هذه بداية مقال أطول.
المحتوى: “
اشترك في نشرة Starts With a Bang
سافر عبر الكون مع الدكتور إيثان سيجل بينما يجيب على أهم الأسئلة على الإطلاق
”
“حسنًا! لقد رأيتُ قطةً بلا ابتسامةٍ غالبًا”، هكذا فكرت أليس، “ولكن ابتسامةً بلا قطة! إنه أغرب شيء رأيتهُ في حياتي.” في خيال لويس كارول، تشكّلت الصورة الشائعة الآن [[LINK24]] لقطة تشيشاير [[LINK24]]: حيث يمكن أن تستمر ابتسامة القطة بشكل مستقل عن القطة نفسها. يبدو هذا وكأنهُ عبثٌ تام، ولكن في عالم الفيزياء، تكون الأفكار التي تبدو غير منطقية أحيانًا هي التفسير الوحيد الذي يناسب ما يقدمه لنا الكون.
لفترة طويلة، فهمنا الموجات على أنها كيانات تنتشر عبر نوع من الوسائط. تتطلب موجات الماء جسمًا من الماء لتنتقل عبره. تتطلب الموجات الزلزالية جسمًا كوكبيًا لتنتقل عبره. تتطلب الموجات الصوتية شيئًا ما (عادةً الهواء، ولكن الصخر والعظم ووسائط أخرى تعمل أيضًا) لتنتقل عبره. إذا أزلتَ الوسيط — لا ماء، لا كوكب، لا هواء أو أي مادة أخرى، إلخ — فلا يمكن أن يكون هناك موجة على الإطلاق.
ظل هذا صحيحًا حتى القرن التاسع عشر، عندما برهن العلماء لأول مرة على الطبيعة الموجية للضوء. وبينما افترض معظمهم وجود وسط ينتقل الضوء خلاله، حتى أنهم أطلقوا عليه اسم الأثير المضيء، إلا أن التجربة تلو الأخرى فشلت في الكشف عن أي وسط على الإطلاق. وعلى الرغم من غرابة الأمر، فإن ما نعتبره “فضاء فارغًا” لا يمتلك الخصائص الأساسية لجميع الوسائط التي تنتقل خلالها الموجات، مما يجعل نسيج الفضاء أشبه بقطة الشيشاير في الكون نفسه.
عندما يتعلق الأمر بكيفية عمل الأمواج، فإن أحد أبسط الأمثلة التي يمكنك تجربتها بنفسك هو إسقاط حجر ببساطة في جسم مائي ساكن، مثل بركة أو بركة ماء. وعندما يصطدم الحجر بالماء، فإنه يدفع الماء لأسفل وبعيدًا. وهذا يؤدي إلى تكوين قمة (أو نقطة عالية) على شكل دائري حول مكان اصطدام الحجر بالماء، تليها قاع (أو نقطة منخفضة) خلفها. وفي أغلب الأحيان، يتم إنتاج سلسلة من القمم والأقاع: وهو ما يفهمه الفيزيائيون على أنه موجة أو نمط موجة. هذه الأمواج هي اضطرابات في الماء نفسه: حيث يعمل الماء كوسط لانتقال هذه الموجة، وتنتشر الموجة بسرعة معينة تعتمد على خصائص الماء نفسه.
ماذا لو، بدلاً من حجر مسقط، أخذت عصا طويلة مستقيمة وأسقطتها في الماء بدلاً من ذلك؟
سيؤدي ذلك إلى إنتاج ما يعرفه الفيزيائيون بموجة مستوية، حيث بدلاً من انبعاث الموجات من نقطة واحدة (وانتشارها بشكل دائري في بعدين على سطح الماء)، فإن هذه الموجات ستنتشر خطيًا: مع انتشار القمم والقيعان بالتوازي مع العصا التي أسقطت نفسها. والجدير بالذكر أن هذا الأمر كان مفهوماً منذ القرن السابع عشر، عندما برهن كريستيان هويغنس على التكافؤ بين عدد كبير من الموجات الدائرية (تخيل استبدال عصاك بألف صخرة صغيرة، كلها مصطفة في صف) وموجة مستوية خطية واحدة. طالما كان لديك وسط يمكن أن تنتشر فيه الاضطرابات غير المنتظمة، فإن الموجات تبدو وكأنها نتيجة حتمية.
على الرغم من وجود العديد من أنواع الموجات التي نواجهها في حياتنا اليومية – مثل الموجات الصوتية، وموجات الماء، والموجات الزلزالية، إلخ – إلا أن هذه كلها أمثلة على نفس فئة الموجات: الموجات المتنقلة، التي تنتشر عبر أو خلال وسط ما، على عكس الموجات الراكدة. تنتقل موجات الماء عبر كتلة الماء نفسها؛ وتنتقل الموجات الزلزالية على كوكبنا عبر الأرض؛ وتنتقل الموجات الصوتية عادةً عبر الهواء. ينشأ الإحساس بالسمع عندما يدفع ذلك الهواء، المليء بالانضغاطات (القمم) والتخلخلات (القيعان) في الكثافة، ضد طبلة أذننا، مما يتسبب في اهتزاز الشعيرات داخل قوقعتنا، وبالتالي تحفيز الأعصاب التي تكشف الصوت.
ربما تعترض على هذا التفسير للموجات، مشيراً إلى أن الموجات الدائمة – مثل الموجات الناتجة عن قرْدِ وتر غيتار – موجودة أيضاً. وهي كذلك بالطبع، ولكن فقط عندما يكون الجسم المُتذبذب (الوتر في هذه الحالة) متيناً بما فيه الكفاية: في حالة وتر الغيتار، يُمسك تحت توتر كافٍ بين نقطتين ثابتتين. يتذبذب الوتر ذهاباً وإياباً، لكن هذه ليست هي الصوت الذي تسمعه. بدلاً من ذلك، فإن تذبذب الوتر يُكبَّر (بواسطة رنين الغيتار الصوتي، أو بواسطة مُلتقطات الغيتار الكهربائي ومكبّر الصوت المُرفق به)، مما يخلق موجاتٍ متنقلة تتحرك عبر الهواء. يجب أن يكون هناك وسط لهذه الموجات المتنقلة لتنتقل من خلاله، وإلا ستتوقف الموجة ببساطة عند وصولها إلى الحد النهائي للوسط نفسه.
هناك تحذير آخر يجب مراعاته فيما يتعلق بهذه الأنواع من الموجات التقليدية – أو الكلاسيكية: الحركة. إذا كنت، أيها الراصد، في حالة حركة بالنسبة للموجة التي تُلاحظها أو تستقبلها، فستمر القمم والقيعان أمامك بمعدل مختلف عما لو كنت ثابتًا: بتردد أعلى (أكثر تكرارًا) إذا كنت تتحرك نحو الموجة، وبتردد أقل (أقل تكرارًا) إذا كنت تتحرك بعيدًا عن الموجة. وإذا استطعت أن تتحرك بسرعة الموجة نفسها أو أسرع منها، فمن الممكن حينها تجاوز الموجة تمامًا: فإذا ابتعدت عن الموجة بسرعة أكبر من سرعة الموجة نفسها عبر الوسط، فلن تلحق بك أبدًا.
وبالمثل، إذا كان الوسط نفسه متحركًا، فإنه سيغيّر أيضًا تردد الموجات التي تراها. يمكننا العودة إلى مثال إسقاط الحجر في الماء، إلا أنه هذه المرة، بدلاً من بركة أو مستنقع، تخيّل أن الماء به تيار، مثل نهر جارٍ. الآن، لا تزال التموجات تنتشر بشكل دائري للخارج عبر الماء، لكن الماء في حالة حركة. إذا كنت تطفو على الماء وتتحرك أيضًا مع التيار، فستمر التموجات بك تمامًا كما فعلت في المثال الثابت السابق: لأنك أيضًا في حالة حركة مع الوسط نفسه. ومع ذلك، إذا كنت على الشاطئ، أو إذا كنت على صخرة مثبتة بإحكام تبرز فوق السطح، فسترى تأثير الحركتين – الموجات المتذبذبة بالإضافة إلى تيار الماء – مطبوعًا على الموجات أثناء مرورها بك. تتطلب الموجات وجود وسط، وتؤثر خصائص الوسط، بما في ذلك حركته، على ملاحظاتنا لها.
ثمّ وصلَتْ أوّلُ مُعْضِلَةٍ كُبرى: النُّورُ. فَقَدْ تَناقَشَ العُلَماءُ مُنذُ بِدايةِ القرنِ السَّابِعَ عَشَرَ في طَبِيعَةِ النُّورِ: حَيثُ أَيَّدَ هُوْيْغِنْسُ طَبِيعَتَهُ الْمَوْجِيَّةَ، وَأَمَّا نْيُوتِنُ فَقَدْ دَفَعَ بِطَبِيعَتِهِ الْجُسَيْمِيَّةِ (أيْ شَبِيهَةِ الْجُسَيْمات). ولمْ يُثْبَتْ طَبِيعَةُ النُّورِ الْمَوْجِيَّةَ إلاَّ بَعْدَ أَنْ بَدَأَتِ التَّجَارِبُ عَلَى النُّورِ [[LINK30]] تَكْشِفُ عَنْ ظَواهِرَ كَالتَّداخُلِ وَالانْعِطَافِ [[LINK30]]، وهي ظَواهِرُ لَا تَوْجَدُ لَوْ كَانَ النُّورُ جُسَيْمِيّاً بِمُجَرَّدِهِ.
جاءت أول قطعة دليل رئيسية من توماس يونج، الذي أجرى أول تجربة مسجلة لشق مزدوج مع الضوء. من خلال أخذ موجات ضوء بتردد ثابت وتسليطها على حاجز به شقان ضيقان متباعدان، تمكن يونج من إظهار أنه بدلاً من ظهور خطين ساطعين “خطين” على الجانب الآخر من الحاجز – وهو ما تتوقعه إذا كان الضوء جسيمياً، مع كل خط يتوافق مع الضوء الذي يسافر في خط مستقيم من خلال شق أو آخر – أنتج هذا الضوء عدداً كبيراً من الأهداب المضيئة والداكنة المتعاقبة.
كان هذا دليلاً واضحاً على نمط تداخل، كما أظهر هويجنز لموجات الماء الناتجة عن إسقاط الحجارة في بركة. هذا لن يعمل إلا إذا كان الضوء موجة، لكنه لم يكن كافياً لإقناع الجميع.
ثم، في عام 1818، أقامت الأكاديمية الفرنسية للعلوم مسابقة مقالات حول طبيعة الضوء، حيث قرر فيزيائي شاب يدعى فريسنل المشاركة. وقد فصّلت مقالته نظرية الموجات الضوئية، مستخدمًا مبدأ هويغنز للأمامات الموجية ومبدأ يونغ للتداخل لإنتاج وصف كمي كامل للضوء، موضحًا حيود الضوء ومبدأ تراكب الموجات في هذه العملية.
وقد كان أحد الحكام هو سيميون بواسون، وهو مناصر شرس للعالم النيوتوني، والذي استخدم نظرية فريسنل لإظهار أنها تؤدي إلى استنتاجات سخيفة. على وجه الخصوص، أظهر بواسون أنه إذا مررت شعاعًا من الضوء أحادي اللون حول عقبة كروية، فلن تحصل على حلقة مضيئة بظل دائري صلب بداخلها، بل ستكون هناك نقطة مضيئة، ساطعة في مركز الظل مباشرةً. وادعى بواسون بوضوح أن هذا أمر سخيف، وينبغي رفض نظرية فريسنل الموجية للضوء.
لحسن الحظ لنا جميعًا، كان فرانسوا أراغو أيضًا عضوًا في لجنة التحكيم، وقد تأثر بحجة بواسون، ولكن ليس كما قصد بواسون. فبدلاً من رفض فريسنل، قام أراغو بإجراء التجربة بنفسه باستخدام الأدوات المتاحة في ذلك الوقت. ومما يثير الدهشة، أن هذه البقعة، المعروفة الآن باسم بقعة أراغو، تظهر بالفعل وتوجد! فالضوء موجة، في النهاية.
إذن، ما هي الوسط الذي سافر عبره الضوء؟ على الرغم من أننا لم نكتشفه، إلا أن معظم العلماء كانوا يعلمون أنه يجب أن يكون موجودًا، حتى أنهم ابتكروا اسمًا له: الأثير المضيء، وهو وسط ينتشر فيه الضوء. وبحلول سبعينيات القرن التاسع عشر، أظهرت معادلات ماكسويل نوع الموجة الضوئية: إنها موجة كهرومغناطيسية، ذات مجالات كهربائية ومغناطيسية متذبذبة ومتزامنة في الطور. وإذا كان الضوء عبارة عن موجة تنتقل عبر الأثير المضيء، فإن سرعة الضوء هائلة (حوالي 300,000 كم/ثانية)، إلا أن حركة الأرض حول الشمس (بحوالي 30 كم/ثانية) تمثل جزءًا كبيرًا منها: حوالي 0.01٪.
إذا كان الضوء يسافر عبر وسط، وكانت الأرض في حالة حركة، فيجب أن نكون قادرين على اكتشاف تلك الحركة بتجربة دقيقة بما فيه الكفاية. هذا هو ما قامت به تجارب ميكلسون مورلي تحديدًا في ثمانينيات القرن التاسع عشر: نفس التجربة التي فكرنا بها مع تموجات الماء التي تُنشأ في نهر، ولكن مع الضوء والأرض المتحركة بدلاً من الماء والنهر الجاري.
ومن المثير للدهشة، أن التجارب لم تجد أي دليل على هذا الوسط – أو أي وسط – على الإطلاق. لم يسافر الضوء أبطأ أو أسرع سواء كان يتحرك مع، أو ضد، أو عموديًا على الأرض؛ فقد سافر بنفس السرعة (سرعة الضوء) بغض النظر عن التجربة التي أجريت.
ماذا يعني هذا؟ لم يكن ذلك حتى جاء آينشتاين في عام 1905، حينها حصل الفيزياء على لحظتها الكلاسيكية “ليندسي لوهان من فيلم الفتيات الشريرة“، إلا أنه وبدلاً من “الحد غير موجود”، كانت رؤية آينشتاين العظيمة هي الأخذ في الاعتبار إمكانية تشبيه قطّة الشيشاير، ألا وهي أن الوسط غير موجود! هذه كانت الرؤية العظيمة للنسبية الخاصة: أن الضوء لا ينتقل عبر وسط مثل الموجات الأخرى، حيث إن حركة الوسط (أو حركة الراصد بالنسبة لموجة الضوء) ستغير سرعة الموجة. وبدلاً من ذلك، كانت سرعة الضوء نفسها هي الخاصية الثابتة، التي لا تتغير، والكونية، وبينما قد يرى الراصد المتحرك قمم الموجة الضوئية وقيعانها تمر عليه بتردد أكبر أو أقل اعتمادًا على حركته، إلا أن سرعة الضوء نفسها لم تتغير أبدًا.
بعد عشر سنوات، في عام 1915، أدمج أينشتاين الجاذبية في نظرية النسبية: مما أدى إلى نشوء النسبية العامة. وبالمثل، كما أن الضوء موجة في المجال الكهرومغناطيسي – على الرغم من أن المجال نفسه يمكن أن يكون له أي قيمة، بما في ذلك الصفر، وعلى الرغم من عدم وجود وسط ضروري لسفره – يمكن أن يكون للمجال الجاذبي موجات فيه أيضًا: موجات الجاذبية. ومرة أخرى، عندما تنتشر موجات الجاذبية، يمكنها أن تفعل ذلك:
- من خلال أي مجال جاذبية،
- بما في ذلك في الأماكن التي يكون فيها المجال الجاذبي صفراً،
- وتتحرك دائمًا بنفس السرعة – سرعة الجاذبية – بغض النظر عن حركة المصدر أو الراصد.
كما هو الحال مع الضوء، لا يوجد دليل على وجود وسط يظهر في أي تجربة أو ملاحظة، على الرغم من أننا اكتشفنا الآن مئات من موجات الجاذبية مباشرة.
هنا في القرن الحادي والعشرين، تعتمد أفضل صورة لدينا للكون على الحقول الكمية. بالإضافة إلى المجال الجاذبي (الذي ثبت حتى الآن أن وصفه الكمي أمرٌ بعيد المنال) والمجال الكهرومغناطيسي، يوجد أيضًا المجال النووي الضعيف، والمجال النووي القوي، ومجال هيغز، وكلها يبدو أنها تمتلك هذه الخاصية نفسها الشبيهة بقطة الشيشاير: مجال بدون وسط، تمامًا كما تُظهر قطة الشيشاير ابتسامة بدون قطة. ومن المثير للاهتمام أن آينشتاين – الذي قدم لنا أولاً هذه القطة الشيشاير للضوء، سواء أعجبنا ذلك أم لم يعجبنا – قد كرهها. فبعد طرحه لنظرية النسبية العامة، بدأ آينشتاين في النظر إلى الزمكان نفسه على أنه نسيج، أو بعبارات أخرى، كوسط.
هل كان محقًا؟
لا نزالُ نجهلُ ذلكَ. إنَّ الفراغَ (أو الزمكانَ) حقيقيٌّ بالتأكيدُ بمعنى أنَّهُ موجودٌ؛ فهو المكانُ الذي تعيشُ فيهِ جميعُ الأشياءِ في الكونِ! ونحنُ متأكدونَ من أنَّ وسيطًا ليسَ ضروريًا، وإذا كانَ الفضاءُ نفسهُ مثلَ هذا الوسيطِ، فإنهُ لا يمتلكُ أيًّا من الخصائصِ التقليديةِ التي نربطُها بأيِّ وسيطٍ آخرَ معروفٍ. تسيرُ جميعُ الموجاتِ عديمةِ الكتلةِ – موجاتُ الضوءِ، وموجاتُ الجاذبيةِ، وحتى موجاتُ الغلوونِ – بنفسِ السرعةِ، كما أنَّ سرعةَ الضوءِ وسرعةَ الجاذبيةِ متساويتانِ، ولكنْ ما إذا كانَ هذا تلميحًا لوجودِ وسيطٍ كامنٍ أمْ مجردَ حقيقةٍ من حقائقِ الواقعِ يظلُّ غيرَ مُحدَّدٍ.
إلّا أنّ هناك تلميحًا كبيرًا ضدّ فكرة وجود وسط أساسي لانتشار هذه الموجات، ألا وهو: محاولات توحيد الحقول والقوى. ففي أوائل عشرينيات القرن العشرين، حاول ثيودور كالوزا وأوسكار كلاين توحيد الجاذبية والكهرومغناطيسية بإضافة بعد مكاني إضافي. وإذا بنا نجد: أن نسبية أينشتاين العامة ومعادلات ماكسويل الكهرومغناطيسية تظهر كلاهما! لكنهما كانا مرتبطين بحقل جديد: الراديون. ولكن لم يتم إثبات أي من الخصائص المتوقعة للراديون تجريبياً أو رصديًا؛ بل يجب إزالة كل هذه الخصائص بطريقة ما من أجل استعادة الكون الذي نراه.
تعاني النظريات الفيزيائية النظرية الأخرى – جاذبية برانس-ديكه، ونظريات التوحيد الكبير، والتناظر الفائق، والأبعاد الإضافية، ونظرية الأوتار – من نفس المشكلة. وعلى الرغم من جاذبية فكرة وجود وسط تنتقل خلاله الموجات، إلا أن الأدلة على ذلك لا توجد فحسب، بل إن الأدلة التي جمعناها تحد بشدة جميع هذه السيناريوهات. لا توجد جسيمات قياسية في الجاذبية؛ لا يوجد تحلل للبروتونات؛ يوجد بوزون هيغز واحد فقط؛ لا توجد بقايا لأبعاد إضافية؛ ولا يوجد “تسرب” للظواهر الكهرومغناطيسية إلى الجاذبية.
لا يزال من الممكن أن يكون هناك وسط، أو نوع ما من الأثير غير المعروف، الذي يمثل أساس الواقع بالفعل، ولكن إذا كان الأمر كذلك، فلا يوجد لدينا دليل على ذلك. تخبرنا الطبيعة أن لدينا موجات تنتشر في كوننا دون الحاجة إلى وسط على الإطلاق: القط الشيشاير الأكثر غموضًا الذي واجهناه على الإطلاق.
هذا القسم الأخير من مقال أطول. يُقرّ إيثان سيجل في هذا القسم بفضل الكتاب الرائع أمواج في بحر مستحيل، بقلم مات ستراسير، للفكرة القائلة بأن “الحقل بدون وسط” يشبه قطّة تشيشاير.
اشترك في نشرة Starts With a Bang
سافر عبر الكون مع الدكتور إيثان سيجل بينما يجيب على أهم الأسئلة على الإطلاق
المصدر: المصدر