هل مازالت النظرية مقبولة؟
من أول الأمور التي يقوم بها العلماء النظريون المتميزون عندما يطرحون نظرية جديدة هو محاولة نقض هذه النظرية، وذلك بالبحث عن تناقض بينها وبين نتائج تجريبية معلومة. تغيِّر نظريةُ الأبعاد الإضافية الكبيرة قوة الثقالة عند المسافات العيانية (الماكروسكوبية)(8) macroscopic، وتعدِّل بقية الفيزياء عند الطاقات العالية؛ وبالتالي لا بد أن يكون وأد هذه النظرية سهلاً. ومع ذلك، فما يثير العجب أن هذه النظرية، على الرغم من ابتعادها المفرط عن الصورة التي تعوّدناها للكون، لا تتعارض مع أية نتيجة تجريبية معروفة. وتوضح نماذج من الاختبارات التي أجريت مدى الدهشة والاستغراب اللذين توجبهما هذه النتيجة.
مبدئيًّا، قد يقلقنا أن نعلم أن تغيّر قوة الثقالة يمكن أن يؤثر في أجرام سماوية، متماسكة بفعل هذه القوة، مثل النجوم والمجرات. لكن شيئًا من هذا لا يحدث؛ فالثقالة تتغير فقط عند مسافات أصغر من ملّيمتر، في حين تقوم الثقالة ـ في حالة نجم مثلاً ـ عبر آلاف الكيلومترات بتجميع أجزاء النجم المتباعدة معًا. وبعبارة أعم، مع أن الأبعاد الإضافية تقوّي الثقالة عند المسافات القصيرة بدرجة أسرع كثيرًا من المألوف، فإنها تساير شدة القوى الأخرى بالقرب من 19-10 متر، وتظل ضعيفة للغاية مقارنة بهذه القوى عند المسافات الأكبر.
والمسألة التي تثير قلقًا أشد تتعلق بالگراڤيتونات، وهي الجسيمات الافتراضية التي تنقل قوة الثقالة وفق نظرية كمومية. ففي النظرية التي تتضمن أبعادًا إضافية، تتفاعل الگراڤيتونات مع المادة بشدة أكبر كثيرًا (وهذا يكافئ القول بأن الثقالة تكون أشد عند المسافات القصيرة)، وبالتالي لا بد أن يزداد عدد ما يتولد منها زيادة كبيرة نتيجة تصادمات الجسيمات ذات الطاقة العالية. أضف إلى هذا أنها تنتشر في جميع الاتجاهات، فتطرح طاقة من الجدار أو الغشاء، أي من الكون الذي نعيش فيه.
عندما ينهار نجم ثم ينفجر على هيئة مستعرٍ أعظمي، يمكن على الفور للحرارة العالية أن تؤدي إلى تبخر الگراڤيتونات بالغليان لتنتقل إلى أبعاد إضافية [انظر الشكل العلوي في الصفحة 66]. ولكننا نعلم من أرصاد المستعر الأعظمي الشهير A 1987 أن انفجار مستعر أعظمي يبث معظم طاقته على هيئة نيوترينوهات neutrinos، مما لا يكاد يترك مجالاً لأي تسرب للطاقة عن طريق الگراڤيتونات. وعلى ذلك، فإن فهمنا للمستعرات الأعظمية يضع حدًّا لمدى شدة اقتران الگراڤيتونات بالمادة. وكان من الممكن أن يقضي هذا القيد constraint على فكرة الأبعاد الإضافية الكبيرة، ولكن الحسابات المسهبة توضح أن النظرية باقية ومستمرة. إن أقصى القيود شدة يحدِّد بعدين إضافيين فقط، وفي هذه الحالة تبرِّد الگراڤيتونات المستعرات الأعظمية أكثر من اللازم إذا انخفض سلم پلانك الأساسي إلى ما دون 50 TeV تقريبًا. ويمكن أن ينخفض هذا السلم إلى مجرد عدد قليل من الTeV من دون أن يؤدي إلى انمحاق المستعر الأعظمي إذا بلغ عدد الأبعاد الإضافية ثلاثة أو أكثر.
قد توجد الأكوان المتوازية، جنبًا إلى جنب مع كوننا، على أغشيتها الخاصة التي تقع على مسافة أقل من المليمتر من غشاء كوننا. وقد تكوِّن مثل هذه الأكوان المتوازية صفائح متباينة من كوننا مطوية على نفسها. ويمكن تفسير ما يسمى بالمادة الخفية عن طريق النجوم والمجرات العادية التي تحتل الصفائح المجاورة: ويمكن أن تصل إلينا ثقالة هذه النجوم والمجرات (اللون الأحمر) بأخذ مسار مختصر عبر الأبعاد الإضافية، إلا أننا لا نتمكن من رؤيتها لأن الضوء (اللون الأصفر) يحتاج إلى بلايين السنين الضوئية ليقطع المسافة ذهابًا إلى الطيات والعودة منها.
قام الباحثون النظريون بدراسة كثير من القيود الممكنة الأخرى القائمة على تغيرات غير مقبولة في نظم تراوح بين الصورة الناجحة للانفجار الأعظم للكون الفتي، وتصادمات الأشعة الكونية ذات الطاقة العالية جدا. وقد نجحت النظرية في جميع هذه الاختبارات التجريبية، التي وُجد أنها أقل صرامة من قيد المستعرات الأعظمية. ومما قد يثير الدهشة أن صرامة القيود كانت تقل كلما زاد عدد الأبعاد المضافة إلى النظرية. وقد رأينا ذلك منذ البداية: استبعدت حالة البعد الإضافي الواحد فورًا؛ لأن الثقالة ستتغير في هذه الحالة عند مسافات تقارب مسافات المنظومة الشمسية. وهذا يوضح لماذا يكون الأمر أكثر أمانًا كلما زاد عدد الأبعاد؛ يبدأ التزايد المفاجئ في الثقالة عند المسافات الأقصر، وبالتالي يقل تأثيره في السيرورات التي مسافاتها أكبر.
إجابات بحلول عام 2010
تحل النظريةُ المسألةَ التراتبية وذلك بجعل الثقالة قوةً شديدةً بالقرب من طاقات TeV، وهو بالضبط سُلَّم الطاقة الذي ستجري مستقبلاً دراسته باستخدام مسرّعات الجسيمات. ومن ثم لا بد أن تكشف التجاربُ التي ينتظر أن تبدأ عام 2005 في مصادم الهدرونات الكبير(9) (LHC)، عن طبيعة قوة الثقالة الكمومية! فمثلاً، إذا كانت نظرية الأوتار هي الوصف الصحيح للثقالة الكمومية، فإن الجسيمات ستماثل عرى دقيقة من الوتر يمكنها الاهتزاز كوتر الكمان. وتقابل الجسيمات الأساسية المعروفة وترًا لا يهتز كثيرًا مثل وتر كمان لا يعزف عليه. فكل "نغمة موسيقية" مختلفة يولدها اهتزاز وتر تظهر كجسيم غريب جديد مختلف. وتقضي النظريات المعهودة للأوتار، بألا يتجاوز قياس الوتر 35-10 متر، وأن تكون كتل الجسيمات الجديدة من رتبة طاقة پلانك التقليدية ـ و"موسيقى" مثل هذه الأوتار ستكون ذات طبقات نغم عالية يتعذر علينا "سماعها" عند مصادمات الجسيمات. إلا أنه بفضل الأبعاد الكبيرة الإضافية، تكون الأوتار أطول بكثير وتقترب من 19-10 متر، وسوف تظهر الجسيمات الجديدة عند سويات الطاقة TeV ـ وهي سوية منخفضة بدرجة تكفي للسماع عند مصادم الهدرونات الكبير (LHC).
يتولد المستعر الأعظمي نتيجة حدوث موجة صدم انفجارية ناشئة عن انهيار نجم هائل الكتلة. يصدر معظم الطاقة على هيئة نيوترينوهات (اللون الأزرق). وإذا وُجِدت الأبعاد الإضافية، فإن الگراڤيتونات (اللون الأحمر) تحمل طاقة أكثر من تلك التي تحملها في حالة الأبعاد الثلاثة. يقيِّد العلماء النظريون خواص الأبعاد الإضافية بألا يؤدي تسرب الطاقة بالگراڤيتونات إلى انمحاق المستعرات الأعظمية.
وبالمثل، فإن الطاقات التي يتطلبها توليد ثقوب سوداء ميكروية نتيجة لتصادمات الجسيمات قد تكون في المدى التجريبي [انظر الشكل السفلي في هذه الصفحة]. إن ثقوبًا كهذه، يناهز قياسها 19-10 متر، هي أصغر من أن تتسبب في أي مشكلات ـ وستصدر طاقة تسمى إشعاع هوكينگ Hawking radiation وتتبخر بعد أقل من 27-10 ثانية. وبرصد هذه الظواهر يمكن للفيزيائيين سبر أغوار فيزياء الثقوب السوداء الكمومية مباشرة.
وحتى عند مستويات الطاقة التي هي أخفض من المستوى الذي يسمح بإنتاج الأوتار المهتزة أو الثقوب السوداء، فإن تصادمات الجسيمات سوف تنتج أعدادًا كبيرة من الگراڤيتونات، وهذه سيرورة مهملة لا يعتدّ بها في النظريات المعهودة. لم تتمكن التجارب من كشف الگراڤيتونات المنبعثة مباشرة، ولكن الطاقة التي تحملها الگراڤيتونات ستظهر على شكل طاقة مفقودة من الحطام الناجم عن التصادمات. تتنبأ النظرية بخواص محددة للطاقة المفقودة ـ كالنسبة بينها وبين طاقة الاصطدامات ـ وبالتالي يمكن تمييز الدليل على إنتاج الگرڤيتونات من السيرورات الأخرى التي يمكن وفقها نقل الطاقة في جسيمات غير مرئية. إن البيانات الحالية التي يُحْصل عليها من أعلى المسرّعات طاقة تضع الآن بالفعل قيودًا خفيفة على سيناريو الأبعاد الكبيرة. فتجارب مصادم الهدرونات الكبير، إما أن تقدم الدليل على وجود الگرڤيتونات أو تبدأ باستبعاد النظرية نتيجة لغيابها.
يمكن أن تنشأ ثقوب سوداء ميكروية عن مسرّعات جسيمات مثل مصادم الهدرونات الكبير الذي يحطم البروتونات عن طريق تصادم بعضها ببعض عند الطاقات العالية (اللون الأصفر). تتبخر الثقوب السوداء الميكروية بسرعة عن طريق بثها إشعاع هوكينگ من جسيمات النموذج المعياري (اللون الأزرق) والگرڤيتونات (اللون الأحمر).
يمكن أيضًا تقديم الدليل على صحة النظرية عن طريق تجربة مختلفة تمامًا، وربما يتم ذلك قبل تشغيل مصادمات الجسيمات. فلنتذكر أنه في حالة بعدين إضافيين، يجب أن يصل قياس كل منهما إلى مليمتر لكي يمكن حل المسألة التراتبية. وعندئذ قد تكشف قياسات الثقالة تحولاً عن قانون التربيع العكسي في الثقالة لنيوتن إلى قانون عكسي للقوة الرابعة. إن توسيعات الإطار النظري الأساسي تؤدي إلى عدد كبير من الحيودات المحتملة عن الثقالة النيوتونية، وأكثر هذه إثارة للاهتمام هو ظهور قوى طاردة أقوى من الثقالة مليون مرة، بين كتلتين تفصل إحداهما عن الأخرى مسافة أقل من المليمتر. وتجرى حاليًا تجارب مختبرية تستخدم مكاشيف شديدة الحساسية لاختبار قانون نيوتن ضمن مجال من سنتيمتر واحد نزولاً إلى بضع عشرات من الميكرونات [انظر الشكل في الصفحة المقابلة].
ولسبر قوة الثقالة عند مسافات دون المليمتر، من الضروري استعمال أجسام لا تزيد أبعادها كثيرًا على المليمتر؛ وبالتالي فكتلها صغيرة جدًّا. وينبغي توخي الدقة في عزل تأثيرات عديدة مثل القوى الكهراكدة المتبقية والتي قد تخفي أو تشوب الجذب التثاقلي الضعيف. إن تجارب كهذه صعبة ودقيقة، ولكنها مثيرة لأنها قد تكشف عن فيزياء جديدة تمامًا. ففضلاً عن البحث عن الأبعاد الإضافية، من المهم توسيع معرفتنا المباشرة عن الثقالة إلى هذه المسافات القصيرة. هذا ويقوم ثلاثة من الباحثين حاليًا بإجراء تجارب كهذه، وهم: < C.J. پرايس> [من جامعة كولورادو] و<A. كاپتولنيك> [من جامعة ستانفورد] و< G.E.أدلبرگر> [من جامعة واشنطن].
إن فكرة الأبعاد الإضافية تعد امتدادًا لتراث كوبرنيكوس في فهم مكاننا في العالم: فالأرض ليست مركز النظام الشمسي، والشمس ليست مركز مجرتنا، ومجرتنا ليست إلا واحدة من بلايين المجرات في كون لا مركز له. وقد يكون كوننا الثلاثي الأبعاد اليوم برمَّته مجرد غشاء رقيق في الفضاء الكامل الأبعاد. وإذا نظرنا في شرائح الأبعاد الإضافية، وجدنا أن كوننا يشغل نقطة واحدة متناهية في الصغر في كل شريحة، محاطًا بالخواء.
ربما لا تكون هذه هي القصة الكاملة؛ فكما أن درب التبانة ليست المجرة الوحيدة في الكون، هل من الممكن ألا يكون كوننا هو الوحيد في الأبعاد الإضافية؟ إن أغشية الأكوان الأخرى الثلاثية الأبعاد يمكن أن توازي غشاء كوننا، ولا يفصلها عنا إلا مليمتر واحد في الأبعاد الإضافية [انظر الشكل في الصفحة 65]. وبالمثل، فعلى الرغم من أن جميع جسيمات النموذج المعياري يجب أن تلتصق بالغشاء الذي هو كوننا، فقد تنتشر جسيمات أخرى من خارج النموذج المعياري، إضافة إلى الگرڤيتون، في أنحاء الأبعاد الإضافية. هذا وإن الأبعاد الإضافية هي أبعد من أن تكون فارغة وقد تمتلك بُنى متعددة تثير الاهتمام.
قد توفِّر آثارُ وجود جسيمات وأكوانٍ جديدة في الأبعاد الإضافية إجابات لألغاز محيرة كثيرة في فيزياء الجسيمات وفي الكوسمولوجيا (علم الكون). فمثلاً قد تفسِّر مصدر كتل الجسيمات الأولية الشبحية المسماة بالنيوترينوهات. وتوضح دلائل تجريبية جديدة مثيرة حُصِل عليها من تجربة سوبر كاميوكاند Super Kamiokande في اليابان أن النيوترينوهات، التي كان يظن لأمد بعيد أنها عديمة الكتلة، لها كتلة متناهية الصغر إلا أنها ليست صفرا(10). ويمكن للنيوترينو أن يكتسب كتلته بالتفاعل مع حقل مشارك يشغل الأبعاد الإضافية. وكما هي الحال مع الثقالة، يتضاءل التفاعل للغاية نتيجة لانتشار الحقل المشارك في أرجاء الأبعاد الإضافية، وهكذا لا يكتسب النيوترينو إلا كتلة بالغة الصغر.
أكوان متوازية
ثمة مثال آخر ألا وهو سر "المادة الخفية"(11) في الكوسمولوجيا، وهي المادة الثقالية غير المرئية والتي يبدو أنها تكوّن تسعين في المئة من كتلة الكون. فقد تكون المادة الخفية موجودة في أكوان متوازية. وقد تؤثر مثل هذه المادة في الكون الذي نعيش فيه من خلال قوة الثقالة. وهي "خفية" بالضرورة لأن النوعية الخاصة بنا من الفوتونات تلتصق بغشائنا، وبالتالي يتعذر على الفوتونات أن تنتقل عبر الخواء من المادة الموازية إلى أعيننا.
قد تختلف مثل هذه الأكوان تمامًا عن كوننا، وقد تكون جسيماتها وتفاعلاتها مختلفة وربما كانت هذه الأكوان محددة بأغشية أبعادها أقل أو أكثر من أبعاد غشائنا. على أن أحد المشاهد يُظْهر هذه الأكوان بصفات كوننا ذاتها. تخيل أن الجدار الذي نعيش فيه قد طوي عدة طيات في الأبعاد الإضافية [انظر الشكل في الصفحة 65]. فالأشياء على الجانب الآخر لإحدى الطيات ستبدو بعيدة للغاية حتى ولو كانت المسافة بينها وبيننا في الأبعاد الإضافية أقل من مليمتر: فالضوء الذي تصدره هذه الأشياء يجب أن يقطع المسافة إلى الطية ويعود ليصل إلينا. وإذا كانت الطية تبعد عنا عشرات بلايين السنين الضوئية؛ فإن الضوء من الجانب الآخر لا يصل إلينا حتى ولو كان نشوؤه منذ بداية الكون.
من الممكن أن تتركب المادة الخفية من المادة المألوفة، وربما حتى من نجوم ومجرّات عادية تسطع لامعة على طياتها. وقد تولِّد مثل هذه النجوم والمجرات تأثيرات عديدة مثيرة للاهتمام؛ مثل الموجات التثاقلية من المستعرات الأعظمية وغيرها من السيرورات الفيزيائية الفلكية العنيفة. وقد تتوصل أجهزة الكشف عن الموجات التثاقلية، التي ينتظر اكتمالها خلال سنوات قليلة، إلى دليل يؤكد وجود الطيات، وذلك برصد مصادر كبيرة للإشعاع التثاقلي الذي يتعذر تفسير وجوده بالمادة المرئية في كوننا.
ليست النظرية التي ذكرناها أولَ نظرية تتضمن أبعادًا إضافية أكبر من 35-10 متر. ففي عام 1990، اقترح < J. أنطونيادس> [من مدرسة الپوليتكنيك بباريس] أن بعض أبعاد نظرية الأوتار قد يصل إلى - متر، ولكنه احتفظ بسلَّم الثقالة الكمومية قريبًا من 35-10 متر. وفي عام 1996 أشار كل من <P.هوراڤا> [من معهد كاليفورنيا للتقانة] و< E. ويتن> [من معهد الدراسات المتقدمة في پرنستون] إلى أن بُعدًا إضافيًّا واحدًا طوله 30-10 متر سوف يوحِّد الثقالة بإحكام مع بقية القوى الموحدة بالتناظر الفائق، وجميعها عند الطول 32-10 متر. وتعقَّب الفكرةَ ذاتها <J. ليكن> [من مختبر فيرمي الوطني للمسرعات في باتاڤيا بولاية إلينوي] فحاول تخفيض سُلَّم التوحيد إلى نحو 19-10 متر (وذلك دون اللجوء إلى إقحام أبعاد إضافية كبيرة). وفي عام 1998، لاحظ < K. دينيس> [من جامعة أريزونا] و< E. دوداس> و< T. گيرگيتا> [من المركز الأوروبي للبحوث النووية CERN] أن أبعادًا إضافية أصغر من 19-10 متر يمكن أن تسمح بتوحيد القوى عند مسافات أكبر بكثير من 32-10 متر.
ومنذ أن قدَّمنا اقتراحنا عام 1998، ظهر عدد من الاقتراحات المغايرة تثير الاهتمام، وقد استُخدمت فيها المكونات الأساسية نفسها للأبعاد الإضافية وكذلك توضُّع كوننا على جدار. وفي نموذج مثير، اقترحت <L. راندال> [من جامعة پرنستون] و< R. سندروم> [من جامعة ستانفورد] أن الثقالة نفسها قد تكون مركّزة على غشاء في زمكان خماسي الأبعاد ولانهائي في جميع الاتجاهات. وتبدو الثقالة ضعيفة جدًّا في كوننا إذا كنّا على غشاء مختلف.
على مدى عشرين عامًا، ظلت المقاربة المعهودة لحل المسألة التراتبية، وبالتالي لفهم سبب ضعف قوة الثقالة، هي افتراض أن سلّم پلانك بالقرب من35-10 متر هو أمر أساسي وأن فيزياء الجسيمات يجب أن تتغير بالقرب من 19-10 متر. الأمر الذي قد يُبقي الثقالة الكمومية في ميدان التأملات النظرية ولا أمل لها أبدًا في الخضوع للاختبار التجريبي. لكننا تحققنا في العامين الأخيرين من أن الحال ليست كذلك بالضرورة. فإذا كانت هناك أبعاد كبيرة جديدة، فقد نتمكن في السنوات العديدة القادمة من اكتشاف انحرافات عن قانون نيوتن في جوار 6x10-5 متر مثلاً، وسنكشف في مصادم الهدرونات الكبير (LHC) عن اهتزازات وترية أو ثقوب سوداء. وقد تصبح الثقالة الكمومية ونظرية الأوتار علمًا قابلاً للاختبار. ومهما كانت الأحداث القادمة، فسوف تقدم التجربة جوابًا عن السؤال الذي استمر قائمًا 300 عام، وبحلول عام 2010 سنكون قد تقدمنا تقدمًا حاسمًا نحو إدراك سبب الضعف الشديد للثقالة. وربما نكتشف أيضًا أننا نعيش على أرضٍ مسطَّحة غريبة، أي في كون غشائي(12) حيث الثقالة الكمومية على وشك أن تحدث.
المؤلفون
Nina Arkani-Hamed - Savas Dimopoulos - Georgi Dvali
عملوا في استنباط نظرية الأبعاد الإضافية حينما كانوا معًا في جامعة ستانفورد في الشهر2/ 1998 ولد أركاني-حامد في هوستون عام 1972 وحصل على الدكتوراه في الفيزياء من جامعة كاليفورنيا ببيركلي عام 1997، وعمل أستاذًا مساعدًا بهذه الجامعة عام 1999. يهوى التجول والمشي السريع في المناطق الجبلية العالية وفي صحراء كاليفورنيا عندما لا يكون منهمكًا باستكشاف الإمكانيات النظرية لفيزياء الجسيمات خارج إطار النموذج المعياري. أما ديموپولوس فترعرع في أثينا باليونان وحصل على الدكتوراه من جامعة شيكاگو، ويعمل أستاذًا للفيزياء بجامعة ستانفورد منذ عام 1979. اتجهت أبحاثه أساسًا نحو الكشف عمّا هو أبعد من النموذج المعياري. وفي عام 1981 اقترح بالاشتراك مع هوارد جورجي [من جامعة هارڤارد] النموذج المعياري الفائق التناظر. وأما "جيا" دڤالي فنشأ فيما يعرف اليوم بدولة جورجيا، وحصل على الدكتوراه في مجال فيزياء الطاقات العالية والكوسمولوجيا من جامعة ولاية تبليسي عام 1992، وأصبح أستاذًا مشاركًا في الفيزياء بجامعة نيويورك عام 1998. يعنى بالتغلب على الثقالة عن طريق تسلق الجبال العالية والصخور الثلجية
مراجع للاستزادة
THE THEORY FORMERLY KNOWN AS STRINGS. Michael Duff in Scientific American, Vol. 278, No. 2, pages 54-59; February 1998.
THE ELEGANT UNIVERSE: SUPERSTRINGS, HIDDEN DIMENSIONS, AND THE QUEST FOR THE ULTIMATE THEORY. Brian Greene. W. W. Norton, 1999.
FLATLAND: A ROMANCE OF MANY DIMENSIONS. Edwin A. Abbott. **** available from the Gutenberg project at http://promo.net/cgi-promo/pg/t9.cgi?entry=97 on the World Wide Web.
An introduction to tabletop gravity experiments is available at http://mist.npl.washington.edu/eotwash/
An introduction to string theory is available at http://superstringtheory. com/
Scientific American, August 2000
(*) The Universe’s Unseen Dimensions
(1) Flatland: A Romance of Many Dimensions
(2) A. Square
(3) [انظر: "مصادم الهدرونات الكبير"، مجلة العلوم، العددان 3/4 (2001)].
(4) [انظر: A Unified Physics by 2050?," by S. Weinberg; Scientific American, December 1999"].
(5) 1 TeV
(6) زمكان space-time نحت من زمان ـ مكان. (التحرير)
(7) عالم الرياضيات الألماني Peter Gustav Dirichlet, 1859-1805.
(8) كبيرة أو إنها من الكبر بحيث ترى بالعين المجردة؛ ويقال أيضًا "جهرية"، وذلك في مقابل: مجهرية (ميكروية) microscopic. (التحرير)
(Large Hadron Cllider (9
(10)[ انظر: .,Detecting Neutrino Mass" by E. Kearns - T. Kajita - Y. Totsuka"
Scientific American, August 1999]
(11) [انظر: "المادة الخفية في الكون"، مجلة العلوم، العددان 7/8 (2000)، ص 101]. (membrane universe (12
مواقع النشر (المفضلة)