئي الحالي سبقه كون آخر مر بمثل ما يمر به هو الآن وكان موجوداً قبل البغ بانغ، الانفجار العظيم للكون المرئي الحالي، والذي سوف يمضي قدماً نحو حالة من الانكماش والتقلص بعد التوسع والتضخم  لينضغط في نقطة الفرادة التي انطلق منها الانفجار العظيم وعلى نحو دوري، أي تعاقب الأكوان، هذا فيما يخص كوننا المرئي وهو ليس الوحيد الذي يمر بمثل هذه الدورات فهناك أكوان أخرى لاتعد ولاتحصى موازيه له أو مجاورة أومتداخلة معه في أبعاد أخرى، في إطار الكون التعددي الكلي المطلق الحي، الدائم التطور  والذي لابداية له ولا نهاية ولا حدود سرمدي أزلي وأبدي، يحتوي كل تلك الأكوان المتحركة التي تكون بمجملها نسيجه كجسيمات أولية على غرار الجسيمات الأولية التي تكون كوننا المرئي ولكل منه وظيفته ودوره، ولها قوانينها الخاصة وثوابتها الخاصة التي قد تتشابه وقد تختلف جوهرياً وكلياً عن قوانين وثوابت كوننا المرئي .

يعتقد روجر بنروز Roger Penrose الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء أن لديه دليل على وجود الكون قبل الانفجار العظيم!عالم الرياضيات والفيزياء روجر بنروز هو الآن جائزة نوبل في الفيزياء. ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، يعتقد أنه وجد أدلة لصالح نموذجه في "علم الكونيات الدوري المطابق cosmologie cyclique conforme ". سيكون الأخير هو وجود "نقاط هوكينغ" المرئية في الإشعاع الأحفوري، مما يدل على تبخر الثقوب السوداء الهائلة التي حدثت قبل الانفجار العظيم، في عالم كان من الممكن أنه يسبق عالمنا.

أصدر أعضاء تعاون بلانك مؤخرًا نتائج عملهم الشاق في تحليل البيانات التي تم جمعها بواسطة هذا القمر الصناعي الذي لاحظ الإشعاع الأحفوري، وهو أقدم ضوء في الكون المرئي. لقد خرج منه علم الكونيات القياسي قويًا بشكل كبير، لكن لا تزال هناك أسئلة وإمكانيات عديدة حول الكون، لا سيما حول المراحل البدائية جدًا من تاريخه، وأكثر من ذلك بكثير حول بدايته المحتملة في الزمان والمكان أو الافتراضية "قبل الانفجار العظيم".

من بين الباحثين المشاركين في هذا المسعى الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء روجر بنروز. إنه أقل شهرة من ستيفن هوكينغ، الذي درس هذا السؤال أيضًا، ولكن، بالنسبة لأولئك المطلعين على مجالات البحث لهذين العالمين العظيمين، من الممكن الاعتقاد بأن بنروز أعمق وأكثر موهبة من هوكينغ المشهور. مؤلف كتاب تاريخ موجز للزمن وكان قد اشترك معه في تأليف عدة أبحاث ودراسات وكتب.

في الواقع، كانت العديد من التقنيات الرياضياتية التي طورها بنروز لفهم النسبية العامة والثقوب السوداء وحدوث التفردات أو الفرادات des singularités  هي أصل ومرجعية بحث وعمل هوكينغ وغيره من الباحثين المشهورين. يمكن القول إن بنروز اشتهر باكتشافه النظري لأشباه البلورات des quasi-cristaux وأعماله التي تستكشف بعض الأفكار الجريئة حول فيزياء الوعي la physique de la conscience وعلاقتها بنظرية الكم للجاذبية théorie quantique de la gravitation، مما يلقي بظلال من الشك على أطروحات الذكاء الاصطناعي القوية.

الهندسة المطابقة La géométrie conforme، مفتاح ما قبل الانفجار العظيم؟

على مدى السنوات العشر الماضية، كان روجر بنروز يطور نظرية أصلية جدًا قادرة، وفقًا له، على حل بعض ألغاز الانفجار العظيم والتي تقدم وجهات نظر رائعة حول أصل ومستقبل الكون: نموذج علم الكون الدوري المطابق le modèle de cosmologie

Cosmologie

Le terme de cosmologie désigne la branche de l’astrophysique qui s’intéresse à l’origine, la nature, la structur...

 cyclique conforme (CCC) ). خصصت المستقبل أول مقال طويل لهذا النموذج، يفترض هذا النموذج أن الزمكان لانهائي، مسطح، على الرغم من أنه يتمدد تحت تأثير ثابت كوني حقيقي وإلى الأبد.

 

ومع ذلك، إذا افترض المرء أن كل محتوياته الجسيمية تصبح عديمة الكتلة في المستقبل البعيد جدًا، فعندئذٍ بطريقة أو بأخرى، لا يتم حساب الزمن بالنسبة لهم. على الرغم من أنه قد يبدو متناقضًا، إلا أن التوسع اللانهائي يتغير بعد ذلك إلى تقلص نحو كثافة لا نهائية، دائمًا في مساحة زمكان مسطحة وغير محدودة. انفجار كبير جديد يمكن أن يحدث بعد ذلك، مما يؤدي إلى علم الكونيات الدوري بدون بداية أو نهاية une cosmologie cyclique sans début ni fin.

يكمن مفتاح فهم هذا النموذج المربك في التحولات المطابقة في الهندسة. التمثيل المبسط ممكن في بعدين حيث الدوائر على الكرة متصلة بدوائر في مستوى لانهائي. يجعل التحول المطابق من الممكن بطريقة لإظهار أن جميع الظواهر الهندسية في هذا المستوى يمكن تمثيلها من خلال الظواهر الهندسية على الكرة. يمكننا بعد ذلك إظهار أن الدائرة التي تنمو إلى ما لا نهاية في مستوى بدءًا من نقطة تصبح عند اللانهاية مكافئة لنقطة البداية هذه. وإذا استمرت في النمو، إذا جاز التعبير، فلا يمكنها القيام بذلك إلا من خلال العودة إلى حالتها الأولية من التوسع.

أحافير ثقالية Des fossiles gravitationnels من الانفجار العظيم؟

بناءً على هذه الأفكار، توصل بنروز إلى استنتاج مفاده أن موجات الجاذبية اللانهائية المنبعثة من عمليات الاندماج الأخيرة للثقوب السوداء الهائلة في عمليات الاندماج الأخيرة للمجرات، ستمر بطريقة ما عبر الانفجار العظيم التالي أو اللاحق وتنتهي في الدورة الجديدة. يجب أن تنتج هذه الموجات الثقالية بعد ذلك توقيعًا محددًا جدًا في الإشعاع الأحفوري الذي تمت دراسته من قبل تلسكوب بلانك الفضائي والمختصين به.

Les points de Hawking que les chercheurs pensent avoir trouvés sont indiqués par des cercles sur cette carte du rayonnement fossile. © Daniel An, Krzysztof A. Meissner et Roger Penrose

تشير نقاط هوكينج التي يعتقد الباحثون أنهم عثروا عليها بدوائر على هذه الخريطة للإشعاع الأحفوري.

لم يعثر البلانكيون Planckiens على هذا التوقيع، بينما اعتقد بنروز Penrose وزميله غورزاديان Vahe G. Gurzadyan أنهما وجدوه، لكن عدم وجود دليل لا يعني إثبات الغياب. ربما تكون الإشارة المنشودة ببساطة أضعف وأصعب مما هو متوقع.

لم يثبط عزيمته على الإطلاق، اقترح السير روجر بنروز(حصل على لقب فارس من قبل ملكة إنجلترا لمساهماته العلمية) العام الماضي توقيعًا جديدًا محتملاً لنموذجه، ليتم البحث عنه هذه المرة في الخلفية العشوائية لموجات الجاذبية أو الموجات الثقالية.

يقدم روجر بنروز الآن توقيعًا ثالثًا، مرة أخرى في الإشعاع الأحفوري، كما أوضح مع زملائه في مقال تم إيداعه في موقع arXiv. لا يزال يعتمد على وجود الثقوب السوداء فائقة الكتلة في الكون المرئي. لكن هذه المرة، يتدخل إشعاع هوكينغ الناتج عن تبخر الثقوب السوداء. هذا الإشعاع يتناسب عكسياً مع الكتلة، مما يعني أنه حتى بالنسبة للثقوب السوداء ذات الكتل الشمسية، فهو بالفعل في حدود جزء من المليار من كلفن. وبالتالي، فإن الثقوب السوداء الضخمة التي تحتوي على ملايين أو مليارات الكتل الشمسية تكون أكثر برودة. ومع ذلك، فإن الإشعاع الأحفوري الحالي يصل إلى 2.7 كلفن. الخلاصة: لا تشع الثقوب السوداء النجمية والهائلة، بل على العكس من ذلك، يتم تسخينها بواسطة هذا الإشعاع الذي تمتصه.

في المستقبل البعيد، سيتغير هذا لأن درجة حرارة الإشعاع الأحفوري ستستمر في الانخفاض، وتميل نحو الصفر المطلق. في يوم من الأيام، وفقًا لنموذج بنروز، ستبدأ هذه الثقوب السوداء الهائلة في التبخر بفعل إشعاع هوكينغ، بشكل أساسي على شكل فوتونات وجسيمات عديمة الكتلة تنطلق نحو اللانهاية. سيتم العثور على هذا الإشعاع مركّزًا في مناطق الزمكان الجديد، مما يخلق أنواعًا من النقاط الأكثر إشراقًا في الإشعاع الأحفوري الحالي، والذي أطلق عليه الباحثون الثلاثة نقاط هوكينغ.

يبدو أن إحدى نقاط هوكينج تقع في مركز الانحرافات الدائرية في درجة الحرارة الناتجة عن موجات الجاذبية من الثقوب السوداء الهائلة المتوفاة، كما تنبأ نموذج CCC على ما يبدو. أكثر من ذلك، يبدو أيضًا أنه في مركز الأنماط B التي تم اكتشافها في استقطاب الإشعاع الأحفوري من قبل أعضاء تعاون Bicep2. Daniel An، Krzysztof A. Meissner، Roger Penrose، BICEP2 Collaboration، V.Gurzadyan، يبدو أن إحدى نقاط هوكينغ تقع في مركز الانحرافات الدائرية في درجة الحرارة الناتجة عن موجات الجاذبية من الثقوب السوداء الهائلة المتوفاة، كما تنبأ نموذج CCC على ما يبدو. أكثر من ذلك، يبدو أيضًا أنه في مركز الأنماط B التي تم اكتشافها في استقطاب الإشعاع الأحفوري من قبل أعضاء تعاون

 Bicep2. Daniel An، Krzysztof A. Meissner، Roger Penrose، BICEP2 Collaboration، V.Gurzadyan

 الحقول المغناطيسية الأحفورية من الانفجار العظيم؟

يعتقد بنوروز، مع دانيال آن من سوني Suny من كلية Suny Maritime College (نيويورك) و Krzysztof Meissner من جامعة وارسو، أنهم وجدوا بالفعل مرشحين واعدين لنقاط هوكينغ في الإشعاع الأحفوري. سيكون حوالي ثلاثين حالة، خمس منها تتزامن مع مواقع إشارات موجات الجاذبية الناجمة عن تصادم الثقوب السوداء فائقة الكتلة من الحقبة السابقة للكون والتي اعتقد بنروز وفاهي جي.غورزاديان Vahe G. Gurzadyan أنهما عثروا عليها قبل بضع سنوات.

يحدد الباحثون الثلاثة نتيجة محتملة أخرى لنظرية ألـ CCC. لا يشتمل نموذج بنروز على مرحلة تضخمية، لذلك يجب أن يكون الإشعاع الأحفوري خاليًا من الأنماط B للاستقطاب الناتجة عن موجات الجاذبية البدائية. اعتقد أعضاء تعاون Bicep2 أنهم اكتشفوا البعض، قبل أن يدحض البلانكيون Planckians هذا الاكتشاف من خلال إظهار أن أنماط B المرصودة نتجت على الأرجح عن غبار مجرة ​​درب التبانة. لكن وفقًا لبنروز وزملائه، يمكن أن تنتج هذه الأنماط B أيضًا من الحقول المغناطيسية الأحفورية بين المجرات التي تنتجها المجموعات التي تحتوي على الثقوب السوداء الهائلة في أصل نقاط هوكينغ المفترضة. لا ترتبط هذه المجالات المغناطيسية بالجسيمات الضخمة، لذلك يمكن العثور عليها محليًا في البلازما البدائية في أصل الإشعاع الأحفوري الموجود.

لا تقع نقطة هوكينغ على وجه التحديد في مركز الدوائر متحدة المركز التي تم بالفعل تطوير اكتشافها بواسطة بينروز Penrose وغورزاديان Gurzadyan ولكن أيضًا في المنطقة حيث كان Bicep2 قد اكتشف أنماط B المثيرة للجدل.

إنها كلها رائعة ومدهشة ولكنها تخمينية للغاية. كما هو الحال مع الاقتراحات السابقة لاكتشاف إشارة CCC، فإن المجتمع العلمي غير مقتنع تمامًا بل ويعتقد أن جميع الأدلة التي قدمها Penrose وزملاؤه لم تصمد أمام التحليل وتم دحضها. لكن السير روجر حصل بلا شك على الحق في أن يكون مخطئًا، فقد كان غالبًا على حق ...

تضخم الكون: لم ير تلسكوب بلانك الفضائي ومختبر Bicep2 موجات الانفجار العظيم:

يبدو أن الكون اللامتناهي والمسطح والمتوسع سيبقى كذلك إلى الأبد. ولكن أظهر روجر بنروز أنه يمكن أن يكون الأمر خلاف ذلك. نموذج علم الكون الدوري المطابق (CCC). يصف هذا الكون المتوسع إلى الأبد، وللمفارقة، مع عدد لانهائي من الانفجارات الكبيرة.

يعتقد روجر بنروز أن نموذجه قد يكون قابلاً للاختبار بفضل خلفية الموجات الثقالية، والتي يمكن أن تحتوي على موجات تنبعث من جسيمات المادة السوداء أو المظلمة، ويقال إن وجودها مشتق من نموذجه، ولكن لم يتم الكشف عن هذه الموجات بعد.

هناك تنبؤان آخران يتعلقان بالتأثيرات الأحفورية لموجات الجاذبية الثقالية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء الهائلة الأخيرة في مجموعات المجرات في العصر السابق للكون وتأثيرات تبخرها النهائي بواسطة إشعاع هوكينغ.

الأول يعطي دوائر متحدة المركز من الشذوذ في درجة الحرارة والثاني يعطي شذوذًا آخر للإشعاع الأحفوري في مركز هذه الدوائر.

إذا نظرنا إلى الوراء عبر السنين، يعتقد المجتمع العلمي أن الأدلة التي قدمها بنروز وزملائه غير موجودة.

 

.....................

مصادر:

التفردات أو الفرادات، والثقب الدودي والسفر في الفضاء

مصنف تحت عنوان: المادية، الأساسية، الثقوب الدودية

ستيفن هوكينغ، عالم الفيزياء الفلكية الذي جعل الناس يحبون العلم توفي الفيزيائي العظيم ستيفن هوكينغ في 14 مارس 2018. كان أسطورة حقيقية في الفيزياء، كما أنه كان أيضًا ذائع الصيت موهوبًا جدًا. إلقاء نظرة على الحياة غير العادية لهذا العالم الذي كان قادرًا على جعل نفسه محبوبًا من قبل الجمهور وجعل عمله البحثي متاحًا: الثقوب السوداء، نظرية الأوتار الفائقة، إشعاع هوكينغ، نظريات حول التفردات أو الفرادات singularités

الفيزياء الجديدة للكون  روجر بينروز La Nouvelle Physique de l’Univers

عرض فيديو قدمه روجر بنروز وزملاؤه لنموذج علم الكون الدوري المطابق modèle de cosmologie cyclique conforme (CCC).

 

 

جواد بشارةبقلم فابريس نيكوت

هل الكون منتهي أم لا؟ الملاحظات لا تسمح لنا أن نقرر. لكن أحدث البيانات تشير إلى أنه يمكن أن يكون كرويًا وبلا حدود. ولا تستبعد وجود أكوان أخرى ... غير محدودة العدد!

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

هذا المقال مأخوذ من "" Sciences et Avenir رقم 202، المخصص لموضوع "اللانهاية".


هل للكون حدود؟ مهما كانت الإجابة، فهذا يجعلك تشعر بالدوار. نعم "؟ ها نحن هنا في خضم تناقض، كما لاحظ اليوناني أرشيتاس في تارانتو بالفعل في القرن الرابع قبل الميلاد. لأنه إذا وصلنا إلى الحد الأقصى، فماذا يوجد بعد ذلك، إذا لم يكن الكون لا يزال يتمخض (لتحريك "الكل" في اليونانية)؟ الجواب لا "؟ هذا يعني أن الكون قد يكون لانهائي. ولكن إذا كان هذا المفهوم أساسيًا في الرياضيات، فإن له صدى غريبًا في الفيزياء. "عندما تؤدي نظرية فيزيائية إلى ما لا نهاية، يمكن للمرء أن يعتقد أنه لم يعد قادرًا على وصف العالم، كما يلخص جان فيليب أوزان، مدير الأبحاث في علم الكونيات في معهد الفيزياء الفلكية في باريس. الميكانيكا التي تخيلها غاليليو، يمكن أن تكون السرعة لانهائية. منذ أينشتاين، نعلم أنه لا يمكننا بأي حال تجاوز سرعة الضوء " وهي محدودة وثابتة 300000 كلم/ثانبة.

 

تخيل الكون المطلق الكلي بافتراض أن ركننا الصغير، أي كوننا المرئي، يمثل الكل الكبير، لا يعدو الأمر سوى تنشيط المخيلة. ولنبدأ بأفكارنا في رحلة نحو حدود الكون. بعد عشرات المليارات من السنين الضوئية، وصلنا إلى حد أو حافة الكون الذي يمكننا مراقبته، ويتكون من كل النجوم التي وصلنا ضوءها من الانفجار العظيم، منذ 13.8 مليار سنة. إنها كرة نشغل مركزها ونصف قطرها حوالي 46 مليار سنة ضوئية، منذ أن كان الكون يتوسع باستمرار منذ ولادته، خاصة بعد عملية التضخم المفاجئ والكبير. يستمر هذا الكون المرئي في النمو، لكنه هل سيصل بالفعل إلى أبعد من ذلك ؟، لا يمكن لأي معلومات أن تصل إلينا، لأنه سيتعين عليها السفر بسرعة تفوق سرعة الضوء. ومع ذلك، من الممكن تخيل شكل الكون الكلي الكامل والشامل من خلال افتراض أن خصائص ركننا الصغير من الزمكان تمثل خصائص الكل الكبير.

يوضح جان فيليب أوزان أن "محدودية الكون تعتمد بشكل خاص على انحناءته. إذا كانت موجبة، فإن الكون يكون كرويًا، وحجمه محدود بالضرورة. وإذا كان الإنحناء سالبًا، فهو قطعي. إذا كان كذلك فهو سيكون ذو فراغ إقليدي وبالتالي مسطح. هاتان الحالتان الأخيرتان يمكن أن تتوافقا مع كون غير محدود ". يعتمد هذا الانحناء على كمية المادة الباريونية (الكلاسيكية العادية) والمادة السوداء أو المعتمة والمظلمة (التي لم تُلاحظ أبدًا، والكتلة فقط معروفة) الموجودة في الكون، والتي تنحت بطريقة ما الزمكان، كما هو موصوف في نظرية النسبية العامة. من الضروري أيضًا مراعاة الثابت الكوني، الذي تم إدخاله في معادلات النسبية من أجل حساب التسارع الحالي للتوسع الكوني. يمكن استنتاج هذه المعلومات من خصائص أشعة الخلفية الكونية الأحفورية الميكروية المنتشرة، وهي أول ضوء ينبعث من الكون، بعد 380.000 سنة من الانفجار العظيم. تم تعيينها بدقة كبيرة بواسطة القمر الصناعي بلانك في عام 2013، مما جعل من الممكن تحديد قيمة الانحناء. وأول حكم نجم عن ذلك هو إنه قريب جدًا من الصفر، في غضون بضعة آلاف، أكثر أو أقل ، بسبب هامش الخطأ.. وبعبارة أخرى ، موجب أو سلبي قليلاً.

الانفجار العظيم:

الإشارة الصوتية اليتيمة القادمة من أعماق الفضاء الخارجي إلى الأرض في 15 أغسطس 1977، عماق الفضاء إلى الأرضعندما

تلقى تلسكوب Big Ear Radio Telescope في ديلاوير بولاية أوهايو أقوى إشارة اكتشفها على الإطلاق خلال عقود من الملاحظات. استمرت الإشارة 72 ثانية فقط، ولكن عندما اكتشفها عالم فلك على نسخة مطبوعة من الكمبيوتر بعد بضعة أيام، تأثر كثيرًا لدرجة أنه كتب بسرعة "واوWow!" بالقلم الأحمر على الصفحة. كانت البيانات تشبه إلى حد كبير ما توقع علماء فلك مؤسسة سيتي SETI رؤيته من الذكاء الفضائي. ومع ذلك، على الرغم من المحاولات العديدة لتعقب الاكتشاف، فإن ما يسمى بـ "Wow!" الإشارة "لم يعاود الظهور أبدًا.

استحوذت لحظات قليلة من البحث عن الذكاء خارج الأرض (SETI) على خيال الجمهور مثل إشارة Wow! الراديوية الصوتية. بالنسبة للبعض، هذا هو الكشف المحتمل الواعد للحياة خارج كوكب الأرض. لكن آخرين يرون أنه انتصار للدعاية على العلم.

"هل كانت إشارة فضائية من خارج الأرض من كائنات فضائية متطورة ETأم لم تكن ET؟" لا أحد يعرف ، "يقول سيث شوستاك ، كبير علماء الفلك في معهد SETI ، لعلم الفلك. "لم يجد أحد تفسيرا آخر لما كان يمكن أن يكون. يبدو الأمر كما لو كنت تسمع سلاسل تنقر في العلية وتعتقد أن "أشباح الله حقيقية". ولكن بعد ذلك لن تسمعهم مرة أخرى، فما رأيك؟ الأهم من ذلك، يقول شوستاك لو لم تكن الإشارة قد أذهلت! من كتب عليها Wow، لما سمع بها أحد. كانت إشارات النقاط مثل هذه شائعة في الأيام الأولى لـ SETI، عندما كانت حواسيب المرصد بدائية للغاية لإخطار علماء الفلك بالاكتشافات في الوقت الفعلي أو إجراء عمليات متابعة سريعة.

لكن هذا لم يمنع علماء الفلك من العودة مرارًا وتكرارًا إلى هذا الجزء من السماء بحثًا عن عودة الإشارة الصوتية الغريبة المدهشة! القادمة من برج القوس.

في أواخر صيف عام 1977، جلس جيري إيمان لمراجعة أحدث مجموعة من المطبوعات الحاسوبية التي توضح بالتفصيل البيانات التي تم جمعها بواسطة مرصد راديو الأذن الكبيرة، حيث كان متطوعًا كعالم فلك. تم التحكم في المرصد عن بعد، ويمكن أن يجمع في عدة أيام الكثير من البيانات قبل نفاد مساحة التخزين في الكمبيوتر. عند هذه النقطة، سيظهر الخبير الفني ويعيد ضبط الأشياء ويبدأ جولة المراقبة التالية مع التركيز على رقعة جديدة من السماء.

كان مرصد Big Ear Radio معروفًا جيدًا بين علماء الفلك في يومه. تم تصميم التلسكوب من قبل عالم الفلك الراديوي الرائد في جامعة ولاية أوهايو جون كراوس. وقد تم بناؤه إلى حد كبير من قبل موظفي الجامعة والمتطوعين والعاملين بدوام جزئي في الستينيات. في الأصل، تم إنشاؤه بأموال من ميزانية مؤسسة العلوم الوطنية لتنفيذ المهمة المخصصة لإنشاء أدق خريطة راديو على الإطلاق.

الأذن الكبيرة:

سمح التصميم الفريد لـ Big Ear Radio Telescope للموظفين ببنائه بتكلفة منخفضة نسبيًا، لكنه كان لا يزال قادرًا على تحقيق اختراقات أساسية في علم الفلك الراديوي. لكن Big Ear لم يشبه التلسكوبات الراديوية الأخرى. بدا الأمر كما لو أن شخصًا ما غطى ملعبًا لكرة القدم بطلاء أبيض وقام بتركيب المدرجات في أي من الطرفين خلف المرمى. كانت هذه "المبيضات" في الواقع تغذي الأبواق لتحويل إشارات الراديو من عاكس التلسكوب الكبير إلى مستقبله.

ومع ذلك، بعد انتهاء Big Ear من رسم خرائط سماء الراديو في عام 1972، احتاج التلسكوب إلى مهمة جديدة. ابتداءً من عام 1973، وافقت وكالة ناسا على تمويل جهد كبير من المتطوعين للبحث في السماء عن إشارات لاسلكية من كائنات فضائية متطورة تقنيًا. إلى جانب علماء الفلك المحترفين وراء المشروع، شاركت أيضًا مجموعة من الأطباء والمحامين ومدرسي المدارس وأساتذة الجامعات من مهن غير ذات صلة تمامًا على مدار عقود.

قال عالم الفلك إيمان في عام 2016: "كنا نعمل بميزانية صغيرة. لم يكن لدينا المال لكي ندفع للناس، ولهذا السبب كان المشاركون متطوعين."

أظهرت الخطوط الحمراء على شاشة الكومبيوتر أين تمركز النجاح الباهر! ربما نشأت إشارة من القوس. عاد العلماء إلى هذه المنطقة عدة مرات، ولكن لم يتم اكتشاف مصدر معقول للإشارة على الإطلاق.

بالنسبة لإيمان، كانت مراجعة المطبوعات الكبيرة للبيانات كل بضعة أيام جزءًا روتينيًا من كونه متطوعًا. وفي 17 أغسطس 1977، بينما كان ينظر في أحدث مجموعة من الأوراق، اكتشف مجموعة من الأرقام والحروف: 6EQUJ5. بالنسبة للعين غير المدربة، يبدو الأمر وكأنه هراء. لكن بالنسبة لإيمان، فإن البيانات تعني أن Big Earقد التقطت إشارة قوية جدًا بدأت منخفضة، وازدادت قوتها، ثم انخفضت مرة أخرى، أي كانت مبرمجة. وهذا يعني أنه من المحتمل أن يتم التقاط الإشارة عندما مرت منطقة معينة من السماء فوق الكاشف. وبالتالي لم تكن أرضية. ظهرت الإشارة أيضًا في واحدة من 50 قناة ممكنة فقط.

قال إيمان: "كانت إشارة ضيقة النطاق، ما كنا نبحث عنه [مع SETI]". "لم يستغرق الأمر وقتًا طويلاً حتى أدركنا أن هذا كان ممتعًا للغاية. وجاءت كلمة "واو!" إلى ذهني بسرعة كبيرة، لذلك قمت بتدوينها ".

ولكن بينما كان يتدفق عبر البيانات من الأيام التالية، تفاجأ عندما اكتشف أن الإشارة لم تظهر مرة أخرى. تعمقت مكائده بعد لقائه مع مدير المرصد وطاقمه. قاموا معًا بالبحث في السماء عن أي أجسام محتملة في تلك المنطقة من السماء يمكن أن تفسر الإشارة. فحص علماء الفلك كل شيء من المذنبات والكواكب إلى الأقمار الصناعية وأكثر من ذلك. لا شيء يضاهي.

بقى فريق Big Ear يراقب نفس البقعة السماوية لمدة شهر، ومع ذلك لم يجدوا شيئًا. وبعد عام عندما حاولوا مرة أخرى، ما زالوا يعودون بخفي حنين. استمر مشروع SETI في Big Earفي النهاية لمدة 24 عامًا، مما جعله أطول بحث مستمر في SETI في التاريخ. لكن خلال ذلك الوقت، لم يلتقط المحققون أي شيء آخر مثل Wow! الإشارة اليتيمة. من جانب إيمان، يؤكد أيضًا أننا قد لا نعرف بالضبط ما اكتشفته ذلك اليوم. قال إيمان بهذا الصدد: "لم يكن هناك أي استنتاج ممكن على الإطلاق بخلاف أنه كان بالتأكيد إشارة من ذكاء متقدم وعاقل خارج كوكب الأرض".

في النهاية، جاء موت بيغ إير Big Ear بعد سنوات قليلة من اعتقاد الكونغرس أن البحث عن ذكاء خارج الأرض لا يستحق أموال دافعي الضرائب في عام 1993. وخسر المرصد 100000 دولار في التمويل السنوي من وكالة ناسا، بالإضافة إلى 50000 دولار أخرى مقررة لأداة كان من الممكن أن تقدم Big Ear عقد إيجار جديد للبحث عن الحياة. وبحلول عام 1998، هدمت جامعة ولاية أوهايو التلسكوب.

Wow! متابعات الإشارة:

سيث شوستاك / معهد سيتي

 

إذا كانت إشارة الواو Wow المذهلة! قد تم اكتشافها في ذلك اليوم، يمكن لمصفوفة Allen Telescope Array التابعة لمعهد SETI في كاليفورنيا تنبيه علماء الفلك على الفور لأي إشارة مماثلة، مما يسمح لهم بالتراجع في الوقت الفعلي للبحث عن مصدر الشذوذ.

على مر السنين، تابع العديد من علماء الفلك الآخرين إشارة الواو Wow Signal، إما محاولة لشرحها بعيدًا أو نقلها. لكن بالنسبة لعلماء الفلك مثل شوستاك، فإن الإشارة هي في الحقيقة مجرد واحدة من العديد من الاكتشافات المماثلة التي تمت على مر السنين.

 

يقول شوستاك: "في تلك الأيام، كان من الشائع جدًا التقاط هذه الأنواع من الإشارات مرة واحدة فقط". "لم يكن لدى أجهزة الكمبيوتر آنذاك القدرة على إجراء عمليات المتابعة في الوقت الفعلي. إذا التقطته اليوم، سيقول الراصد "رائع!" ، وسيبدأ علماء الفلك في توجيه التلسكوب في اتجاه Wow! إشارة لمحاولة معرفة ما كان ". بمجرد أن أصبحت حواسيب المرصد متطورة بما يكفي للمتابعة في الوقت الفعلي، انخفض عدد الإشارات الغامضة. يقول شوستاك مازحا: "عرف الفضائيون أن لدينا معدات أفضل".

على سبيل المثال، في السنوات القليلة الماضية، اكتشف علماء الفلك الدفقات الراديوية السريعة (FRBs)، والتي كان يُنظر إليها في البداية على أنها إشارات راديو قوية ظهرت مرة واحدة فقط. كان اكتشاف FRBs، بالإضافة إلى التقدم المحرز في تتبع أصولها، أحد أكبر الاختراقات الأخيرة في علم الفلك.

في هذه الأثناء ، يرى شوستاك إن واو! هي محاولة لتثبيت الإشارة كشيء يهتم به الجمهور أكثر بكثير من اهتمام علماء الفلك.

يقول: "أتلقى رسائل بريد إلكتروني مرة واحدة على الأقل شهريًا من الأشخاص الذين يطلعون على تلك النسخة المطبوعة ويفسرون تلك البيانات بشتى الطرق". غالبًا ما يرى الناس أنه رمز غريب يتم إرساله كرسالة مباشرة إلى البشر. إنهم لا يدركون أن الجمع بين الأرقام والحروف على النسخة المطبوعة كان مجرد اتفاقية وضعها علماء الفلك [البشريون] العاملون في المرصد. لا يمكن أن تتعامل المطبوعات مع الأرقام الأكبر من تسعة، لذلك يتنقل العرض بين الأحرف، بدءًا من "ب"، لكل ترتيب متزايد من الشدة.

يضيف شوستاك: "يعتقد الناس أنهم اكتشفوا ماهية الرسالة أو حجم الكائنات الفضائية". "إنه مثل عشرات الأرقام، وكل ما تفعله هذه النسخة المطبوعة هو أنها تمنحك مستوى من القوة."

ولكن حتى لو كانت هذه هي الرسالة الأولى للبشرية من الفضائيين، فلا يزال العالم إيمان لا يخمن ما يمكن أن يقوله. قال "من يعلم؟" "ليس لدي أي فكرة عما يمكن أن تتضمنه الرسالة، إن وجدت."

استكشاف خريطة المجرة التي يمكن أن توجه الفضائيين إلى الأرض:

أرسلت ناسا خريطة إلى الفضاء لمساعدة الكائنات الفضائية في العثور على الأرض. واليوم تحتاج هذه الحريطة إلى تحديث. يمكن أن تقود الخريطة التي أطلقتها ناسا في عام 1972 كائنات فضائية إلى الأرض. خريطة جديدة، بعد ما يقرب من 50 عامًا، توفر اتجاهات أفضل.

الكتلة المتلألئة التي تحتوي على نصف مليون نجم على الأقل - وحوالي عشرين من النجوم النابضة - تُعد الكتلة الكروية المعروفة باسم 47 Tucanae واحدة من حوالي 150 كتلة نجمية قديمة تدور حول مجرة ​​درب التبانة.

تقول إبنة العالم فرانك دريك: قبل نصف قرن من الزمان صمم علماء الفلك خريطة تشير إلى الأرض من أي مكان في المجرة. ثم أرسلوها إلى الفضاء، معتبرين أن أي كائنات فضائية ذكية بما يكفي لاعتراض مركبة فضائية يمكنها فك شفرة الخريطة وكشف مصدرها. استخدمت العديد من الأفلام والعروض التلفزيونية أشكالًا مختلفة حول هذا الموضوع كنقطة انطلاق لحبكة روائية، لكننا لم نستعرها من الخيال العلمي. انها حقيقة واقعة.

الحقيقة هي أن هذه الحكاية كانت جزءًا من تقاليد عائلتي منذ ما قبل ولادتي. كبرت، سمعت قصصًا عن الخريطة وشاهدت تصويرها على عدة مركبات فضائية بين النجوم، وقبل عدة سنوات، وجدت المسار الأصلي المرسوم بالقلم الرصاص إلى الأرض حيث أخباه والداي.

كان هذا اكتشافًا مثيرًا! ثم جاءت إشارة الواو المذهلة: هذه الخريطة الأصلية لن تكون جيدة لفترة أطول من الناحية الكونية. ستختفي العلامات التي تستخدمها في غضون عشرات الملايين من السنين، وحتى إذا لم يحدث ذلك، فستشير الخريطة إلى موقعنا لجزء بسيط فقط من 200 إلى 250 مليون سنة تستغرقها الشمس والنجوم الأخرى المجاورة للدوران مرة واحدة حول درب التبانة.

من المؤكد أن احتمالات اعتراض الكائنات الفضائية للخريطة غير محتملة من الناحية الفلكية - ولكن إذا حدث ذلك، فستكون الخريطة القديمة عديمة الفائدة وليست مفيدة. ولم يكن هذا هو الهدف.

لماذا توجد هذه الخريطة على الأرض؟

كان ذلك في ديسمبر من عام 1971، وكانت ناسا تستعد لإطلاق مركبة بايونير 10، وهي مركبة فضائية ستكتسح كوكب المشتري وتقوم بأول استطلاع لأكبر كوكب في المجموعة الشمسية. والأكثر إثارة للدهشة، مع ذلك، أن مدار بايونير 10 للمشتري سيحملها لرحلة في مسار بين النجوم، مما يجعلها أول جسم من صنع الإنسان متجهًا لمغادرة النظام الشمسي.

تحمل مركبة بايونير 10 الفضائية رسالة من الإنسانية إلى النجوم. تم حفر الرسالة على لوح من الألمنيوم المطلي بأكسيد الذهب مقاس ستة في تسع بوصات، وتحيي ذكرى العالم الأصلي للمركبة الفضائية - وتخبر كل من يجدها كيف يجدنا.

بقليل من المساعدة من أصدقائه، قرر عالم الفلك كارل ساغان أن المركبة يجب أن تحمل تحية من الإنسانية - رسالة تحدد وتحيي صانعي الرواد يمكن تفسيرها من قبل أي شخص يجدها. وافقت وكالة ناسا ومنحت كارل أقل من شهر لتصميم الرسالة.

هذا عندما يدخل صديق كارل، عالم الفلك فرانك دريك، القصة. فرانك هو أيضًا والدي، ومن بين الإنجازات البارزة الأخرى، يُنسب إليه إجراء أول بحث علمي عن كائنات فضائية صاخبة وإضفاء الطابع الرسمي على إطار عمل لتقدير عدد الحضارات الفضائية التي يمكن اكتشافها في مجرة ​​درب التبانة.

طلب كارل من أبي المساعدة في صياغة الرسالة بينما كان الاثنان في سان خوان، في بورتوريكو، لحضور اجتماع الجمعية الفلكية الأمريكية. يتذكر أبي أنه في بهو فندق San Gerónimo Hilton، سرعان ما توصل هو وكارل إلى أفكار حول ما يجب تضمينه في الرسالة الموجهة للكائنات الفضائية الذكية المتطورة النفترضة: رسومات خطية تصور البشر، عرض للمركبة الفضائية - ثم "في اللحظة التالية، ضربنا فكرة خريطة مجرة درب ​​تحدد موقع الأرض في الفضاء ".

كارل ساغان وفرانك دريك صمموا اللوحة التي سينقلها الرواد في مركبتي بايونير 10 و11 إلى الفضاء بين النجوم وذلك في عام 1972 وهناك صورة فوتوغرافية تجمع بين كارل ساغان وابنته ليندا ساليزمان ساغان لتخليد تلك المناسبة.

وتضيف إبنة فرانك دريك: صمم أبي تلك الخريطة، وفي عام 1972 طارت إلى الفضاء على متن بايونير 10. وفي العام التالي تم إطلاق مركبة بايونير 11، التي حملت في النهاية الخريطة بعد زحل والآن إلى النجوم. ثم في عام 1977، غادرت كلتا المركبتين الفضائيتين فوايايجر الأرض تحمل دليل أبي للعثور على كوكبنا، والذي تم حفره على غلاف "السجل الذهبي". الطريقة التي صمم بها أبي الخريطة تعني أنها تشير إلى الأرض في كل من المكان والزمان، مما يجعلها رائدة لنظام تحديد المواقع المجري (نوع مختلف من GPS) بأربعة أبعاد.

في ذلك الوقت، لم يقلق أبي وكارل حقًا من الفضائيين الذين إذا عثروا على رسالتهما في المركبة بأنهم قد يكونون من النوع الأكثر حقدًا أو عدوانية.

كيف تم صنع الخريطة:

لا توجد لافتات شوارع واضحة في حينا المجري، وصياغة خريطة تشير إلى كوكب واحد من بين مليارات (ومليارات) العوالم التي تسكن مجرة ​​درب التبانة ليس بالأمر السهل.

العثور على الأرض يعني إيجاد النظام الشمسي، والشمس غير ملحوظة إلى حد ما على أطراف مجرة درب التبانة. لا توجد طريقة حقًا لتمييزها عن مئات المليارات من النجوم الأخرى في المجرة، كل منها يرسم مساره الخاص حول مركز المجرة ويتحول ببطء في الموقع بالنسبة لجيرانه. يعني هذا التدافع النجمي أن الأبراج المتلألئة في سماء الأرض لن تكون هي نفسها في المستقبل القريب - ولا تصطف النجوم بنفس التكوينات المعروفة من أي مكان آخر غير الجوار الشمسي. في الواقع، في حوالي 2000 عام، لن يكون بولاريس Polaris هو النجم الشمالي، تمامًا كما لم يكن النجم القطبي لمراقبي السماء المصريين والبابليين والصينيين القدماء. اذا مالعمل؟ على الرغم من أن النجوم العادية التي تحتوي على محركات نووية مموجة في قلبها قد لا يكون لها بصمات مميزة، فقد أدرك أبي أن النجوم النابضة البولسارات- وهي جثث النجوم التي كانت في يوم من الأيام أكبر بكثير من الشمس - يمكن التعرف عليها بشكل فريد. تم اكتشاف النجوم النابضة عام 1967، وهي تدور بسرعة كبيرة، غالبًا مئات المرات في الثانية. باستخدام التلسكوبات الراديوية القوية، يمكن لعلماء الفلك قياس مدى سرعة دوران النجوم النابضة بدقة بالغة، مما يعني أن كل من هذه الآثار النجمية الدوارة تكتب توقيعها الخاص في الفضاء. اختار أبي 14 نجمًا نابضًا يمكن أن تثليث موقع الأرض، وقام بترميز المعلومات حول معدلات دورانها في الخريطة.

تبدو خريطة النجم النابض لأبي بشكل مناسب، كعلامة نجمية رائعة، وهو انفجار شعاعي للخطوط المظلمة التي تتقاطع في موقع نظامنا الشمسي. باختصار، إليك كيفية عمل خريطته:

كل خط من الخطوط يربط الأرض بالنجم النابض. علامات الفتحة هي أرقام ثنائية تكشف عن معدل دوران النجم النابض (في وقت تصميم الخريطة)، وتتناسب أطوال الخطوط تقريبًا مع المسافة. بعض النجوم النابضة المتوقفة على خريطة أبي - على سبيل المثال، السلطعون والفيلا - تقع في مراكز السدم الجميلة التي نشأت خلال التكوينات العنيفة للنجوم النابضة. من المفترض أن تعرف أي حضارات ذكية ومتقدمة بما يكفي لاكتشاف أي مركبة فضائية بين النجوم ووقوعها في شرك النجوم النابضة. ومن خلال مطابقة فترات الدوران على الخريطة مع الإشارات النجمية في السماء، يمكن للكائنات لفضائية أن تجد طريقها إلى الأرض بسهولة نسبيًا.

بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن الطاقة التي نراها من النجوم النابضة تأتي من دورانها وتتباطأ بمرور الوقت، فإن خريطة أبي تشير أيضًا إلى الأرض في البعد الرابع. من خلال حساب الفرق بين فترات الدوران المرصودة والمشفرة - وهو اختلاف سيظهر بعد آلاف السنين - يمكن للأجانب معرفة المدة التي انقضت على رسم الخريطة.

ربما كان من المدهش إلى حد ما أن تصبح خريطة أبي محصورة في الخيال الشعبي وهي موجودة الآن بشكل شائع في كل شيء من القمصان إلى الوشوم. أعتقد أن هناك شيئًا آسرًا حول كونك دائمًا قادرًا على العثور على طريقك إلى المنزل، حتى بالمعنى الكوني الذي يمكن تخيله. ونحن نحتفظ بها في الأسرة كأنها قصة حب.

قبل عدة سنوات، حدث شيئان مهمان. لقد عثرت على خريطة النجوم النابضة الأصلية والمخطوطة بالقلم الرصاص، مطوية بعيدًا ومُدسوسة في صندوق طماطم في خزانة والديّ. وقد ارتبطت بمتسلق صخور يدعى سكوت رانسوم، أحد أكثر علماء الفلك المتخصصين بالنجوم النابضة إنتاجًا في العالم.

خريطة البولسارات:

تستخدم الخريطة الأصلية للأرض، التي صممها فرانك دريك، 14 نجمًا نابضًا للإشارة إلى موقعها. حتى وقت قريب، كانت المسودة الأولى لخريطة دريك تعيش في خزانة ملابسه، مدسوسة في صندوق طماطم.

 

كان سكوت رانسوم يفكر في مشروع مركبة فوياجيرز، و "السجل الذهبي"، وخريطة النجوم النابضة منذ أن كان عمره 10 سنوات في مان فيلد، أوهايو، يشاهد برنامج الكون التلفزيوني الذي يقدمه كارل ساغان Carl’s Cosmos. مرت السنوات وحصل سكوت رانسوم على شهادة دكتوراه في علم الفلك. لاحقًا، أدرك أن خريطة أبي لها تاريخ انتهاء صلاحية في المستقبل القريب. كعب أخيل الخاص به هو نفس الخاصية التي تتيح له تحديد الأرض في الوقت المناسب: النجوم النابضة تتباطأ، والأخرى التي اختارها أبي (من بين القليل المعروف في ذلك الوقت) سوف تتلاشى وتختفي في غضون عدة ملايين من السنين، أو تستغرق بضعة آلاف من السنين.

من قبيل الصدفة، كان سكوت قد شرع في عمل خريطة نجم نابض جديدة وأكثر دقة وأطول عمراً حتى قبل أن نتحرك معًا وننقل أنفسنا إلى Dranksomes. الآن أكتب الكلمات التي تحكي قصصنا، ويقوم سكوت بعمل أشياء مهمة لرسم الخرائط مثل اختيار النجوم النابضة واشتقاق أكوادها أو شيفراتها الثنائية. يقوم أحيانًا بصياغة بعض المقاطع النصية، لكنك لن تراني أبدًا وأنا أحقق أعمالًا أكاديمية في علم الفلك.

أحدث وأفضل خريطة للأرض هي خريطة سكوت الجديدة وهي نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للفضاء مابين النجمي ومابين المجري. ينتقل إلى الأرض باستخدام النجوم النابضة داخل وخارج مجرة ​​درب التبانة، مع التواء.

بدلاً من النجوم النابضة الأكثر شيوعًا التي اختارها أبي، تستخدم الخريطة الجديدة النجوم النابضة ذات المللي ثانية والتي تدور بشكل أسرع وتدوم لفترة أطول ولديها أيضًا رفقاء مداريون ميتون. توفر هذه النجوم النابضة الثنائية مجموعة ثانية من المحددات: الفترة المدارية للنظام، والتي لا تتغير على مدى مليارات السنين. والأهم من ذلك، أن النجوم النابضة ذات المللي ثانية تتقدم ببطء أكثر بكثير من تلك الموجودة في خريطة أبي، مما يعني أن الأمر يستغرق آلاف المرات حتى تصبح عمليات دورانها غير قابلة للتمييز.

بالإضافة إلى ذلك، قام سكوت بتضمين طبقة أخرى من العلامات: النجوم النابضة في مجموعات كروية تدور حول درب التبانة. تكتلات النجوم القديمة التي سبقت مجرة ​​درب التبانة، والعناقيد الكروية رائعة وغامضة، وهي عبارة عن مصانع نجمية حقيقية من ميلي ثانية.

من خلال تضمين علامات في هذه الكرات النجمية التي يصعب تفويتها خارج المجرة، تسمح خريطة سكوت بأن تكون الأرض قابلة للاكتشاف لمليارات السنين، حتى بعد أن تتحرك نجوم درب التبانة حول قلب المجرة عدة مرات، مما أدى إلى تبديل مواقعها وطمس الأبراج. وللعلم فإن أبي يعتقد أن هذا مذهل.

لكن أولاً، يجب على شخص ما قراءتها لا تزال خريطة أبي، بالطبع، موجودة - ولكن فرص اعتراض بايونير أو فوياجرز التي تحملها ضئيلة إلى الصفر. على الرغم من أن جميع المركبات الفضائية الأربعة تسير في مسارات بين النجوم، إلا أن الفضاء كبير، والأنظمة النجمية التالية في الأفق على بعد آلاف السنين. بالإضافة إلى ذلك، فإن المركبة الفضائية صغيرة وستكون هادئة تمامًا خلال العقدين المقبلين، مما يجعل من الصعب للغاية اكتشافها.

بالنسبة لإرسال الخريطة الجديدة: ليس هناك مسبار فضائي شبيه بـ Voyager فواياجر مجدول لإطلاقه في أي وقت قريب. ولكن إذا كانت هذه الخريطة قد قطعت طريقًا خارج نظامنا الشمسي، وإذا تم التقاطها بواسطة كائنات فضائية ذكية، فيجب أن تكون الخريطة سهلة القراءة والمتابعة.

يثير هذا كل أنواع الأسئلة: هل سيكون للكائنات خارج الأرض على تلك المسافات الوسائل للوصول إلى الأرض؟ إذا كان الأمر كذلك وهم يتجهون في طريقنا، فماذا لو لم يأتوا بسلام؟ ماذا لو كانوا طماعين وذوي نوايا استعمارية أو إبادية؟ وماذا لو كانوا جائعين ولم يكونوا نباتيين؟

إليكم السؤال الأساسي الذي لم يوقف كارل وأبي عن طرحه: هل من الجيد إرسال عنواننا عشوائيًا إلى الكون؟ اليوم، بعض الناس ليس لديهم تحفظات، بالنظر إلى أن الإرسالات الأرضية تتسرب بالفعل إلى الفضاء، والسفر بسرعة الضوء، يمكن اكتشافها من قبل أي شخص لديه تلسكوب لاسلكي لائق يعيش في غضون مائة سنة ضوئية بعيداً منا. الأشخاص الآخرون، ربما بحذر أكثر، سوف يتأخرون عن الإعلان عن وجودنا حتى نعرف ما إذا كان لدى المتطوعين لزيارتنا نوايا شريفة. (هذا ما يبدو عليه المريخ - وفقًا لكارل ساغان).

بالنسبة إلى Dranksomes: سنرسل بكل سرور الخريطة الجديدة عن الأرض، كمحاولة للتأكد من أن وجودنا كنوع سيعيش بشكل ما. إذا تم التقاط هذه الرسالة صدفة أخيرًا، بعد التمايل والانجراف عبر المحيط المجري لملايين أو بلايين السنين ، سيعرف شخص ما أن أبناء الأرض موجودون بالفعل - أو ، مع الحظ ، ما زالوا موجودين.

 

............................

ظهرت هذه القصة في عدد أكتوبر 2020 من مجلة:

 National Geographic.

https://www.nationalgeographic.com/.../explore-the.../؟ cmpid = org = ngp :: mc = social :: src = facebook :: cmp =

التحرير:

 add = fb20201004ngm-galacticmapgraphicOct2020  rid = & sf238447763 = 1 & fbclid = IwAR1pOMsTPeXj_fQXrVzOFss3ZfnnAGUwmxKEDwEG1nGE1

1024pxWow__signal_source.svg

ويكيميديا ​​كومنز / فيليب تيري جراهام / بناء على عمل بنجامين كروويل

 

 

 

جواد بشارةالدعوة لعلم الفلك والكونيات البديل

 تاريخ موجز لعلم الكوسمولوجيا:

"منذ زمن بعيد، في مجرة بعيدة، بعيدة جداً..." مثل ما يمكن للمرء أن يقرأه في بداية كل فيلم من سلسلة أفلام حرب النجوم، يهتم علم الكونيات بتطور الكون ككل.

خلال قرن من الزمان، تغيرت الدراسة الفيزيائية للكون بشكل لا يصدق. لقد بدأته نسبية أينشتاين، وهو يرتكز الآن على ثلاث ركائز صلبة: توسع الكون، والتخليق النووي البدائي، والإشعاع الأحفوري الكوني المنتشر. لكن الملاحظات والمشاهدات الرصدية، التي أصبحت فائقة الدقة، تعطيه وقتًا عصيبًا لتوضيح ألغاز مثل: المادة السوداء أو المظلمة، الطاقة المظلمة أو المعتمة أو السوداء، تكوين الهياكل، بدايات الكون الخ... لفهم النموذج الكوني السائد اليوم، دعونا أولاً نلقي نظرة على المراحل الرئيسية التي أدت إلى نشأته، ثم تطوره. سنلخص بعد ذلك محتواه وما يسمح بقوله عن تاريخ الكون، بمجرد مواجهة الملاحظات.

النسبية والتوسع والمادة السوداء المظلمة:

الأساس النظري الأول لعلم الكونيات الفيزيائي العلم المعاصر هو نظرية النسبية العامة، الذي يوفر إطارًا لوصف الكون والتنبؤ بتفاعلات الجاذبية للمادة والطاقة الموجودة في الكون. هذه القفزة المفاهيمية، التي اكتملت في نهاية عام 1915، قام بها بالطبع ألبرت أينشتاين.

منذ نهاية عشرينيات القرن الماضي، اعتقد علماء الفلك أن الكون يتوسع، بعد الملاحظة والمشاهدة والرصد- التي قام بها إدوين هابل على وجه الخصوص - للمجرات البعيدة، والتي تبتعد عنا جميعًا بشكل أسرع كلما زادت المسافة بيننا وبينها. خلال نفس السنوات، يبحث المرء عن حلول نظرية تحدد الحركة (يتحدث المرء عن الديناميات) لكون متوسع في إطار النسبية العامة. لا تزال الحلول التي وجدها ألكسندر فريدمان وجورج لوميتر بشكل مستقل بين عامي 1922 و1931 مستخدمة حتى اليوم. هذا الإطار النظري، مقترنًا بملاحظات انحسار المجرات (التي "تتتبع" توسع الكون)، تشكل الأساس الأول لعلم الكونيات الفيزيائي الحديث.

في منتصف الثلاثينيات، اكتشف فريتز زويكي تناقضاً بين سرعة المجرات التي تدور في مجموعة من المجرات والكتلة التي تم الحصول عليها عن طريق إضافة تلك المجرات المركزية. إنها الأولى (في سلسلة طويلة جدًا) التي تسلط الضوء على تأثير "الكتلة المفقودة" في الكون. هذه الملاحظة الهاربة من الكتلة، والتي يمكن رؤية آثارها الديناميكية في جميع المجرات والعناقيد (على وجه الخصوص في الكون البعيد، المأهولة بأشياء لا تزال "حديثة")، تسمى اليوم "المادة السوداء أو المظلمة". كما شكلت الثلاثينيات بداية علم الفلك الراديوي، بعد اكتشاف كارل جانسكي (في سنة 1932موجات الراديو المنبعثة من مجرتنا درب التبانة.

ركود المجرات:

في السنوات من 1910 إلى 1930، قام المراقبون (بمن فيهم إدوين هابل) بقياس مسافات المجرات وسرعاتها بالنسبة إلى الأرض. في ذلك الوقت، كانت "السدم" (المسماة بالمجرات وغيرها من الأشكال الضبابية) غير مفهومة جيدًا. يحتدم الجدل حول: هل هم في مجرتنا أم لا؟ وفقًا لعلماء الفلك، لا يمتد الكون المرئي بالضرورة إلى ما وراء درب التبانة. أدت الإجراءات المذكورة إلى ثلاث نتائج مهمة، مع تداعيات قوية.

أولاً: إن المجرات تقع على مسافات فلكية حقًا، أبعد من مجرة درب التبانة. من خلال قياس سطوع نجوم معينة ومقارنتها مع رشقات من النجوم القياسية، يحسب علماء الفلك مسافات عدة سدم. الحكم: تقع على بعد حوالي عشرة ميغا فرسخ، وهي مسافة أكبر بكثير من حجم مجرة درب التبانة (بضع عشرات من الكيلوبارسك). ثانيًا: تظهر سرعات المجرات أنها تبتعد عنا تقريبًا بشكل منهجي. يتم الحصول على السرعات الشعاعية (في اتجاه خط البصر) عن طريق التحليل الطيفي: يتم تحديد الخطوط الذرية المميزة (مثل خطوط الهيدروجين) ومقارنة أطوالها الموجية بتلك المقاسة في المختبر. إذا تم إزاحة الخطوط التي لوحظت في المجرة إلى "زرقاء" (أطوال موجية أصغر / ترددات أعلى) من طيف المختبر "عند السكون"، فإن المجرة تقترب منا. إذا تم "إزاحة الخطوط باللون الأحمر" (أطوال موجية أطول / ترددات أقل)، تتحرك المجرة بعيدًا عنا. يجعل "تأثير دوبلر-فيزو" (الموجود أيضًا للصوت) من الممكن قياس سرعات المجرات، لأن التحول الدقيق للخطوط يوفر سرعة الإزاحة الشعاعية. ثالثًا: هناك علاقة بسيطة بين مسافة المجرة وسرعتها البعيدة. كلما ابتعدت المجرة، زادت سرعة هروبها! أظهر هابل (في عام 1929) ثم هابل وميلتون هيوماسون (في عام 1931) ذلك لمجرات قريبة إلى حد ما (وفقًا للمعايير الحالية).

هذه النتائج الرئيسية الثلاث، لخصها التعبير المتداول في الوسط الفيزيائي «ركود المجرات"، والذي يلقي بالعديد من الباحثين في هاوية الحيرة. هذا مفهوم، فالمفهوم السائد هو (تقريبًا) كون ثابتًا مليئًا بالسدم، والذي يجعل المرء يتساءل عما إذا كانت قريبة أم لا. ومن هنا السؤال: هل تأثير الركود هذا واضح فقط، أم أنه خاصية عالمية للكون المتوسع؟

ترتبط بعض الشخصيات والذهنيات المتقدة بالنماذج النظرية التي تم تطويرها في أعقاب النسبية العامة لأينشتاين. من خلال البحث عن حلول لمعادلات آينشتاين وألكسندر فريدمان (في عام 1922) وجورج لوميتر (في1931) أدركت أن الحل "الثابت" ليس بالضرورة مناسبًا، وأن هناك حلولًا حيث يتمدد الكون. لذلك تم إنشاء صلة بين الملاحظات والنماذج ... ولكن هل هذا المنطق مقبول، وملائم، وصحيح، وقوي؟ لطمأنة القارئ (أو عدم طمأنته): في الوقت الحالي، نسأل أنفسنا باستمرار أسئلة من هذا النوع!

التركيب النووي وإشعاع الكون Nucléosynthèse et rayonnement de l’univers:

في السياق المظلم للحرب العالمية الثانية، شهدت الأربعينيات ظهور الفيزياء النووية (تلك الخاصة بنواة الذرة) وظهور بعض التقنيات، بما في ذلك مستقبلات الراديو. تجعل الفيزياء النووية من الممكن فهم التركيب المعقد جدًا للنواة الذرية في الكون (يُطلق عليه "أطروحة النيوكليوسينتيز أو التركيب النووي nucléosynthèse")، في ظل قوة دفع أعمال رالف ألفر وهانس بيث وجورج غامو والتحسينات التي تم إجراؤها في الخمسينيات من القرن الماضي. فريد هويل، هيرمان بوندي، والزوجان مارغريت وجيفري بوربيدج، وكذلك ويليام فاولر.

يمكننا التمييز بين التركيب النووي البدائي الذي حدث خلال الدقائق الثلاث الأولى من الكون، والذي خلق بعض العناصر الذرية الخفيفة (كل الهيدروجين والهيليوم، وبعض الليثيوم)، وتكوين النواة النجمية الذي يحدث باستمرار في النجوم، والذي يصنع العناصر الذرية الأثقل. بصرف النظر عن الهيدروجين والهيليوم، يمكننا أن نقول بطريقة شعرية - كما يذكرنا هيوبرت ريفز - أننا كلنا "غبار نجمي": كل الذرات التي يتكون منها (الكربون والأكسجين والنيتروجين ...) تأتي من التخليق النووي النجمي (باستثناء الهيدروجين والهيليوم) أي أننا أبناء  النجوم.

هذا التفسير لأصل المادة الذرية، الذي يميز بين العمليات البدائية والنجمية، كان له دور بالغ الأهمية في علم الكونيات وفي تاريخ مفاهيمنا عن الكون. لعقود من الزمان، كان يعتبر العمود الثاني لعلم الكونيات الفيزيائي المعاصر. إنه يوضح الروابط المتكررة بين علم الكونيات (دراسة اللامتناهي في الكبر) والفيزياء دون الذرية (دراسة اللامتناهي في الصغر).

في أواخر الأربعينيات من القرن الماضي، روج غامو لـ"نموذج الانفجار العظيم الساخن" Big Bang chaud، الذي مر فيه الكون بمرحلة من الكثافة والحرارة الفرديتين singulières، قبل أن يبرد بسبب التوسع. تتنبأ الفيزياء بتكوين كمية كبيرة من الضوء، مثلما يحدث عندما ينبعث الضوء من غاز مسخن - على سبيل المثال، لهب شمعة، أو سطح الشمس.

هذا النموذج يحدد كمية التبريد ويجعل من الممكن حساب معدلات إنتاج الجسيمات المختلفة بنجاح مع نسب العناصر الذرية الخفيفة. كما يتنبأ بأن الضوء والمادة بقيا لفترة طويلة "في حالة توازن": أي البلازما- وهي عبارة عن وسط حيث تدور الجسيمات المشحونة كهربائيًا وتتفاعل بحرية مع الضوء- و"مقترن" عبر العمليات الكهرومغناطيسية.  تتنبأ الفيزياء أنه في حالة التوازن هذه التي تتطور مع درجة الحرارة، يكون للضوء خصائص ما يسمى بإشعاع "الجسم الأسود"rayonnement de corps noire. يتنبأ غاموGamow بأن الضوء الذي نشأ أثناء الانفجار العظيم الساخن لا بد أنه لم يختف بعد ذلك كلياً: فالتوسع يقوم "بتخفيفه diluée"، دون تغيير خصائصه المحددة (إذا تم امتصاص الضوء، فسوف يعيد انبعاثه). لذلك يجب على الإشعاع الضعيف والبارد أن يغمر الكون دائمًا، ويشهد على شبابه الدافئ والكثيف. عندما يدور هذا الضوء في كل مكان، يجب ألا تكون خلفية السماء (لذلك في الليل) مظلمة كما نظن! لذلك فالليل ليس مظلماً! سنرى أن هذا التوقع كان صحيحًا. يشكل هذا "الإشعاع الأحفوري rayonnement fossile» الركن الثالث لعلم الكونيات الحديث.

تصبح الملاحظات والنماذج أكثر وضوحا:

اتخذ علم الكونيات منعطفًا كبيرًا في عام 1964، عندما اكتشف أرنو بينزياس وروبرت ويلسون بالصدفة هذا الإشعاع الأحفوري في مجال موجات الراديو (مما جعلهما مشهورين وحازا على جائزة نوبل للفيزياء سنة 1978.

إن إحدى أقوى التكهنات أو التنبؤات لنموذج البغ بانغ الانفجار العظيم الساخن قد تم تأكيده بالمراقبة والمشاهدة والرصد. منذ نهاية الستينيات، كان اكتشاف المجرات البعيدة بشكل متزايد منيرًا ومثيرًا، ولكنه أيضًا مصدر ألغاز. رأى علماء الكونيات في البداية المجرات على أنها "التتبع السلبي" traceurs passifs، وهي أنواع من جسيمات الاختبار تجعل من الممكن معرفة هندسة الكون (أو عمره) من خلال الإحصائيات التي أجريت على عدد كبير من الأجسام والأجرام الفضائية. لكنهم اكتشفوا بعد ذلك أن هذه المجرات تتطور مع العصر الكوني: خصائصها المضيئة (الكثافة واللون والتشكل) ومحتواها (كتل النجوم والغاز) ليست ثابتة بأي حال من الأحوال! قد يبدو الأمر واضحًا الآن، لكن الأوقات المتضمنة في العمليات المعنية (مليارات السنين) أشارت في البداية إلى أن هذه الخصائص المتغيرة ببطء شديد كانت ثابتة.

ظهرت مشاكل أخرى، مثل تقدير عمر الكون باستخدام ثابت هابل. هذا، الذي يُعرَّف على أنه معدل توسع الكون، يصعب قياسه بشكل خاص، بسبب "الحركات المناسبة" للمجرات، بغض النظر عن التوسع العام. في عام 1995، كان علماء الفيزياء الفلكية والأساتذة الناشطون في مجال البحث - يقولون إن هذا الثابت الشهير لم يكن معروفًا إلا في عامل2 تقريباً. وقدرت قيمته بين 50 و100  km / s / Mpc/ ... هل هي مجرد إشارة بسيطة؟ ليس حقًا، لأنه وفقًا للنموذج الكوني القياسي، يقيس ثابت هابل عمر الكون بشكل غير مباشر. نتج عن بعض قيمه عمر يقارب 10 مليارات سنة، أي أقل من عمر أقدم النجوم المعروفة! لذلك كانت المشكلة حادة: نموذج ذو ثلاث ركائز رئيسية تم التحقق من صحتها، ولكنه غير قادر على التوفيق بين عمر الكون ومكوناته، هو في أحسن الأحوال مهتز، وفي أسوأ الأحوال غير مناسب.

دعنا نعود إلى التسلسل الزمني. في سنوات السبعينيات كانت تشهد تراكم بيانات الجودة عن المجرات والأجسام الفيزيائية الفلكية الأخرى. كما شهدت أيضاً إطلاق الأفكار أو برامج التلسكوبات الطموحة - على الأرض وفي الفضاء – حيث النتائج المدهشة لم تشهد أو تواجه أي توقف. ظهرت فكرة جديدة عن اللحظات الأولى للكون في الثمانينيات: سيناريو التضخم الكوني inflation cosmique، والذي سيسود بعد ذلك. إنه يستدعي تمددًا هائلاً جداً وفي فترة قصيرة جداً من الزمن ولكنه غير متناسب للكون، بعد حوالي 10-35 ثانية من الانفجار العظيم. تجعل الفكرة من الممكن حل العديد من الألغاز، مثل تجانس الكون على نطاق واسع جدًا أو خصائصه الهندسية. يقدر العلماء قدرة هذا النموذج على عمل تنبؤات قابلة للقياس، والتي قد تؤكدها الملاحظات المستقبلية أو تنكرها. وفي نفس الوقت، كانت القياسات على المجرات وحشود أو أكداس المجرات، أصبحت أكثر دقة، مما يثخن لغز المادة المظلمة. من خلال رصد أطوال موجية جديدة من الفضاء، نكتشف أنواعًا جديدة من الأجسام، مثل مجرات الأشعة تحت الحمراء التي تشع ما يصل إلى 99٪ من ضوءها خارج الطيف المرئي. ضاعف كتالوج IRAS (تقريبًا) عدد المجرات المعروفة بمقدار الضعف! لم يكن مفهوم بغ داتا سنترBig Data Center -قاعدة البيانات الكبرى – معروفاً بعد، لكن علماء الفيزياء الفلكية كانوا يبحرون بالفعل في حدود الإمكانيات التقنية لمعالجة البيانات وإدارتها.

التقدم المبهر في التسعينيات:

في عام 1989، كان إطلاق القمر الصناعي الأمريكي COBE، المزود بثلاثة أدوات استثنائية (والذي نتج عنه جائزتي نوبل)، بداية فترة رائعة. في غضون بضع دقائق، تقيس أداة FIRAS طيف الخلفية الكونية على نطاق من الأطوال الموجية التي لم يسبق تغطيتها من قبل، بدقة أكبر بمئات المرات من القياسات السابقة. ترسم أداة DMR الخلفية الكونية لبضع سنوات وتكتشف تقلباتها الأولى (الضعيفة جدًا)، والتي أنهت في عام 1992 الجدل حول الحاجة إلى "المادة السوداء أو المظلمة غير الباريونية". تراقب أداة DIRBE الأشعة تحت الحمراء المنتشرة الأخرى. بفضل FIRAS وDIRBE، اكتشف فريق فرنسي في عام 1996 - بشكل غير متوقع، قبل تأكيد أمريكي في عام 1998- إشعاع الخلفية للمجرات أو "الخلفية

الإشعاعية تحت الحمراء خارج المجرة ". كان لهذه القياسات والاكتشافات لها تأثير مدوي، مثل رصد الإشعاع الأحفوري في عام 1964.

تم اختيار مهمتين فضائيتين أخريين تستهدفا الخلفية المنطقية الكونية في عام 1996: WMAP (NASA) وكالة ناسا الأمريكية للفضاء وبلانكPlanck  من وكالة الفضاء الأوربية(ESA). أتيحت لي الفرصة لحضور عروض البعثة في وكالة الفضاء الأوروبية، والتي خرج منها بلانك منتصرًا (كان اسمه آنذاك "COBRAS-Samba"). قال أحد الزملاء خلال الاجتماعات التحضيرية: "دعونا لا ننسى أن شباب الغد الباحثين هم من سيحللون أيضًا بيانات بلانك على نحو أطق وتفصيلي، من الواضح أنها تنبؤات مؤكدة منذ أن تطورت التقنيات بشكل كبير بين COBE وWMAP وPlanck، وتغيرت تمامًا. من ناحية أخرى، لا تزال بعض الأساليب المنهجية المستخدمة، وكذلك موضوع الدراسة، أي الخلفية الكونية وتقلباتها الصغيرة، شائعة.

مرصد الفضاء الأوروبي بالأشعة تحت الحمراء IS0 تم إطلاقه في عام 1995. تم تبريده بالهيليوم السائل للحفاظ على الحساسية الممتازة لأجهزة الكشف وتجنب الإشعاع الحراري الطفيلي، أكمل مهمته في عام 1998، في وقت متأخر جدًا عما كان متوقعًا. جعل ISO من الممكن فهم أفضل لمجرات الأشعة تحت الحمراء التي لاحظها IRAS.

عام 1998 هو أيضًا عام الاكتشاف الكبير، الذي حققه فريقان مستقلان يقيسان مسافات المستعرات الأعظم خارج المجرة (انفجارات النجوم الساطعة بشكل لا يصدق، والتي يمكن اكتشافها في المجرات الأخرى). من خلال مقارنة السطوع المرصود للمستعرات الفائقة البعيدة للغاية وسطوعها المرئي والمرصود، اعتمادًا على المسافة (تم تقييمها باستخدام الانزياح الأحمر أو الانزياح نحو الأحمر)، وجد الباحثون فرقًا. حل واحد فقط: تغيير جذري وهي أيضًا قيمة "الثابت الكوني" (يُشار إليه بالرمز A، وهو أحد معايير النموذج الكوني الساري)، والذي اعتبره العلماء صفرًا حتى ذلك الحين.

كانت هذه النتيجة مدهشة: قيمة غير صفرية للثابت الكوني تعني وجود مكون " ذو ضغط سلبي" يسمى "الطاقة السوداء أو المظلمة أو المعتمة l’énergie noir ou sombre" أو "الداكنة" (الطاقة المظلمة بالإنجليزية dark energy ) مما يسرع من توسع الكون! لذلك فهي تنمو بشكل أسرع وأسرع. يبقى النموذج الكوني متسقًا ومتوافقًا مع البيانات، على حساب سؤالين رئيسيين: ما هي المادة السوداء المظلمة وماهي الطاقة السوداء المظلمة؟ منذ هذا الاكتشاف العظيم، الذي أدى إلى ظهور ثلاث جوائز نوبل في عام 2011، تساءلنا عن أصل هذه الطاقة. وشهدت نهاية العقد أيضًا تحليق التجارب على متن بالونات الستراتوسفير، والتي تطورت على ارتفاع 40 كم. تسمح لك هذه البالونات برصد سماء نقية كما لو كنت في الفضاء لعدة ساعات. يتم استخدامها أيضًا للتحقق من صحة مفهوم أداتي قبل مهمة فضائية.

اكتشافي لعلم الكونيات:

يعود لقائي مع علم الكونيات إلى عامي الأول في دراسة الفيزياء. بعد عام من الفصول التحضيرية (حيث بالكاد ازدهرت)، التحقت بالجامعة كطالب حر خارج الطر الأكاديمية التقليدية المتبعة، حيث شاركت دورات وخيارات تتعلق بالفيزياء المعاصرة، على اتصال بالبحث الذي يتم إجراؤه وأولئك الذين يقومون به. ومن بينها دورة استثنائية في الفيزياء الفلكية، والتي تم فيها فقط تقطير بعض المفاهيم الأساسية للفيزياء، والتي تم فحصها بعد ذلك من عدة زوايا في إطار الفيزياء الفلكية. على سبيل المثال، تأثيرات الجاذبية، من المد والجزر (على الأرض، أو التي تفسر حلقات زحل) إلى ديناميكيات الكون المتوسع (في تقريب كلاسيكي).

اليوم، وبعد اقترابي من العقد السابع في العمر أحاول أيضًا إعطاء القراء العرب رؤية عالمية ومعاصرة مرتبطة بالفيزياء الفلكية أو تقنيات الفضاء، بدون ننسى الحديث عن آخر التطورات في الفيزياء. إذا اقتربت من فكرة تغيير الإطار المرجعي (ليس معقدًا جدًا في حد ذاته، ولكن يصعب فهمه لأنه ليس بديهيًا)، أذكر أيضًا الإطار المرجعي المرتبط بالخلفية الكونية، والذي لم يسمع عنه القراء العرب سوى القليل.

إذا كان الأمر يتعلق بتوضيح قوانين الحفظ (الطاقة، الزخم الزاوي) وقوانين كبلر (مشكلة الجسمين)، فيجب اللجوء إلى أمثلة خارجة عن كواكب النظام الشمسي، كخيار حركة الكواكب الخارجية حول نجومها، لقاء سويوز مع محطة الفضاء الدولية، مشاهد من أفلام الجاذبية بين النجوم، حركة ثقبين أسودين حول مركزهما الباري (ضمن الحد الكلاسيكي، ولكن فيما يتعلق بالكشف الأخير عن موجات الجاذبية)، عناقيد المجرات (مع الحجج التي أدت إلى فكرة المادة المظلمة)فالأمر يتطلب أن نكون على اتصال بالباحثين، الذين يدفعون حدود المعرفة إلى الأمام على أساس يومي. هذا الاتصال المباشر، من أجل تدريب فكري تعددي وإنساني ومرضي وعالي الجودة، يجمع بين التميز والانفتاح على الجميع (بالإضافة إلى كونه صلبًا واحترافيًا)، يبدو لي أنه فرصة ومصلحة مدنية.

بداية رائعة لهذا القرن الواحد والعشرين:

تم إطلاق مهمة NASA من WMAP في عام 2001، وهي تمثل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين: لمدة 9 سنوات، تقيس بدقة شديدة تقلبات الخلفية الكونية وتحقق نتائج مبهرة. آخر إطلاق لناسا القمر الصناعي - تلسكوب سبيتزر Spitzer الفضائي، المراقب الذي يغطي المجرات البعيدة في الأشعة تحت الحمراء في 2003 لا يزال يعمل حتى يومنا هذا.

سنوات 2010 وما بعدها، شهدت النجاحات العظيمة لبعثات بلانك Planck وهيرشل Herschel التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية، بمساهمة فرنسية قوية للغاية. يعد Herschel أكبر تلسكوب فضائي تم إطلاقه على الإطلاق (حقيقة غير معروفة): يبلغ قطره 3.50 rn، وهو يتجاوز تلسكوب Hubble Spatial (تلسكوب هابل الفضائي باللغة الإنجليزية، 2.40 rn). مثل إيسو ISO وسبيتزر Spitzer، فهو يستهدف المجرات بشكل أساسي، مما يجعله مكملاً لـ Planck. التجارب التي ترصد الخلفية الكونية من الأرض لا ينبغي تجاوزها: تلسكوب القطب الجنوبي (SPT)، يعطي تلسكوب Atacama Cosmology (ACT) أو BICEP2 نتائج جيدة، لا سيما بفضل الدقة الزاويّة البطيئة الممتازة. إن التطورات المخطط لها لتجارب المراقبة الأرضية هذه، ولا سيما مع كاميرات أكثر حساسية وأكبر قدرة على الرصد، ومجهزة بترددات أكثر وقادرة على قياس الاستقطاب، تعد واعدة للغاية.

تجارب أخرى تميز الساحة العلمية في العشرين سنة الماضية: دعونا نقتبس من مقياس التداخل ALMA (صحراء أتاكاما، تشيلي) وشقيقه الصغير NOEMA (فرنسا) للرصد في موجات الراديو، أو الأقمار الصناعية Chandra (NASA) وXMM (ESA)، التي تم إطلاقها في 1999، للأشعة السينية، ومؤخراً القمر الصناعي germano-Russe eROSITA، الذي تم إطلاقه في عام 2019. تم التخطيط للعديد من البعثات لعقد عشرينات وثلاثينات القرن الواحد والعشرين-2030- 2020-، بما في ذلك أقليديس Euclid الأوروبي وJames Webb Space Telescope (JWST)، لتحل محل هابل. على الأرض، سيحدث تلسكوب المسح الشامل الكبير (LSST) ثورة في علم البيانات والفيزياء الفلكية لأنه سيرصد بألوان متعددة السماء المرئية بأكملها، من تشيلي، كل أسبوع تقريبًا. تكملة مثالية لإقليدس!

تحديات وتساؤلات اليوم:

يمكن تلخيص تاريخ الكون الذي طوره العلماء (علماء الفيزياء الفلكية، وعلماء الكونيات، وعلماء الفيزياء، والمراقبون، والمجربون، والمنظرون) في "نموذج الانفجار الكبير الساخن القياسي"، والذي يظل ثابتًا بشكل ملحوظ على الرغم من الاختلافات والعيوب. ويفي بجميع اختبارات المراقبة وقد تم إثراؤه بمرور الوقت، مع تغذية بيانات أكثر دقة وانعكاسات أكثر تعقيدًا، في محاولة للاستجابة لتحديين رئيسيين.

يتعلق الأول بالتجانس الكبير جدًا لـ الكون "الشاب"، الذي تمت ملاحظته عند 0.0027٪ من عمره الحالي، أو ما يقرب من 370.000 سنة بعد الانفجار العظيم ولو قورن ذلك بعمر الإنسان المتوسط فإن 60 عامًا، هذه الفترة تقابل 14 ساعة بعد ولادته، إنه وقت انبعاث الشعاع الكوني الأحفوري. يكون تجانس الكون كله، في درجة الحرارة والكثافة، أفضل من 0.001٪ (نتحدث عن "تباين نسبي" 10-5). الأمر الذي يبدو غامضًا: لم يكن هناك وقت للإشارة لكي تنتقل بين مناطق بعيدة جدًا عن بعضها البعض (لا توجد "علاقة سببية")، فلماذا سيكون لها نفس الخصائص؟ كيف تشرح الكمال في التماثل والتجانس و"سيء التزامن " في درجة الحرارة؟ على العكس من ذلك، ما هو أصل عدم التجانس الضعيف؟

لقد أدت التطورات النظرية إلى رفع الحجاب إلى حد ما عن تلك الألغاز. يتفق العلماء الآن على أن تجانس الكون مرتبط بلحظاته الأولى بل وربما بما قبل البغ بانغ. وفقًا لسيناريو التضخم الكوني، بعد حوالي 10-35 ثانية من الانفجار العظيم، سيطرت طاقة الفراغ الكمومي على الكون. هذا له تأثير طارد مذهل، والذي تسبب في تمدد بمعدل أسي، وضرب حجم الكون بعامل حوالي 1060 ... في النموذج القياسي البسيط، من "التقلبات الكمومية" لـ طاقة الفراغ، نتج عن التضخم اضطرابات مادية (أو germes"جراثيم") تم تضخيمها؛ ربما تكونت المجرات منها.

التحدي الثاني يتعلق - على العكس من ذلك - بالجانب الكبير من عدم تجانس الكون الحالي، المنظم في مجموعات من المجرات والسدم المجرية وعناقيد المجرات، ثم في النجوم، الغاز والغبار على وجه الخصوص، بالإضافة إلى المادة السوداء أو المظلمة (السائدة والغامضة). كيف تشكلت النجوم الأولى، والمجرات الأولى؟ كيف تم تكوين النجوم من الغاز البارد في المجرات والعناقيد؟

لشرح واحدة أو أخرى من هذه النقاط، تطور النموذج القياسي أو المعياري إلى متغيرات، والتي في بعض الأحيان لا يمكن اختبارها بعد أو تحتوي على معلمات ومعايير وإعدادات مجانية يصعب تقييدها. يريد العلماء تحدي النماذج، بإجراءات يمكن أن تفصل بينها وربما استبعادها. يحددون "المراقبين" الذين، بمجرد قياسهم، سيكونون قادرين على مقارنة هذه النماذج. لا تزال الخلفية الكونية ملحوظة رئيسية، حيث يرتبط عدم تجانسها الضعيف بكل من الجراثيم germes التي ولدت المجرات، والعمليات الفيزيائية للكون البدائي.

إلى جانب هذين التحديين، يمكن تلخيص الأسئلة الحالية الرئيسية في الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات في أربع نقاط:

- كيف كان سلوك الكون في لحظاته الأولى؟

- ما هي طبيعة وماهية المادة السوداء أو المظلمة؟

- ما هي طبيعة وماهية الطاقة السوداء أو المعتمة أو المظلمة؟

- كيف تتشكل الهياكل الكبيرة (عناقيد المجرات والمجرات)، بما في ذلك الأجسام المضيئة الأولى في الكون؟

هذه الأسئلة الأربعة، التي من المحتمل أن تتحدى النموذج القياسي المعياري لعلم الكونيات أو فيزياء الجسيمات، وهي في صميم البحث الحالي والمشاريع الكبرى الجارية أو التي بدأت أو تم التخطيط لها أو المتوخاة.

الأول يستدعي سيناريو التضخم الكوني، وهو وقت قصير للغاية شهد توسع الكون بسرعة كبيرة. لقد ترك التضخم آثارًا مختلفة يمكن ملاحظتها في الكون، تم قياس بعضها بواسطة القمر الصناعي الفضائي بلانك.

والثاني يبقى لغزا كبيرا. عدة مسارات موجودة، والتي تنطوي بشكل أساسي على الجسيمات الغريبة. يتم النظر في العديد من الآليات المرشحة ومجموعات الآليات، ولكن لم يتم حتى الآن إجراء كشف مباشر مقنع.

والثالث لغز أيضا. ظهر تقدم نظري ورصدي خجول، في انتظار سيل من بيانات "الجيل الجديد)" المستهدفة قريبًا.

الرابع يتضمن مقاربات معقدة جدا ومتعدد النطاقات، مع المادة السوداء أو المظلمة والمادة العادية وتفاعلاتها. يتطلب الأمر ملاحظات ومراقبة صعبة، خاصة عندما يتعلق الأمر باكتشاف تأثيرات الأجسام الأولى التي تشكلت في الكون. تحدث تطورات كبيرة بشكل شبه يومي، لكن تعقيد وتنوع العمليات الفيزيائية المعنية، المرتبطة ببيانات أو محاكاة دقيقة للغاية ولكنها مجزأة في كثير من الأحيان، تجعل الموقف حساسًا.

سنعود الآن بالتفصيل إلى التاريخ الطويل للكون المرئي، مثل النموذج القياسي المعياري لعلم الكونيات الذي يسمح بإعادة بنائه، للمشاكل التي لا يزال هذا النموذج يطرحها، وكذلك إلى الخلفية الكونية، موضوع كل الاهتمام.

نجاحات النموذج القياسي المعياري:

لقد حققت النظرية الحالية، التي تصف تاريخ الكون المرئي بشكل جيد إلى حد ما، نجاحًا كبيرًا إزاء الرصد والمراقبة والمشاهدة والملاحظة. ومع ذلك، لا يوجد نقص في قيود النماذج والأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها، ويعالجها علماء الكونيات. للإشارة إلى رسم ألكسندر أستير وموريل بونيه عندما تحدثوا بروح الدعابة عن فيزياء الكم، كان بإمكاني أن أعنون هذا الفصل "النموذج القياسي لعلم الكونيات: سجل مختلط".

تم تطوير النموذج القياسي لعلم الكونيات الحالي من خلال الاختراقات المفاهيمية، ثم الاكتشافات الرصدية، وأصوله الصلبة، ولكن أيضًا مناطق رمادية وأسئلة مفتوحة. يمكن تلخيص السيناريو البسيط نسبيًا في خمسة أعمال، تخضع نفسها لبعض الاختلافات. هذا ما يخبرنا به عن الكون.

تاريخ الكون في خمسة فصول:

الفصل الأول: الانفجار العظيم والتضخم

يعتمد النموذج القياسي على مفهوم توسع الكون، الذي بدأ منذ 13.8 مليار سنة في مرحلة شديدة الكثافة والسخونة تسمى "الانفجار العظيم". ما بين 10-35 و10-32 ثانية بعد هذا الانفجار العظيم، كان التوسع الأسي يسمح للكون بالنمو بعامل كبير. هذه هي نظرية التضخم الكوني المذكورة سابقًا. هذه الحلقة مصحوبة بخلق طاقة استثنائية، في شكل ما يسمى بموجات الجاذبية "البدائية «أو الموجات الثقالية. وبالتالي، فإن التوسع الشامل للكون يجعله دائمًا أقل كثافة وأبرد. محتواه متجانس للغاية وهندسته إقليدية (نقول أحيانًا "مستوي").

الفصل الثاني: أول ثلاث دقائق

تحدث العديد من الظواهر الرائعة في وقت مبكر جدًا في الكون، عادةً خلال الدقائق الثلاث الأولى من بينها، توليف الجسيمات وتفاعلها، ولا سيما التركيب النووي البدائي: مجموع نوى الهيدروجين (التي نعرفها تحت اسم"البروتونات") وجميع نوى الهيليوم تقريبًا، بالإضافة إلى تلميح من نوى الليثيوم. يتم وصف هذه العمليات بشكل مثالي من خلال فيزياء الجسيمات والفيزياء النووية والفيزياء الإحصائية وفيزياء الإشعاع الكهرومغناطيسي (باختصار، ميكانيكا الكموم والديناميكا الحرارية).

تتسبب التقلبات الكمومية الصغيرة في الفراغ، الممتدة عن طريق التضخم، في تقلبات صغيرة في الكثافة. تحت تأثير قوى الجاذبية، سوف يقومون ببناء هيكلية(بعد ذلك بوقت طويل) لتشكيل مجرات وعناقيد من المجرات. لذلك تميزت بدايات الكون بأربعة لاعبين رئيسيين (سيجد الأصوليون الفصل بين المادة والطاقة مصطنعًا،

فالاثنان متكافئان بحكم معادلة آينشتاين الشهيرة عن الكتلة والطاقة E = mc2): الزمكان الذي ينحني، الجاذبية التي تعمل على المادة بشكل جاذب، الإشعاع الذي ينقل معظم الطاقة ويقاوم ضغط المادة بالجاذبية، والتوسع الذي يبرد المشهد ويجعل العمليات الفيزيائية "خارج التوازن".

الفصل الثالث: حول إعادة التركيب recombinaison

لفترة طويلة، كان الكون عبارة عن بلازما من مادة وفوتونات مشحونة كهربائيًا. ثم جاء إعادة التركيب: بعد حوالي 370 ألف سنة من الانفجار العظيم، في درجة حرارة محيطة تبلغ حوالي 3000 كلفن، ترتبط الإلكترونات بنوى ذرية لتشكيل الذرات.

حتى وقت إعادة التركيب، المادة الإشعاع مقترنان، في حالة توازن مع بعضهما البعض: تميل الجاذبية إلى تكثيف المادة، لكن الإشعاع المرتبط بهذه المادة يعارضها، مما يؤدي إلى «ضغط الإشعاع". لذلك تتذبذب البلازما بشكل ضعيف منة - مثل سطح الأسطوانة المهتزة - وفقًا لهذه القوى المتعارضة، وفقًا لأنماط الاهتزاز اعتمادًا على خصائص الكون في ذلك الوقت. يمكن لهذه التذبذبات (تسمى "الصوتية") للمادة المتأينة والفوتونات أن توفر معلومات عن المراحل الأقدم.

تحدث اهتزازات صوتية من نفس النوع في الشمس والنجوم تحمل معلومات حول الفيزياء من القلب إلى السطح، حيث تجعلها الاختلافات في الإشعاع الكهرومغناطيسي قابلة للاكتشاف. نظرًا لتفاعلاته مع المادة المتأينة، يستغرق الضوء حوالي 100000 عام (!) للهروب من داخل الشمس، ثم 8 دقائق قصيرة للوصول إلى الأرض، بعيدًا جدًا ولكنه يقع في بيئة شفافة 'علم الشمس وعلم الهليوسيزمولوجيا الهزات الشمسية وعلم الزهرة النجمية - دراسة اهتزازات الشمس والنجوم - يجعل من الممكن استكشاف إشعاعها الداخلي المعتم دون رؤيته مباشرة. يمكننا حتى اكتشاف البقع الشمسية الموجودة في نصف الكرة غير المرئي لنجمنا ... وبالمثل، يتيح علم الكون دراسة اهتزازات الكون البدائي، عندما كان معتمًا للإشعاع.

ملاحظة رائعة: إن معادلات الاهتزاز: هي نفسها تقريباً بالنسبة لنجم (يمكن ملاحظته كل ليلة) والكون في مرحلة في وقت مبكر جدًا ... هذا النوع من المعادلات - "المذبذب التوافقي" - هو علاوة على ذلك بسيط جدًا من الناحية الحسابية (معادلة تفاضلية من الدرجة الثانية ذات معاملات ثابتة) ويستخدمها الطلاب منذ سنوات دراستهم الجامعية الأولى.

لتوضيح حركة بندول بسيط (مشكلة يواجهها غاليليو)، أدير بندولًا صغيرًا يدويًا وأقوم بتفصيل نقاط معينة. مثال: تعتمد فترة تذبذب البندول فقط على طوله (تقريبًا) إذا ظلت زاوية التذبذب صغيرة. أشير إذن إلى أن حركة التوازن هذه تشبه في كل الأحوال اهتزازات الكون البدائي! أحيانًا أقدم تجربة حية أخرى: صنع فقاعات صابون "عملاقة" (بالكاد يتجاوز قطرها 40 سم) ومشاهدتها تتشوه قليلاً. يهتزون بطريقتهم الخاصة ويخبروننا عن طبيعتهم المادية، مثل اهتزازات النجوم والكون الشاب.

أثناء إعادة التركيب، تصبح المادة محايدة كهربائيًا. عندما تختفي المادة المشحونة، ينفصل الإشعاع عنها ثم ينتشر بحرية ويشكل الخلفية الكونية الشهيرة. يتوقف ضغط الإشعاع والتذبذبات الصوتية عن الوجود، لعدم وجود معركة بين الجاذبية والإشعاع. لكن آثار التذبذبات لا تزال ملحوظة حتى اليوم، في تقلبات درجات الحرارة في الخلفية الكونية والتوزيع الواسع النطاق للمجرات.

الفصل الرابع: الشفافية وتكوين الهياكل:

على الرغم من توسع الكون، فإن كثافات المادة الزائدة، التي بدأت بتذبذبات متقطعة، ثم تزداد بانهيار الجاذبية. إنها تشكل تراكيز كبيرة (تسمى "الهالات") والتي ستصبح فيما بعد هياكل الكون: مجرات وحشود من المجرات. تسيطر المادة السوداء أو المظلمة على هذه الهالات، والتي يتسبب "غرقها المحتمل للجاذبية" في انهيار المادة العادية، التي تتكثف وتبرد، ثم تشكل النجوم. في البداية، صغيرة نسبيًا، تندمج الهالات والمجرات لتكوين أنظمة ضخمة بشكل متزايد. هذا هو جوهر ما تتنبأ به معظم نماذج التكوين - المعروفة باسم "الهرمية" - للبنى في علم الكونيات. ظاهرة أخرى مثيرة للاهتمام تحدث بعد بضع مئات الملايين من السنين من الانفجار العظيم، في كون أبرد بكثير مما حدث أثناء إعادة التركيب (بضع عشرات من درجات كلفن، مقابل 3000 درجة كلفن في البداية). تضيء النجوم الأولى بعد ذلك في كون شفاف، لكنه يتكون قبل كل شيء من الهيدروجين المحايد. يتسبب إشعاعهم في تأين الذرات المجاورة: فهو يفصل الإلكترونات عن البروتونات مرة أخرى. تمتد هذه الفقاعات المتأينة من كل نجم، حتى تتسرب أخيرًا وتملأ الكون (سنرى أن هذه الإلكترونات الحرة قابلة للكشف دائمًا). الحقبة المعنية تسمى "إعادة التأين".

الفصل الخامس: التوسع المعجل:

يمكن اكتشاف تأثيرات توسع الكون بوضوح على نطاق واسع للغاية، يتجاوز مائة أو نحو ذلك ميغا فرسخ. نلاحظ أن هذا التوسع يتسارع ونستدعى الطاقة المظلمة لشرح هذه الظاهرة: لقد سيطرت على ديناميكيات الكون لعدة مليارات من السنين، بعد عهود الإشعاع، ثم المادة.

وصفة الكون الحار حسب ستيفن واينبرغ:

أكثر الكتب مبيعًا لهذا العالم ستيفن واينبيرغ هو" في الدقائق الثلاث الأولى من الكون، ستيفن واينبيرج (ترجم من الأمريكي جان بينوا يلنيك) - جائزة نوبل عام 1979 لنظرية القوة الكهروضعيفة - ببراعة وبروح الدعابة يقدم "وصفته لكون حار". على الرغم من أنه يرجع تاريخه إلى أواخر السبعينيات، إلا أنه يظل وثيق الصلة تمامًا بوصف النيوكليوسنتيز التركيب النووي. وهذا ملخص أطروحة واينبيرغ مع إضفت بعض التفاصيل (بين قوسين):

"إذن، إليك ملخص لوصفتنا لبداية الكون بكل مكوناته: خذ شحنة [كهربائية] لكل فوتون يساوي صفرًا، ورقم باريوني لكل فوتون يساوي واحدًا لكل مليار [أي واحد مليار فوتون لكل بروتون] وعدد ليبتون [عدد الإلكترونات والنيوترونات، على سبيل المثال] لكل فوتون غير محدد ولكن صغير. اضبط درجة الحرارة بحيث تكون في جميع الأوقات أعلى من درجة الحرارة بمقدار 3 درجات كلفن [مقياس درجة الحرارة المطلقة] لخلفية الإشعاع الحالية [الخلفية الكونية] في نسبة حجم الوحدة الحالية إلى حجمها عند الوقت يعتبر [العامل 1 + ض]. رج العبوة جيدًا بحيث يتم تحديد التوزيعات التفصيلية للجزيئات من أنواع مختلفة حسب ظروف التوازن الحراري. ضع كل شيء في كون يتمدد، حيث يتم التحكم في سرعته بواسطة مجال الجاذبية الناتج عن الوسط. بعد فترة كافية، يجب أن يعطي هذا الخليط كوننا الحالي. "

سنحدد اليوم في الجملتين الأخيرتين: إضافة المادة المظلمة لجعل الهياكل الكبيرة تظهر بشكل أسرع، تمامًا كما تصنع الخميرة العجين، وتغطي بالطاقة المظلمة لتسريع توسعها.

بعض القضايا المزعجة:

بشكل عام، فإن النموذج القياسي وتنوعاته ناجحة للغاية. لا يقتصر الأمر على اتفاقهم مع العديد من الملاحظات (التقلبات في درجة حرارة الخلفية الكونية وفي كثافة المادة ...)، ولكنهم توقعوا الظواهر التي لوحظت لاحقًا، مثل التذبذبات في التوزيع المكاني واسع النطاق لـ المجرات.

 على الرغم من كل شيء، لا تزال هذه النماذج تواجه قيودًا أساسية. من بين هؤلاء جهلنا بطبيعة المادة السوداء أو المظلمة والطاقة السوداء أو الداكنة المظلمة. مشكلة أخرى: تفاصيل فيزياء الباريونات (الأمر"عادي")، ولا سيما صلاتهم بالمادة المظلمة، وعمليات تراكم المادة وتشكل النجوم. في الواقع، النماذج تصف بدقة فقط سلوك المادة السوداء أو المظلمة. لكن الضوء القادم من المجرات الذي يصل إلى تلسكوباتنا يأتي أساسًا من تبريد الباريونات (مما يؤدي إلى تكوين الغيوم والنجوم بين النجوم)، وليس من المادة السوداء أو المظلمة! لمقارنة النظرية والملاحظة أو المشاهدة، من الضروري وصف انهيار الغاز في المجرات والنجوم، من خلال النماذج المعقدة. هذه واحدة من الصعوبات الرئيسية في دراسة الهياكل الكبيرة للكون والمجرات.

يخطو علم الكونيات أيضًا خطوات كبيرة في الدراسة من الفترة العالقة بين نهاية إعادة التركيب وعصر الهياكل الكبيرة. تمتد عدة ملايين من السنين (وتقع في انزياحات حمراء redshifts تتراوح من 1000 إلى حوالي 20)، وتسبق هذه الفترة المسماة "العصور المظلمة" ما يسمى بشكل متواضع "الأشياء الأولى"، دون معرفة الكثير. هذه (النجوم، الكوازارات). تتميز هذه العصور المظلمة بكون محايد ومظلم، ولا يوجد مصدر للضوء هناك حتى الآن.

تتشكل الأجسام المضيئة الأولى (النجوم أو الكوازارات أو كليهما) في "بنيات" هياكل كبيرة للمجرات. المادة الباريونية الوحيدة المتاحة هي الهيدروجين والهيليوم، يجب أن تكون هذه النجوم خاصة (يحتوي الكون الحالي على العديد من الأنواع ذرية، مركبة في أجيال متعاقبة من النجوم). علاوة على ذلك، فهي تتألق بقوة في نطاق الأشعة فوق البنفسجية، وهذا الإشعاع يؤين بيئتها: فقاعات أو تجاويف "معادة التأين" تمتد.

الشكل 4.1. عرض تخطيطي لتاريخ الكون الموصوف بواسطة النموذج القياسي لعلم الكونيات، مدعومًا بالعديد من الملاحظات (الأحدث من القمر الصناعي بلانك). الائتمان: وفقًا لوكالة ناسا. يمكننا إعادة النظر في التاريخ الطويل للكون في الرسم البياني الكمي أدناه، الذي يربط بين المراحل الرئيسية والعمر والانزياح الأحمر ودرجة الحرارة. يتدفق الوقت من اليسار إلى اليمين، والانفجار العظيم والتضخم على اليسار (غير موضح). نحن نتخيل في الحال درجات الحرارة والطاقات وعوامل القياس والمراحل الرئيسية: إنتاج المادة السوداء أو المظلمة، والتخليق النووي، والخلفية الكونية، وإعادة التأين، وظهور الهياكل الكبيرة. يشير لون هذا "البوق الكوني" إلى العنصر المسيطر على التمدد. حتى انزياح أحمر يبلغ حوالي 3370، هذا هو الإشعاع. بعد ذلك تأتي المادة، ثم الطاقة السوداء أو المعتمة والمظلمة "مؤخرًا".

مقاييس النموذج القياسي الكوني:

يسمى الجزء الأكثر استخدامًا من النموذج القياسي"نموذج ACDM". تمثل A الثابت الكوني، بينما تمثل CDM المادة السوداء أو المظلمة الباردة (المادة المظلمة الباردة، أي أن جسيماتها تتحرك أبطأ بكثير من سرعة الضوء). يحتوي هذا النموذج على ستة معايير رئيسية، بما في ذلك الكثافة الإجمالية للمادة العادية (الباريونات) وتلك الخاصة بالمادة السوداء أو المظلمة الباردة. إنها تجعل من الممكن حساب قيم تسع معلمات أخرى (تسمى `` المشتقات '')، بما في ذلك ثابت هابل H0 (مع إعطاء معدل التوسع الحالي)، وعمر الكون والكثافة الكلية للمادة

(باريونات + مادة مظلمة + نيوترينوات). يمكننا إعادة استخدام عنوان Star Wars Episode III - Revenge of the Sith - بتعديله قليلاً؛ هذا من شأنه أن يعطي: "انتقام المعايير الستة". تم إجراء القياسات الأكثر دقة لجميع هذه المعلمات بواسطة القمر الصناعي بلانك ونشرها للجمهور.

 في عام 2015. يقدر عمر الكون بـ 13799واليوم، وبفضل بيانات بلانك 13.852

± 0.038 مليار سنة، ثابت هابل عند 67.8 ± 0.9 كم / ثانية / مليون قطعة.

يمكن للقارئ المهتم بالتفاصيل الرجوع إلى المقالة العلمية التي تلخص نتائج بلانك Planck (https://arxiv.org/pdf/1807.06209.pdf ؛ الجدول 2، العمود الأيمن، يعطي جميع المعلمات).

تأتي هذه المعلمات من المقارنة بين البيانات والنموذج، حيث يمكن تفسير الملاحظة فقط في إطار نظري. إذا ظهر نموذج جديد في غضون بضع سنوات، فيمكننا إعادة تحليل بيانات بلانك (دون تغيير) واستنتاج قيم أخرى للمعلمات (هذه القابلية للدحض هي قوة النهج العلمي). ولكن إذا قال هذا النموذج (على سبيل المثال) أن الكون أصغر من النجوم التي تعتبر الأقدم، فسيتعين علينا تطويره! لذلك، فإن الضمانات تلزم بعدم اختراع نماذج بعيدة المنال (بمعنى "بعيدة للغاية عن التدابير المعتمدة").

يتم قياس المعلمات من خريطة الخلفية الكونية بشكل تخطيطي في ست خطوات:

أ) نقطة البداية: خريطة الخلفية الكونية المنتشرة فوق السماء بأكملها.

ب) نقوم بإسقاط الخريطة وفقًا لمقاييس زاوية مستقلة

قلادة (ما يسمى بإسقاط "التوافقيات الكروية").

ج) تستخدم الحسابات الإسقاط في التوافقيات الكروية (المصطلح) وشدة تقلبات الخلفية بمقياس وموضع معينين في السماء (الشروط أ،). يوفر ناتج العديد من الشدات القدرة على مقياس زاوي معين. في النهاية، نحصل على طيف القدرة للتقلبات (في جميع المقاييس الزاوية).

د) توليد عشرات الآلاف من نماذج أطياف القدرة ومقارنتها بالبيانات. هـ) نحافظ على النماذج التي تناسب البيانات على أفضل وجه. في بعض الأحيان، تعطي مجموعات متعددة من المعلمات ملاءمة جيدة جدًا (نتحدث عن "الانحرافات"). يقلل بلانك بدرجة كبيرة من عدم اليقين عن طريق قياس عدة قمم على منحنى الخلفية الكونية.

و) يتم تحديد قيم المعلمات التي "نجت" باستخدام أشرطة الخطأ، نحصل على المعلمات علم الكونيات النهائي.

 الخلفية الكونية، "ضوء البقايا" الرئيسي من مكونات الكون - في المادة والطاقة متنوعة: ضوء، مادة عادية (ذرات، جزيئات، الإلكترونات ...)، النيوترينوات (الجسيمات الأولية تتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع المادة، ذات كتل صغيرة وبدون شحنة كهربائية)، مادة مظلمة، طاقة مظلمة. نحن نعرف القليل جدًا عن المكونين الأخيرين: غير معروفين في المختبر، ولا يستفيدون من أي تفسير نظري واضح (على الرغم من العديد من السبل)، ولكن يتم استدعاؤهم لشرح الآثار المرصودة جيدًا.

الشكل 4.4. من صور بلانك إلى المعلمات الكونية في 6 خطوات. الى. صورة بلانك للخلفية الكونية. ب. نقوم بتحليل الصورة وفقًا لعدة قرارات. ضد. يتم إجراء عملية الارتباط الرياضي للحصول على طيف القدرة الزاوي. د. نقوم بتوليد الملايين من نماذج الكون، ونقارنها بالبيانات: نحتفظ فقط بأفضل النماذج التي "تنجو" من هذه المقارنة. ه. العديد من النماذج مرضية، ولكنها تعطي قيمًا مختلفة قليلاً للمعلمات: لذلك نحسب الاحتمال وعدم اليقين. F. هذه المعلمات في النهاية تعطينا "المخطط الدائري" الكوني: بطاقة هوية الكون بتكوينه نشوئها في المادة الباريونية، المادة المظلمة، الطاقة المظلمة. أن تكون مبهمة، خلال حلقة قصيرة - تسمى "آخر فترة بث" - والتي حدثت بعد حوالي 370.000 سنة من الانفجار العظيم. لا يزال الضوء الذي يغمر الكون في ذلك الوقت - الخلفية الكونية المنتشرة، أو الإشعاع الأحفوري - يدور وقد تمت ملاحظته بواسطة أجيال من الأقمار الصناعية: COBE وWMAP وPlanck. يسمح لنا هذا الإشعاع (المسمى "الجسم الأسود") بالعودة إلى أوائل شباب الكون.

في الكون البدائي، كثيف جدًا، الضوء ليس كذلك لا يمكن أن تنتشر بحرية. ثم توقف الكون بحلول الوقت الذي انبعثت فيه ("آخر انتشار لها")، اكتسبت فوتونات الخلفية الكونية استقطابًا يعتمد على سرعة بلازما الإلكترون / الفوتون في ذلك الوقت. توفر درجة واتجاه استقطاب الفوتونات القادمة من نقطة في السماء معلومات إضافية عن حالة الكون في ذلك الوقت. تتيح لنا هذه البيانات الرئيسية تحسين النماذج، التي كانت تستفيد في السابق فقط من قياسات تغيرات درجات الحرارة بين نقاط مختلفة.

ما هو الجسم الأسود؟

دعونا نعطي بعض التفسيرات حول هذا المفهوم، الضروري لفهم الخلفية الكونية. بشكل عام، يُقال إن الإشعاع هو "الجسم الأسود" عندما يكون غاز الفوتونات في حالة توازن ديناميكي حراري. يمكن أيضًا التعبير عنها على النحو التالي: في النظام الفيزيائي، يكون توزيع طاقة الفوتونات هو توزيع الجسم الأسود عندما تكون المادة والإشعاع في حالة توازن ديناميكي حراري. هذا يستحق التوضيح! من أين جاء اسم "الجسم الأسود"؟ بحكم التعريف، يمتص هذا الجسم قدرًا من الطاقة يبعث (التوازن الديناميكي الحراري). لذلك يبدو من حيث المبدأ "أسود" لمراقب خارجي، إذا كان النظام المادي مغلق. لكن لا يجب الخلط بيننا بهذا الاسم! يمكننا وصف الجسم الأسود بأنه غاز مثالي من الفوتونات (بدون تفاعل فيما بينها) عند التوازن الحراري. إذا كانت في وسط مادي (هذا هو الحال دائمًا تقريبًا)، يكون تفاعل الفوتونات مع المادة ضعيفًا. هذا الوسط المادي ضروري للتوازن الحراري، لأن الفوتونات لا تتفاعل مع بعضها البعض. في الجسم الأسود، يتم حفظ الطاقة الكلية. ولكن بخلاف غاز المادة المثالي، الذي يكون عدد جسيماته ثابتًا، فإن غاز الفوتونات له عدد متغير من الجسيمات، تحددها ظروف التوازن الحراري.

مثال رئيسي على الجسم الأسود: الكون في لحظة المادة / توازن الإشعاع. لاحظ أن الراصد يكون إذن في "العلبة" لهذا الجسم الأسود! بعض الأنظمة غير المتوازنة لها أيضًا نصف قطر قريب من الجسم الأسود، على الرغم من أنها ليست رسمية (لم يتم الوصول إلى التوازن، والنظام يتطور باستمرار، وتتبدد الطاقة). من بين هذه الأجسام السوداء "الزائفة" التي تشبهها بشدة: الغلاف الجوي لنجم، جهاز قياسي مخصص، سطح الأرض، الغلاف الجوي الكوكبي.

تتنبأ النماذج بالتغيرات في درجات الحرارة "الجسم الأسود الكوني" (الخلفية الكونية) كدالة للعصر الكوني، معطى من خلال الانزياح الأحمر. تختلف درجة الحرارة T على النحو التالي: T = (1 + z) x T0

(يمثل z الانزياح الأحمر المدروس وT0 درجة حرارة الخلفية الكونية اليوم). هذا التوقع يتحقق بشكل ملحوظ عبر مجموعة واسعة من الانزياحات الحمراء. الشكل 4.5. جسم أسود 20 كيلو مصنوع لمعايرة أداة Planck / HF! تمت المعايرة في عام 2006 في معهد أورساي للفيزياء الفلكية الفضائية (CNRS / Université Paris-Sud).

الخلفية الكونية من الأرض:

تمكنت العديد من التجارب على الأرض من قياس الخلفية الكونية منذ اكتشافها في عام 1964. ومع ذلك، فإنها تقتصر على ترددات معينة (تلك التي يكون فيها الغلاف الجوي شفافًا ولا يتألق كثيرًا، يتم عرض جزيء الماء هنا. مزعج جدًا) وللمناطق المحظورة في السماء، للحفاظ على معايرة جيدة وللتحكم في التأثيرات المنهجية. يتم إجراء الملاحظات الحالية من القطب الجنوبي وصحراء أتاكاما - بعض المناطق الأكثر جفافاً على هذا الكوكب - باستخدام تلسكوبات لاسلكية، ومجهزة بآلاف من أجهزة قياس الضغط شديدة الحساسية لكثافة واستقطاب الضوء، كشف التقلبات الصغيرة. اليوم، يمكن اكتشاف هذا الإشعاع باستخدام المعدات الاستهلاكية، مما يجعل من الممكن قياس شدة جسمه الأسود (ولكن ليس تقلباته). يقوم المراقب باستخدام هوائي تلفزيون متصل بالأقمار الصناعية (الفقرة القطبية) مقترن بإلكترونيات استهلاكية معدلة بالكاد. لقد قمت بتركيب تلسكوبات راديو مخصصة للتدريس في أورساي لاكتشاف موجات راديو الشمس. جعل زميلي ميشيل بيات (من جامعة باريس ديدرو) نظام الكشف أكثر استقرارًا وأضاف معايرة النيتروجين السائل. النتيجة: في غضون ساعات قليلة، وحتى في وسط باريس، أعاد الطلاب إنتاج الاكتشاف الذي أجراه بينزياس وويلسون في عام 1964!. الآن بعد أن قمنا بإعادة النظر في تاريخ الكون المرئي وتقديم مفاهيم معينة لعلم الكونيات، حان الوقت للاهتمام بالمغامرة الهائلة للقمر الصناعي الفضائي بلانك.

تم اكتشاف الطاقة السوداء المظلمة أو الداكنة والمعتمة في أواسط القرن العشرين، وقد تسببت في التوسع المتسارع للكون لمليارات السنين. لا يزال يتعين استكشاف أصلها وتأثيراتها الدقيقة، لكن الباحثين ليس لديهم نقص في الأفكار لتعقبها وفهمها.

سنناقش الآن مكون قد يبدو أكثر غموضًا من المادة السوداء أو المظلمة. يستدعيه علماء الكونيات ليس فقط لتفسير توسع الكون، ولكن لتسريع هذا التوسع على نطاق واسع جدًا.

سيقول أي فيزيائي عادي أن التسارع موجود أبدا بسبب الصدفة! توصل الباحثون إلى استنتاج مفاده أنه يأتي من مكون كوني له خاصيتين رئيسيتين. من ناحية، إنه موجود في كل مكان (على نطاق واسع) ولا ينبغي أن يتغير من الناحية المكانية. من ناحية أخرى، تظل كثافته كما هي طوال العصور الكونية، على عكس المادة والإشعاع، حيث تنخفض كثافتهما (وليس بنفس المعدل). هذا المكون يسمى "الطاقة السوداء المظلمة". بداهة، لا علاقة لها بالمادة السوداء أو المظلمة، ولكن يجب أن تكون مرتبطة بطاقة الفراغ والتضخم. إنه على أي حال جزء رئيسي من أحجية وألغاز علم الكونيات الحالي.

مسألة حجم ... وعن العصر الكوني: دعونا نطمئن: لن يغير توسع الكون ولا تسارع هذه الظاهرة حياتنا البشرية أو حياة كائنات فضائية افتراضية. تظهر التأثيرات فقط على نطاقات كبيرة جدًا، تصل إلى عدة مئات من الميغا فرسك. لذلك، لا يمكننا اكتشاف آثارها في نظامنا الشمسي، أو في مجرتنا، أو حتى في مجموعة مجراتنا المحلية المحيطة بنا: في هذه المقاييس، الجاذبية دائمًا لها الأسبقية! لن نتفكك، سيستمر القمر والكواكب في الدوران بنفس الطريقة، كما ستستمر مجرة درب التبانة، وستستمر مجرة أندروميدا في الاقتراب منا.

لقد مر الكون في تاريخه بطريقة مختلفة "مراحل الطاقة": كثافة طاقة الشعاع سيطر في البداية، ثم أخذ الأمر نمذجة المجهول: معادلة الحالة في الفيزياء، يتميز السائل المثالي - على سبيل المثال الغاز بالحقيقة - بمعلمات مثل درجة الحرارة أو الكثافة أو الضغط. يعني مصطلح "مثالي" أننا نهمل التفاعلات بين جزيئات السائل. نربط جميع المعلمات فيما يسمى "معادلة الحالة". في علم الكونيات، تربط معادلة حالة أحد مكونات الكون (الإشعاع، المادة، أو الطاقة المظلمة) ضغطه بكثافته بالتعبير P = wp ؟، حيث P هو الضغط، p الكثافة، c سرعة الضوء، وث معلمة خاصية "بلا أبعاد" (ثابتة) لهذا المكون.

على المستوى الكوني، يمكننا إهمال ضغط المكونات غير النسبية. هذا هو الحال مع المادة، التي ننسب إليها معامل صفري w: wM = O. بالنسبة للإشعاع (المكون النسبي)، هذه المعلمة.

الطاقة السوداء المظلمة التي نحصل عليها في هذه المرحلة الحالية للكون، التي تهيمن عليها هذه الطاقة المظلمة، هي أخيرًا حديثة جدًا: فهي تقابل انزياحًا أحمرًا z بمقدار 0.3 (أي أنها بدأت حوالي 3، 5 مليارات سنة).

يمكننا أيضًا أن نتساءل متى بدأ تسارع تمدد الكون. نحصل على z = 0.7 تقريبًا (أي 6.5 مليار سنة في الماضي). لفهم أصل الطاقة المظلمة، من الضروري إجراء القياسات ذات الصلة على الأجسام والأجرام الموجودة عند z <0.7 ولكن أيضًا من z> 0.7 إلى 1 (أو حتى أكثر)، للمراقبة بشكل صحيح الانتقال.

 wA = -1. يمثل الفهرس A الثابت الكوني، تعتبر غير صفرية إذا تسارع تمدد الكون. إذا كانت الإشارة السالبة في معادلة الحالة، تشير إلى ضغط سلبي متساوٍ: فإن هذا المكون له تأثير "الجاذبية الطاردة" التي تحفز تسارع التمدد. إن هذا الوصف للطاقة المظلمة والاستنتاجات

التي يمكن أن تكون مدهشة بشكل واضح. هذا لا يمنعهم من طرح أي مشكلة على الشكلية الرياضية أو النموذج الكوني أو القياسات. تتميز المكونات واسعة النطاق للكون - والتي يمكن تلخيصها بالإشعاع والمادة والطاقة المظلمة - بشكل جيد للغاية من خلال معادلاتها للحالة. على الرغم من أننا لا نعرف الكثير عنهما، يمكن وضع المادة المظلمة والطاقة المظلمة في معادلات: نحن نمثل ونقيس المجهول.. هل نحن حقا راضون عن المعنى الذي نحن فيه يعطي هذا السائل الطاقة المظلمة؟ هل يمكننا تفسير وجوده وخصائصه باعتبارات نظرية عميقة، أو عمل تنبؤات حوله؟ الإجابات تكمن إلى حد ما في الأسئلة.

مفاجأة المستعرات الأعظم:

دعونا نعود إلى الملاحظات التي كشفت عن التوسع المتسارع للكون في نهاية التسعينيات.وهم فريقان من الباحثين - فريق سوبر نوفا High-z وSupernova Cosma / ogy Project - اللذان قاما بقياس اللمعان والمسافة الكوزمولوجية (ناتج عن الانزياح الأحمر) للمستعرات الأعظم البعيدة للغاية ذات الخصائص المعروفة (تسمى "النوع la").

يعتمد السطوع الظاهر (المرصود) لجسم بعيد على سطوعه الداخلي وانزياحه الأحمر، ولكن أيضًا على المعلمات الكونية، وهي أساسًا كثافة إجمالي المادة nM وكثافة الطاقة المظلمة nA. نحن نصور البيانات فيما يسمى "مخطط هابل"، ويظهر السطوع الظاهري مقسومًا على السطوع الجوهري، بناءً على الانزياح الأحمر. يحتوي هذا الرسم البياني على العديد من "المناطق المسموح بها" المقابلة لها قيم مختلفة للمعلمات الكونية. يكفي إذن ملاحظة مكان وجود البيانات وتقديرات وNA.

النتائج المنشورة في عامي 1998 و1999 رسمية:

خلص كلا الفريقين (بمستوى ثقة أكبر من 99٪) إلى أن nA ليست صفراً. لذلك يجد الكون نفسه في حالة التوسع المتسارع. حصل هذا العمل على جائزة نوبل في الفيزياء لشاول بيرلماتر وبريان شميدت وآدم ريس لعام 2011.

 

كيف تقيس تأثيرات الطاقة المظلمة؟

بصرف النظر عن المستعرات الأعظم، فإن أنواعًا مختلفة من الملاحظات تجعل من الممكن قياس كيفية تطور تسارع التمدد والتوسع، والفرز بين النماذج. تشترك هذه الملاحظات في أنها تتعلق بالبنى الكبيرة للكون، ولا سيما التوزيع الإحصائي للمجرات واسعة النطاق. في الواقع، الجاذبية في العمل في تكوين الهياكل يجب أن تكون "منزعجة" من الطاقة المظلمة، وتأثيرها هو توسيع هذه المقاييس الكبيرة. لذلك فهي مسألة قياس دقيق جدًا لتطور تكوين الهياكل وفقًا للانزياح الأحمر، ومراقبة بعض الانحرافات عما ستفعله الجاذبية وحدها.

فيما يلي الأنواع الرئيسية للقياسات التي يفكر فيها المجتمع العلمي أو بدأ في اتخاذها، لفهم تأثيرات هذه الطاقة المظلمة بشكل أفضل.

التذبذبات الصوتية الباريونية

التذبذبات الصوتية الباريونية (BAO لـ Baryonic

التذبذبات الصوتية) هي موجات تنتشر فيها حفريات الكون البدائي، قبل الفصل بين الضوء والمادة. أدت التقلبات في الخلفية الكونية إلى تكوين هياكل كبيرة بمقياس متميز (أكبر من 100 Mpc)، لكن BAOs تركت أيضًا بصماتها في توزيع المجرات على هذا النطاق. يتم الكشف عنها بحساب "وظيفة الارتباط" لمواضع العشرات (حتى مئات) الآلاف من المجرات، موزعة بأحجام هائلة. منذ فترة طويلة، تم قياس BAOs لأول مرة في عام 2005، بفضل البيانات المأخوذة من مسوحات كبيرة جدًا للسماء في القياس الضوئي والــ troscopy. وهي تعتبر "مقاييس قياسية" لأن النماذج تتنبأ جيدًا بتطور حجمها وفقًا للانزياح الأحمر. أي انحراف عن التوقعات سيكون بسبب الطاقة المظلمة (أو جاذبية "مختلفة" قليلاً).

التشوهات في فضاء الانزياحات الحمراء:

تأتي تشوهات الانزياح الأحمر في الفضاء (RSD للتشوهات الفضائية ذات الانزياح الأحمر) من حقيقة أن المجرات تنجذب نحو مركز هالات ضخمة من المادة المظلمة. وبالتالي فإن حركاتهم - المقاسة بالتحليل الطيفي - تكون بداهة متناحرة في اتجاه هذه الهالات. مرة أخرى، يمكن لأي تباين واسع النطاق (فيما يتعلق بالتناحي في الخواص) أن يشير إلى وجود طاقة مظلمة تتعارض مع عمل الجاذبية. ضعف تأثير العدسة: يمكننا تحليل تأثير العدسة الضعيف، لاستنتاج كمية المادة المظلمة في هياكل كبيرة. lei، الهدف هو قياس كتلة الهياكل، وخاصة تطورها مع الانزياح الأحمر. يمكن مقارنة هذه القياسات مباشرة للتنبؤات والمحاكاة، لتحليل بالتفصيل تأثيرات الطاقة المظلمة بالتفصيل على نمو هذه الهياكل وفقًا للانزياح الأحمر.

الارتباط بين المجرات والخلفية الكونية في وجود الطاقة المظلمة، يجب أن يكون المرء قادرًا على ملاحظة ارتباط واضح بين التقلبات واسعة النطاق للخلفية الكونية وتوزيع المجرات. دعونا نرى من أين يأتي هذا الارتباط، يسمى "تأثير ساكس وولف المتكامل" (ISW لـ Integrated Sachs-Wolfe ejfect). قبل أن تصل إلينا، فإن فوتونات الخلفية هي cos

النفسية قد مرت عبر عدد من "آبار الجاذبية المحتملة" بسبب الهياكل الكبيرة. ومع ذلك، فإن الفوتون يكتسب الطاقة عندما يدخل بئر كامن، ثم يفقد الطاقة عندما يخرج. بداهة، التوازن هو صفر: يحتفظ الفوتون على مستوى العالم بنفس الطاقة. لكن التوسع المتسارع يمتد و"يتسطح" كل منهما كما أن الفوتون يمر عبرها. عند مغادرة البئر، يفقد هذا الفوتون طاقة أقل مما يكتسبه عند دخوله! وبالتالي، فإن توازن طاقتها ليس صفراً، ويعتمد بشكل مباشر على الهياكل الرئيسية التي مرت بها منذ انبعاثها. في هذه الحالة، يجب أن يكون هناك ارتباط قوي بين تقلبات معينة واسعة النطاق للخلفية الكونية، وتوزيع المادة المسؤولة عن اكتساب الطاقة هذا. عناقيد المجرات

مجموعات المجرات حساسة أيضًا لوجود الطاقة المظلمة. بتعبير أدق، سيكون من الضروري إنشاء إحصائيات لعددهم وفقًا لانزياحهم الأحمر ومدى كتلهم. من خلال قياس هذه المعلمات بدقة، يمكننا تعقب التاريخ الكوني للتوسع، كما هو الحال مع المسابير الكونية الأخرى (BAOs، تأثير ISW، إلخ). ومع ذلك، لا يزال من الصعب قياس كتلة مجموعة من المجرات بشكل صحيح.

وجهات نظر: الارتباطات عبر السماء:

الرهان الأكبر الآن هو الجمع بين هذه الأساليب المختلفة، لرسم خريطة دقيقة للغاية لمعدل التوسع كدالة للانزياح الأحمر. هذا من شأنه أن يجعل من الممكن قياس المعلمة الشهيرة wA (في معادلة الطاقة المظلمة للحالة) وتغيرها المحتمل مع الانزياح الأحمر. يمكننا بعد ذلك فرز الفرضيات المتعلقة بأصل هذه الطاقة بشكل أفضل.

لا يوجد نقص في العلماء. لديهم افكار جيدة لإجراء القياسات المناسبة، بطرق مستقلة في كثير من الأحيان (مما يزيد من حيث المبدأ من موثوقية النتائج النهائية). ستتطلب هذه القياسات كميات هائلة من البيانات. على وجه الخصوص، المسوحات للمجرات الأوسع نطاقًا - حتى تشمل السماء بأكملها، كما فعل بلانك للخلفية المنطقية الكونية - وأعمق، مع تلسكوبات أكبر من أي وقت مضى مزودة بكاميرات فائقة الحساسية إلى كبيرة جدًا في تغطيتها للحقول الكونية. من أجل فهم أفضل للطاقة المظلمة، تم التخطيط لبرامج مراقبة السماء المنتظمة لعقد 2020. سنلتقي الآن بهذا القمر الصناعي الشهير إقليدس، والذي من شأنه أن يساعد علماء الكونيات على الرؤية بشكل أوضح في "القطاع المظلم" للكون.

 

د. جواد بشارة

 

جواد بشارةالدعوة لعلم الفلك والكونيات البديل

للعلم خصائص نظرية وتجريبية تميزه عن المناهج الأخرى في العالم ... دون أن يتعارض معها بالضرورة! لكن في الحقيقة، هل الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات علميتان حقًا؟ قضيتهم تستحق التفكير.

ما هي العملية العلمية؟

فيما يتعلق بأصل (أو أصول) العالم، لا يحتكر العلماء التفكير أو الأفكار الجيدة؛ يمكن لأي مجموعة بشرية أو حركة ثقافية أن يكون لها مفاهيمها الخاصة. ولكن ما هو التمييز (الفروق) بين الرأي، والمعتقد، والأسطورة، والخرافة، والعقيدة، والسياق الثقافي، والتفكير الفلسفي، والتفكير العلمي الاستنتاجي؟ ما الذي يجلبه المنهج العلمي عندما يكون موضوع الدراسة هو كوننا، دون إمكانية تغييره؟

مسألة أصل الكون وماهيته:

المحتوى الكوني (النجوم والمجرات ...) لا يزال رائعًا. والسؤال "من أين أتينا؟" يمكن مقاربته علميًا، ولكن أيضًا فنيًا وفلسفيًا وثيولوجيًا ... يختلف النهج العلمي عن المنهج الآخر، خاصة الثيولوجي، لأنه يحاول الإجابة بطريقة قابلة للدحض على السؤال "كيف حدث ذلك؟»، ولكن في أي حال من الأحوال بخصوص سؤال "لماذا حدث هذا؟»، ففيه إشارة إلى البحث المحتمل عن المعنى. وبالتالي، فإن الفصل بين كيف ولماذا واضح، ويبقى الجميع أحرارًا في التذرع بالسبب أثناء سماع الكيفية.

من خلال النهج العلمي، لا نفهم إلا قليل القليل وأفضل الأفضل (مع الهزات أو العدادات أو التسويف) القوانين الأساسية للكون والظواهر الفيزيائية المطروحة؛ نحن لا نتظاهر بالإجابة "هل للحياة معنى؟" أو "هل من الأخلاقي أن تقتل أو تساعد جارك؟". مثل هذه الأسئلة المشروعة، التي لا يعالجها العلم، يمكن التعامل معها بالفلسفة أو الدين. سنرى أنه لا يوجد تناقض بين هذه الأساليب المختلفة من حيث المبدأ.

لفهم الكيفية، يسعى العلم إلى ذلك، أي إلى تطوير النظريات على أساس المبادئ الأساسية والتنبؤ بالظواهر؛ ثم تتم مقارنة التنبؤات النظرية بالقياسات. وعندما يكون هذا جزء فرعي من نظرية أكبر، نستخدم مصطلح نموذج. إذا تم تحليلها في إطار نظرية أو نموذج، فإن القياسات تجعل من الممكن (أو غير الممكن) تأكيدها، أو إنشاء اتفاق بدرجة ثقة قابلة للقياس الكمومي.

لاحظ أنني أستخدم مصطلح "اتفاقية" وليس "تأكيد". في الواقع، من الصعب (إن لم يكن من المستحيل) تأكيد نظرية ما: لسنا متأكدين أبدًا من أن القياسات الجديدة لن تتعارض معها. في بعض الأحيان تتنبأ عدة نماذج بظواهر مماثلة قابلة للقياس؛ سيتم فصلهم فقط من خلال تدابير أكثر حساسية. من ناحية أخرى، يمكننا التحديد الكمومي، والتوافق بين القياسات والنظرية: كلما زادت القياسات المستقلة التي تتوافق مع التوقعات، زاد دعم النظرية وقبولها كنموذج. على العكس من ذلك، فإن قياسًا مؤكدًا وجد نفسه في خلاف صارخ مع التنبؤ النظري يكفي لإبطال النظرية والإطاحة بها.

في الممارسة العملية، فإن الوضع أكثر دقة. درجة الثقة في القياسات، أو الاتفاق مع النموذج، هي موضع نقاش وليس من الممكن دائما الوصول إلى استنتاج. وبالتالي، فإن القياسات الكونية الحديثة تختلف قليلاً - نستخدم المصطلح "التوتر" عندما يكون الخلاف صغيراً ولكن لا يستهان به - مع "النموذج القياسي أو المعياري" لعلم الكونيات. من خلال حساب احتمال انحراف القياسات عن النظرية، نجد 1٪: إنه بعيد الاحتمال، ولكنه ليس مستحيلًا إحصائيًا، بعيدًا عن ذلك. ماذا نستنتج؟ س: النظرية خاطئة عندما تتنبأ بأن القياسات يمكن أن توفر هذه القيم (حتى لو كان الاحتمال منخفضًا)؟ هل تم تأكيد النظرية بقياس التوتر ولكن مع ذلك مقبول؟ في هذه الحالة، سيكون من الضروري على الأرجح إجراء قياسات مستقلة أخرى، لمعرفة ما إذا كان هذا التوتر مستمرًا ويزيد أو ينحسر.

لذلك فإن النظريات قابلة للدحض: البيانات الجديدة (أو البيانات القديمة المفهومة بشكل أفضل أو المعاد تحليلها) تجعلها تتطور. أما التجارب والقياسات فيجب أن تكون قابلة للتكاثر.1 يحدث أن يتم نشر قياسات استثنائية، ولكن لم يتم تأكيدها بشكل مستقل من قبل فرق أخرى 2 بتحليل نفس البيانات أو إجراء قياسات أخرى ...

تدين العملية العلمية الحديثة بالكثير إلى أسلاف القرن السابع عشر، مثل ديكارت وغاليليو. يستدعي الأمر عنصرين أساسيين: الوجود (وجود (وقابلية تفنيد) نظرية تنبؤية قائمة على المبادئ الأساسية وإمكانية تكرار القياسات. تتم إضافة عناصر أخرى إليها، مثل إمكانية تغيير المعلمات والإعدادات التجريبية، لمعرفة كيف تتصرف الظاهرة فيما يتعلق بالتنبؤات. هذا المخطط (الشاعري إلى حد ما) مشوه في الممارسة اليومية. في بعض الأحيان تكون الملاحظة متقدمة على النظرية: لا تتلقى الظواهر تفسيرًا متماسكًا تمامًا، مثل المادة السوداء أو المظلمة أو سائل الطاقة المظلمة. في كثير من الأحيان، تتقدم النظرية على الملاحظات: من خلال هذه، نحاول اكتشاف الإشارات التي تم توقعها بالفعل، أحيانًا لمدة 100 عام، على سبيل المثال موجات الجاذبية أو الموجات الثقالية، التي، أو الحصول على صورة حقيقية لبيئة الثقب الأسود.

لكن الفيزياء الفلكية (دراسة فيزيائية لقوانين ومحتويات الكون) وعلم الكونيات (دراسة الكون ككل، من وجهة نظر مادية) تشترك مع العلوم الطبيعية في حقيقة أنها كذلك، من المستحيل تغيير المعلمات والاعدادات والبيانات والقيم لمراقبة النتيجة. كيف يمكننا تغيير معلمات المجرة الأولية أو النجم الأولي أو الكواكب الأولية (مثل كتلتها أو تكوينها) لدراسة تكوينها، ثم مقارنتها بما نعرفه (من خلال الملاحظة والنظرية)؟ وبالمثل، في علوم المناخ أو البيئة أو الجيوفيزياء، حيث تكون المقاييس الزمنية أطول بكثير من حياة الإنسان (ولكنها أقصر بكثير من الفترات الفلكية!)، يكاد يكون من المستحيل تغيير الشروط الأولية أو لتغيير المعلمات (إلا في حالة المحاكاة العددية). هل هو حقًا علم، إذا كنا بالكاد نستطيع التجربة؟

الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات: هل هي علوم؟

يمكن تعريف الفيزياء الفلكية على النحو التالي: "العلم الذي يدرس التركيب والتطور والقوانين الفيزيائية الأساسية التي تحكم المقاييس التي تنتقل من النظام الشمسي إلى الكون كله". لذلك فهو مرتبط ارتباطًا وثيقًا بعلم الكونيات (دراسة الكون على نطاق واسع) وعلوم الكواكب والنجوم والمجرات، ويدعو إلى العديد من "الواجهات" مع الرياضيات والفيزياء النظرية والفيزياء دون الذرية (النووية والجسيمات)، الفروع الأخرى للفيزياء (البلازما، السوائل، المواد الصلبة، تفاعل المادة مع الإشعاع ...)، الكيمياء، الجيولوجيا، حتى علم الأحياء وعلوم الكمبيوتر (البيانات الضخمة، التعلم العميق والتفاعل البشري) الآلات والكنولوجيا). ناهيك عن تقنيات القياس، بما في ذلك البحث عن أجهزة الكشف أو إدارة نظم المعلومات، وكذلك العلوم الهندسية، على الأرض وفي الفضاء، وحتى الإدارة!

لقد رأينا أن الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات يشتركان في جوانب معينة من العلوم الطبيعية مع علوم المناخ والجيوفيزياء: فهما يدرسان (أساسًا) الظواهر الطبيعية، التي تتطور على مدى فترات زمنية طويلة فيما يتعلق بحياة الإنسان. ليس من المستغرب أن تكون موضوعات البحث هذه تجري في المركز الوطني للبحث العلمي في فرنسا (CNRS)، المجمع في معهد واحد، المعهد الوطني لعلوم الكون (INSU)، مع روابط عديدة مع معاهد أخرى مثل المعهد الوطني للفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات (IN2P3) والمعهد الوطني للفيزياء (INP). غالبًا ما يتم إجراء هذا البحث في شراكة متساوية مع مؤسسات ذات هيكل مماثل، مثل الجامعات أو اللجنة الفرنسية للطاقة الذرية والطاقات البديلة لتطوير المشاريع الفضائية، بدعم من وكالة الفضاء الفرنسية، المركز الوطني لدراسات الفضاء (CNES).

كيفية دراسة الظواهر التي تحدث في نطاق مقاييس طويلة من الزمان والمكان، دون التمكن من تجربة الظروف الأولية أو المعايير المختلفة؟ كيف تتعامل مع كون واحد ومتى لا يمكنك إنشاء نجم بنفسك؟ هل نهج الفيزياء الفلكية علمي؟ الجواب (الإيجابي) لن يفاجئ القارئ، لكن يجب أن يكون له ما يبرره. تتطلب دراسة هذه الظواهر الطويلة والبعيدة - الكون ومكوناته يتطلب - إطارًا نظريًا. لذلك فهي مسألة وجود نظرية متماسكة، أو التي يستدعي وجودها، وإجراء تنبؤات قابلة للاختبار من خلال الملاحظات. هذه الحالة - ضرورية ولكنها ليست كافية - تم التحقق منها جيدًا في الفيزياء الفلكية.

لأننا لا نستطيع إجراء التجارب مباشرة (على سبيل المثال فيما يتعلق بتكوين النجوم)، من الضروري أيضًا استدعاء مبادئ أو افتراضات معينة، كما تفعل العلوم الأخرى. لنبدأ بمبدأ العملانية ergodicité. يمكن ذكره بعدة أشكال. الشيء الذي يثير اهتمامنا هو ما يلي: العملية الــ ergodique تكون إذا كان النظام المادي، الذي يُترك لنفسه لفترة كافية، يستكشف بالكامل "مساحة الطور"، أي مجموعة القيم والمعلمات والاعدادات الممكنة. هذا يعني أنه إذا لم نتمكن من تجربة وتغيير المعايير بأنفسنا، فإن "كل الاحتمالات موجودة في الطبيعة". من الناحية المفاهيمية، نستبدل التجارب المباشرة ... بملاحظة العديد من الإدراكات والانجازات: أخيرًا، الكون هو الذي يختبر لنا بدلا منا! مع الأخذ في الاعتبار المبدأ الكوني، يقول بشكل أساسي أنه لا يوجد شيء مثل مكان متميز في الكون. وهذا يعني أن الظروف (الديناميكية أو غير ذلك) السائدة هناك من الناحية الإحصائية هي نفسها في كل مكان، مع العلم أن قوانين الفيزياء هي نفسها أيضًا في كل مكان. صيغة أخرى: هناك مقياس للحجم (يقدر بعدة مئات من الميغا فرسخ mégaparsecs) يمكننا بعده اعتبار الكون متجانسًا تمامًا. لاحظ أن صحة هذا المبدأ لا تزال تثير الجدل.

بشكل عام، يتكون النهج العلمي من تراكم مجموعة متنوعة من الملاحظات (ربما يكون لكل منها تحيزات أو قيود)، لدراستها بشكل منهجي و"لفهمها"، للإجابة على سؤال أو التحقق من صحة التنبؤ النظري. فيما يلي بعض الأمثلة والأمثلة المضادة. مثال رقم 1: التنبؤ بسعر سوق الأسهم. عندما أناقش السؤال "هل الفيزياء الفلكية علم؟" مع طلابي، قدموا العديد من الحجج الصحيحة: "العلم يصنع تنبؤات"، "نحن نلاحظ ونحلل ونتوقع"، إلخ. أشرح لهم أن هذه الحجج ضرورية ولكنها غير كافية، مع الأخذ في الاعتبار التنبؤ بالأسعار في الأسواق المالية: إنها ليست مسألة علمية، مثله في ذلك مثل علم التنجيم 4 •

المراقبة والتنبؤ لا يكفيان لتشكيل علم. المنجم ومسوق سوق الأسهم أو المعلق الرياضي، بلا شك وبحسن نية، يراقبون بياناتهم المفضلة ويتنبؤون بما يمكنهم أو يريدون. لكن تنبؤاتهم لا تستند إلى أي نظرية مثبتة - التي كان من الممكن أن تظهر صحتها - وتم تزويدها بمعايير كمية دقيقة. لا يتم دعم هذه التنبؤات من قبل أي مجموعة نظرية أو تجريبية من المقاييس التي اجتازت اختبارات موضوعية. (ملاحظة: يوجد بالفعل علم اقتصادي، غير مستثنى من الخلافات، يأخذ في الاعتبار البعد الإنساني والاجتماعي أثناء استدعاء التحليل العقلاني، مقارنة بالمفاهيم النظرية واستخدام النماذج.) قد يكون لدى هؤلاء الممارسين بعض المهنة وعلم النفس والخبرة لتشعر بالأشياء، لكن نهجهم ليس علميًا: ماذا عن العالمية والموضوعية وقابلية التفنيد والتكاثر وخصائص العملية العلمية؟

مثال 2: التنبؤ بالطقس:

النموذج الأولي للنهج العلمي، الذي يتم طرحه في بعض الأحيان للتساؤل (على سبيل المثال، إذا انتهى توقع هطول الأمطار في شمس مشعة، ولكن دعونا نواجه الأمر أن هذا لم يعد يحدث بعد الآن)، فإن توقعات الأرصاد الجوية لها قواعد نظرية وتجريبية صلبة في الفيزياء (خاصة الديناميكا الحرارية)، علم المناخ، الجيوفيزياء، علم المحيطات. مع زيادة قوة أجهزة الكمبيوتر وتوافر بيانات أكثر دقة، يتم تنقيح النماذج بانتظام، وأصبح العلماء على دراية بالاستقرار والشكوك في الحلول والتنبؤات، التي أصبحت الآن موثوقة للغاية على مدار خمسة أيام أو أكثر. يبقى تحدٍ آخر: توصيل هذه المعلومات (وشكوكها) للجمهور!

إذا تركنا الأرصاد الجوية لنقترب من المناخ، الذي يتعلق بالمقاييس الزمنية الطويلة جدًا، أن نموذج مناخ الأرض يستخدم أيضًا لكواكب المريخ والزهرة، والكوكب القزم بلوتو والأقمار تيتان وتريتون. نقوم بتعديل قيم متغيرات عددية مختلفة اعتمادًا على النجم المدروس، لحساب جاذبيته وضغطه وتكوين الغلاف الجوي، إلخ. يسعى الزملاء الآن إلى تطبيق هذا النوع من النماذج على الكواكب العملاقة، وحتى الكواكب الخارجية، أي خارج منظومتنا الشمسية (التي تدور حول نجوم أخرى)! كل هذه الدراسات تشارك في التحسين المستمر للنموذج، وتجد تطبيقاتها على الأرض.

مثال رقم 3: أنظمة الكواكب، قبل عام 1995 وبعده، حتى اكتشاف أول كوكب خارجي حول النجم بيجاسي 51 Pegasi (من مرصد Haute Provencé، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2019)، اعتبر الباحثون نظامنا الشمسي - كواكب غازية عملاقة تقع بعيدًا عن النجم، تكون الكواكب الصخرية أحيانًا قريبة جدًا منه – مثل "نموذجي". وكان الذهول لدى الراصدين: أظهر اكتشاف هذا الكوكب الخارجي أن كوكبًا ضخمًا (مثل كوكب المشتري) يمكن أن يكون قريبًا جدًا من نجمه لدرجة أنه يدور حوله، ما يزيد قليلاً عن 4 أيام! كان لابد من مراجعة النظرية بالكامل، والتي اعتبرت من المستحيل بقاء كوكب عملاق في هذه المنطقة الكونية. تم إجراء هذه المراجعة وحققت بعض النجاح: تم تحديد أكثر من 4000 كوكب خارجي و"مسموح" من الناحية النظرية. من خلال دمج التفاصيل الجديدة والخواص الدقيقة للفيزياء المعروفة بالفعل، وصلنا إلى مفهوم هجرة الكواكب العملاقة. تتشكل دائمًا بعيدًا عن النجم، ولكنها تهاجر تدريجياً إلى مناطق أقرب، دون أن تتبخر. كان من المفهوم أيضًا أن "كوكب المشتري الساخن" (فئة الكواكب الخارجية العملاقة القريبة من نجومها) هي الأكثر سهولة في الاكتشاف: تفضيلات "انحياز الاختيار" الملاحظة (الدراسة الإحصائية سيكون لها تحيز في الاختيار إذا كانت العينة المستخدمة لا تمثل المجموعة المراد دراستها، بسبب اختيار معين). تعمل أدوات وأجهزة جديدة على خفض عتبة الكشف عن الكواكب الخارجية (نكتشف كواكب أخف وزناً)، بهدف الكشف عن "الكواكب الخارجية" (ذات الكتل المشابهة لكوكبنا). استنتاج شخصي: الكون أصلي أكثر مما نتخيل! يجب تذكرها أيضًا في علم الكونيات.

وظيفتي: قاتل النماذج ...

عندما يُسألون عن طبيعة عمل عالم الفيزياء فلكية، الجواب أحيانًا هو: " قاتل النماذج، وخاصة نماذجه هو أسوة بنماذج الآخرين!" أعتقد أن هذا يلخص نشاطه جيدًا، على الرغم من الزاج الهادئ للغاية الذي يتحلى به العالم عادة، بعيدًا عن صورة القتلة و"منظفي مسرح الجريمة" في السينما.

القياسات التي نأخذها حول الخصائص العالمية للمجرات أو الهياكل البعيدة، تهدف إلى الاستجابة لمشكلة علمية من خلال مواجهة التنبؤات، والتي هنا تعني النماذج. لذلك من الطبيعي تطوير هذه النماذج، بحيث تتوافق بشكل أفضل مع البيانات. يتضمن هذا "قتل" نماذج معينة، أو بالأحرى إظهار أنها لا تتناسب مع الملاحظات. ماذا يمكن أن يحدث للنماذج التي عرضها فريقي العلني، لكنني أعتقد أنهم يقاومون أيضًا (أو بشكل سيئ، في هذه الحالة) مثل النماذج الأخرى ... الشيء الرئيسي هو أن مقارنة النماذج، أكثر أو أقل حسماً من أجل بقائهم، وتعزيز معرفتنا.

1 نهج المراقبةla démarche observationnelle   

يتألف من مقارنة التوقعات النظرية والقياسات، التي من المفترض أن تكون عديدة بما يكفي لتغطية مساحة المعلمات والمعايير المعنية بشكل جيد. وهذا يطرح مشكلة في بعض الأحيان: في علم الكونيات، لدينا كون واحد فقط وهذا القيد أساسي بالنسبة لبعض الدراسات. في المقابل، أدى اكتشاف الآلاف من الكواكب الخارجية إلى إصلاح علوم الكواكب، والتي يجب أن تكون قد فسرت تنوع الأنظمة المرصودة.

نهج المحاكاة الرقمية قريب جدا. بدءًا من المبادئ الفيزيائية، وأحيانًا من النماذج المبسطة، يتم إنشاء عمليات المحاكاة، مقارنة بالبيانات المتاحة والتنبؤات النظرية. أحيانًا نجرب في المختبر على أنظمة (سوائل، بلازما ...) لها خصائص الظواهر الفيزيائية الفلكية.

وبالتالي، فإن ثراء هذه الأساليب يأتي من مقارنة القياسات بالتنبؤات، وإمكانياتها ذهابًا وإيابًا. دعونا نلخص الخطوات المثالية.

1) تحديد مشكلة علمية واضحة، نحن نركز على موضوع معين.

2) تحديد الملاحظات التي تتكيف مع هذه المشكلة، نحن نقرر ما هو الأفضل لملاحظته ورصده لتحقيق الأهداف المحددة. غالبًا ما توجد عدة حلول.

3) تطوير إستراتيجية مراقبة لجمع المعلومات المفقودة المحددة في الفقر الثانية نظرًا لأنه قد يكون هناك العديد من الملاحظات ذات الصلة، فمن الممكن وجود استراتيجيات مختلفة.

 4) حملة المراقبة. نقود الحملة على الأرض أو في الفضاء، مع وجود مخاطر محتملة. إذا لاحظنا مجموعة من المجرات، وكان جزء بسيط فقط من الوقت المتوقع صالحًا للاستخدام، فماذا نفعل؟ راقب أهدافًا قليلة، بالحساسية الصحيحة؟ أو جميع الأهداف بحساسية أقل ومخاطرة عدم القدرة على التوصل إلى نتيجة بشأن القضية؟ غالبًا ما يظهر هذا النوع من الأسئلة أثناء الحملة أو بمحاذاتها، عندما تتخذ لجان تخصيص وقت التلسكوب خياراتها (الطلبات أكبر من 3 إلى 20 مرة من الوقت المتاح).

5) معالجة البيانات، ربما بصورة تلقائية أو آلية.

يتم إجراء المعالجة بواسطة متخصصين في الأداة المستخدمة، غالبًا مع سلسلة من برامج الكمبيوتر تسمى "خط انابيب". يتكون من تصحيح البيانات الأولية للتأثيرات في تدهور الإشارة (بسبب الأجهزة)، ومن ثم القيام بمعايرتها. عندئذ تصبح لدينا بيانات خاصة بالاستخدام العلمي.

6) تحليل البيانات للغرض المحدد في النقاط 1 و2، تحليل الإشارة الفلكية هو بلا شك الخطوة الأكثر دقة: هذه الإشارة تشوبها الضوضاء وحساسة لإخراجها. أين الإشارة والضجيج؟ نقاش ضخم! هذا هو التعريف الذي يناسبني بشكل أفضل: في سياق معين، الإشارة هي المعلومات المطلوبة بينما الضوضاء هي أي معلومات أو عملية غير مرغوب فيها.

هنا مثال معبر. مدرس يعطي درسا أمام عشرات الطلاب. اثنان منهم يناقشان أمسيتهما في الليلة السابقة (موقف خيالي بالطبع!): تحكي A قصتها لـ B التي تستمع إليها. لذلك تتلقى B إشارتين: قصة A وصوت المعلم، تصل موجتان صوتيتان متميزتان إلى أذنها. الفيزياء لا تميز الأنف والحنجرة إعادة الإشارة والضوضاء، فقط السياق هو الذي يحدد أيهما أو الآخر. إذا كان B جادًا أو مركّزًا، فسوف يأخذ قصة A للتشويش وصوت المعلم للإشارة المضطربة. ولكن إذا كان في مزاج مرح، فسيعتبر صوت المعلم ضوضاء، وإشارة الاهتمام هي

صوت A. يمكن أن تكون الضوضاء عشوائية (على سبيل المثال: ضوضاء حرارية) أو نظامية أو منظمة (الصوت الذي لا يهم). اعتمادًا على الاهتمام العلمي، يمكن أن تؤدي الحالة المادية إلى العديد من التحليلات. مثال فيزياء فلكية: بيانات من القمر الصناعي بلانك، تحتوي على إشارة من مجرتنا، ولكن أيضًا من المجرات البعيدة والخلفية الكونية. سنقوم بتحليل هذه البيانات بشكل مختلف، اعتمادًا على ما إذا كنا مهتمين بالانبعاث الخلفي للخلفية الكونية أو الانبعاث الأمامي للمجرة وليس للخلفية الكونية.

7) التفسير العلمي: تفسير القياسات مهمة صعبة. تمت مقارنة المعلومات ذات الصلة، المستخرجة خلال الخطوة السادسة، بالنماذج والتدابير الأخرى الموجودة، لاستخلاص استنتاجات حول الاستجواب الأصلي.

8) الاستنتاجات والتغذية الراجعة ومواجهة المشكلة الرياضياتية العلمية: عادة ما يجعل مواجهة التفسير والاستجواب الأولي من الممكن دفع النقاش العلمي إلى الأمام.

"هل تصدق" الانفجار العظيم؟ لا يحتاج الأمر للتصديق!

يسألني الناس أحيانًا عما إذا كنت أؤمن بالانفجار العظيم. السؤال مطروح بشكل سيئ: النهج العلمي لا يعطي سببًا للاعتقاد، لكنه يظهر اتفاقًا أو اختلافًا بين البيانات المكتسبة والنماذج أو التنبؤات. لا عقيدة أو حقيقة خفية في هذا النهج، ولكن النظريات والملاحظات والمشاهدات ونتائج عمليات الرصد والحقائق والمواجهة والتساؤلات والشكوك والنقاشات والتساؤل. كان من الممكن أن يكون السؤال هو: "هل تعتقد أن نموذج الانفجار العظيم هو الأفضل الذي يتناسب مع جميع الملاحظات الحالية؟" يجيب معظم المجتمع العلمي - بمن فيهم أنا - بـ "نعم" على هذا السؤال (بصيغة مبسطة إلى حد ما واختزالية). ستفصل الصفحات التالية هذه الإجابة لتوضيح النجاحات التي لا جدال فيها للنموذج، دون التعتيم على الأسئلة المفتوحة والمشاكل المتبقية.

دعونا نلقي نظرة على حالة "العلم والدين": تسببت علاقتهما في أضرار جسيمة. وسفك الكثير من الحبر (وحتى الدم). لا ينبغي أن يدخل هذان النهجان في المواجهة، لأنهما يعالجان مجالات فكرية مختلفة. من ناحية الدين، إنها مسألة قيم وسلوك معين للحياة والمعنى المعطى للوجود والعالم ولتقدمه. من ناحية العلم، إنها مسألة استجواب منطقي لعالم معقد، على جميع مقاييس الزمان والمكان، مع التنبؤات النظرية التي يمكن دحضها بالتجربة.

منذ ذلك الحين، يمكن للمرء أن يكون عالمًا ومؤمنًا؛ هذه ليست حالتي بالطبع، لكنني أعرف أشخاصًا راضين تمامًا عن أن يكونوا كذلك! ولكن كيف لا نجد بعض الحزينين أو الظلاميين السخيفين أو المخادعين الذين يريدون الحفاظ على الخلط بين العلم والدين، من خلال تتبع شبكة قراءة عقائدية حول الأسئلة العلمية؟ لقد احتقروا وأهانوا الإبداع البشري لعدة قرون ... سواء كان بوزون هيغز، جزيئات الحمض النووي، مصير النحل، تكوين الصخور، الكواكب، المجرات، المادة السوداء، أو التخمينات الرياضية، أو نظرية الألعاب، ما هو الفضل أو أهمية الانعكاس الديني؟ من جانبه، لا يتدخل العلم في الأسئلة المتعلقة بالأخلاق، وطبيعة الخير والشر، والمعنى الذي يجب أن يُعطى للحياة والأفعال البشرية. يمكننا بعد ذلك الانتقال إلى الدين أو الفلسفة أو الأخلاق أو الثقافة أو القانون أو علم النفس 7 •

إن مزيج الأنواع التي تعمل بها الوسائط أحيانًا، بين الأصل الميتافيزيقي للكون وواقعه العلمي، يطمس الاستماع ويغير التمييز بين النهج الموضوعي والتكهنات المضادة، المنطوقة في ثرثرات البارات والتي تتبعها حفنة نادرة ولكنها مشهورة من دجالي وسائل الإعلام الحديثة. دعونا نعرف كيف نميز!

لصالح البحث الأساسي:

"أليست مهمات الفضاء باهظة الثمن؟ هل يجب استخدام هذه الأموال لمواجهة المشاكل الاجتماعية (الفقر والبطالة وما إلى ذلك)؟ "

أود أن أعطي وجهة نظري حول هذه الأسئلة ذات الصلة التي تطرأ كثيرًا من خلال توسيعها لتشمل جميع الأبحاث الأساسية.

تبلغ التكلفة الإجمالية (مع الرواتب) لبعثات بلانك Planck وهيرشل حوالي 1.2 مليار يورو موزعة على17 سنة، وهو مبلغ متواضع مقارنة برقم معين يتعلق بالإنفاق الحكومي (التخفيضات الضريبية أو المعدات العسكرية، على سبيل المثال). ينطبق هذا أيضًا على البنى التحتية الكبيرة مثل CERN. هذه النفقات، التي تؤدي إلى اكتشافات عظيمة وابتكارات صناعية، هي نتيجة اختيار المجتمع حيث يتم أيضًا دعم التعليم للجميع والتميز من خلال البحث، حيث يستلهم المجتمع من أهم الأبحاث. الأساسيات بعيدة المدى، وكذلك البحث والتطوير قصير المدى التطبيقي: تتم المقايضات في سياق عالمي (التعليم، الصحة، الاجتماعية، العسكرية، الاقتصاد، الاستثمار في البنية التحتية، استخدام الضرائب، الدولية، وما إلى ذلك)، دون تعارض عقيمين مع مجالين فرعيين - "العلم" و"الاجتماعي"، أو "العلم" و"المجاعة العالمية". ومن أجل التقدم، يطور البحث الأساسي ويحتاج إلى تقنيات متقدمة؛ يستكشف السبل التي في بعض الأحيان محكوم عليها بالفشل؛ واعدة جدًا أحيانًا (للأسف لا نعرف إلا بعد ذلك). لذلك فهي تولد التنمية الصناعية وتخلق وظائف تتطلب مهارات، والتي لها في حد ذاتها فوائد اقتصادية، بينما تستعد للمستقبل. بالإضافة إلى أنها تنتج المعرفة القادرة على توعية المواطنين والسياسيين بالعديد من الموضوعات ذات الاهتمام المجتمعي.

على مستوى أعمق، ستكون نظرتنا للعالم، ومثلها ستكون حياتنا اليومية، مختلفة تمامًا بدون هذه المعرفة البحثية. يمكننا على وجه الخصوص اقتباس GPS، الذي يستخدم التصحيحات الناتجة عن نظرية النسبية التي تأسست منذ حوالي 100 عام. إن الهوس الإعلامي والشعبي للأحداث العلمية أو التكنولوجية الكبرى يثبت، كما يبدو لي، أن البشرية ما زالت تشكك في العالم ومكانه فيه. العلم يوحد البشر تمامًا مثل الفن والثقافة!

الآن وقد تم توضيح تفاصيل العملية العلمية وحالة الفيزياء الفلكية، فقد حان الوقت للخوض في مجال علم الكونيات الفيزيائي بمزيد من التفصيل. بدءًا من تاريخها، الذي يمتد إلى أكثر من قرن.

 

د. جواد بشارة

 

جواد بشارةإعدادا وترجمة د. جواد بشارة

univers cyclique

هل الكون موجود دائما؟ إذا كان الأمر كذلك، فهل يرتد مرة أخرى في دورة Big Bang لا تنتهي أبدًا؟ أم أنها بدأت بمفردها؟ تم تطوير العديد من النظريات بمرور الوقت للإجابة على هذه الأسئلة، لكن الأطر الفيزيائية والرياضياتية لهذه النماذج لم تكن قادرة على الإطلاق على إظهار وجود السلوك الدوري للكون أو غير ذلك. بداية ونهاية فريدة.

لكن في الآونة الأخيرة، استدعى فريق من المنظرين تنبؤات نظرية الأوتار لحل بعض الألغاز الأساسية للكون المبكر. يمكن أن تعطينا النتيجة الدفعة النظرية اللازمة لبناء الكون من الصفر، وبالتالي دعم فرضية الكون المتكرر تعاقبياً أو دورياً.

نحن نعلم أننا نعيش في عالم يتوسع، حيث تبتعد المجرات والنجوم عنا بسرعة متزايدة. لدينا أيضًا ملاحظات عن الكون المبكر، عندما كان عمره 380 ألف عام فقط. في هذه الصور، نرى أنماطًا مثيرة للاهتمام - بقع صغيرة ومناطق تكشف عن وجود اختلافات طفيفة في درجة الحرارة والضغط في هذا الكون الشاب.

إن ملاحظة تقلبات الكثافة (تباين الخواص) داخل الخلفية الكونية المنتشرة، على وجه الخصوص بفضل مهمة بلانك، جعلت من الممكن تأكيد وجود فروق في الضغط ودرجة الحرارة في الكون المبكر.

fluctuations densite cmb inflation

نحن قادرون على شرح كل هذه الملاحظات بما يسمى بعلم الكونيات ونموذج الانفجار العظيم Big Bang، بالإضافة إلى فكرة إضافية تُعرف باسم التضخم (وهي عملية نعتقد أنها حدثت عندما كان عمر الكون أقل من ثانية). في هذه العملية، نما الكون بشكل أكبر بكثير، محوّلًا تقلبات الكموم إلى تقلبات في الكثافة. وزادت هذه التقلبات في نهاية المطاف.

نموذج للكون ekpyrotic: لا يعيد إنتاج سلوك الكون البدائي

أعاقت الاختلافات في الضغط والكثافة ودرجة الحرارة خلال السنوات الأولى للكون العديد من النظريات الكوسمولوجية – الكونية البديلة، بما في ذلك واحدة من أكثر الأفكار شيوعًا لتجاوز الانفجار العظيم المعروف باسم الكون ekpyrotic. تأتي كلمة ekpyrotic من الكلمة اليونانية "Conflagration»، والتي تشير إلى فكرة فلسفية قديمة عن كون متكرر باستمرار.

من هذا المنظور، نحن حاليًا في مرحلة "الانفجارالعظيم"، والتي سوف تتباطأ (بطريقة ما) وتتوقف وتعكس وتعود إلى درجات حرارة وضغوط عالية بشكل لا يصدق. ثم ينتعش الكون ويعيد إطلاقه في مرحلة جديدة من الانفجار العظيم.

تكمن مشكلة هذا النموذج في أنه لا يعيد إنتاج التقلبات في الكثافة والضغط ودرجة الحرارة التي لاحظناها في بدايات الكون. كون هذا النموذج هو كون موحد تمامًا. وهذا لا يعني فقط أن النظريات لا تتطابق مع الملاحظات من الكون المبكر. هذا يعني أن هذه الكونيات لا تؤدي إلى كون مليء بالمجرات أو النجوم أو حتى الكواكب.

فيما يعتقد البعض الآخر من العلماء أن الكون المرئي هل نشأ الكون من اصطدام غشاء S-Branes لإنقاذ نموذج الكون - ekpyrotique ekpyrotic.

هذا هو السبب في أن المنظرين حاولوا صياغة نموذج للكون ekpyrotique يتوافق مع ملاحظات الكون المبكر. وللقيام بذلك، قاموا باستدعاء عنصر معين: أغشية إس. مصطلح "غشاء" يأتي من نظرية الأوتار ويتوافق مع سلسلة متعددة الأبعاد (ن> 1). يشير S إلى حقيقة أن هذه الأغشية S لا يمكن أن توجد إلا في لحظات محددة في الزمكان، في ظل ظروف محددة.

D3 brane cordes ouvertes

الأوتار الأساسية لنظرية الأوتار هي 1-branes. D- أغشية هي الأشياء التي ترتبط بها الحبال (مستطيل أسود في الصورة). من ناحية أخرى، فإن الأغشية S هي أغشية محددة جدًا لا يمكن أن توجد إلا في ظل ظروف مكانية وزمانية محددة.

في هذا السيناريو الجديد ekpyrotique، بينما كان الكون في أصغر تكوين ممكن وأكثره كثافة، ظهر غشاء S، مما أدى إلى إعادة توسع الكون المليء بالمادة والإشعاع (الانفجار العظيم) ومع اختلافات طفيفة في درجة الحرارة والضغط المقابلة لتلك الملاحظة.

بينما تقدم هذه الفرضية حلاً أنيقًا لتكوين الكون وتطوره، إلا أنها تظل تخمينية للغاية. أولاً، لأن نظرية الأوتار الفائقة لم تكن موضوع أي تأكيد تجريبي بعد، وثانيًا لأن فرضية البرانات - الأغشية S-brane هي نفسها مشكوك فيها في وسط الفيزياء النظرية وعلم الكونيات خاصة عند اللجوء لاستخدام نظرية الأوتار.

المصادر: arXiv

يوجد عالم من المادة المضادة بعد الانفجار العظيم، وفقًا لنموذج جديد

univers antimatiere bigbang

على الرغم من أن النموذج الكوسمولوجي القياسي أو المعياري يفسر العديد من الظواهر الكونية التي لوحظت في الكون، لكنه لا يزال يحتوي على فجوات معينة، مثل طبيعة المادة والطاقة السوداء أو المظلمة، والتي تجعل بعض علماء الكونيات يبحثون عن بدائل. يقترح أحد هذه البدائل، الذي طوره الفيزيائي الشهير نيل توروك، أن كوننا يمتلك نفسًا بديلًا للمادة المضادة يتجاوز الانفجار العظيم.

يمكن أن يكون كوننا انعكاسًا لكون مادة مضادة تمتد إلى ما بعد الانفجار العظيم. هذا ما يقترح نموذجًا كونيًا جديدًا - طوره علماء الفيزياء من معهد Perimeter تحت إشراف Neil Turok - يفترض وجود "كون مضاد" والذي، إلى جانب كوننا، يحافظ على قاعدة أساسية للفيزياء. يسمى تناظر CPT. لا يزال النموذج بحاجة إلى التعميق والعمل عليه، لكنه، وفقًا لمؤلفيه، يشرح بشكل طبيعي وجود المادة السوداء أو المظلمة.

يؤكد النموذج الكوني القياسي أو المعياري أن الكون ظهر منذ حوالي 13.8 مليار سنة بعد الانفجار العظيم، ليبرد بعد ذلك وينتج عنه الجسيمات والنوى الذرية والذرات والنجوم والكواكب والمجرات وما إلى ذلك. ومع ذلك، وفقًا لتوروك، اعتمادًا على معلمات مخصصة، فإن هذا النموذج يشبه بشكل متزايد وصف بطليموس للنظام الشمسي.

ويقول إن أحد هذه المعلمات هو الفترة القصيرة من التوسع العنيف والسريع المعروف باسم التضخم الكوني، والذي قد يفسر التوحيد والتجانس الواسع النطاق للكون (التجانس والتناحي). "هناك ميل إلى تفسير أي ظاهرة جديدة من خلال اختراع جسيم جديد أو مجال جديد؛ يشرح توروك "أعتقد أن هذا قد يكون خطأ".

وبدلاً من ذلك، شرع توروك وزميله لاثام بويل في تطوير نموذج للكون قادر على شرح جميع الظواهر التي يمكن ملاحظتها بناءً على الجسيمات والحقول المعروفة فقط. تساءلوا عما إذا كانت هناك طريقة طبيعية لتوسيع الكون إلى ما بعد الانفجار العظيم. يقول توروك: "وجدنا أنه كان هناك".

نموذج كوني يحترم تناظر CPT

univers cpt bigbang

لقد اعتبروا أن الكون ككل يطيع تناظر CPT. يتطلب هذا المبدأ الأساسي أن تظل جميع العمليات الفيزيائية كما هي إذا انعكس الزمن، وعكس الفضاء، واستبدلت الجسيمات بجسيمات مضادة. يتذكر توروك أن هذا ليس هو الحال بالنسبة للكون من حولنا، حيث يمر الزمن مع توسع الفضاء، وحيث توجد مادة أكثر من المادة المضادة.

في نموذج الكون المتماثل CPT، يتدفق الزمن في الاتجاه المعاكس للانفجار العظيم داخل الكون المضاد.

سيكون الهيكل الذي يحترم التناظر زوجًا من كون مقابل كون. سوف يمتد الكون المضاد عبر الانفجار العظيم، وستهيمن عليه المادة المضادة، وستنعكس خصائصه المكانية عن خصائص كوننا - وهو وضع مشابه لتكوين أزواج الإلكترون والبوزيترون في الفراغ، حسب توروك.

يقر Turok، الذي تعاون أيضًا مع Kieran Finn من جامعة مانشستر في المملكة المتحدة، بأن النموذج لا يزال بحاجة إلى الكثير من العمل ومن المرجح أن يواجه الكثير من الانتقادات. بالفعل خلال مرحلة مراجعة الأقران عندما تم تقديم المقالة إلى Physical Review Letters، تم إخبار المؤلفين أنه لكي يكون صحيحًا، يجب أن يشرح نموذجهم تقلبات درجة حرارة الخلفية الكونية المنتشرة. لا يزال العمل جاريًا وفقًا لتوروك.

يجب أن تكون ملاحظة تقلبات الكثافة (تباين الخواص) داخل الخلفية الكونية المنتشرة، ولا سيما بفضل مهمة بلانك، قابلة للتفسير من خلال نموذج CPT الجديد. يُعتقد أن هذه التقلبات ناتجة عن الطبيعة الكمومية للزمكان بالقرب من الانفجار العظيم.

fluctuations densite cmb inflation

يوضح الأخير أن التقلبات ترجع إلى الطبيعة الكمومية للزمكان بالقرب من تفرد الانفجار العظيم. في حين أن المستقبل البعيد لكوننا والماضي البعيد للكون المضاد من شأنه أن يوفر نقاطًا ثابتة (كلاسيكية)، فإن جميع التبادلات الكمومي المحتملة ستكون موجوددةفي المركز.

قام هو وزملاؤه بحساب حالات كل تكوين ممكن لزوج CPT، ومن بينها، أي واحد من المرجح أن يكون موجودًا. قال: "اتضح أن الكون الأكثر احتمالا هو الذي يشبه كوننا". يضيف توروك أن عدم اليقين الكمومي يعني أن الكون والكون المضاد ليسا صورتين متطابقتين لبعضهما البعض، مما يتجنب القضايا الحساسة مثل الإرادة الحرة.

الظهور الطبيعي للمادة السوداء أو المظلمة في النموذج الكوني CPT

يقول توروك إن النموذج الجديد مرشح طبيعي للمادة السوداء أو المظلمة. هذا المرشح عبارة عن جسيم ضخم للغاية ومراوغ يسمى نيوترينو "عقيم"، والذي يعتقد أنه يفسر الكتلة المحدودة (الصغيرة جدًا) للنيوترينوات اليسارية الأكثر شيوعًا. بحسب الفيزيائي في، يمكن استخدام تناظر CPT لتحديد وفرة النيوترينوات الصحيحة في كوننا. مع الأخذ في الاعتبار كثافة المادة السوداء أو المظلمة المرصودة، يشير إلى أن هذا يعطي كتلة للنيوترينو الصحيح تبلغ حوالي 5 × 108 غيغا إلكترون فولت - حوالي 500 مليون ضعف كتلة البروتون.

ويصف هذه الكتلة بأنها تشبه "بشكل لا يصدق" تلك المشتقة من إشارتين راديو شاذتين تم اكتشافهما بواسطة هوائي أنتاركتيكا النبضي العابر (ANITA). تجربة منطاد الهواء الساخن، التي تحلق فوق القارة القطبية الجنوبية، تراقب تدفق الأشعة الكونية عبر الغلاف الجوي. ومع ذلك، في مناسبتين يبدو أن ANITA قد اكتشفت جسيمات بكتل تتراوح بين 2 و10 × 108 GeV.

كشفت تجربة Antarctic Impulse Transient Antenna (ANITA) عن جسيمين عاليي الطاقة لهما توقيع مذهل، والذي يمكن أن يكشف عن أثر النيوترينو المعقم.

نظرًا لأن النيوترينوات العادية ستتفاعل بشكل شبه مؤكد قبل الذهاب إلى هذا الحد، فقد اقترح توماس ويلر من جامعة فاندربيلت وزملاؤه مؤخرًا أن الجناة كانوا في الواقع يتحللون النيوترينوات المستقيمة.

ومع ذلك، يشير Turok إلى مشكلة: يتطلب نموذج CPT المتماثل أن تكون هذه النيوترينوات مستقرة تمامًا. لكنه يظل متفائلا بحذر. "من الممكن أن تتسبب في تحلل هذه الجسيمات مع تقدم عمر الكون، لكن هذا يتطلب تعديلًا بسيطًا لنموذجنا. لذلك ما زلنا مفتونين، لكنني بالتأكيد لن أقول إننا مقتنعون في هذه المرحلة ".

المصادر: خطابات المراجعة المادية

المادة السوداء أو المظلمة: هل تختبئ البوزونات السوداء المظلمة في التفاعل بين النيوترونات والإلكترونات؟

signature bosons noirs interactions neutrons électrons

على الرغم من أن هذا هو افتراض الغالبية للنموذج الكوني القياسي أو المعياري، إلا أن طبيعة المادة السوداء أو المظلمة لا تزال غير معروفة تمامًا. في السنوات الأخيرة، تم اقتراح العديد من المرشحين ومن بينهم Black Bosons البوزونات السوداء. يقال أن هذه البوزونات خارج النموذج القياسي أو المعياري مسؤولة عن وجود المادة السوداء أو المظلمة والتي قد تظهر في التفاعل بين الإلكترونات والنيوترونات. في الآونة الأخيرة، تم إجراء تجربتين للكشف عن توقيع محتمل لهذه البوزونات الافتراضية. بينما لم يلاحظ أحدهما شيئًا غير عادي، حصل الآخر على نتائج غريبة. وإحدى الفرضيات المطروحة لتفسيرها هي وجود البوزونات السوداء.

على عكس البوزونات الكلاسيكية، مثل الفوتونات والغلونات، فإن تبادل أو تفاعل البوزونات السوداء لن يؤثر على بيئتها المباشرة. إذا كانت موجودة بالفعل، فقد تكون طاقتها الجماعية مسؤولة عن المادة السوداء المظلمة. بحثت الدراستان - إحداهما من قبل باحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، والأخرى بواسطة جامعة آرهوس في الدنمارك - عن الاختلافات الدقيقة في موضع الإلكترون في أحد النظائر المشعة عندما انتقلت بين مستويات الطاقة الذرية.

تجربتان بنتائج متناقضة:

يمكن أن يكون التذبذب علامة على وجود بوزونات سوداء. هذا البوزون، من الناحية النظرية، قد يأتي من تفاعل بين الإلكترون والكواركات التي تشكل النيوترونات في نواة الذرة. استخدم الفريق بقيادة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عددًا قليلاً من نظائر الإيتربيوم في تجربتهم، بينما كان الكالسيوم هو العنصر المفضل للمجموعة التي تقودها جامعة آرهوس.

manifestation boson noir interaction électron neutron atome

رسم بياني يوضح خصائص القوة الذرية الجديدة بين الإلكترون (e-) والنيوترون (n) بوساطة التبادل الافتراضي لبوزون جديد افتراضي ϕ. ينتج عن الاقتران جهد شبيه بـ Yukawa يغير مستويات الطاقة الذرية ويمكن فحصه بواسطة التحليل الطيفي للتحول النظيري.

قامت كلتا التجربتين بدمج بياناتهما على نوع من الرسم البياني الخاص بقياس فئات الحركات في النظائر. بينما أعطت التجربة المعتمدة على الكالسيوم النتيجة المتوقعة، كان الرسم البياني لليتربيوم غير عادي، مع وجود انحراف ذي دلالة إحصائية في خطية الرسم البياني.

ومع ذلك، هذا لا يشكل دليلا في حد ذاته. من ناحية أخرى، إذا كان بإمكان البوزون تفسير هذه الأرقام، فيمكن أيضًا للعملية أن تراجع بالطريقة التي يقومون بها بالحسابات، وهو نوع من التصحيح يسمى تحول المجال التربيعي. يحتاج السبب الدقيق الذي يجعل إحدى التجارب قد وجدت شيئًا غريبًا بينما لم تجد الأخرى شيئًا على الإطلاق، يحتاج أيضًا إلى تفسير.

المادة السوداء أو المظلمة: البحث عن الجسيمات خارج النموذج القياسي:

في حين أن إضافة بوزونات جديدة خارج النموذج القياسي ليس محظورًا حقًا، إلا أنها تتطلب بعض التعديل. على أي حال، لا يزال البحث عن مرشحين يشكلون المادة السوداء أو المظلمة نشطًا. في بداية العام، تم الحديث عن تجربة XENON1T في مواجهة عدد الإلكترونات المتراجعة الكشف، التوقيع المحتمل لوجود الأكسيونات.

في عام 2016، تم رصد نوع من المادة السوداء أو المظلمة المرشحة يسمى بوزون مادالا بين البيانات التي تم جمعها بواسطة مصادم الهادرونات الكبير في بحثه عن جسيم هيغز. يمكن اعتبار هذا الجسيم نوعًا من النسخة المظلمة من بوزون هيغز. ومع ذلك، فقد خفف سيرن من إثارة الفيزيائيين، متذكرًا أنه لا شيء في البيانات يشير إلى وجود مثل هذا البوزون. لذلك سيتعين علينا الانتظار لفترة أطول قليلاً لكشف سر المادة السوداء أو المظلمة.

المصادر: خطابات المراجعة المادية (1، 2)

يمكن أن يشير الشذوذ في طيف الأشعة الكونية بشكل غير مباشر إلى وجود المادة السوداء أو المظلمة

إلى اليسار: محاكاة لتوزيع المادة السوداء أو المظلمة في الكون بعد حوالي 3 مليارات سنة من الانفجار العظيم. إلى اليمين: عناقيد من المادة السوداء أو المظلمة (حمراء)، تزيد كتلتها عن 300 مليون ضعف كتلة الشمس (باللون الأصفر). | كونسورتيوم برج العذراء

يعد اكتشاف المادة السوداء أو المظلمة، التي تشكل حوالي 27 ٪ من إجمالي كثافة الطاقة في الكون، نشأت أحد التحديات الأساسية للفيزياء الفلكية الحديثة يتعلق بماهية هذه المادة وطبيعتها.

بينما يستمر البحث، فإن البيانات الجديدة التي حصل عليها الكاشف المداري الصيني DAMPE ونشرت في 29 نوفمبر في مجلة Nature (1)، كانت تهز المجتمع العلمي لبضعة أيام. في الواقع، يمكن أن يكون اكتشاف شذوذ في تدفق الأشعة الكونية المرصود إشارة غير مباشرة على وجود المادة السوداء أو المظلمة.

DAMPE ودراسة الأشعة الكونية عالية الطاقة :

مستكشف الجسيمات DArk Matter Particle Explorer (DAMPE)، الذي تم إطلاقه في 17 ديسمبر 2015 على ارتفاع 500 كيلومتر، هو كاشف للجسيمات عالي الطاقة للغاية مُحسَّن لدراسة الأشعة الكونية المكونة من الإلكترونات والبوزيترونات (CREs)، وكذلك من دراسة أشعة غاما. وبشكل أكثر تحديدًا، يتم معايرة DAMPE لطاقات تصل إلى 10 إلكترون فولت.

كاشف DAMPE المداري، الذي يدرس تدفقات الأشعة الكونية عالية الطاقة للإلكترونات والبوزيترونات.

دراسة الـ CREs لها فائدة مزدوجة. أولاً، يوفر فهمًا أفضل لظواهر المجرات عالية الطاقة مثل المستعرات العظمى (2). ثانيًا، يمكن أن يسمح بملاحظة ظاهرة المادة السوداء أو المظلمة، مثل فناء أو تحلل جسيمات هذه المادة السوداء المظلمة.

بالإضافة إلى ذلك، يقوم الكاشف أيضًا بقياس اتجاه السقوط وكذلك شحنة الجسيمات، ويميز بشكل فعال البروتونات (التي تتداخل مع الكشف) عن الإلكترونات والبوزيترونات. نظرًا لأن هذا التمييز ضروري لدراسة الأشعة الكونية، فإن DAMPE قادر على رفض أكثر من 99.99٪ من البروتونات مع الاحتفاظ بـ 90٪ من الإلكترونات / البوزيترونات.

قام الفريق الدولي المسؤول عن DAMPE بتحليل البيانات التي تم جمعها من 27 ديسمبر 2015 إلى 8 يونيو 2017 أو خلال 530 يومًا من الكشف. خلال هذه الفترة، سجل DAMPE أكثر من 2.8 مليار تدفق للأشعة الكونية، منها ما يقرب من 1.5 مليار من الإلكترونات والبوزيترونات فوق 25 GeV.

شذوذ في طيف الطاقة للأشعة الكونية:

يتم إنشاء طيف طاقة الأشعة الكونية من خلال تخطيط الرسم البياني الذي يمثل عدد الجسيمات في التدفق كدالة لطاقتها. تفقد تدفقات الأشعة الكونية طاقتها تدريجياً أثناء انتشارها. وبالتالي فإن الشكل المتوقع لطيف الطاقة في مثل هذه الحالة هو منحنى متناقص.

ومع ذلك، فإن الطيف الذي أنشأه الفيزيائيون من بيانات DAMPE كشف عن اختلافات كبيرة. على وجه التحديد، يُظهر الطيف بوضوح "كسر" حول 0.9 تيرا إلكترون فولت (900 جيجا إلكترون فولت). هذا "الفاصل الطيفي" ليس جديدًا حقًا.

تم إنشاء طيف الطاقة للـ CREs من نتائج تعاون HESS في عام 2009. يظهر انقطاع في الطيف (دائرة حمراء) حوالي 600 GeV، مما يشير إلى وجود فائض من الإلكترونات والبوزيترونات. ومع ذلك، تم إلقاء اللوم على هذا الشذوذ على أخطاء القياس.

في الواقع، في عامي 2008 و 2009، قام تعاون HESS (النظام المجسم عالي الطاقة)، المكون من شبكة من تلسكوبات تصوير Cherenkov الموجودة في ناميبيا، بتحليل النتائج التي تم الحصول عليها من دراسة الأشعة الكونية عالية الطاقة وكان بالفعل قادرًا على إنشاء طيف طاقة غير طبيعي، يظهر انقطاعًا (3). ومع ذلك، في ذلك الوقت، تم تفسير هذا الفاصل من خلال عدم اليقين في قياسات الأجهزة.

تؤكد النتائج الأخيرة للتعاون DAMPE النتائج السابقة لـ HESS. في الواقع، على الرغم من الضرورة مع الأخذ في الاعتبار الشكوك الإحصائية بشأن التدفقات، فإن أدوات DAMPE تجعل من الممكن تقليل الأخير بشكل كبير والتأكيد بشكل لا لبس فيه على الوجود الفعلي لكسر في طيف الطاقة لـ CREs.

هذا الكسر حول 0.9 TeV n ليس هذا هو الشذوذ الوحيد الذي يسبب الاضطراب في المجتمع العلمي. يُظهر الطيف أيضًا نقطة معزولة عند 1.4 تيرا إلكترون فولت (1400 غيغا إلكترون فولت) مع عدم يقين قياس منخفض جدًا. بينما في مستوى الطاقة هذا يجب أن يستمر عدد الإلكترونات والبوزيترونات في الانخفاض، تظهر هذه النقطة بدلاً من ذلك عددًا كبيرًا بشكل غير طبيعي.

طيف الطاقة من CREs الذي أنشأته تعاون DAMPE. يظهر الرسم البياني بوضوح فاصلًا حول 1 تيرا إلكترون فولت (دائرة سوداء) وخاصة وجود فائض من الإلكترونات والبوزيترونات عند ~ 1.4 تيرا إلكترون فولت (السهم الأسود) مما يمثل عدم يقين منخفض. يمكن أن تشير هذه الحالات الشاذة إلى وجود المادة المظلمة.

هل هو توقيع غير مباشر على وجود المادة المظلمة؟

matiere noire illustration

وفقًا لعلماء الفيزياء في تعاون DAMPE، فإن هذا التوزيع غير الطبيعي لطيف الطاقة للـ CREs وهذه النقطة عند 1.4 TeV يمكن أن تكون علامة غير مباشرة على فناء أو تحلل جسيمات المادة السوداء أو المظلمة. فرضية مدعومة بدراسات مختلفة منشورة على arXiv والتي أعقبت مباشرة نشر نتائج DAMPE.

في دراسة نُشرت في 30 نوفمبر 2017 (4)، أظهر الفيزيائيان X. Liu و Z. Liu أن وجود فائض من الإلكترونات / البوزيترونات حول 1.4 TeV قد يشير إلى تفكك جسيمات المادة السوداء المظلمة من داخل هالة محلية من المادة السوداء أو المظلمة، بالقرب من النظام الشمسي.

في دراسة أخرى نشرت في نفس الوقت (5)، أظهر فريق أسترالي من الفيزيائيين أن الفائض الموجود عند 1.4 تيرا إلكترون فولت يتفق جيدًا مع بعض نماذج المادة السوداء المظلمة التي تتضمن تحلل جسيمات المادة السوداء المظلمة تحت تفاعل البوزونات السوداء.

أخيرًا، تُظهر دراسة ثالثة، نُشرت أيضًا في 30 نوفمبر 2017 (6) أن الشذوذ الطيفي قد تم تفسيره بشكل صحيح من خلال نموذج المادة السوداء المظلمة ديراك، والذي يقدم آلية تحلل المادة السوداء المظلمة تحت تأثير البوزون. أسود Z '. في هذا النموذج، يتم إنتاج زوج إلكترون-بوزيترون نتيجة لتحلل زوج من جسيمات المادة السوداء المظلمة بعد التفاعل χ ̄χ → Z ′ → e e. يحدث هذا الانحلال عند مستويات طاقة متوافقة مع 1.4 TeV المكتشفة.

detecteur orbital dampe

ومع ذلك، كما يذكرنا تشانغ جين (المتحدث باسم تعاون DAMPE)، على الرغم من أن الشذوذ الطيفي الملاحظ يتوافق تمامًا مع فرضية المادة السوداء المظلمة، فإن النتائج لا تسمح لنا بأي شكل من الأشكال بالقرار أو التأكيد أو الرفض لهذا افتراض. قد يكون التوزيع غير الطبيعي للطيف ناتجًا أيضًا عن أحداث فيزيائية فلكية فائقة الطاقة، مثل المستعرات الأعظم أو قذف النجوم النابضة.

هذا هو السبب في أن العمر التشغيلي لـ DAMPE، الذي كان من المخطط في البداية أن يستمر لثلاث سنوات فقط، قد تم تمديده لعدة سنوات أخرى. ستجعل التحسينات التي سيتم إجراؤها عليه في المستقبل من الممكن تقليل حالات عدم اليقين في القياس، مع دفع حساسية الاكتشاف إلى ما بعد 10 تيرا بايت.

ستكون البيانات التي تم جمعها بهذه الطريقة حاسمة لأنها ستسمح بتقييد القيم الطيفية للجسيمات الدقيقة بشكل أكثر دقة، بهدف التمكن أخيرًا من تحديد المصدر الحقيقي لهذه الحالات الشاذة: المستعرات الأعظمية أو النجوم النابضة أو المادة السوداء المظلمة.

spectre en energie cres collaboration hess 2009

spectre energie cres collaboration dampe

المصادر: Nature (1)، Arxiv.org (2، 3، 4، 5، 6)

حدود مُحسَّنة قائمة على التحول النظائري على البوزونات خارج النموذج القياسي من خلال قياسات الفاصل الزمني 2D3 / 2−2D5 / 2 في Ca +

سيريل سولارو، وستيفن ماير، وكارين فيشر، وجوليان سي.برنجوت، وإلينا فوكس، ومايكل دروسن

فيز. القس ليت. 125، 123003 - تم النشر في 15 سبتمبر 2020

انظر الملخص: تلميحات من البوزونات المظلمة

نقوم بإجراء تحليل طيفي عالي الدقة للفاصل الزمني ثلاثي الأبعاد 2D3 / 2−3d 2D5 / 2 في جميع النظائر المستقرة حتى لـ ACa + (A = 40 و 42 و 44 و 46 و 48) بدقة 20 هرتز باستخدام التردد المباشر- مشط مطياف رامان. بدمج هذه البيانات مع قياسات إزاحة النظائر للانتقال 4s 2S1 / 2↔3d 2D5 / 2، نجري تحليل مخطط King بحساسية غير مسبوقة للاقتران بين الإلكترونات والنيوترونات بواسطة البوزونات خارج النموذج القياسي. علاوة على ذلك، فإننا نقدر حساسية هذه البوزونات من التحليل الطيفي المكافئ في Ba + و Yb +. أخيرًا، ينتج عن البيانات تحولات نظيرية للانتقال 4s 2S1 / 2↔3d 2D3 / 2 بمعدل 10 أجزاء لكل مليار من خلال الجمع مع البيانات الحديثة لـ Knollmann و Patel و Doret [Phys. القس أ 100، 022514 (2019)].

- تم الاستلام 1 مايو 2020

- مقبولة 20 أغسطس 2020

DOI: https: //doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.123003

© 2020 الجمعية الفيزيائية الأمريكية

عناوين موضوعات الفيزياء (PhySH)

1- مجالات البحث

التحولات الإلكترونية امتدادات قطاع هيغز امتدادات قطاع المقاييس التفاعلات طويلة المدى

1- النظم الفيزيائية

الأيونات المحاصرة

1- التقنيات

مطيافية ليزر الفيمتو ثانية

الجزيئات والحقول الذرية والجزيئية والبصرية

تلميحات من البوزونات المظلمة

تم النشر في 15 سبتمبر 2020

تظهر إشارة متوقعة لنوع من المادة المظلمة في أطياف نظائر الإيتربيوم.

شاهد المزيد في الفيزياء

المؤلفون والانتماءات

Cyrille Solaro1 و * و Steffen Meyer1 و و Karin Fisher1 و Julian C. Berengut2 و ‡ و Elina Fuchs3 و 4 و § و Michael Drewsen1 و

- 1 قسم الفيزياء والفلك، جامعة آرهوس، DK-8000 آرهوس سي، الدنمارك

- 2 مدرسة الفيزياء، جامعة نيو ساوث ويلز، سيدني، نيو ساوث ويلز 2052، أستراليا

- قسم 3 Theory، Fermilab، باتافيا، إلينوي 60510، الولايات المتحدة الأمريكية

- 4 قسم الفيزياء، جامعة شيكاغو، شيكاغو، إلينوي 60637، الولايات المتحدة الأمريكية

- *solaro@phys.au.dk

- †steffen.meyer@phys.au.dk

- ‡julian.berengut@unsw.edu.au

- §elinafuchs@uchicago.edu

- drewsen@phys.au.dk

دليل على التحول النظيري غير الخطي في Yb + البحث عن بوزون جديد

إيان كونتس، وجونسوك هور، وديانا بي إل.أودي كريك، وهونغجي جيون، وكالفن ليونغ، وجوليان سي بيرنغوت، وآمي جيديس، وأكيو كاواساكي، وونهو جي، وفلادان فوليتيتش

فيز. القس ليت. 125، 123002 - تم النشر في 15 سبتمبر 2020

انظر الملخص: تلميحات من البوزونات المظلمة

نقيس التحولات النظيرية لخمسة نظائر Yb + بدون دوران نووي على تحولات ضيقة رباعية الأضلاع 2S1 / 2 → 2D3 / 2، 2S1 / 2 → 2D5 / 2 بدقة 300 هرتز. يُظهر مخطط King المقابل انحرافًا بمقدار 3 × 10 عن الخطية عند مستوى عدم اليقين 3σ. يمكن لمثل هذا اللاخطي أن يشير إلى فيزياء تتجاوز النموذج القياسي (SM) في شكل حاملة قوة بوزونية جديدة، أو تنشأ من تأثيرات نووية عالية المستوى داخل SM. نحدد تحول المجال التربيعي كمساهم نووي محتمل في اللاخطية على المقياس المرصود، ونوضح كيف يمكن استخدام النمط اللاخطي في المستقبل، قياسات أكثر دقة لفصل إشارة البوزون الجديدة عن التأثيرات النووية.

- تم الاستلام في 23 أبريل 2020

- تم القبول في 27 يوليو 2020

DOI: https: //doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.123002

© 2020 الجمعية الفيزيائية الأمريكية

عناوين موضوعات الفيزياء (PhySH)

1-مجالات البحث

التركيب الإلكتروني للذرات والجزيئات، التحولات الإلكترونية، امتدادات قطاع هيغز، امتدادات قطاع القياس، القوى النووية

1-النظم الفيزيائية

الأيونات المحاصرة

1-التقنيات

تفاعل التكوين الطيفي

الفيزياء الذرية والجزيئية والنووية والجسيمات والحقول

تلميحات من البوزونات المظلمة

تم النشر في 15 سبتمبر 2020

تظهر إشارة متوقعة لنوع من المادة المظلمة في أطياف نظائر الإيتربيوم.

شاهد المزيد في الفيزياء

المؤلفون والانتماءات

إيان كونتس 1، *، Joonseok Hur1، *، Diana P. L. Aude Craik1، Honggi Jeon2، Calvin Leung1، Julian C. Berengut3، Amy Geddes3، Akio Kawasaki4، Wonho Jhe2، و Vladan Vuletić1، †

- 1 قسم الفيزياء ومختبر أبحاث الإلكترونيات، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، كامبريدج، ماساتشوستس 02139، الولايات المتحدة الأمريكية

- 2 قسم الفيزياء والفلك، جامعة سيول الوطنية، سيول 151-747، كوريا

- 3School of Physics، University of New South Wales، Sydney، New South Wales 2052، Australia

- 4 واط. مختبر دبليو هانسن للفيزياء التجريبية وقسم الفيزياء، جامعة ستانفورد، ستانفورد، كاليفورنيا 94305، الولايات المتحدة الأمريكية

-       *أنا. ساهم C. و J.H بالتساوي في هذا العمل.

- †vuletic@mit.edu

حدود مُحسَّنة قائمة على التحول النظائري على البوزونات خارج النموذج القياسي من خلال قياسات الفاصل الزمني 2D3 / 2−2D5 / 2 في Ca +

سير إيل سولارو، وستيفن ماير، وكارين فيشر، وجوليان سي.برنجوت، وإيلينا فوكس، ومايكل دروسن

فيز. القس ليت. 125، 123003 - تم النشر في 15 سبتمبر 2020

انظر الملخص: تلميحات من البوزونات المظلمة

نقوم بإجراء تحليل طيفي عالي الدقة للفاصل الزمني ثلاثي الأبعاد 2D3 / 2−3d 2D5 / 2 في جميع النظائر المستقرة حتى لـ ACa + (A = 40 و 42 و 44 و 46 و 48) بدقة 20 هرتز باستخدام التردد المباشر- مشط مطياف رامان. بدمج هذه البيانات مع قياسات إزاحة النظائر للانتقال 4s 2S1 / 2↔3d 2D5 / 2، نجري تحليل مخطط King بحساسية غير مسبوقة للاقتران بين الإلكترونات والنيوترونات بواسطة البوزونات خارج النموذج القياسي. علاوة على ذلك، فإننا نقدر حساسية هذه البوزونات من التحليل الطيفي المكافئ في Ba + و Yb +. أخيرًا، ينتج عن البيانات تحولات نظيرية للانتقال 4s 2S1 / 2↔3d 2D3 / 2 بمعدل 10 أجزاء لكل مليار من خلال الجمع مع البيانات الحديثة لـ Knollmann و Patel و Doret [Phys. القس أ 100، 022514 (2019)].

- تم الاستلام 1 مايو 2020

- مقبولة 20 أغسطس 2020

DOI: https: //doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.123003

© 2020 الجمعية الفيزيائية الأمريكية

عناوين موضوعات الفيزياء (PhySH)

1-مجالات البحث

التحولات الإلكترونية امتدادات قطاع هيغز امتدادات قطاع المقاييس التفاعلات طويلة المدى

1-النظم الفيزيائية

الأيونات المحاصرة

1-التقنيات

مطيافية ليزر الفيمتو ثانية

الجزيئات والحقول الذرية والجزيئية والبصرية

تلميحات من البوزونات المظلمة

تم النشر في 15 سبتمبر 2020

تظهر إشارة متوقعة لنوع من المادة المظلمة في أطياف نظائر الإيتربيوم.

شاهد المزيد في الفيزياء

المؤلفون والانتماءات

Cyrille Solaro1 و * و Steffen Meyer1 و و Karin Fisher1 و Julian C. Berengut2 و ‡ و Elina Fuchs3 و 4 و § و Michael Drewsen1 و

- 1 قسم الفيزياء والفلك، جامعة آرهوس، DK-8000 آرهوس سي، الدنمارك

- 2 مدرسة الفيزياء، جامعة نيو ساوث ويلز، سيدني، نيو ساوث ويلز 2052، أستراليا

- قسم 3 Theory، Fermilab، باتافيا، إلينوي 60510، الولايات المتحدة الأمريكية

- 4 قسم الفيزياء، جامعة شيكاغو، شيكاغو، إلينوي 60637، الولايات المتحدة الأمريكية

- *solaro@phys.au.dk

- †steffen.meyer@phys.au.dk

- ‡julian.berengut@unsw.edu.au

- §elinafuchs@uchicago.edu

- drewsen@phys.au.dk

Figure

Figure

Figure

Received 1 May 2020

Accepted 20 August 2020

Key ImageFigure

Figure

Received 23 April 2020

Accepted 27 July 2020

 

جواد بشارةإعداد وترجمة د. جواد بشارة

تم اكتشاف أقوى مجال مغناطيسي تم اكتشافه في الكون

champ magnetique plus puissant univers detecte observatoire spatial rayons x hxmt

النجوم النابضة Les pulsars  هي أجسام فلكية ضخمة تنتجها النجوم النيوترونية وتنتج إشارة دورية (تتراوح من ميلي ثانية إلى عدة ثوانٍ). تدور هذه الأجسام الكونية بسرعة كبيرة على نفسها، وتصدر إشعاعًا قويًا في اتجاه محورها المغناطيسي. في الآونة الأخيرة، توصل فريق التلسكوب الفضائي الصيني للأشعة السينية Insight-HXMT إلى اكتشاف مفاجئ: بعد الملاحظات المكثفة للنجم النابض GRO J1008-57 للأشعة السينية، قام الباحثون بقياس مجال مغناطيسي على السطح. النجم النيوتروني بحوالي 1 مليار تسلا! إنه أقوى مجال مغناطيسي تم اكتشافه بشكل قاطع في الكون.

أثناء دراسة النجم النابض للأشعة السينية GRO J1008-57 الذي تم اكتشافه بواسطة Insight-HXMT عندما انفجر في أغسطس 2017، اكتشف الباحثون لأول مرة خاصية تشتت الرنين السيكلوتروني résonante cyclotronique (CRSF) بقدرة 90 كيلو فولت. عتبة أكبر من 20 سيغماس (20 درجة). (لكي يؤكد المجتمع العلمي اكتشافًا جديدًا، يجب أن يكون مستوى الأهمية أكبر من 5 درجات مئوية). وفقًا للحسابات النظرية، فإن المجال المغناطيسي الذي يتوافق مع CRSF هذا هو 1 مليار تسلا، أقوى بعشرات الملايين من المرات مما يمكن توليده في المختبرات الأرضية.

تم تنفيذ هذا العمل بشكل أساسي من قبل معهد فيزياء الطاقة العالية (IHEP) التابع للأكاديمية الصينية للعلوم وجامعة إيبرهارد كارلس في توبنغن بألمانيا. نُشرت النتائج في مجلة The Astrophysical Journal Letters.

بيئة قاسية تؤدي إلى ظواهر متطرفة بنفس القدر من القسوة

حتى يومنا هذا، نعلم أن النجوم النيوترونية تولد أقوى المجالات المغناطيسية في الكون. ثنائيات X (أو ثنائيات الأشعة السينية) هي أنظمة مكونة من نجم نيوتروني ورفيق نجمي عادي. يكتسب النجم النيوتروني المادة ويشكل قرص تراكم محيط. إذا كان المجال المغناطيسي قويًا، يتم توجيه المادة المتراكمة بواسطة خطوط مغناطيسية على سطح النجم النيوتروني ، مما يؤدي إلى إشعاع الأشعة السينية. ولهذا السبب أيضًا، فإن هذه المصادر المتطرفة للأشعة السينية هي التي تسمى "النجوم النابضة". أدناه، رسم متحرك يُظهر نجمًا نابضًا يتراكم عليه مادة من نجمه المصاحب وينبعث منه إشعاع قوي [© NASA / Dana Berry]:

تنشأ النجوم النابضة من انفجار نجم ضخم في نهاية حياته، أو انفجار مستعر أعظم (أو بالأحرى سوبر نوفا ينهار لبه). بالطبع، لا تلد كل سوبرنوفا أو مستعر أعظم ينهار القلب فيه، نجمًا نابضًا. في بعض الحالات، يفسح المستعر الأعظم الطريق لثقب أسود.

أظهرت الدراسات السابقة أن خاصية امتصاص معينة (تُعرف باسم "خاصية تشتت الرنين السيكلوتروني") يمكن أحيانًا اكتشافها في طيف النجوم النابضة للأشعة السينية، ويعتقد العلماء أن هذا يرجع إلى التحولات. بين مستويات لانداو المنفصلة للحركة الإلكترونية المتعامدة مع المجال المغناطيسي. تعمل خاصية التشتت هذه كمسبار مباشر للمجال المغناطيسي بالقرب من سطح النجم النيوتروني.

تم اكتشاف أقوى المجالات المغناطيسية في الكون باستخدام أحدث الأدوات:

إنسايت- Insight-HXMT   هو أول قمر صناعي صيني للمراقبة الفلكية للأشعة السينية. ويشمل حمولات علمية، بما في ذلك تلسكوب عالي الطاقة، وتلسكوب متوسط ​​الطاقة، وتلسكوب منخفض الطاقة، وجهاز مراقبة البيئة الفضائية.

بالمقارنة مع سواتل أو أقمار الأشعة السينية الأخرى ، يتمتع Insight-HXMT بمزايا استثنائية للكشف عن الخطوط الحلقية (خاصة في الطاقات العالية) ، وذلك بفضل تغطيتها الطيفية عريضة النطاق (1-250 كيلو فولت) ، ومساحتها الكبيرة الفعالة على ارتفاع الطاقات ، ودقتها الزمنية العالية ، وقلة وقتها الزمني وتأثيراتها الضئيلة على التراص لمصادر الضوء. تم اقتراح Insight-HXMT من قبل IHEP في عام 1993 وتم إطلاقه بنجاح في يونيو 2017. IHEP مسؤول عن الحمولات العلمية على متن القمر الصناعي والأجزاء الأرضية والبحث العلمي الذي يشمل ذلك القمر الصناعي.

في غضون بضعة أشهر فقط، تحولت ست مجرات إلى أشباه نجوم! والعلماء لا يعرفون كيف أمكن حدوث هذا.

سرعان ما تحولت ستة مجرات من طراز LINER إلى كوازارات. | وكالة الفضاء الأوروبية / هابل / ناسا / س. Smartt / جامعة كوينز بلفاست / JPL-Caltech

على المستوى البشري، قد نميل إلى الاعتقاد بأن جميع الأحداث التي تحدث في اتساع عالم مابين المجرات، يحدث ببطء شديد ... لكن في الواقع، هذا ليس هو واقع الحال دائمًا.

لقد مرت ست مجرات لتوها بتحول هائل للغاية في غضون بضعة أشهر فقط. في الواقع، لقد انتقلت من مرحلة المجرات الهادئة نسبيًا إلى مرحلة الكوازارات النشطة! أي أن الكوازار عبارة عن مجرة ​​نشطة للغاية ولها نواة نشطة. إنه ألمع كيان في الكون.

يمكن أن تساعد هذه الأحداث العلماء في حل نقاش طويل الأمد حول ما ينتج مثل هذا اللمعان في نوع معين من المجرات. في الواقع، يمكن أن تشير هذه الأحداث إلى نوع من النشاط لم يكن معروفًا من قبل لنواة المجرة.

قبل أن تصبح كوازارات ، كانت المجرات الست مجرات من نوع LINER (Low-Ionization Nuclear Emission-line Region), (منطقة خط انبعاث نووي منخفض التأين) ، والتي تؤهل نوعًا من نواة المجرة التي يتميز طيف انبعاثها بخطوط عريضة من الذرات ضعيفة التأين. وخطوط انبعاث دقيقة للذرات شديدة التأين.

galaxie quasar transformation rapide

وثقت دراسة جديدة قام بها علماء الفلك في جامعة ماريلاند ست مجرات من طراز LINER (يسار) تتحول بسرعة (في غضون بضعة أشهر) إلى كوازارات شديدة السطوع (على اليمين). وفقًا للباحثين، قد يكون هذا نوعًا جديدًا تمامًا من عمل الثقوب السوداء الموجودة داخل مجرات LINER. المصدر: ESA / Hubble / NASA / S. Smartt / Queen’s University Belfast (يسار ، صور بالأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي) و NASA / JPL-Caltech (على اليمين رسم، انطباع الفنان عن الكوازار)

هذا النوع من المجرات شائع جدًا. في الواقع، تمثل ثلث المجرات المعروفة، فهي أكثر إشراقًا من تلك التي بها ثقوب سوداء نائمة فائقة الكتلة في مراكزها، لكنها ليست ساطعة مثل المجرات النشطة (المعروفة باسم مجرات سيفرت de galaxies de Seyfert)..

الكوازارات Les quasars  هي ألمع المجرات النشطة. إن انبعاثات الضوء والراديو التي نراها ناتجة عن كتلة من المادة حول الثقب الأسود، تُعرف باسم قرص التراكم disque d’accrétion. يحتوي هذا القرص على غبار وغازات تدور بسرعات نسبية، مما يولد احتكاكًا هائلاً مدفوعًا بقوة الجاذبية الهائلة للثقب الأسود في مركز المجرة. ينتج عن هذا الاحتكاك حرارة شديدة ويصدر إشعاعًا ضوئيًا قويًا. بالإضافة إلى ذلك، تبعث النفاثات الضخمة المنبعثة من المناطق القطبية للثقب الأسود، موجات الراديو.

كان هناك نقاش لبعض الوقت حول ما الذي ينتج بالضبط اللمعان العالي لمجرات LINER. يعتقد بعض علماء الفلك أن هذا يرجع إلى قرص تراكم الثقوب السوداء. يعتقد علماء آخرون أن هذا ناتج عن نشاط نجمي مكثف (أي ولادة العديد من النجوم). ولكن عندما قام فريق من علماء الفلك، بقيادة عالمة الفلك في جامعة ماريلاند سارة فريدريك Sara Frederick ، بتحليل البيانات من الأشهر التسعة الأولى من المسح السماوي الآلي ، المعروف باسم مرفق زويكي العابر Zwicky Transient Facility ، اكتشفوا أن شيئًا غريبًا حقًا كان يحدث داخل هذه المجرات الست six galaxies LINER...

quasar vu a travers lentille gravitationnelle

في هذه الصورة، نرى الكوازار المسمى HE0435-1223 ، وقد لوحظ من خلال عدسة الجاذبية (العدسات الدقيقة). الاعتمادات: NASA / CXC / Univ. أوكلاهوما / X. داي وآخرون

"فيما يتعلق بأحد هذه الأجسام الستة، اعتقدنا في البداية أننا قد لاحظنا حدوث اضطراب في المد والجزر، والذي يحدث عندما يمر نجم قريبًا جدًا من ثقب أسود فائق الكتلة ويمزقه الأخير حرفياً" قالت سارة فريدريك. وأضافت:"لكننا اكتشفنا لاحقًا أنه كان في الواقع ثقبًا أسود نائمًا يمر بمرحلة انتقالية يسميها علماء الفلك" تغيير في المظهر"، مما أدى إلى نشوء نجم كوازار لامع. إن مراقبة ستة من هذه التحولات، وكلها في مجرات تشبه LINER (وبالتالي هادئة نسبيًا)، تشير إلى أننا حددنا فئة جديدة كاملة من نواة المجرة النشطة "هذا النوع من الانتقال ليس نادر الحدوث، لكنه عادة ليس دراماتيكيًا. في الواقع، تم الإبلاغ عن أول كوازار من هذا القبيل فقط في عام 2015، ثم تم اكتشافه ولكن في الاتجاه المعاكس: كوازار مظلمة ليصبح مجرة ​​سيفرت. عادة ما نلاحظ مثل هذه التحولات بين أنواع مختلفة من مجرات سيفرت ، والتي تنتج أنواعًا مختلفة من الضوء. يعتمد هذا الضوء بشكل عام على اتجاه المجرة.

في الوقت الحاضر، تظل هذه التحولات لغزا في حد ذاتها. هذه التحولات لمجرات سيفرت بالتحديد هي التي خطط علماء الفلك لدراستها في المقام الأول. قال عالم الفلك سيوفي جيزاري Suvi Gezari من جامعة ماريلاند: "بدلًا من ذلك ، وجدنا فئة جديدة كاملة من نواة المجرة النشطة قادرة على تحويل مجرة ​​قاتمة إلى كوازار شديد السطوع".

structure quasar

رسم انطباع الفنان عن هيكل أ ن كوازار. ائتمانات: مجلة الطبيعة

تقترح النظرية أن الكوازار يجب أن يتكون على مدى عدة آلاف من السنين، لكن هذه الملاحظات تشير إلى أنه يمكن أن يحدث بسرعة كبيرة. يخبرنا الأخير أن النظرية الحالية الخاصة بهذه المجرات خاطئة تمامًا. كنا نظن أن تحول مجرات سيفرت كان أكبر لغز. وأضافت "لكن لدينا الآن مشكلة أكبر بكثير يتعين حلها". لاحظ أيضًا أن أياً من هذه المجرات الست ليس لها تكوين نجمي نشط بشكل خاص: ينتج النجم الأكثر نشاطًا لمعانًا يعادل 1.27 شمس كل عام. وجدت دراسات أخرى أن العديد من مجرات LINER (وليس كلها) لا يبدو أنها تتمتع بمعدل عالٍ من تكون النجوم.

هذا لا يعني بالطبع أن مجرات LINER الست تمثل جميع مجرات LINER في الكون. يقول العلماء أن هذا قد يشير إلى أنهم جزء من فئة مختلفة من المجرات LINER. أو بكل بساطة، يمكن أن يكون نوعًا مختلفًا تمامًا من المجرات عن تلك التي نعرفها اليوم.

لكن هذه النتائج تعني أيضًا أن ما نعرفه عن الكوازارات يمكن أن يكون خاطئًا أيضًا ... في الواقع، حقيقة أن هذه المجرات يمكن أن تتغير بسرعة (وبسرعة كبيرة على النطاق الزمني البشري)، لا تتوافق مع النظرية الكوازارات الحالية.

في كلتا الحالتين، أي شيء يمكن أن يسبب مثل هذا التغيير المتطرف يجب أن يكون شديدًا. قال فريدريك: "كانت هذه التحولات الستة مفاجئة ومثيرة لدرجة أنها تخبرنا أن شيئًا مختلفًا تمامًا يحدث في هذه المجرات". نريد أن نعرف كيف يمكن لهذه الكميات الهائلة من الغاز والغبار أن تسقط فجأة في الثقب الأسود. وأضاف فريدريك: "لأننا رأينا هذه التحولات تحدث وهي تفتح العديد من الاحتمالات للمقارنة، بما في ذلك دراسة النوى قبل التحول وبعده".

ألمع مجرة ​​في الكون تخفي الكثير من الألغاز ...

trou noir supermassif galaxie lumineuse

لا يمكننا رؤية هذا الشيء المثير للاهتمام بالعين المجردة، ولكن في أعماق الكون توجد مجرة ​​تشع الكثير من الإشعاع واللمعان. هذه هي المجرة W2246-0526، التي تنبعث منها الأشعة تحت الحمراء بقدر 350 تريليون شمس، مما يجعلها ألمع مجرة ​​تم رصدها على الإطلاق.

هذه المجرة الساطعة جداً لها سر. ولكن ما هو؟ وفقًا للملاحظات من مصفوفة أتاكاما الكبيرة المليمترية / والتحت مليمترية (ALMA) ، تمتص المجرة W2246-0526 بشراهة المواد من ثلاث مجرات أخرى على الأقل في جوارها المباشر ، لتغذية ثقبها الأسود الهائل.

في الواقع، لاحظ علماء الفلك خيوطًا من المادة من المجرات المجاورة، امتصها W2246-0526. والمثير للدهشة أن هذه المحلاق vrilles تحتوي على قدر من المادة مثل المجرات نفسها. قال عالم الفلك تانيو دياز سانتوس Tanio Díaz-Santosl من ". جامعة دييغو بورتاليس، في سانتياغو (تشيلي).: "علمنا من البيانات السابقة أن هناك ثلاث مجرات مصاحبة، لكن لم يكن هناك دليل على وجود تفاعلات بين هؤلاء الجيران والمصدر المركزي" وأضاف: "لم نكن نبحث عن سلوك أكلة لحوم البشر، ولم نتوقع ذلك، لكن البيانات الواردة من مرصد ALMA واضحة للغاية".

تقع مجرة ​​W2246-0526 على بعد 12.4 مليار سنة ضوئية من الأرض، ولها نواة كوازار في جوهرها: إنها نواة مجرة ​​نشطة ساطعة بشكل استثنائي، يغذيها ثقب أسود. النجوم الزائفة هي من بين أكثر الأشياء سطوعًا في الكون، حيث ينبعث منها الضوء وكذلك انبعاثات الراديو. تنبثق هذه المواد من مادة حول الثقب الأسود، تسمى قرص التراكم disque d’accrétion. وقد تم اكتشاف 63 كوازارًا! مما يعد خطوة للأمام نحو فهم الكون المبكر. يحتوي قرص التراكم هذا على غبار وغاز يحومان بسرعات هائلة: فهو ينتج كميات عبثية من الإشعاع. في حالة W2246-0526، يمتص قرص التراكم المادة المحيطة، ويعاد إصدار الأخيرة على شكل أشعة تحت الحمراء، مما يجعل المجرة أكثر ندرة، لأن الكوازار في مركزها هو نوع معروف من الكوازار. تحت اسم المجرة الساخنة المحجوبة بالغبار (Hot, Dust-Obscured Galaxy (galaxie chaude obscurcie par la poussière)). واحد كوازار من 3000 هو كوازار من نوع Hot DOG.

trou noir supermassif galaxie lumineuse

الاعتمادات: ALMA / ESO / NAOJ / NRAO / AUI / NSF / S. داجنيلو / ت. دياز سانتوس وآخرون

ليست كل هذه المواد التي تُسكب في المجرة بالضرورة جزءًا من وليمة الثقب الأسود الهائل. على الرغم من أن الثقب الأسود ضخم (حوالي 4 مليارات ضعف كتلة الشمس)، لا يزال هناك حد لكمية المادة يمكنه أن يستهلك. لذلك، يبدأ جزء من المادة في الاندماج في المجرة ومن المحتمل أن يشكل نجومًا جديدة.

ومع ذلك، هناك أيضًا لغز: يكون نشاط الثقب الأسود هنا شديداً لدرجة أنه يحرك الغاز في جميع أنحاء المجرة. إن زخم وطاقة الفوتونات شديدان لدرجة أن دفع الغاز للخارج قد يؤدي إلى تمزيق W2246-0526. فمجرة W2246-0526 رائعة حقًا. تمكن الباحثون سابقًا من إثبات أنها شديدة السطوع والاضطراب الشديد، لكن هذه النتائج الجديدة تجعلها أيضًا المجرة الأبعد التي يمكن ملاحظتها، وتفكيك العديد من المجرات الأخرى، وعلى حد علم الباحثين، المجرة الوحيدة. بعيدًا أيضًا عن التصوير المباشر.

trou noir supermassif galaxie lumineuse

ولكن هناك لغز آخر مقلق يجب حله. على الرغم من أن الثقب الأسود فائق الكتلة في مركزها هو طاغوت حقيقي، إلا أنه في الواقع يجب أن يكون أكبر ... في الواقع، تحدد كتلة الثقب الأسود حدًا أعلى لسطوع نواة مجرة ​​نشطة. ومع ذلك، فإن المجرة W2246-0526 أكثر سطوعًا بثلاث مرات تقريبًا مما ينبغي، مقارنة بحجم ثقبها الأسود المركزي.

ماذا يعني ذلك؟ في الوقت الحاضر، الباحثون ليسوا متأكدين بعد. قال دياز سانتوس: "من المحتمل أن يكون هذا الإفراط في التهام المواد مستمرًا منذ بعض الوقت، ونتوقع أن يستمر هذا العيد المجري لما لا يقل عن بضع مئات من ملايين السنين".

 

 

 

 

خطوة للأمام نحو فهم الكون المبكر باكتشاف 63 كوازار!

quasar univer primitif trou noir big bang

أعلن فريق من الباحثين عن اكتشاف 63 كوازار! من المعروف أن هذه الكيانات الكونية هي الأكثر سطوعًا على الإطلاق، ولكنها أيضًا الأبعد.  وتعد منجماً حقيقياً للمعلومات عن أول مليار سنة من الكون المرئي، بعد إنشائه مع الانفجار العظيم.

الكوازار هو المنطقة المدمجة المحيطة بالثقب الأسود الهائل، والمتمركزة في مركز مجرة ​​ضخمة. هذا هو أكبر اكتشاف للكوازارات حتى الآن! في الواقع، أعلنت الدراسة، التي نُشرت في مجلة الفيزياء الفلكية الشهيرة، عن اكتشاف 63 نجمًا كوازارًا. هذه هي من بين أكثر الأجسام الكونية المعروفة بعدًا ويأتي لمعانها المذهل من قرص التراكم المحيط بالثقب الأسود.

نظرًا لقلة عدد الكوازارات المعروفة حتى الآن، فإن قدرة العلماء على الحصول على معلومات حول هذه الأجسام الكونية القديمة كانت محدودة للغاية حتى الآن. أحد التحديات التي يواجهها المجتمع العلمي هو تحديد النجوم الزائفة الجديدة البعيدة، وهو أمر نادر للغاية (يشبه إلى حد ما "البحث عن إبرة في كومة قش"). ولكن بمجرد اكتشافها، كما هو الحال هنا، تصبح هذه النجوم الزائفة مصادر حقيقية للمعلومات عن الكون والمليار سنة الأولى من عمره.

في الواقع، أحد أعظم ألغاز الكون هو تكوين مصادر الضوء وتطورها عند نشأتها. بفضل هذا الاكتشاف الاستثنائي، أصبح لدى الباحثين أخيرًا الوسائل لمحاولة فهم الكون المبكر بشكل أفضل. "إنها (الكوازارات) التي تضيء حرفيًا معرفتنا بالكون المبكر" ، هذا ما قاله إدواردو بانيادوس Eduardo Bañados ، قائد فريق الباحثين الذين اكتشفوا الكوازارات. "الكوازارات الساطعة جدًا مثل تلك التي اكتشفناها خلال هذه الدراسة هي أفضل الأدوات لمساعدتنا في استكشاف الكون المبكر! لأنه حتى الآن كانت النتائج الحاسمة محدودة للغاية بسبب نقص العناصر، أو لأن الكوازارات التي كنا على علم بها كانت صغيرة للغاية ".

لذلك ستشهد السنوات القليلة القادمة تحسنًا كبيرًا في المعرفة حول الكون المبكر والكوازارات. لا يزال هناك الكثير من الأشياء التي لا يستطيع العلم شرحها حول بداية الكون، بالإضافة إلى الكوازارات، لذا فإن القدرة على دراستها ستجلب الكثير من عناصر الإجابات ويمكن أن تساعد العلماء فقط على فهم ما هو حدث خلال المليار سنة الأولى بعد الانفجار العظيم.

ضوء على الهياكل المختلفة للكون

nuage magellan univers

الكون المرئي ضخم، إنها حقيقة. لكننا نعلم الآن أيضًا أنه منظم في مجرات وعناقيد وحشود وأكداس مجرات فائقة. وسنتطرق إلى العديد من هذه الهياكل التي تشكل الكون وتنظمه.

كيف ينظم كوننا المرئي نفسه؟

لنبدأ بالأرض التي تدور حول نجم معروف باسم الشمس. تدور حول الشمس أيضًا كواكب أخرى، والتي تشكل نظامنا الشمسي. لكنها ليست مجرد كواكب، فهناك أجسام أخرى تدور حول الشمس أيضًا، وهذا حال المذنبات والكويكبات على نحو خاص.

système solaire

نظامنا الشمسي مع وجود الشمس في مركزه (هذا التمثيل الفني لا يظهر مسافات أو أحجامًا للمقياس).

هذه المجموعة، التي تمتد حول نصف قطر سنة ضوئية، هي التي تشكل نظامنا الشمسي. لاحظ أيضًا أن النجم الأقرب إلى الشمس يقع على بعد حوالي 4 سنوات ضوئية، مما يجعل الشمس نجمة منعزلة نسبيًا.

المجرات:

لكن النظام الشمسي لا يزال داخل هيكل أكبر بكثير وهو: مجرة ​​درب التبانة أو الطريق اللبني، أي مجرتنا. مجرة درب التبانة هي مجرة ​​مثل ما يقرب من مائة مليار في الكون ...

في الواقع، النظام الشمسي "لا يعتبر شيئاً مهماً" مقارنة باتساع الهيكل الذي يضمه، وما يضمه أيضًا ، وما إلى ذلك. درب التبانة عبارة عن مجموعة ضخمة من النجوم تحتوي على أكثر من 100 مليار نجم، تدور حولها الكواكب أحيانًا كما هو الحال في نظامنا الشمسي.

يقع النظام الشمسي في إحدى ضواحي مجرتنا، على بعد حوالي 28000 سنة ضوئية من مركزها. بشكل ملموس، تقع الشمس في أحد الأذرع الأربعة لمجرة درب التبانة، وهو ذراع حلزوني رئيسي يسمى أيضًا "ذراع القوس" bras Sagittaire.

système solaire voie lactée

مجرتنا la Voie lactée، درب التبانة، ليست سوى نقطة في الكون ... هيكلها الأنيق يشبه الإعصار بأذرع النجوم. الشمس، المحاطة بدائرة باللون الأصفر، هي نجم عادي من بين 150 مليار ينير مجرتنا. يستغرق الضوء 100000 سنة لعبور درب التبانة. الصورة من: ناسا

ومع ذلك، في بداية القرن العشرين، كان يُعتقد أن الشمس متمركزة في مركز المجرة، والتي يُعزى قطرها إلى 25000 سنة ضوئية (ربع ما هو عليه بالفعل). تم استجواب هذا النموذج عام 1900 من قبل عالم الفلك الهولندي جاكوبوس كابتين Jacobus Kapteyn (1851-1922) وفي عام 1917 من قبل عالم الفلك الأمريكي هارلو شابلي Harlow Shapley (1885-1972) الذي نجح في الاستنتاج من الملاحظات غير المباشرة أن المجرة يجب أن تكون لديها قلب ضخم، مما يفسد بالتأكيد الأمل في أن تكون الشمس في مركز مجرتنا.

إذن ماذا عن هيكل المجرة؟ المجرة هي بنية تجمع عشرات أو حتى مئات المليارات من النجوم! يمكن أن تأخذ أيضًا عدة أشكال: بيضاوية الشكل أو حلزونية أو إهليجية أو غير منتظمة. تحتوي المجرات الحلزونية مثل مجرتنا على لمبة مجرية في مركزها والتي عادة ما تحتوي على ثقب أسود هائل.

عناقيد المجرات: Les amas de galaxies

حشود أو أكداس المجرات هي مجموعة من المجرات مرتبطة ببعضها البعض بقوة جاذبيتها. هذه الهياكل مستقرة نسبيًا لأنه لا يمكن لأي طرف الهروب من الكتلة التي تحتوي عليها.

في هذا الوقت، ما زلنا لا نعرف بالضبط كيف تشكلت هذه العناقيد المجرية. لأنه إذا كان التجاذب الثقالي مسؤولاً عن تماسك هذه الهياكل، فإن هذه القوة تبدأ في العمل فقط عندما تكون هناك بالفعل هياكل ضخمة نسبيًا. من أجل الشروع في مثل هذه العملية، هناك حاجة إلى ما يسمى العنصر المشغل élément dit déclencheur. في مواجهة هذا اللغز، يتعامل علماء الفلك والباحثون مع مسألة المادة السوداء أو المظلمة، التي يقول البعض إنها تشكل حوالي 90٪ من كتلة الكون.

amas galaxie

هذا هو جوهر مجموعة حشد المجرات MACS J0717.5 + 3745، التي تقع على بعد حوالي 5 مليارات سنة ضوئية من مجرة ​​درب التبانة. الكتلة الهائلة لهذا التكتل الكوني المذهل تحني الزمكان من حولها وتعمل كعدسة طبيعية ضخمة. تسمح لنا عدسة الجاذبية الحقيقية هذه برؤية المجرات الموجودة خلف الكتلة. تظهر مشوهة ومكبرة ومضخمة، في هذه الصورة كخطوط مزرقة كبيرة. الصور من: ناسا Nasa / ومن كالة الفضاء الأوروبية ESA / STSCI

التجمع المجري الذي تقع فيها مجرتنا يسمى المجموعة المحلية. تتكون هذه المجموعة من حوالي ثلاثين مجرة ​​، وأكبرها مجرة ​​درب التبانة ومجرة أندروميدا أو المرأة المتسلسلة ومجرة المثلث. بفضل هذه المجرات العملاقة الثلاث، يمكن للعنقود الحفاظ على سلامته. نحن نعلم أن جميع المجرات في المجموعة ستكون تقريبًا في نفس العمر، ومع ذلك، لا نعرف ما إذا كانت قد تشكلت معًا أو إذا كانت قد تجمعت بمرور الوقت. تمتد هذه المجموعة على ما يقرب من 10 ملايين سنة ضوئية.

ضوء على الهياكل المختلفة للكون Lumière sur les différentes structures de l’Univers

nuage magellan univers

هناك العديد من أكداس المجرات في الكون. واحدة من أقرب العناقيد هي مجموعة برج العذراء la Vierge التي يبلغ نصف قطرها 7 ملايين سنة ضوئية.

العناقيد الفائقة : Les superamas

عناقيد المجرات هي بالفعل هياكل استثنائية، تنظم نفسها في هياكل أكبر! هذه هي عناقيد المجرات العملاقة. تتكون المجموعات العملاقة من عشرات المجرات، وهي منظمة في خيوط تعطي الكون مظهرًا خاصًا جدًا.

يبقى سبب وجود هذه البنية الكونية المتناوبة الشعيرات والمناطق الفارغة، شبه خالية من المادة، ما يشكل لغزاً لعلماء الفلك. لاحظ أيضًا أن أبعاد هذه العناقيد الفائقة هائلة للغاية: من 100 إلى 320 مليون سنة ضوئية!

superamas galaxies

محاكاة جزء من الكون. نحن ندرك أن التجمعات العملاقة تتجمع في هياكل هائلة: خيوط المجرة. النقطة الصفراء تقابل الكتلة.

من أجل الحصول على معلومات حول هذه الهياكل الهائلة، من الضروري أن تكون قادرًا على التقاط ضوء عدد كبير جدًا من المجرات، موزعة في أكبر مساحة ممكنة. يعود الفضل بشكل خاص إلى مشروع "Two Degrees Field Galaxy Redshift Survey" إلى أننا تمكنا من جمع الكثير من البيانات حول هذا الموضوع. في الواقع، تم تنفيذ هذا المشروع في المرصد الأنجلو-أسترالي في نيو ساوث ويلز (أستراليا) وكان قادرًا على تسجيل موقع 100000 مجرة ​​على جزء من الفضاء بمقدار درجتين وما يصل إلى 4 مليارات سنوات ضوئية عميقة!

خاتمة:

هياكل الكون عديدة. بدءًا من نجم بسيط وصغير، يمكننا الوصول إلى أكثر من خيوط هائلة. فيما يلي ملخص صغير للمعلومات التي يجب تذكرها حول هياكل كوننا:

- الكواكب تدور حول النجوم (~ 1 سنة ضوئية)

- النجوم موجودة داخل المجرات ، والتي تحتوي على عشرات المليارات (~ 100،000 سنة ضوئية)

- تتجمع المجرات معًا في مجموعات من المجرات (حوالي 10 ملايين سنة ضوئية)

- تتجمع العناقيد في مجموعات مجرات عملاقة (حوالي 150 مليون سنة ضوئية)

- ثم تنظم التجمعات العملاقة نفسها في خيوط (حوالي 500 مليون سنة ضوئية)

نعم، من الصعب جدًا تخيل ما يمكن أن تمثله كل هذه الأرقام ... وهذا أمر طبيعي!

يكشف الضوء الداخلي لعناقيد المجرات عن توزيع المادة المظلمة:

matiere noire galaxies

وفقًا للنموذج القياسي أو المعياري لعلم الكونيات le Modèle Standard de la cosmologie، تشكل المادة السوداء أو المظلمة حوالي 27٪ من إجمالي كثافة الطاقة في الكون. ومع ذلك، في هذا الوقت، لا يزال الأمر افتراضيًا. من خلال تحليل صور المجرات التي التقطتها تلسكوب هابل، وجد العلماء أن الضوء داخل العنقود يمكنه اكتشاف وجود المادة المظلمة بدقة أكبر من أي طريقة أخرى متاحة.

باستخدام ملاحظات هابل السابقة لست مجموعات مجرات ضخمة كجزء من مهمة حدود الحقول Frontier Fields، أوضح علماء الفلك أن الضوء داخل العنقود - التوهج المنتشر بين المجرات في العنقود - يتتبع مسار المادة المظلمة من خلال تسليط الضوء على توزيعها بدقة أكبر من الطرق الحالية للمراقبة بالأشعة السينية، ونشرت نتائج الاكتشاف في مجلة الإخطارات الشهرية للجمعية الملكية الفلكية la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

الضوء داخل العنقود هو نتاج ثانوي للتفاعلات بين المجرات التي تعطل بنيتها. في حالة الفوضى، يتم إطلاق النجوم الفردية من روابط الجاذبية في مجراتها الأصلية لإعادة تنظيم نفسها مع توزيع الجاذبية للمجموعة. هذا هو المكان الذي توجد فيه الغالبية العظمى من المادة المظلمة.

يشير ضوء الأشعة السينية إلى مكان تصادم مجموعات المجرات، ولكن ليس الهيكل الأساسي للعنقود. فهذا يجعله أقل دقة لتتبع المادة المظلمة.

"السبب في أن الضوء داخل العنقود هو تتبع ممتاز للمادة المظلمة في مجموعة من المجرات هو أن المادة المظلمة والنجوم التي تولد الضوء داخل المجموعة تطفو بحرية على إمكانات الجاذبية للعنقود. تقول ميريا مونتيس Mireia Montes، عالمة الفيزياء الفلكية في جامعة نيو ساوث ويلز في سيدني، إنهما "يتبعان" الجاذبية نفسها "." لقد وجدنا طريقة جديدة لمعرفة موقع المادة السوداء أو المظلمة، لأنها تتعلق بالتخطيط لنفس إمكانات الجاذبية بالضبط. يمكننا أن ننير، بتوهج خافت للغاية، موقع المادة السوداء أوالمظلمة. تسمح لنا هذه الطريقة بتوصيف، بطريقة إحصائية، الطبيعة النهائية للمادة السوداء أو المظلمة ".

lumiere intra amas

من خلال تحليل الضوء داخل العنقود المجرات ثم دمج البيانات مع تلك الموجودة في خرائط التوزيع الشامل، نجح الباحثون في إعادة بناء خريطة دقيقة لتوزيع المادة السوداء أو المظلمة. الصور من: ناسا / وكالة الفضاء الأوروبية

يشير مونتيس أيضًا إلى أن الطريقة ليست دقيقة فحسب، بل إنها أكثر كفاءة لأنها تستخدم فقط التصوير بالعمق، بدلاً من تقنيات التحليل الطيفي الأكثر تعقيدًا والتي تستغرق وقتًا طويلاً. هذا يعني أنه من الممكن دراسة المزيد من المجموعات و الأجرام الكونية في الفضاء في وقت أقل ، مما سيؤدي إلى مزيد من الأدلة المحتملة على تكوين المادة السوداء أو المظلمة وسلوكها.

استخدم علماء الفلك مسافة Hausdorff المعدلة (MHD)، وهو مقياس يستخدم لمطابقة الأنماط، لقياس أوجه التشابه بين ملامح الضوء داخل الكتلة وتلك الخاصة بخرائط الكتلة العنقودية المختلفة، والتي تعد جزءًا من بيانات مشروع Hubble Frontier Fields. يقيس MHD المسافة بين مجموعتين فرعيتين. كلما كانت قيمة MHD أصغر، كلما كانت مجموعات النقطتين أكثر تشابهًا.

أظهر هذا التحليل أن توزيع الضوء داخل المجموعة الذي شوهد في صور Hubble Frontier Fields يطابق التوزيع الشامل لمجموعات المجرات الست بشكل أفضل من انبعاث الأشعة السينية، من الملاحظات المؤرشفة لمقياس طيف التصوير. مرصد شاندرا للأشعة السينية المتقدم CCD (ACIS).

إلى جانب هذه الدراسة الأولية، يرى مونتيس وتروجيلو Trujillo العديد من الفرص لتوسيع أبحاثهما. بادئ ذي بدء، يرغبان في زيادة نصف قطر المشاهدة في المجموعات الست الأصلية، لمعرفة ما إذا كان مستوى دقة التتبع قد تم الوفاء به. سيكون الاختبار المهم الآخر لطريقتهم هو مراقبة وتحليل مجموعات المجرات الإضافية بواسطة المزيد من فرق البحث، من أجل إكمال مجموعة البيانات وتأكيد استنتاجاتهم.

يتطلع علماء الفلك أيضًا إلى تطبيق نفس التقنيات مع التلسكوبات الفضائية القوية في المستقبل، مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي James Webb  و WFIRST، والتي ستحتوي على أدوات أكثر حساسية لاستبانة الضوء الضعيف داخل المجموعة في الكون البعيد.

يرغب تروجيللو في اختبار اختزال الطريقة من مجموعات المجرات الضخمة إلى المجرات البسيطة. "سيكون من الرائع القيام بذلك على مستويات المجرات، على سبيل المثال من خلال استكشاف الهالات النجمية. من حيث المبدأ، يجب أن تعمل نفس الفكرة؛ ومن المتوقع أيضًا أن تتعقب النجوم المحيطة بالمجرة نتيجة الاندماج إمكانات الجاذبية للمجرة، وإلقاء الضوء على موقع وتوزيع المادة المظلمة. "

بيانات شاندرا تختبر "نظرية كل شيء":

في عام 1977، وجد الفيزيائيان روبرتو بيتشي وهيلين كوين Roberto Peccei et Helen Quinn حلاً لمشكلة انتهاك التناظر CP في سياق الديناميكا اللونية الكمومية chromodynamique quantique. يتضمن هذا الحل وجود جسيم افتراضي من المفترض أن يكون مستقرًا ومحايدًا وذو كتلة منخفضة للغاية. اليوم، هذا الجسيم، الذي تنبأت به العديد من نماذج نظرية الأوتار الفائقة، هو مرشح للمادة السوداء أو المظلمة. في الآونة الأخيرة، قام الباحثون بتحليل البيانات من مرصد شاندرا للمحاور الافتراضية. سمحت لهم النتائج بتحسين قيود الكتلة والطاقة على هذه الجسيمات.

بالنظر إلى حشود وأكداس المجرات، أكبر الهياكل في الكون التي تحتفظ بها الجاذبية، تمكن الباحثون من البحث عن جسيم معين تنبأت به العديد من نماذج نظرية الأوتار الفائقة. على الرغم من أن عدم الاكتشاف الناتج لا يستبعد نظرية الأوتار الفائقة، إلا أنه يسمح مع ذلك بوضع قيود إضافية على وجود هذه الجسيمات. نُشرت الدراسة في مجلة The Astrophysical Journal.

"حتى وقت قريب، لم أكن أعرف إلى أي مدى يمكن لعلماء الفلك بالأشعة السينية المساهمة في نظرية الأوتار، لكن يمكننا لعب دور رئيسي. يقول كريستوفر رينولدز Christopher Reynolds  من جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة: "إذا تم اكتشاف هذه الجسيمات أخيرًا ، فسوف تغير الفيزياء إلى الأبد".

تحويل الفوتون - أكسيون في وجود المجالات المغناطيسية La conversion axion-photon en présence de champs magnétiques:

يسمى الجسيم الذي كان يبحث عنه رينولدز وزملاؤه "أكسيون axion ". يجب أن تحتوي هذه الجسيمات غير المكتشفة على كتل منخفضة للغاية. لا يعرف الفيزيائيون النطاق الدقيق للكتلة، لكن العديد من النظريات تظهر كتلًا محورية تتراوح من حوالي واحد في المليون من كتلة الإلكترون إلى كتلة صفرية. يعتقد بعض علماء الفيزياء أن الأكسيونات يمكن أن تفسر لغز المادة السوداء أو المظلمة.

من الخصائص غير العادية لهذه الجسيمات ذات الكتلة المنخفضة للغاية أنها يمكن أن تتحول أحيانًا إلى فوتونات أثناء مرورها عبر الحقول المغناطيسية. يمكن أن يكون العكس أيضًا صحيحًا: يمكن أيضًا تحويل الفوتونات إلى محاور في ظل ظروف معينة. يعتمد عدد مرات حدوث هذا التغيير على مدى سهولة إجراء هذا التحويل، وبعبارة أخرى، على "قابلية التحويل".

البحث عن الجسيمات الأكسيونية في الأشعة السينية Chercher les particules axioniques dans les rayons X: اقترح الفيزيائيون وجود فئة أكبر من الجسيمات ذات الكتلة المنخفضة للغاية بخصائص مشابهة للأكسيونات. سيكون لدى الأكسيونات Axions ملف قيمة التحويل الفريدة لكل كتلة، ولكن الجسيمات الشبيهة بالأكسون سيكون لها نطاق من قابلية التحويل إلى نفس الكتلة.

spectre axions

صورة النطاق الكامل للمنطقة التي لاحظتها شاندرا في الأشعة السينية. يشير الشريط السفلي إلى كمية الفوتونات المقاسة، ويظهر طيف الانتثار للمنطقة المرصودة باللون الأبيض. صور: C. Reynolds et al. 2020

"أثناء البحث عن جسيمات صغيرة مثل الأكسيونات في الهياكل العملاقة مثل عناقيد المجرات قد يبدو الأمر غريبًا، فهذه في الواقع أماكن جيدة للعثور عليها. تحتوي مجموعات حشود وأكداس المجرات على مجالات مغناطيسية على مسافات مثيرة للإعجاب، وغالبًا ما تحتوي أيضًا على مصادر ضوئية للأشعة السينية. وتزيد هذه الخصائص معًا من فرص اكتشاف تحويل الجسيمات الشبيهة بالأكسون "، كما يقول ديفيد مارش David Marsh  من جامعة ستوكهولم ، السويد.

للبحث عن علامات التحويل الأكسيوني، أمضى فريق علماء الفلك خمسة أيام في فحص بيانات الأشعة السينية لشاندرا من المواد التي تسقط باتجاه الثقب الأسود الهائل في مركز مجموعة بيرسيوس. درسوا طيف شاندرا (أو كمية انبعاث الأشعة السينية الملحوظة عند الطاقات المختلفة) لهذا المصدر.

عدم وجود آثار للأكسيونات في نطاقات الكتلة المدروسة:

أنتجت الملاحظة الطويلة ومصدر ضوء الأشعة السينية طيفًا ذا حساسية كافية لإظهار التشوهات التي توقعها الفيزيائيون في حالة وجود جزيئات تشبه الأكسيون. سمح الفشل في اكتشاف مثل هذه التشوهات للباحثين باستبعاد وجود معظم أنواع الجسيمات الشبيهة بالأكسيون في النطاق الكتلي الذي كانت ملاحظاتهم حساسة له، أقل من واحد من المليون من المليار من الكتلة الإلكترون.

contraintes masse

القيود على كتلة الأكسيونات (الدراسة الحالية والدراسات السابقة). تمثل المساحة الزرقاء الفاتحة القيم المستبعدة، وتمثل المساحة البيضاء القيم الممكنة. تشير النقطة الحمراء إلى قيمة الكتلة الأكثر احتمالية. الرسم البياني من: C. Reynolds et al. 2020

"لا يستبعد بحثنا وجود هذه الجسيمات، لكنه لا يدعمها. تندرج هذه القيود ضمن نطاق الخصائص التي اقترحتها نظرية الأوتار، ويمكن أن تساعد منظري الأوتار في سبر نظرياتهم، كما تقول هيلين راسل Helen Russell من جامعة نوتنغهام في المملكة المتحدة.

 

صقل القيود المفروضة على الكتلة وقابلية تحويل اللأكسيونات Affiner les contraintes sur la masse et la convertibilité des axions:

كانت النتيجة الأخيرة أكثر حساسية بثلاث إلى أربع مرات من أفضل بحث سابق عن الجسيمات الشبيهة بالأكسيون، والذي جاء من ملاحظات تشاندرا للثقب الأسود فائق الكتلة M87. هذه الدراسة هي أيضًا أقوى بحوالي مائة مرة من القياسات الحالية التي يمكن إجراؤها في المختبرات هنا على الأرض، بالنسبة لمجموعة الكتل التي اعتبروها.

أحد التفسيرات المحتملة لهذا العمل هو أن الجسيمات الشبيهة بالأكسيون غير موجودة. تفسير آخر هو أن للجسيمات قيم قابلية للتحويل أقل حتى من حد الكشف لهذه الملاحظة، وأقل مما توقعه بعض علماء فيزياء الجسيمات. يمكن أن يكون لديهم أيضًا كتل أعلى من تلك التي تم فحصها ببيانات شاندرا.

نظرية جديدة توحد المادة السوداء أو المظلمة والطاقة السوداء أو المعتمة والمظلمة:

unification matiere energie noires

في النموذج الكوني القياسي أو المعياري ، نموذج lambda-CDM ، تساعد المادة السوداء أو المظلمة في تفسير منحنيات دوران المجرات بالإضافة إلى تكوين الهياكل الكونية الكبيرة ، بينما يتم تطوير الطاقة المظلمة أو السوداء أو المعتمة لشرح تسارع المجرات وتوسع الكون. ومع ذلك، لا يزال هذان المكونان افتراضيًا حاليًا. يقترح عالم الكونيات في أكسفورد نظرية جديدة توحد هذين العنصرين.

ربما يكون أحد علماء الفيزياء في جامعة أكسفورد قد حلَّ أحد أكبر الأسئلة في الفيزياء الحديثة، في دراسة جديدة توحد المادة السوداء أو المظلمة والطاقة السوداء أو الداكنة والمظلمة في ظاهرة واحدة: سائل له كتلة سلبية. يمكن أن تؤكد هذه النظرية الجديدة المدهشة أيضًا التنبؤ الذي قدمه أينشتاين قبل 100 عام.

هذا النموذج الجديد، الذي نُشر في مجلة علم الفلك والفيزياء الفلكية، بقلم جيمي فارنز Jamie Farnes، عالم الكونيات في مركز أكسفورد للأبحاث الإلكترونية، يقدم تفسيرًا جديدًا لفرضيات المادة السوداء أو المظلمة والطاقة المعتمة أو الداكنة والمظلمة أو السوداء. "نحن نعتقد الآن أنه يمكن توحيد المادة المظلمة والطاقة المظلمة في سائل يمتلك نوعًا من" الجاذبية السلبية gravité négative "، ويطرد كل شيء من حولهما. على الرغم من أن هذه المادة غريبة علينا، إلا أنها تشير إلى أن كوننا متماثل، سواء في خصائصه الإيجابية أو السلبية.

تم بالفعل استبعاد وجود المادة السلبية، لأن العلماء يعتقدون أنها ستصبح أقل كثافة مع تمدد الكون، مما أدى إلى تحطيم الملاحظات التي تشير إلى أن الطاقة المظلمة تحتفظ بكثافتها بمرور الوقت. ومع ذلك، يطبق بحث فارنز  Farnes  "موتر الخلق" tenseur de création ، والذي يسمح بتكوين كتل سلبية بشكل دائم.

halo matiere noire

محاكاة تكون هالة من المادة السوداء أوالمظلمة من كتل سلبية (أرجوانية) وإيجابية (صفراء). صور: J. S. Farnes

لقد أوضح Farnes أنه عندما يتم إنتاج المزيد والمزيد من الكتل السلبية مرارًا وتكرارًا، فإن هذا السائل الكتلي السالب لا يخفف مع توسع الكون: في الواقع، يبدو أن السائل هو نفسه الطاقة السوداء أو المظلمة. توفر نظرية فارنز Farnes أيضًا أول تنبؤات صحيحة لسلوك هالات المادة السوداء أو المظلمة. يشير منحنى دوران المجرات إلى وجوب وجود كتلة غير مرئية بالإضافة إلى الكتلة المضيئة.

يقدم البحث الجديد ، الذي صدر في 5 كانون الأول (ديسمبر) ، محاكاة حاسوبية لخصائص الكتلة السلبية التي تتنبأ بتكوين هالات المادة السوداء أو المظلمة ، على غرار تلك التي تم استنتاجها من الملاحظات التي تم إجراؤها باستخدام التلسكوبات الراديوية الحديثة.

قدم ألبرت أينشتاين أول لمحة عن الكون المظلم قبل 100 عام بالضبط، عندما اكتشف في معادلاته معلمة تسمى "الثابت الكوني"، والتي يربطها الباحثون اليوم بالطاقة السوداء أو المعتمة أو الداكنة والمظلمة.

أطلق أينشتاين على الثابت الكوني تصريحه الشهير كان "أكبر خطأ لي" ، على الرغم من أن الملاحظات الفيزيائية الفلكية الحديثة تثبت أنها ظاهرة حقيقية. في ملاحظات من عام 1918، وصف أينشتاين ثابته الكوني من خلال "أن تعديل النظرية ضروري، بحيث يعمل" الفضاء الفارغ "ككتل سالبة جاذبة موزعة في جميع أنحاء الفضاء بين النجوم. . لذلك من الممكن أن يكون أينشتاين نفسه قد تنبأ بكون مليء بالكتلة السالبة.

formation grande structure cosmique

محاكاة تكوين بنية كونية كبيرة من كتل سلبية (أرجوانية) وإيجابية (صفراء). الائتمان: J. S. Farnes

حاولت المناهج السابقة للجمع بين الطاقة المعتمة والمظلمة أو السوداء والداكنة والمادة السوداء أو المظلمة تعديل نظرية النسبية العامة لأينشتاين، والتي أثبتت صعوبة بالغة. هذا النهج الجديد يأخذ فكرتين قديمتين معروفين بتوافقهما مع نظرية أينشتاين - الكتل السلبية وخلق المادة - ويجمعهما، "كما يشير فارنز.

"تبدو النتيجة جميلة إلى حد ما: يمكن توحيد الطاقة السوداء أو المظلمة والمادة السوداء المظلمة في جوهر واحد une seule substance، ويمكن ببساطة تفسير كلا التأثيرين على أنهما مادة كتلة موجبة تمتطي بحرًا من الكتل السلبية." ستخضع نظرية فارنيز للاختبار في الاختبارات باستخدام تلسكوب لاسلكي، مصفوفة الكيلومتر المربع (SKA)، وهو مشروع دولي لبناء أكبر تلسكوب في العالم تتعاون فيه جامعة أكسفورد.

"لا يزال هناك الكثير من المشكلات النظرية وعمليات المحاكاة الحاسوبية للتعامل معها، ونموذج lambda-CDM يقترب من 30 عامًا تقريبًا، لكنني حريص على معرفة ما إذا كانت هذه النسخة الجديدة الموسعة من النموذج يمكن أن تتطابق بدقة مع البيانات الأخرى في المستقبل. 'الملاحظة. إذا كان الأمر كذلك، فإن ذلك يشير إلى أن 95٪ من الكون المفقود لديهم حل جمالي: لقد نسينا تضمين علامة ناقص بسيطة، "يستنتج فارنز.

 

.......................

المصادر: : ناسا

:رسائل مجلة الفيزياء الفلكية Source : The Astrophysical Journal Letters

: المجلة الفلكية ، جامعة ماريلاند

: NASA JPL، Science، NRAO

Source : Astronomy & Astrophysics:

ها هو مقطع فيديو يحاكي ويلخص تنظيم هياكل الكون، مما قد يساعدك على تصور ذلك بشكل أفضل!

صورة العنوان: جزء من سحابة ماجلان الصغيرة؛

المصدر: علم الفلك والفيزياء الفلكية : مجلة الفيزياء الفلكية الأشعة السينية - NASA / CXC / Univ.Potsdam / L.Oskinova ، البصريات - NASA / STScI والأشعة تحت الحمراء - NASA / JPL-Caltech. فيديو: علم الكون Vidéo : universcience

Universcience videos - Dailymotion

Universcience est le nom de l'établissement public qui regroupe depuis le 3 décembre 2009 le Palais de la découv...

 

 

 

جواد بشارةإعداد وترجمة د. جواد بشارة

صراع الأسهم

الواقع هو مصطلح متعدد المعاني والذي، بالنسبة للبعض، أقرب إلى الفلسفة أو حتى الميتافيزيقيا منه إلى العلم الحقيقي. في سياق الميكانيك الكمومي، حيث يؤثر المراقب على بيئته، ينتج عن أي إجراء قياس اختيار حالة ثابتة، من بين عدد لامتناهي من الحالات والمتغيرات الممكنة، داخل نظام كمومي. نظرًا لكون ميكانيكا الكموم احتمالية بشكل أساسي، فإن نتيجة القياس تختلف باختلاف المراقب، كما ذكر الفيزيائي يوجين وينر في عام 1961. إذن ما هو دلالة هذه الفرضية فيما يتعلق بواقع العالم المادي؟

حتى ظهور فيزياء الكموم في عشرينيات القرن الماضي، توقع الفيزيائيون أن تكون نظرياتهم حتمية، مما يولد تنبؤات حول نتائج التجارب على وجه اليقين. لكن ثبت أن نظرية الكموم احتمالية بطبيعتها. يقول تفسير كوبنهاغن أنه طالما لم يتم قياس خصائص النظام، فيمكنها أن تأخذ عددًا لا يحصى من القيم. ينهار هذا التراكب في حالة واحدة فقط عند ملاحظة النظام بوجود مراقب يقوم بالملاحظة، ولا يمكن للفيزيائيين أبدًا التنبؤ بدقة بما ستكون عليه هذه الحالة. أدلى فاينرWigner بعد ذلك بالرأي الشائع بأن الوعي يؤدي بطريقة ما إلى انهيار التراكب.

منذ ذلك الحين فقد هذا الرأي صالحيته. اليوم، يتفق معظم الفيزيائيين على أن الأجسام الجامدة يمكنها إزالة تراكب الأنظمة الكمومية من خلال عملية تسمى فك الترابط. بالتأكيد، قد يجد الباحثون الذين يحاولون التلاعب بالتراكبات الكمومية المعقدة في المختبر أن عملهم الشاق قد تدمر بسبب اصطدام الجسيمات بأنظمتهم. لذلك يجرون اختباراتهم في درجات حرارة شديدة البرودة ويحاولون عزل أجهزتهم عن الاهتزازات.

ظهرت العديد من التفسيرات الكمومية المتنافسة على مدى العقود التي تستخدم آليات أقل غموضًا، مثل فك الترابط، لشرح كيفية انهيار التراكبات دون استدعاء الوعي. وتؤيد تفسيرات أخرى الموقف الأكثر راديكالية وهو أنه لا يوجد انهيار على الإطلاق. لكل فرد وجهة نظره الخاصة في اختبار فاينر.

تجربة فاينر وصديقه:

التجربة الفكرية الأصلية لـفاينر Wigner بسيطة من حيث المبدأ. يبدأ بفوتون مستقطب واحد يمكن، عند قياسه، أن يكون له استقطاب أفقي أو رأسي. ولكن قبل القياس، وفقًا لقوانين الميكانيك الكمومي، يوجد الفوتون في كلا حالتي الاستقطاب في نفس الوقت؛ هذا هو مبدأ التراكب.

تخيل فاينر صديقًا في مختبر مختلف، يقيس حالة هذا الفوتون ويخزن النتيجة، بينما لاحظ فاينر ذلك من بعيد. ليس لدى فاينر أي معلومات عن مقياس صديقه، لذلك يجب أن يفترض أن الفوتون وقياسه يتداخلان مع جميع النتائج المحتملة للتجربة. يمكن لـ فاينر إجراء تجربة لتحديد ما إذا كان هذا التراكب موجودًا أم لا.

إنها نوع من تجارب التداخل التي تُظهر أن الفوتون والقياس في حالة تراكب. من وجهة نظر فاينر ، إنها "حقيقة" ، التراكب موجود. وهذه الحقيقة تشير إلى أنه ربما لم يتم اتخاذ إجراء. لكن هذا يتناقض مع وجهة نظر الصديق، الذي قام بالفعل بقياس استقطاب الفوتون وسجله. يمكن للصديق حتى الاتصال بـفاينر ويقول إن القياس قد تم (بشرط عدم الكشف عن النتيجة). لذا فإن الواقعين متعارضان.

أحد أشكال تجربة فاينر التي تتضمن التشابك الكمومي:

المشكلة هي أن كل تفسير جيد - أو سيئ - في التنبؤ بنتيجة الاختبارات الكمومية. لا أحد يعرف ما هو الحل. يقول عالم فيزياء الكم أيفرايم شتاينبرغ، إننا لا نعرف حتى ما إذا كانت قائمة الحلول المحتملة لدينا شاملة.

يعتقد تيسشلر Tischler وزملاؤه أن تحليل وتنفيذ تجربة فاينر يمكن أن يلقي الضوء على حدود نظرية الكموم الكوانتوم. لقد استلهموا من موجة جديدة من الأوراق النظرية والتجريبية التي بحثت في دور المراقب في ميكانيكا الكموم، مقدمة التشابك في التكوين الكلاسيكي لـفاينر.

لنفترض أنك أخذت فوتونين مستقطبين بحيث يمكن أن يتأرجحا أفقيًا أو رأسيًا. يمكن أيضًا وضع الفوتونات في تراكب من التذبذبات أفقياً ورأسياً، تماماً كما يمكن أن تكون قطة شرودنغر المتناقضة حية وميتة قبل ملاحظتها. يمكن أن تتشابك مثل هذه الأزواج من الفوتونات بحيث تكون استقطاباتها دائمًا في الاتجاه حصل العكس عندما لوحظ. قد لا يبدو هذا غريباً، إلا إذا كنت تتذكر أن هذه الخصائص ليست ثابتة حتى يتم قياسها.

على الرغم من أن أحد الفوتونين يُعطى لفيزيائية تُدعى أليس في أستراليا، بينما يُنقل الآخر إلى زميلها بوب في مختبر في فيينا، فإن التشابك يضمن أنه بمجرد أن تراقب أليس فوتونها وتجد، على سبيل المثال، إن الاستقطاب الأفقي، يتزامن مع استقطاب فوتون بوب على الفور ليتذبذب عموديًا.

تجاوز عدم مساواة بيل لتحديد عتبة العلاقة المحلية:

كان هدف فريق بريسبان هو استنباط واختبار نظرية جديدة تتجاوز اختبارات بيل السابقة، من خلال توفير قيود أكثر صرامة - حدود "العلاقة المحلية" - على طبيعة واقع. مثل نظرية بيل، فإن نظرية الباحثين محلية. كما أنها تحظر صراحة "الحتمية الفائقة" - أي أنها تصر على أن المجربين أحرار في اختيار ما يقيسونه دون أن يتأثروا بالأحداث في المستقبل أو الماضي البعيد.

أخيرًا، يعتبر الفريق أنه عندما يأخذ المراقب قياسًا، تكون النتيجة حدثًا حقيقيًا وفريدًا في العالم - لا يتعلق بأي شخص أو أي شيء. يتطلب اختبار العلاقة المحلية إعدادًا ذكيًا يضم اثنين من "المراقبين الخارقين"، أليس وبوب (اللذان يلعبان دور فاينر Wigner)، اللذان يشاهدان صديقيهما تشارلي وديبي. يمتلك كل من أليس وبوب مقياس التداخل الخاص بهما - وهو جهاز يستخدم لمعالجة حزم الفوتونات.

قبل القياس، يتم فرض استقطاب الفوتونات، أفقيًا ورأسيًا. يتم تحضير أزواج الفوتون المتشابكة بحيث إذا تم قياس استقطاب أحدهما ليكون أفقيًا، يجب أن يتحول استقطاب شريكه على الفور ليصبح عموديًا. يتم إرسال فوتون واحد من كل زوج متشابك إلى مقياس التداخل الخاص بأليس ويتم إرسال شريكها إلى بوب.

تجربة كمومية تؤكد عدم وجود شيء اسمه "حقيقة" موضوعية:

تشارلي وديبي ليسا صديقين بشريين في هذا الاختبار. بدلاً من ذلك، فهي عبارة عن مبدلات شعاع في مقدمة كل مقياس تداخل. عندما يصطدم فوتون أليس بديبي، يتم قياس استقطابه بالفعل وينحرف إما إلى اليسار أو إلى اليمين، اعتمادًا على اتجاه الاستقطاب. يلعب هذا الإجراء دور تشارلي، صديق أليس، الذي "يقيس" الاستقطاب. (توجد ديبي أيضًا في مقياس تداخل بوب).

بعد ذلك يجب على أليس أن تختار: يمكنها على الفور قياس المسار المنحرف الجديد للفوتون، والذي سيكون بمثابة فتح الباب للمختبر وسؤال تشارلي عما رآه. أو يمكن أن يسمح للفوتون بمواصلة رحلته، مروراً بمغير شعاع ثانٍ يعيد توحيد المسارين الأيسر والأيمن - وهو ما يعادل إبقاء باب المختبر مغلقًا. تستطيع أليس بعد ذلك قياس استقطاب فوتونها مباشرة عند خروجه من مقياس التداخل.

تمديد مفهوم قصة صديق فاينر. قام صديق تشارلي وديبي بقياس زوج من الجسيمات معدة في حالة التشابك، مما ينتج عنه النتائج المسمى c وd، على التوالي (من وجهة نظرهم). تأخذ الخوادم الفائقة، أليس وبوب، قياسات منفصلة شبيهة بالفضاء معنون x وy، مع تصنيف النتائج أ و ب، على المحتويات الكاملة للمختبرات التي تحتوي على تشارلي وديبي، على التوالي.

انتهاك حدود العلاقة المحلية:

خلال التجربة، اختار أليس وبوب بشكل مستقل القياسات التي يجب إجراؤها، ثم قارنا النتائج لحساب الارتباطات التي لوحظت عبر سلسلة من الأزواج المتشابكة. أجرى تيشلر وزملاؤه 90 ألف عملية تشغيل في التجربة. كما هو متوقع، انتهكت الارتباطات حدود بيل الأصلية - والأهم من ذلك أنها انتهكت أيضًا عتبة العلاقة المحلية الجديدة.

يمكن للفريق أيضًا تغيير الإعداد لتقليل درجة التشابك بين الفوتونات عن طريق إرسال أحد الأزواج على منعطف قبل أن يدخل مقياس التداخل الخاص بهم، مما يؤدي برفق إلى تعطيل الانسجام التام بين الجسيمات. عندما أجرى الباحثون التجربة مع هذا المستوى المنخفض قليلاً من التشابك، وجدوا نقطة حيث لا تزال العلاقات المتبادلة تنتهك حدود بيل، ولكن ليس العلاقة المحلية.

أثبتت هذه النتيجة أن مجموعتي الحدود ليستا متكافئتين وأن القيود الجديدة للعلاقة المحلية أقوى، كما يقول تيشلر. "إذا انتهكتهم، ستتعلم المزيد عن الواقع." وبالتحديد، إذا كانت نظريتك تنص على أنه يمكن معاملة "الأصدقاء" على أنهم أنظمة كمومية، فيجب عليك إما التخلي عن المكان، أو أن تقبل أن القياسات ليس لها نتيجة واحدة. 

توجد الآن معادلة تشرح سلوك فوضى الكموم:

بينما نجح الفيزيائيون في الخوض في نظرية الفوضى في الكون المرئي، فإن الفوضى شقت طريقها أيضًا إلى المقياس الكمومي. ومن نواحٍ عديدة، تكون الفوضى الكمومية أكثر إرباكًا من نظيرتها واسعة النطاق. لكن الآن هناك معادلة تشرح سلوك فوضى الكموم.

مصطلح "فوضى الكموم" يشير إلى مجال بحث نشأ من نظرية الفوضى. في الأساس، يحاول هذا المصطلح أن يجيب على السؤال التالي: "ما هو السلوك في ميكانيكا الكموم للنظام الفوضوي الكلاسيكي؟" ".

نجح الباحثون في تطوير معادلة فريدة من نوعها يمكنها التنبؤ بسلوك الفوضى الكمومية. تشرح المعادلة بشكل فعال الأنماط داخل الفوضى الكمومية على المستوى الذري. لذلك يمكن أن يساعد ذلك في تحسين فهمنا العام للعديد من الموضوعات المتنوعة، من جراحة الدماغ إلى نظرية الأوتار.

حتى الباحثين الذين طوروا المعادلة فوجئوا بمدى دقة التنبؤ بسلوك الفوضى الكمومية. قال فلاديمير أوسيبوف، أحد الباحثين من جامعة لوند في السويد: "نعم، لدينا الآن معادلة دقيقة". وأضاف: "أنا شخصياً مندهش حقًا من أن هذا ممكن".

من أجل تطوير هذه المعادلة، قام الباحثون بتحليل الخصائص الإحصائية لمستويات الطاقة المختلفة في حالة من الفوضى الكمومية. لكن ما هي تلك الخصائص بشكل ملموس؟ لفهم هذا، يجب علينا أولاً أن ننظر إلى نظرية الفوضى ، التي تدرس سلوك الأنظمة الديناميكية شديدة الحساسية للظروف الأولية: وهي ظاهرة يتضح دورها بشكل عام من خلال تأثير الفراشة (حيث تساهم الاختلافات الأولية الصغيرة جدًا في النظام ويمكن أن يكون لها تأثير كبير للغاية ، مما يؤدي إلى عواقب غير متوقعة).

تتبع الفوضى الكمومية نفس المبدأ، لكنها تهدف إلى تفسير الغرابة التي تحدث داخل الذرة، حيث تتصرف البروتونات والنيوترونات مثل الموجات وليس الجسيمات. يمكن أن ينطبق هذا أيضًا على سلوك الموجات على نطاق أوسع، مثل الحركة غير المنتظمة للإلكترونات والنواة. ينطبق هذا أيضًا على عناصر مثل الموجات الصوتية في غرفة كاملة (على سبيل المثال مفروشة) أو أشعة الضوء في الأجهزة البصرية.

حاول الباحثون منذ فترة طويلة وضع تنبؤات حول كيفية تصرف الفوضى الكمومية، لكن هذا صعب لأن الأنظمة الفوضوية حساسة للغاية للعناصر الأولية. حتى أجهزة الكمبيوتر تجد صعوبة في العثور على نماذج موثوقة. لذلك يقدم هذا مستوى جديدًا تمامًا من التعقيد، بالإضافة إلى نظرية الفوضى. يوضح أوسيبوف: "في الأنظمة الكمومية الفوضوية، تتنافر مستويات الطاقة مع بعضها البعض، وتؤثر على بعضها البعض على الرغم من تباعدها عن بعضها البعض".

اعتمد الباحثون على حقيقة أن الذرات، في حالة الإثارة، تقدم مستويات طاقة يمكن قياسها، من أجل التوصل إلى قاعدة للتنبؤ بالسلوك على المستوى الذري. يقول العلماء إن المعادلة الجديدة تقدم طريقة عالمية للتنبؤ بسلوك النظام الفوضوي على المستوى الكمومي.

في الوقت الحالي، يعد هذا البحث نظريًا بحتًا، ولكن سيكون للمعادلة أيضًا تطبيقات عملية. يمكن بالفعل تطبيقها في أي مكان تدخل فيه حالات الفوضى حيز التنفيذ وحيث يجب قياسها وفهمها بدقة ، على سبيل المثال في مجال الأسواق المالية ، وعمل الدماغ البشري ، وكذلك في نظرية الأوتار. .

في حين أننا لم نحل جميع ألغاز الفوضى الكمومية بعد، يجب أن تساعد المعادلة الجديدة العلماء على حساب حالات معينة من الفوضى الكمومية بشكل أكثر بساطة ودقة.

تم اختبار غرابة ميكانيكا الكموم خارج نطاق الجسيمات:

تم اختبار غرابة ميكانيكا الكموم لأول مرة خارج نطاق الجسيمات من قبل مجموعة الفيزياء النانوية الكمومية، كلية الفيزياء، جامعة فيينا بقيادة كريستيان نوبلوش

سمح تباين لتجربة فيزياء الكموم للعلماء بمراقبة سلوك الموجة والجسيم للجزيئات بدقة لأول مرة. تتوافق نتائج التجربة مع ما تتنبأ به النظرية التي تغطي الظواهر الكمومية المعقدة، وكما هو الحال في معظم التجارب الكمومية من هذا النوع، فإن رؤية الآثار المترتبة على مثل هذه النظرية لا تقل عن كونها مثيرة للإعجاب.

تعاون علماء من جامعتي فيينا في النمسا وتل أبيب في إسرائيل لإجراء نسخة مختلفة من تجربة كلينتون دافيسون وليستر جيرمر الكلاسيكية التي يرجع تاريخها إلى عام 1927، والتي أُطلق عليها اسم "تجربة دافيسون جيرمر". في فيزياء الكموم، قدمت هذه التجربة الدليل الذي أكد فرضية العالم الفرنسي دي برولي De Broglie، التي تفترض أن الجسيمات (مثل الإلكترونات) يمكن أن تتصرف أيضًا مثل الموجات (ازدواجية الموجة والجسيمات).

من أجل تجربتهم، قرر العلماء بعد ذلك استبدال الجسيمات الصغيرة (المستخدمة في التجربة الأصلية عام 1927) بجزيئات عضوية أكبر، من أجل اختبار حدود القوانين التي تحكم سلوكهم. يقول الباحث كريستيان براند من مركز فيينا لعلوم وتكنولوجيا الكموم في جامعة فيينا: "هذه الفكرة معروفة منذ أكثر من عشرين عامًا". ويضيف: "لكن الآن فقط لدينا الوسائل التكنولوجية لتجميع كل القطع معًا وإنشاء تجربة يمكنها اختبار الفكرة بجزيئات ضخمة".

من أجل فهم معناها بالكامل، يجب على المرء أن ينظر إلى الربع الأول من القرن العشرين، عندما تصارع العلماء مع ما بدا أنه عالمان مختلفان تمامًا فيما يتعلق بالقوانين الفيزيائية. من ناحية، كان هناك عالم نيوتن، حيث تتصرف التفاحات والنيازك المتساقطة بطرق متشابهة (فقط على مستويات مختلفة).

وعلى الجانب الآخر، كان هناك ألبرت أينشتاين، الذي كان يقترح أن الصيغ التي تم اختراعها لشرح كيفية امتصاص الضوء وانبعاثه، لم تكن فقط طريقة عملية لاستخدام الأرقام: ولكن هذا الضوء تم تكوينه بالفعل من عناصر منفصلة تسمى كوانتا "الكميات".

وبما أن فكرة أن الضوء يتكون في الواقع من هذه العناصر الصغيرة لم تكن كافية، فقد قرر الأمير لويس دي برولي، عالم الفيزياء الفرنسي، أن إحدى الطرق لإثبات صحة أحدث النماذج المتعلقة بالذرات، يمكن وصف الإلكترونات أيضًا بأنها موجات.

في وقت لاحق، وجد فيزيائيون آخرون مشهورون، مثل فيرنر هايزنبرغ وإروين شرودنغر، طرقًا مختلفة للتنبؤ بكيفية تصرف بنية الذرة. بينما تخيل أحدهم الإلكترونات كموجات مستمرة، تخيل الآخر عناصر منفصلة. لكن الشيء الأكثر إثارة للدهشة هو أن النظريتين صمدتا ... لكن كيف يمكن لشيء ما أن يكون موجة وجسيمًا في وقت واحد؟

اعتمد الفيزيائيان الأمريكيان كلينتون دافيسون وليستر جيرمر بعد ذلك على تجربة أقدم، والتي أظهرت أن الضوء كان عبارة عن موجة. أظهرت نسختهم من التجربة أن شعاع الإلكترون الذي يمر عبر زوج من الشقوق المتوازية والمتقاربة يمكن أن ينتج نمط موجة مشابه لنمط الضوء، وبالتالي يدعم فرضية دي برولي De Broglie. في الفيزياء، هذه الفرضية هي التأكيد على أن كل مادة لها موجة مرتبطة بها (مما يؤدي بعد ذلك إلى ازدواجية الموجة والجسيم).

ولكن منذ ذلك الحين، تم إجراء العديد من الاختلافات في تجربة الشق المزدوج، مما يدل على أن الأجسام الصغيرة مثل الإلكترونات والفوتونات، يمكنها بالفعل التصرف مثل الجسيمات والموجات، اعتمادًا على كيفية استخدامنا لها. دعونا نقيس. علاوة على ذلك، هذا ليس فقط للأشياء الصغيرة. في عام 2012، تم تسجيل رقم قياسي جديد، أظهر أن الجزيء (حوالي 800 ذرة في الحجم) له أيضًا خصائص موجية.

لم تحطم هذه التجربة الأخيرة أي سجلات، لكن الباحثين استخدموا أيضًا جسيمات ضخمة (تزن ما يعادل 515 وحدة كتلة ذرية، أو حوالي 42 ذرة كربون). وهو ليس بهذه الصغر حقًا، وبعيدًا عن السهولة في إدارته. كان هدف الباحثين هو وضع قيود على الطبيعة الموجية للعناصر الأكبر، مثل الجزيئات، بنجاح عن طريق تمريرها عبر شقوق متعددة.

سيكون من السهل تخيل هذه الموجات على أنها مجموعات من مجالات القفز صعودا وهبوطا. لكن في الواقع، يمكن تخيل كائن مثل الإلكترون، أو الفوتون، أو الجزيء، أو مجرد شخص كامل، على أنه مزيج من الخصائص المتراكبة، والتي لها حالات مختلفة في نفس الوقت.

احتمالات هذه الحالات، كل منها يصف موقعها وطاقتها في الزمان والمكان، هي ما نسميه الموجات. بالنسبة لأصغر الجسيمات، يمكن استنتاج هذا الاحتمال من القياسات المتعلقة بما يسمى قاعدة بورن، والتي تفسر المعاملات الخطية لمبدأ التراكب.

تتطلب الأنظمة الأكثر تعقيدًا، مثل الجزيئات، امتدادًا أكثر تعقيدًا للصيغة. منذ ما يزيد قليلاً عن 20 عامًا، قرر عالم فيزياء يُدعى رافائيل سوركين أنه لا يحتاج إلا إلى قياسات لمسارين مختلفين (مثل تلك التي يلتقطها الضوء في الشقوق المزدوجة)، بحيث يمكن لبعض امتدادات قاعدة بورن لا يزال يعمل. لا ينبغي أن تحدث إضافة مسار ثالث أو رابع أو حتى مائة فرقًا.

بفضل نتائج هذه التجربة الأخيرة، لدينا تأكيد على أن حد "الطريقتين" ساري المفعول للجسيمات ذات الحجم الجزيئي. يقول الباحث جوزيف كوتر من جامعة فيينا في النمسا: "هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها إجراء اختبار صريح من هذا النوع باستخدام جزيئات ضخمة". لقد تجاوزت التجارب السابقة الحدود باستخدام فوتونات مفردة وأجهزة ميكروويف. من خلال تجربتنا، وضعنا قيودًا على تدخل الأجسام الضخمة عالية المستوى ".

تسلط هذه التجربة مرة أخرى الضوء على غرابة عالم ميكانيكا الكموم، حيث من الممكن أن يكون عنصر ما جسيمًا وموجة في نفس الوقت، وليس هذا ممكنًا فقط للعناصر الصغيرة للغاية.

هل الواقع المادي الفيزيائي للكون دائم أم متغير؟:

لطالما حيرت نهاية الكون علماء الفيزياء والعلماء. ولقد ظهرت العديد من النظريات التي تصف السيناريوهات المحتملة للحوادث الكونية، أو حتى انقراض الشمس.

أفادت دراسة حديثة عن جولة أخيرة من الانفجارات، التي يتبعها وهجها الظلام الكامل، مما تسبب في سقوط الكون في سبات. وتسمى هذه الانحرافات "سوبر نوفا القزم الأسود". تختلف طريقة اختفاء النجوم حسب كتلتها ونوع المادة التي تنتجها. النجوم التي يتجاوز حجمها 10 أضعاف حجم الشمس أو أكثر، تنفجر مثل السوبرنوفا، وينتهي بعضها على شكل ثقوب سوداء.

يتميز انقراض الأصغر منها بتكوين كتلة صغيرة كثيفة تسمى القزم الأبيض، والتي سوف تصبح داكنة وتتحول إلى قشرة مجمدة لتصبح قزمًا أسود. يرجع هذا الاختلاف إلى حقيقة أن النجوم ذات الحجم الصغير لا تنتج مواد ثقيلة عندما تذوب نواتها.

في الواقع، لم يكن للأقزام السوداء أي تأثير في الكون أبدًا، يتكهن الباحثون أنها ستكون بالضبط آخر شيء سيحدث قبل نهاية العالم الكوني، مما يفسح المجال أمام فراغ كامل، حيث درجات الحرارة تدور حول الصفر المطلق.

بحثت الأبحاث في كيفية إطلاق ناسا لضوءها أخيرًا في انفجارات السوبرنوفا. تتشكل الأخيرة أولاً عن طريق الاندماج ثنائي النواة، وهي عملية كمومية تعزز التقارب بين النوى الذرية أكثر من القزم الأبيض. وبالتالي، هناك تكوين للحديد، وهو العنصر الأخير الناتج عن الاندماج. هذه الحشود المعدنية هي أيضًا سبب انهيار المستعرات الأعظم في النجوم الكبيرة.

لتوضيح بطء هذه الظاهرة، أوضح مؤلف الدراسة مات كابلان والفيزيائي في جامعة ولاية إلينوي أن الشمس تندمج 10 ^ 38 بروتونات / ثانية. سيستغرق تحويل القزم الأسود إلى حديد عن طريق الاندماج النووي 10 ^ 1100 و10 ^ 32000 سنة.

نتيجة لهذا الاندماج، سيتم تدمير الجسم الأسود بكتلته، مما يتسبب في دمار مثير للإعجاب وبالتالي تحرير الطبقات الخارجية لما تبقى من غلاف النجم. ومع ذلك، فإن هذا يتعلق فقط بالأقزام السوداء التي تتراوح كتلتها بين 1.16 و1.32 مرة من كتلة الشمس، وهي نفسها مكونة من نجوم معينة، ويبلغ حجمها 6 إلى 10 أضعاف حجم الشمس. أقزام صفراء.

يوضح كابلان أيضًا أن هذه الأجسام تمثل 1٪ فقط من جميع النجوم، لكن التقديرات تشير إلى أن 1 تريليون مستعر أعظم سينفجر قبل نهاية الكون. بالإضافة إلى ذلك، يقول العلماء إن الكتل المظلمة أصغر مما نعرفه في الكون اليوم، لكن هذا لا يمنع حدوث مستعرات أعظم مذهلة بنفس القدر. بعد ذلك، سوف يغرق الفضاء في الظلام الأبدي الجليدي.

يمكن للخيال تغيير تصورنا للواقع حقًا:

الخيال ليس مجرد وسيلة للدماغ لبناء مشاهد أو أصوات أو أماكن خيالية، بل يسمح أيضًا بتقييم مواقف العالم الواقعي مسبقًا باستخدام سيناريوهات تتضمن جميع العناصر وهذا أمر حقيقي أيضا. هذا ما كشفته دراسة حديثة، تظهر أن الخيال يمكن أن يؤثر بشكل مباشر على إدراكنا للواقع.

تكشف دراسة جديدة كيف أن تخيل سيناريو يحدث في مكان محايد عاطفيًا يمكن أن يغير موقفنا تجاه نفس المكان في الواقع.

لفهم هذه الظاهرة، أجرى باحثون في جامعة هارفارد ومعهد ماكس بلانك لطب الأعصاب والعلوم الإدراكية تجربة، أولاً في الولايات المتحدة ثم تكررت في ألمانيا. نُشرت النتائج في مجلة Nature Communications.

طُلب من المشاركين تقديم قائمة بالأشخاص الذين يحبونهم حقًا، والأشخاص الذين لا يحبونهم، وقائمة بالأماكن التي يرون أنها "محايدة". بعد ذلك، استلقوا على ماسح الرنين المغناطيسي الوظيفي، تمت دعوتهم لتخيل مقابلة شخص من قائمتهم المفضلة في أحد مواقعهم المحايدة.

لهذا الغرض، كان 60 شخصًا يخضعون للتصوير بالرنين المغناطيسي، ولكن كان لا بد من التخلص من بيانات 12 منهم بعد أن تمكن اثنان من المتطوعين من النوم بشكل لا يمكن السيطرة عليه، بينما حاول الباقون أن يظلوا ساكنين بدرجة كافية. للحصول على صور دقيقة.

العقل والخيال والعالم الحقيقي:

كشفت فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي أن قدرتنا على تخيل هذه السيناريوهات تتضمن شبكة في دماغنا بما في ذلك قشرة الفص الجبهي البطني (vmPFC) - وهي منطقة مرتبطة بمعالجة المخاطر والخوف واتخاذ القرار والتقييم أو الموقف من الأخلاق.

يقول عالم الأعصاب الإدراكي رولاند بينوا: "نقترح أن تجمع هذه المنطقة تمثيلات بيئتنا من خلال ربط المعلومات من جميع أنحاء الدماغ لتشكيل صورة عالمية".

في الجلسة الأولية، قدم المشاركون أسماء الأشخاص المحبوبين وغير المحبوبين بالإضافة إلى أماكن محددة في بيئتهم اليومية. ثم قاموا بتقييم مدى إعجابهم بالأشخاص والأماكن (قيمة الفهرس) ومدى معرفتهم بكل واحدة. بناءً على المراجعات، تم اختيار أماكن محايدة، وتم دمج كل منها مع شخص محبوب أو غير محبوب. في الجلسة الثانية، تم فحص المشاركين باستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي على ثلاث مراحل. أشار المشاركون، لكل زوج من الأشخاص والموقع، إلى احتمال عقد مثل هذا الاجتماع ومشاعرهم المتوقعة حيال ذلك.

أوضح الباحثون أنه في حين أن vmPFC لا يرمز للكيانات الفردية مثل الأشخاص، فإن أنماط الخصائص الفردية المشفرة تمثل الأفراد أو الأماكن في ذلك الجزء من الدماغ. كانوا قادرين أيضًا على رؤية مواقف المشاركين تجاه أماكنهم المحايدة تتغير وفقًا لمستويات نشاط هذه النماذج العصبية.

"عندما أتخيل ابنتي في المصعد، يصبح تمثيلها وتمثيل المصعد نشطًا في قشرة الفص الجبهي البطني. هذا، بدوره، يمكن أن يربط بين هذه التمثيلات - وبالتالي يمكن نقل القيمة الإيجابية للشخص إلى الموقع المحايد سابقًا، " كما يوضح بينوا.

العالم الحقيقي: يؤثر الخيال أيضًا على إدراكه:

تؤكد حقيقة أن المواقف يمكن نقلها بهذه الطريقة، وأن أجزاء من الدماغ لا تشارك فقط في تخيل مكان في أذهاننا، بل تشفر أيضًا تقييمنا للمكان الحقيقي. وبالتالي، يمكن للخيال، تمامًا مثل الأحداث الحقيقية، أن يؤثر على موقفنا تجاه العالم الحقيقي.

بطبيعة الحال، فإن القدرة على إحداث التغيير من خلال الخيال تنطبق فقط على تصوراتنا والتأثيرات التي يمكن أن تحدثها على علم النفس وعلم وظائف الأعضاء. لا يزال لا يؤثر على تعديل واقعنا المادي الخارجي.

"في دراستنا، أظهرنا كيف يمكن للخيال الإيجابي أن يؤدي إلى تقييم أكثر إيجابية لبيئتنا. أتساءل كيف تؤثر هذه الآلية على الأشخاص الذين يميلون إلى الأفكار السلبية حول مستقبلهم، مثل الأشخاص المصابين بالاكتئاب. هل يؤدي مثل هذا الاجترار إلى تخفيض قيمة الجوانب المحايدة، أو حتى الإيجابيات في الخيال العلمي، من حياتهم؟» كما يختتم بنوا.

 

........................

المصادر: Science Advances، PhysOrg، arXiv.org

المصادر: اتصالات الطبيعة

المصادر: خطابات المراجعة الفيزيائية ، Lund University ، PhysOrg

 

 

 

جواد بشارةإعداد وترجمة د. جواد بشارة

ما هو الحجم الحقيقي للكون المرئي؟

taille univers total

النماذج النظرية، التي تكملها الملاحظات والمشاهدات التي تم إجراؤها في السنوات الأخيرة، تسمح الآن لعلماء الكونيات بتقييد حجم الكون المرصود بأمانة نسبيًا. بعد هذا الحد، يستمر الكون في التوسع، ولكن لا يزال يتعذر الوصول إليه من خلال أدواتنا. على الرغم من هذا المجهول، فمن الممكن، بناءً على استقراء البيانات التي تم جمعت حتى الآن، وضع افتراضات معينة حول حجم الكون المرئي بأكمله.

ظهر الانفجار العظيم منذ حوالي 13.8 مليار سنة. كان الكون حينها كثيفًا وساخنًا للغاية، مكونًا من مادة ومادة مضادة وإشعاع. تحت تأثير التضخم ثم التوسع، انخفضت درجة حرارته بينما زاد حجمه بشكل كبير. اليوم، يبلغ نصف قطر الكون المرئي حوالي 46 مليار سنة ضوئية (أو قطر 92 مليار سنة ضوئية).

يتوافق هذا الحد من الكون المرئي مع الأفق الكوني، أي الحدود التي لم يعد بعدها الكون والأشياء الموجودة مرتبطة سببيًا بنا وبالتالي تبقى إلى الأبد مجهولة من قبلنا. يتعذر الوصول إلى ملاحظاتها ومشاهدتها ورصدها. وعلى هذه المسافة أيضًا يقع آخر مستوى لبث الإشعاع الأحفوري أو الخلفية الميكروية – وهي منطقة الكون التي انبعثت منها فوتونات الخلفية الكونية المنتشرة.

معرفة الكون المرئي: شرط أساسي لاستقراء الكون الكلي المطلق:

Connaître l’Univers observable : un pré-requis à l’extrapolation vers l’Univers global

للتكهن بحجم الكون بأكمله، من الضروري الاعتماد على المعلومات التي تم جمعها داخل الكون المرئي l’Univers observable والتي يمكن ملاحظتها ومشاهدتها ورصدها، ولا سيما فيما يتعلق بتاريخها ودينامياتها. إذا كان الكون الذي نلاحظه اليوم باردًا ومليئًا بالبنى المعقدة، فقد كان في الماضي أكثر سخونة وانتظامًا، ولم يكن لديه الوقت الكافي لتشكيل الهياكل الكونية الكبيرة.

temperature fond diffus cosmologique

رسم بياني من دراسة عام 2011 تُظهر تطور درجة حرارة الخلفية الكونية المنتشرة (CMB) على مدار تاريخ الكون. في الماضي، كان الإشعاع CMB أكثر سخونة.

تحت تأثير التمدد والتوسع l’expansion، يتم شد الطول الموجي للفوتونات (انزياح أحمر)، مما يتوافق مع انخفاض في الطاقة، وبالتالي يؤدي إلى انخفاض تدريجي في درجة حرارة الكون. هذا يعني أن الكون الشاب كان أكثر دفئًا بحلول ذلك الوقت، مع توسع الطول الموجي للفوتون قليلاً جدًا. حقيقة أكدتها ملاحظات بعيدة مختلفة différentes observations distantes. من الممكن قياس درجة الحرارة الحالية للكون المرئي من خلال دراسة الخلفية الكونية المنتشرة المنبعثة بعد 380،000 سنة من الانفجار العظيم. تم العثور على هذه الفوتونات اليوم في تردد الميكروويف للطيف الكهرومغناطيسي. لإظهار خصائص الجسم الأسود، ترتفع درجة حرارته إلى°C 270.425 - درجة مئوية، وهو ما يتوافق بدقة شديدة مع التنبؤات التي تم إجراؤها في إطار نموذج الانفجار العظيم.

evolution taille age univers

رسم بياني يوضح حجم الكون المرئي كدالة لعمره. هناك العديد من الأحداث الهامة المشار إليها.

بالإضافة إلى ذلك، فإن تطور طاقة هذا الإشعاع وفقًا لديناميات الكون معروف. تتناسب طاقة الفوتون عكسيا مع طوله الموجي. عندما كان الكون نصف حجمه الحالي، تضاعفت طاقة الفوتونات المنبعثة بعد الانفجار العظيم. عندما كان الكون 10٪ من حجمه الحالي، تضاعفت طاقة الفوتونات في 10. وعندما كان الكون 0.092٪ من حجمه الحالي، كان أسخن 1089 مرة من اليوم، أو حوالي 2700 درجة مئوية.

rayon univers observable

بعد حوالي 13.8 مليار سنة من الانفجار العظيم، يبلغ نصف قطر الكون المرئي 46 مليار سنة ضوئية. أبعد من ذلك يكمن الكون غير المرئي وربما الأكوان المتعددة الأخرة اللامتناهية العدد.

لتقدير حجم الكون المرئي الذي يمكن ملاحظته، يجب مراعاة ثلاثة معايير: المعدل الحالي لتمدد الكون (تم الحصول عليه عن طريق قياس ثابت بلانك) درجة الحرارة الحالية للكون (تم الحصول عليها من الخلفية الكونية المنتشرة) ؛ تكوين الكون (مادة، مادة مضادة، إشعاع، نيوترينوات، مادة مظلمة، طاقة مظلمة، إلخ).

باستخدام هذه المعلومات، من الممكن تحديد تطور حجم الكون الذي يمكن ملاحظته منذ الانفجار العظيم. بالاقتران مع ملاحظات المستعرات الأعظم les supernovas والتركيبات الكبيرة les grandes structures والتذبذب الصوتي للباريونات l’oscillation acoustique des baryons، يُقدر نصف قطر الكون المرئي بـ 46.1 مليار سنة ضوئية.

الدور الأساسي للتضخم في الحجم الإجمالي للكون:

Le rôle primordial de l’inflation dans la taille totale de l’Univers

لا يمكن أن يستند وضع افتراضات حول الكون بأكمله إلا على النماذج الكونية والقوانين الفيزيائية التي نعرفها في الكون المرئي، ونفترض أن هذه القوانين تنطبق محليًا وشموليًا.

على سبيل المثال، أظهرت أحدث بعثات المراقبة أن الكون مسطح مكانيًا على مسافات كبيرة بهامش خطأ يبلغ 0.4٪ فقط. استنادًا إلى النموذج الكوني القياسي أو المعياري، من الممكن تحديد حجم محدد للكون قبل أن يظهر انحناءًا.

mesure courbure univers

تخبرنا سعة درجة حرارة البقع الساخنة والباردة عن انحناء الكون. تشير أحدث الملاحظات إلى كون مسطح بمقاييس كبيرة. الائتمان:

أظهرت مهمة التلسكوب الفضائي بلانك ومسح سلون الرقمي للسماء le Sloan Digital Sky Survey أنه إذا كان الكون منحنيًا، فإن نصف قطر انحناءه يزيد بمقدار 250 مرة عما نلاحظه. بافتراض عدم وجود شذوذ طوبولوجي، فإن هذا يؤدي إلى قطر للكون بأكمله لا يقل عن 23 تريليون سنة ضوئية، ويحتوي على مساحة أكبر بـ 15 مليون مرة من مساحة الكون المرئي.

شهد الكون فترة تضخم توقفت في النهاية في منطقتنا من الكون. ومع ذلك، تظل العديد من الأسئلة الرئيسية دون إجابة: ما هو الحجم النهائي للكون بعد التضخم؟ هل فرضية التضخم الأبدي صحيحة؟ إلى متى بالضبط يستمر التضخم؟ فقط الإجابات على هذه الأسئلة ستجعل من الممكن تحديد الحجم الكلي للكون بوضوح.

modele inflation eternelle

إذا كان نموذج التضخم الأبدي صحيحًا، فإن العديد من "فقاعات الكون" قد تكونت داخل كون كلي أكبر بما لانهاية.

من الممكن أن الكون كله، بعد التضخم، نما إلى حجم أكبر بقليل من الكون المرئي. لكن من الممكن أيضًا أن يكون حجمه أكبر بشكل غير متناسب. إذا كان نموذج التضخم الأبدي صحيحًا، فإن العديد من مناطق الكون المرئي قد تضخمت وشكلت "فقاعات الأكوان" الموجودة في الزمكان الشمولي الكلي المطلق الذي يمثل الكون ككل.

ولكن ما لم يستمر التضخم لفترة زمنية غير محدودة، أو إذا وُلد الكون نفسه كبيرًا إلى ما لا نهاية، فيجب أن يكون بحجم محدود.

تشير الملاحظات إلى أن الكون كان ذات يوم هولوغرام أي صورة ثلاثية الأبعاد:

Des observations mènent à penser que l’Univers a un jour été un hologramme

hologramme terre prometheus

يمكن أن تشكل هذه الملاحظة أول دليل على أن كوننا كان ذات يوم هولوغرام أو صورة ثلاثية الأبعاد. ظل العلماء يتصارعون مع الأسئلة التالية لعقود من الزمن: هل كان كوننا هولوغرام، أو كان عبارة عن صورة ثلاثية الأبعاد عملاقة؟ عالم تتطلب قوانين الفيزياء فيه بعدين فقط، لتكشف عن ثلاثة أبعاد.

كما يمكنك أن تتخيل، ليس من السهل إثبات هذه الفرضية، لكن علماء الفيزياء يدعون أن لديهم الآن ملاحظات قد تكون قادرة على إثبات أن الكون المبكر يتناسب تمامًا مع هذا التصور أو المنظور البصري نفسه المسمى هولوغرام. أو صورة ثلاثية الأبعاد، تمامًا كما هو الحال مع نموذج Big Bang القياسي أو العياري.

يقول عضو الفريق نيايش أفشوردي Niayesh Afshordi من جامعة واترلو في كندا: "نقترح استخدام هذا الكون الهولوغرامي Univers holographique، وهو نموذج مختلف تمامًا للانفجار العظيم والذي تم قبوله بشكل عام ويعتمد على الجاذبية والتضخم". ويضيف قائلاً: "يقدم كل نموذج من هذه النماذج تنبؤات مميزة يمكننا اختبارها أثناء قيامنا بتنقيح بياناتنا وتحسين فهمنا النظري - على مدار السنوات الخمس المقبلة".

لنكون واضحين: لا يقول الباحثون إننا نعيش حاليًا في صورة ثلاثية الأبعاد " هولوغرام". لكنهم يقترحون أنه خلال المراحل المبكرة جدًا من الكون، بعد بضع مئات الآلاف من السنين من الانفجار العظيم، تم إسقاط كل شيء في ثلاثة أبعاد إنطلاقاً من حد ثنائي الأبعاد.

في وقت مبكر من سنوات التسعينيات، نشر الفيزيائي ليونارد سسكيند Leonard Susskind فكرة أن قوانين الفيزياء كما نفهمها لا تتطلب من الناحية الفنية أو التقنية techniquement ثلاثة أبعاد. منذ ذلك الحين، تناول العديد من الباحثين مسألة الكون، والذي كان هولوغرام أي صورة ثلاثية الأبعاد.

ولكن بعد ذلك، كيف يمكن أن يبدو الكون ثلاثي الأبعاد أو يتحول إلى كون ثلاثي الأبعاد، بينما في الواقع سيكون ثنائي الأبعاد فقط؟ الفكرة الأساسية هي أن حجم الفضاء "مشفر encodé " على الحدود، أو أن يكون أفق الجاذبية أو الأفق الثقالي معتمداً على الراصد أو المراقب، مما يعني أنه مع بُعد واحد أقل (2 بدلاً من 3)، يمكن أن يظهر الفضاء كما نراه، في ثلاثة أبعاد. لذلك، مثل صورة ثلاثية الأبعاد،هولغرام، مُسقطة من شاشة ثنائية الأبعاد، تشير الفرضية إلى أن الأبعاد الثلاثة لكوننا تم إسقاطها من حدود ثنائية الأبعاد.

وتجدر الإشارة إلى أنه منذ عام 1997، تم نشر أكثر من 10000 دراسة تدعم هذه الفكرة. والآن أفاد أفشوردي وفريقه أنه بعد التحقيق في عدم انتظام الخلفية الكونية المنتشرة (الإشعاع الكهرومغناطيسي من الانفجار العظيم، وفقًا للنموذج القياسي المعياري لعلم الكونيات)، تمكنوا من العثور على أدلة قوية تدعم ذلك. شرح أو وصف هولوغرامي للكون المبكر البدائي.

"تخيل أن كل ما تراه وتشمه وتسمعه في ثلاثة أبعاد (وكذلك إدراكك للزمن) ينبع في الواقع من مجال مسطح ثنائي الأبعاد. تشبه الفكرة فكرة الصور المجسمة العادية حيث يتم ترميز الصورة ثلاثية الأبعاد في سطح ثنائي الأبعاد، مثل الصورة المجسمة على بطاقة الائتمان. يقول عضو الفريق كوستاس سكينديريس Kostas Skenderis من جامعة ساوثهامبتون Southampton بإنجلترا "هنا يكون الكون كله مشفر ici, l’univers tout entier est encodé «.

أحد الأسباب التي دفعت الفيزيائيين إلى دراسة مبدأ الهولوغرام هذا هو أن النموذج القياسي أو المعياري للانفجار العظيم، على الرغم من كونه أكثر منطقية ومقبولًا من قبل المجتمع العلمي، به العديد من العيوب الأساسية. في الواقع، وفقًا لسيناريو الانفجار العظيم، تسببت التفاعلات الكيميائية في توسع هائل أدى إلى تكوين كوننا، وتضخم هذا الأخير، منذ المراحل المبكرة، بسرعات لا يمكن تصورها.

بينما يتقبل معظم الفيزيائيين حقيقة التضخم الكوني، لم يتمكن أحد حتى الآن من فهم الآلية الدقيقة لهذا التضخم، ولا فهم الآلية التي تقف وراء حقيقة أن الكون قد نما أسرع من سرعة الضوء (في حجمه). في اللحظات الأولى)، الانتقال من الحجم دون الذري إلى حجم "كرة الجولف" على الفور تقريبًا. لا تتفق النظريات الحالية للنسبية العامة وميكانيكا الكموم عندما نحاول شرح سلوك العناصر الضخمة في الكون، حتى في ذراتها: هذه القوانين الأساسية للفيزياء لا يمكنها تفسير كيف تكشفت مكونات الكون في مثل هذه النقطة الصغيرة" الفرادة".

يوضح أفشوردي: "إنها صورة ثلاثية الأبعاد إنه هولوغرام بمعنى أن هناك وصفًا للكون يعتمد على نظام أبعاد أقل ويتوافق مع كل ما نعرفه عن الانفجار العظيم".

من أجل اختبار كيف يمكن لمبدأ الهولوغرام أن يفسر أحداث الانفجار العظيم وعواقبه، صمم الفريق نموذجًا ببعدين للفضاء وواحد للزمن في عملية محاكاة حاسوبية. عندما أدخلوا بيانات حقيقية من الكون، بما في ذلك ملاحظات الخلفية الكونية المنتشرة، وجدوا أن الاثنين متطابقان تمامًا. أعاد النموذج صياغة سلوك شرائح رقيقة من الخلفية الكونية المنتشرة بدقة، لكنه لم يكن قادرًا على محاكاة صفائح الكون التي يزيد عرضها عن 10 درجات، الأمر الذي يتطلب نموذجًا أكثر تعقيدًا.

اعترف الباحثون بأنهم ما زالوا بعيدين عن إثبات أن كوننا المبكر كان إسقاطًا مجسمًا في أي وقت، لكن حقيقة أن الملاحظات الفعلية يمكن أن تفسر بعض الأجزاء المفقودة من قوانين الفيزياء ثنائية الأبعاد، تعني أننا لا يمكن استبعاد النماذج الثلاثية الأبعاد الهولوغرامية تمامًا.

نتذكر أن النموذج ينطبق على المراحل الأولى من الكون، لذلك هذا لا يعني أننا لا نعيش في هولوغرام صورة ثلاثية الأبعاد. "أود أن أقول إنك لا تعيش في هولوغرام، صورة ثلاثية الأبعاد، ولكن كان من الممكن أن تخرج من هولغرام، صورة ثلاثية الأبعاد. [في عام 2017]، هناك بالتأكيد ثلاثة أبعاد للكون المرئي لا جدال في ذلك "، كما اختتم أفشوردي. والسؤال الآن هو: إذا تبين أن هذا الافتراض صحيح، فكيف انتقلت عناصر الكون من بعدين إلى ثلاثة أبعاد؟ 

 

يقول العلماء إن الأكوان المتعددة قد تعج بالحياة، ولكنها أيضًا تطرح إشكالية:

Selon les scientifiques, le multivers pourrait être grouillant de vie, mais également problématique

totalité univers observable

وفقًا للنظرية السائدة الحالية، إذا كانت كذلك كانت هناك أكوان أخرى، ربما لن تأوي الحياة. ولكن الآن، أظهر فريق دولي من الباحثين أن الأكوان المتعددة أكثر ملاءمة للحياة مما كنا نعتقد سابقًا. إن فرضية الأكوان المتعددة التي يكون فيها كوننا المرئي هو واحد فقط من بين عدد لانهائي من الأكوان الأخرى - هي حل مقترح لشرح على وجه الخصوص لغز ازدواجية الموجة والجسيم، تراكب الحالات الكمومية أو لغز مبدأ الإنسان الأنتروبي principe anthropique.

لا نعرف حقًا ماهية الطاقة السوداء المعتمة (أو الطاقة الداكنة أو المظلمة) l’énergie noire (ou énergie sombre: إنها، من بين أشياء أخرى، الاسم الذي يطلق على "القوة" التي تؤدي إلى توسع الكون، والتي، على عكس كل شيء آخر. التي نلاحظها، تتسارع بمرور الوقت بدلاً من التباطؤ. تشكل الطاقة السوداء أو المظلمة حوالي 70٪ من الكون، وهذه هي المشكلة. في الواقع، تتنبأ النظريات الحالية حول أصل الكون بأنه يجب أن يكون هناك طاقة سوداء أو مظلمة أكثر من ذلك بكثير.

لكن العلماء يتوقعون أيضًا أنه إذا كانت هناك طاقة سوداء أومظلمة أكثر من الكمية الصغيرة التي يمكن استنتاجها حاليًا، فإن الكون سينمو بسرعة بحيث تخفف المادة قبل أن تتمكن حتى من تشكيل النجوم أو الكواكب أو المجرات. مما يعني أننا لن نكون موجودين.

هنا يتدخل الكون المتعدد multivers: تقترح هذه النظرية أن هناك العديد من الأكوان خارج عالمنا، ولكل منها نسبة مختلفة من الطاقة المظلمة. هذا تفسير أنيق للغاية (أو حتى منظم وأنيقاً للغاية وفقًا لبعض العلماء)، ويتضمن تفكيرًا دائريًا raisonnement circulaire، دون أي دليل مبني على الملاحظة والرصد والمراقبة والمشاهدة، ومن المستحيل اختباره تقنيًا.

لكن يمكننا إجراء اختبارات على كوننا المرئي. وهذا بالضبط ما فعله الباحثون: "كان يُعتقد أن الكون المتعدد يفسر القيمة المرصودة للطاقة السوداء أوالمظلمة مثل اليانصيب - لدينا تذكرة رابحة ونعيش في الكون الذي يشكل مجرات جميلة، يقول الباحث لوك بارنز Luke Barnes من جامعة ويسترن سيدني بأستراليا ". "يظهر عملنا أن تذكرتنا تبدو محظوظة بعض الشيء، إذا جاز التعبير. هذه هي مشكلة للكون المتعدد، وما زال هناك لغز ".

بقيادة الفيزيائي جايم سالسيدو Jaime Salcido من جامعة دورهام Durham في المملكة المتحدة، ابتكر الفريق عمليات محاكاة كبيرة ومعقدة للكون عن طريق تعديل كمية الطاقة السوداء أوالمظلمة، بناءً على مشروع أيغل EAGLE (تطور وتجميع المجرات وبيئاتها)، واحدة من أكثر بيئات المحاكاة الواقعية في الكون.

وجد الباحثون أن زيادة (أو تقليل) كمية الطاقة السوداء أوالمظلمة في كوننا، حتى بضع مئات من المرات من الكمية المرصودة، سيكون لها تأثير ضئيل على تكوين النجوم والكواكب. قال سالسيدو: "بالنسبة للعديد من الفيزيائيين، فإن الكمية غير المبررة ولكن الخاصة على ما يبدو من الطاقة السوداء أوالمظلمة في كوننا هي لغز محبط للغاية". "أظهرت عمليات المحاكاة التي أجريناها أنه حتى لو كانت الطاقة السوداء أوالمظلمة موجودة بكميات أكبر بكثير في الكون المرئي، أو إذا كان هناك القليل منها، فلن يكون لها على أي حال سوى تأثير ضئيل على تشكيل النجوم والكواكب، مما يزيد من احتمالية وجود الحياة في جميع أنحاء الكون المتعدد.

يثير هذا أيضًا مشكلة أخرى: إذا لم نكن بحاجة إلى الكون المتعدد لشرح وجودنا، فهل لا تزال هذه نظرية معقولة؟ يعتقد الباحثون أن الإجابة على لغز الطاقة السوداء أوالمظلمة تكمن في شيء لم نكتشفه بعد. قال الفيزيائي ريتشارد باور Richard Bower من جامعة دورهام: "تشكل النجوم في الكون معركة بين جاذبية الثقالة وتنافر الطاقة السوداء أوالمظلمة".

"لقد اكتشفنا من خلال عمليات المحاكاة التي أجريناها أن الأكوان الأخرى التي تحتوي على طاقة سوداء أومظلمة أكثر بكثير مما يحتويه كوننا المرئي يمكن أن تشكل النجوم بشكل جيد للغاية. فلماذا هذه الكمية الضئيلة من الطاقة السوداء أوالمظلمة في كوننا؟ أعتقد أننا يجب أن نبحث عن قانون جديد للفيزياء لشرح هذه الخاصية الغريبة لكوننا المرئي، ونظرية الأكوان المتعددة لا تفعل الكثير لإنقاذ الفيزيائيين من حالة القلق وعدم الارتياح التي تسكنهم ".

السفر عبر الزمن: من الممكن تجنب المفارقات بفضل الجداول الزمنية المتوازية المتعددة

Voyage temporel : il serait possible d’éviter les paradoxes grâce à des multiples lignes temporelles parallèles

histoires paralleles

حلم قديم لكتاب الخيال العلمي داعب عقولهم، السفر عبر الزمن، رغم أنه قد يكون مغريًا، إلا أنه يواجه عقبة رئيسية: ألا وهي وجود المفارقات. على وجه الخصوص، مفارقة الجد. للوهلة الأولى، تبدو تصرفات المسافر عبر الزمن مقيدة للغاية، ناهيك عن أن الرحلة نفسها ستكون محفوفة بالمخاطر وغير عملية أو شبه مستحيلة. لكن قد تكون هناك طريقة للتغلب على هذه المفارقات: وجود قصص موازية على جداول زمنية مختلفة. هذا هو الحل النظري الذي اقترحه اثنان من علماء الفيزياء الكنديين.

تتمثل إحدى طرق تجنب مثل هذه المفارقات في فكرة الأكوان المتفرعة l’idée de ramifier les univers، حيث يكون الكون منقسمًا مع كل حالة من السفر عبر الزمن، وخلق عالمين مختلفين، مما يؤدي إلى عدد لا حصر له من الأكوان ممكنة الوجود في آن واحد. اقتراح آخر: نسخ لا نهائية من الأكوان المتوازية التي تتطور بشكل مختلف بمرور الزمن.

لكن علماء الفيزياء يفضلون تجنب اللانهاية إن أمكن. طور باراك شوشاني Barak Shoshany وجاكوب هاوزر Jacob Hauser، من معهد بيريميتر Perimeter Institute  في كندا، نموذجًا للسفر عبر الزمن يتطلب ببساطة عددًا كبيرًا جدًا، بدلاً من اللانهاية infini، من الجداول الزمنية المتوازية من أجل تجنب المفارقات.

يقترح الثنائي أنه للسفر بين هذه الجداول أو الخطوط الزمنية lignes temporelles، يمكن لأي شخص أن يمر عبر ثقب دودي طويل - بشكل أساسي، فجوة في الزمكان - بطريقة يقولون إنها ممكنة رياضياتاً.

قصص موازية وجداول زمنية متميزة: Histoires parallèles et lignes temporelles distinctes

يقول شوشاني إن إحدى طرق التفكير في الكون هي تخيل أنه عبارة عن مجموعة من النقاط في المكان والزمان، وأن الجدول الزمني أو تاريخ الأحداث سيكون دالة رياضياتة ترتب هذه النقاط. في الحلول المقترحة للأكوان المتفرعة والأكوان المتوازية، نزيد عدد النقاط في الزمكان لإنشاء مجموعات متعددة من النقاط، وبالتالي أكوان مميزة رياضياتاً. لكن شوشاني وهاوزر وضعوا نموذجًا لاحتمال ثالث، "القصص الجانبية الموازية histoires parallèles «.

modeles chronologies

ثلاثة نماذج مختلفة تسمح لك بالحصول على جداول وخطوط زمنية مختلفة.

"نهج أو مقاربة الكون الموازي الذي نقترحه يقول أن هناك أكوانًا متوازية مختلفة حيث الأشياء متشابهة تقريبًا، وكل منها يقع رياضياتاً في مجموعة متنوعة مختلفة من الزمكان. من الممكن التنقل بين هذه الأصناف في رحلة عبر الزمن، " كما يشرح شوشاني.

ثقب دودي للسفر بين جداول أو خطوط زمنية مختلفة: Un trou de ver pour voyager entre les différentes chronologies

يوجد في نفس الكون المرئي، أي مجموعة واحدة من النقاط، هناك عدة كرونولوجيات ممثلة بوظائف رياضياتة تعيد تنظيم هذه النقاط. ببساطة، وعن طريق بناء ثقب دودي والظهور، يتم تغيير الوظيفة ويأخذ الجدول أو الخط الزمني ترتيبًا مختلفًا. لنأخذ مثال أقل تجريدًا: هذا يعني أن أليس 1 (شخصية خيالية) يمكن أن تسافر من Timelineخط زمني الكرونولوجي   1 إلى الخط الزمني الكرونولوجي Timeline 2، حيث ستحاول قتل Bob 2 بتحرير تمساح.

إذا لم يقتله التمساح، يمكن أن يستمر في العيش ويكون لديه أحفاد، ويمكن أن تحاول أليس 2 قتله مرة أخرى. تنتقل بعد ذلك إلى المخطط الزمني 3 وتحاول إسقاط بيانو على بوب 3.

المفتاح هنا هو أن آليس "Alices" لديها القدرة على تغيير أفعالهم وليسوا محبوسين في خطة Alice 1 الفاشلة لمحاولة تحرير تمساح. إذا كانت ستسافر في جدول زمني واحد، فسيتعين عليها تكرار هذا الفعل لأن هذه هي الطريقة الوحيدة للحفاظ على تماسك القصة والقضاء على احتمال وجود مفارقة.

نموذج جذاب ولكنه لا ينطبق على الكون كما هو حاله الآن:

قد يبدو الأمر معقدًا بعض الشيء لتوسيع ساحة اللعب بجداول وخطوط زمنية متعددة، لكن شوشاني وهاوزر حسبا أن هذا السفر عبر الزمن الخالي من التناقضات يمكن تحقيقه بعدد محدود من القصص في الكون. تتكون أليس في النهاية من عدد محدود من الجسيمات التي يمكن أن تكون فقط في عدد محدود - لكن كبير بشكل لا يصدق - من الترتيبات.

هناك عيب واحد كبير في النموذج كما هو: إنه يعمل فقط مع بُعد واحد للفضاء، بدلاً من ثلاثة أبعاد معتادة، كما يقول جيرانت لويس Geraint Lewis من جامعة سيدني. يقول شوشاني إنه يعتزم الآن ترجمة النموذج إلى ثلاثة أبعاد، من أجل تمثيل العالم الحقيقي بشكل أفضل.

 

.............................

المصادر

1: arXiv 2: arXiv 3  : Science، arXiv

4: CERN

Sources : Physical Review Letters

5: Sources: The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (1 & 2) 6: :الإخطارات الشهرية للجمعية الملكية الفلكية (1 و 2).

 

 

جواد بشارةإعداد وترجمة د. جواد بشارة

ماذا لو كان الكون بأكمله عبارة عن شبكة عصبية حاسوبية عملاقة؟

Et si l’Univers tout entier était un gigantesque réseau de neurones informatique ?

théorie univers réseau neuronal

هذا ما يقترحه الفيزيائي وعالم الكونيات فيتالي فانكورين Vitaly Vanchurin، من جامعة مينيسوتا في دولوث l’Université du Minnesota à Duluth، في منشور وضعه على موقع arXiv. تبدو الفكرة مجنونة تمامًا، ومع ذلك، هل يمكننا رفضها بشكل قاطع؟ يعتقد فانكورين أن فرضية الشبكة العصبية يمكن أن تكون الحلقة المفقودة التي تم البحث عنها كثيرًا في التوفيق بين ميكانيكا الكموم والنسبية العامة.

في ميكانيكا الكموم، الزمن شامل ومطلق le temps est universel et absolu، بينما تقول النسبية العامة أن الزمن نسبي، مرتبط بنسيج الزمكان l’espace-temps. ومع ذلك، وفقًا لفانكورين، يمكن أن تظهر ديناميكيات التعلم للشبكة العصبية "سلوكيات تقريبية" موصوفة من قبل كل من ميكانيكا الكموم والنسبية العامة. وهذا يتطلب منا إيجاد تعريف جديد للواقع.

وهكذا، في مقالته، يستكشف الفيزيائي إمكانية أن يكون الكون المرئي بأكمله، في أبسط مستوياته، مجرد شبكة عصبية حاسوبية un réseau neuronal informatique. ويشير إلى أن معادلات ميكانيكا الكموم تصف جيدًا إلى حد ما سلوك الشبكة العصبية المكونة من عدد كبير جدًا من الخلايا العصبية، بسواء بالاقتراب من التوازن أو عند الابتعاد عنها. ومع ذلك، فإن نفس قوانين ميكانيكا الكموم تصف عمل جميع الظواهر الفيزيائية.

من ناحية أخرى، من المقبول أن ميكانيكا الكموم تعمل بشكل جيد على نطاق صغير petite échelle وأن النسبية العامة تعمل بشكل جيد على نطاق واسع وكبير grande échelle، لكن حتى الآن لم نتمكن من التوفيق بين النظريتين في إطار موحد. وهذا ما يسمى "مشكلة الجاذبية أو الثقالة الكمومية la gravité quantique «. من الواضح أن هناك شيئًا ما مفقودًا، ولا سيما الأخذ بالاعتبار وجهة نظر ومشاهدات المراقبين للظاهرة قيد النظر أو المعنية يشار إلى هذا باسم "مشكلة القياس الكمومي le problème de la mesure quantique بناءً على هذه الملاحظة، يعتقد فانكورين أنه لا توجد نظريتان، بل ثلاث نظريات لتوحيدها: ميكانيكا الكموم والنسبية العامة والمراقبين. ومع ذلك، يعتقد جميع الفيزيائيين تقريبًا أن ميكانيكا الكموم هي النموذج الرئيسي le paradigme principal، الذي يجب أن يتدفق منه كل شيء آخر نظريًا (حتى لو لم يكن أحد يعرف بالضبط كيفية إجراء الاتصال). اليوم، يطرح فانكورين إمكانية أخرى: وجود شبكة عصبية مجهرية réseau neuronal microscopique كهيكل أساسي structure fondamentale، ينبثق منها كل شيء آخر - ميكانيكا الكموم والنسبية العامة والمراقبين العيانيين.

كيف توصل الفيزيائي إلى هذه الفرضية؟ في منشور سابق، كان مهتمًا أولاً بكيفية عمل التعلم العميق l’apprentissage profond، من خلال تطبيق أساليب الميكانيكا الإحصائية على سلوك الشبكات العصبية. والحال، فقد تبين أنه ضمن حدود معينة، فإن ديناميكيات التعلم للشبكات العصبية تشبه إلى حد بعيد ديناميكيات الكموم التي لوحظت في الفيزياء. من هناك ظهرت فكرة أن العالم المادي ربما كان مجرد شبكة عصبية واحدة ضخمة.

اختيار طبيعي للبنى العصبية: Une sélection naturelle de structures neuronales

لتأسيس نظريته، اعتمد فانكورين بشكل خاص على نظرية إيفريت la théorie d’Everett (أو نظرية العوالم المتعددة) وعلى تفسير بوم Bohm (المعروف باسم نظرية الكموم مع "المتغيرات الخفية" théorie quantique à «variables cachées، أي أن المعلمات أو الإعدادات الفيزيائية الافتراضية paramètres physiques  لن تكون كذلك. أي لا تؤخذ في الاعتبار من خلال افتراضات ومسلمات ميكانيكا الكم).

في افتراضه أو مسلمته النظرية، اعتبر أن المتغيرات الخفية هي حالات الخلايا العصبية الفردية والمتغيرات القابلة للتدريب (مثل متجه التحيز ومصفوفة الوزن le vecteur de biais et la matrice de poids) لتكون متغيرات كمومية. ومع ذلك، يمكن أن تكون المتغيرات المخفية هنا غير محلية non locales (وهو ما يتعارض مع عدم مساواة أو عدم تكافؤات  بيل des inégalités de Bell): حيث يمكن توصيل كل خلية عصبية بجميع الخلايا العصبية الأخرى، لذلك لا يحتاج النظام إلى أن يكون محليًا.

هل هذه فكرة مجنونة؟ حتى الآن، لم يتم قبول أي من " نظريات كل شيء" التي تم اقتراحها بالفعل لوصف مجموعة من التفاعلات الأساسية الأربعة - الجاذبية والكهرومغناطيسية والتفاعلات النووية الضعيفة والقوية: لم يسمح أي منها لوصف التفاعل بتوافق الجاذبية مع الإطار النظري لفيزياء الجسيمات، والذي يستخدم لوصف التفاعلات الثلاثة الأخرى.

لكن فانكورين يؤكد أنه على عكس النظريات الأخرى على الإطلاق، فإن دحضه يكون أكثر صعوبة: في الواقع، علينا أن نجد ظاهرة فيزيائية لا يمكن تشكيلها modélisé باستخدام شبكة عصبية. قال إنها مهمة صعبة لأننا نعرف القليل جدًا عن سلوك الشبكات العصبية وكيف يعمل التعلم الآلي في الواقع.

وهناك تجربة أخرى تضع موضع تساؤل ومراجعة لمفهوم "الواقع" في ميكانيكا الكموم سنتطرق إليها لاحقاً.

يضيف العالم الفيزيائي فانكورين أيضًا أن نظريته يمكن أن تشرح آلية الانتقاء الطبيعي sélection naturelle على غرار مثيلتها الداروينية في علم البيالوجي. في الواقع، هناك هياكل (أو شبكات فرعية) للشبكة العصبية المجهرية أكثر استقرارًا من غيرها. هذه البنية الدقيقة ستبقى على قيد الحياة مع التطور، بينما سيتم القضاء على الأقل استقرارًا، بغض النظر عن المقياس الذي تم النظر فيه. كل ما نراه من حولنا (جسيمات، ذرات، خلايا، مراقبين، إلخ) سيكون نتيجة الانتقاء الطبيعي.

يظل معظم علماء الفيزياء وخبراء التعلم الآلي متشككين في استنتاجات زملائهم. يعترف فانكورين نفسه بأنه ربما لم يدرك بعد التعقيد الكامل للشبكات العصبية، وأنه "لم يكن لديه الوقت حتى للتفكير في الآثار الفلسفية للنتائج". فيما يتعلق بما إذا كنا نعيش جميعًا في نوع من محاكاة "نمط المصفوفة" كما في ثلاثية أفلام ماتريكس à la Matrix " المصفوفة"، يرد الفيزيائي، "لا، نحن نعيش في شبكة عصبية، لكن قد لا نرى الفرق أبدًا."

ربما تكون CERN المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية، قد أكدت للتو إحدى الفرضيات التي تشرح وجود الكون:

لأول مرة على الإطلاق، لاحظ الفيزيائيون العاملون في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) اختلافات في تحلل الجسيمات والجسيمات المضادة التي تحتوي على لبنة أساسية من المادة: الكوارك الفاتن أو الساحر le quark charm. يمكن أن يساعد هذا الاكتشاف في كشف لغز كبير، يتعلق بوجود المادة. بعبارة أخرى، وبالتالي، يمكنها أيضًا أن تجيب، بمعنى ما، عن سؤال طرحناه على أنفسنا مرة واحدة على الأقل: لماذا يوجد الكون؟

قال شيلدون ستون Sheldon Stone، أستاذ الفيزياء في جامعة سيراكيوز l’Université de Syracuse  (نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية)، وأحد المتعاونين الذين يعملون في مشاريع البحث الجديدة: "هذا حدث تاريخي".

يحتوي كل جسيم من المادة على جسيم مضاد له كتلة متطابقة، ولكن له شحنة كهربائية معاكسة. عندما تلتقي المادة والمادة المضادة، فإنهما يفنيان أو يبيدان بعضهما البعض. وهذه "مشكلة" فيزيائية لم يتم حلها بعد: يجب أن يكون الانفجار العظيم قد خلق كميات مكافئة من المادة والمادة المضادة، وكل هذه الجسيمات يجب أن تدمر نفسها بسرعة، تاركةً فقط طاقة خالصة l’énergie pure. ولكن بدلاً من ذلك، نجا كوارك واحد فقط من كل مليار كواركات (الكواركات هي الجسيمات الأولية التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات) من حادثة الإبادة. وهذا ما سمح بأن توجد المادة، وبالتالي الكون المرئي، ونحن.

لكن هذا يعني أيضًا أن الجسيمات والجسيمات المضادة لا يجب أن تتصرف بنفس الطريقة تمامًا، كما قال ستون لمجلة Live Science. بدلاً من ذلك، يجب أن تتحلل بمعدلات مختلفة قليلاً، مما يسمح باختلال التوازن بين المادة والمادة المضادة. يطلق الفيزيائيون على هذا الاختلاف في السلوك انتهاك تكافؤ الشحنة violation de parité de charge (انتهاك CP). تم تقديم فكرة انتهاك CP في عام 1967 من قبل الفيزيائي الروسي أندريه ساخاروف Andrei Sakharov، الذي اقترحه لشرح سبب بقاء المادة على قيد الحياة من الانفجار العظيم. قال السيد ستون معلقاً على ذلك: "إنه أحد المعايير الضرورية لوجودنا". "لذلك من المهم فهم أصل انتهاك CP."

هناك ستة أنواع من الكواركات (من عدة أنواع تسمى النكهات)، ولكل منها خصائصه الخاصة: الأسفل والأعلى، والغريب والساحر أو الفاتن، ثم الجمال ("القاع" سابقًا) والحقيقة (سابقًا "القمة" ) les quarks down et up (bas et haut), strange et charm, puis beauty (anciennement « bottom ») et truth (anciennement « top »).. في عام 1964، لاحظ الفيزيائيون لأول مرة انتهاك CP في كواركات غريبة. ثم في عام 2001، رأوا ذلك يحدث مع جسيمات تحتوي على كواركات قاع (أو جمال) bottom (ou beauty).. افترض الفيزيائيون منذ فترة طويلة أن هذا هو الحال أيضًا مع الجسيمات التي تحتوي على كواركات ساحرة، لكن لم يتمكن أحد من ملاحظتها. علاوة على ذلك، أدى هذان الاكتشافان إلى الحصول على جوائز نوبل للباحثين المعنيين. ولقد تم رصد بوزونات هيغز بعد تتفككها واضمحلالها إلى كواركات قاعية بوتوم أو جميلة.

ستون هو أحد الباحثين في تجربة Beauty LHC في CERN. المصادم LHC (مصادم الهادرون) وهو عبارة عن حلقة طولها 27 كيلومترًا تقع على الحدود الفرنسية السويسرية، والتي ترسل جسيمات دون ذرية في دائرتها من أجل تصادمها، وبالتالي تخلق دفعات من الطاقة الشديدة التي أعقبت الانفجار الكبير. فعندما تلتقي الجسيمات، فإنها تنقسم إلى أجزاء مكونة لها، والتي تنقسم بعد ذلك (في أجزاء من الثانية) إلى جسيمات أكثر استقرارًا.

LHC accélérateur particules matière noire

أطلس، في LHC (CERN). هذا هو جهاز فعال حلقي لمصادم الهادرونات الكبير، والذي يستخدم مغناطيسًا كهربيًا حلقيًا يسمح للحقل المغناطيسي بالثني داخل نفسه في الهواء.

تتعلق الملاحظات الأخيرة بتوليفات من الكواركات تسمى الميزونات mésons، وبشكل أكثر دقة الميزون D0 الميزون ("d-zero") والميزون المضاد لـ D0. يتكون الميزون D0 من كوارك ساحر وكوارك مضاد (الجسيم المضاد للكوارك العلوي). الميزون المضاد لـ D0 هو مزيج من كوارك مضاد للسحر وكوارك علوي. يتحلل هذان الميزونان بعدة طرق، ولكن ينتهي المطاف بنسبة صغيرة منهما بالتحول إلى ميزونات تسمى كاون kaons أو بيونات pions. قام الباحثون بقياس الاختلاف في معدل الاضمحلال بين الميزونين D0 والميزونات المضادة لـ D0، والتي تضمنت اتخاذ تدابير غير مباشرة للتأكد من أنها لم تكن تقيس الفرق في الإنتاج الأولي للميزونات، أو الاختلافات الناشئة عن جودة معداتهم للكشف عن الجسيمات دون الذرية المختلفة.

تظهر النتائج أن نسب الاضمحلال اختلفت بنسبة عُشر بالمائة. قال ستون: "هذا يعني أن الميزون D0 ومضاد D0 لا يتدهوران بنفس المعدل أو الوتيرة، وهذا ما نسميه انتهاك CP". أعلن الباحثون عن الاكتشاف في بث شبكي لـ CERN، ونشروا وثيقة توضح بالتفصيل النتائج على خادم arXiv قبل النشر (من بين أمور أخرى).

وهذا يجعلها ممتعة. يوضح ستون أن الاختلافات في الانحلال ربما ليست كبيرة بما يكفي لتفسير ما حدث بعد الانفجار العظيم، مما يؤدي إلى وجود الكثير من المادة يفوق المادة المضادة. ولكن حسب قوله، فإن هذه الاختلافات كبيرة بما يكفي لتكون مفاجأة. ويضيف: "حان الآن دور علماء الفيزياء النظرية لجعل هذه البيانات تتحدث".

يعتمد الفيزيائيون على ما يسمى بالنموذج القياسي أو المعياري le modèle standard لشرح كل هذه الظواهر على المقياس دون الذري. السؤال الآن هو ما إذا كانت التنبؤات التي قدمها النموذج القياسي أو المعياري يمكن أن تفسر قياس الكوارك الساحر الذي قام به الفريق للتو، أو ما إذا كان سيتطلب نوعًا من "الفيزياء الجديدة" (والتي قال ستون إنها ستكون النتيجة الأكثر إثارة). قال ستون أيضاً: "إذا كان من الممكن تفسيرها فقط من خلال فيزياء جديدة، فإن هذه الفيزياء الجديدة يمكن أن تحتوي على فكرة من أين جاء انتهاك CP".