تاريخ ونشأة نظرية الأوتار الفائقة

في أواخر الثمانينات وبينما كان فيزيائي شاب إيطالي يدعى (غابرييل فينيتسيانو) يبحث عن بعض المعادلات الرياضية التي تصف قوى النواة الكبيرة في الذرة وفي كتب الرياضيات القديمة التي يملكها وجد معادلة رياضية قديمة عمرها مئتا عام كتبها عالم سويسري يدعى ليونار أويل.

ذهل فينيتسيانو باكتشافه أن تلك المعادلات التي اعتبرت لسنين عديدة مجرد فضول رياضي كانت تصف القوى الكبيرة في النواة فعلاً وقام باكتشافه الذي اشتهر به فيما بعد في وصف القوى الكبيرة التي تعمل في نواة الذرة، وكان ذلك ولادة نظرية الأوتار.

وبسبب هذا الاكتشاف وقعت تلك المعادلات في يد فيزيائي أمريكي يدعى (ليونارد سسكيند) اكتشف أن وراء الرموز الرياضية وصف لشيء أكثر من مجرد جزيئات، فالمعادلة تقدم متحولات تصف اهتزازات ووصف لخيوط، قام بدراستها أكثر ووجد أنها عمليا تصف خيوطا مهتزة مثل الخيوط المطاطية الحرة الطرفين، هذه الخيوط بالإضافة لصفاتها في التمدد والتقلص فهي تهتز بشكل دوراني أيضا حسب تلك المعادلة، المضحك أن سسكند عندما قدم بحثه للنشر تم رفضه لعدم أهميته واعتقد أن اكتشافه سيموت.

في تلك الأوقات كان العلماء مشغولين في اكتشاف الجزيئات وأنواعها الجديدة الدقيقة بالقيام بتعريضها لسرعات كبيرة و اصطدامها ببعضها لشطرها إلى جزيئات أصغر ودراسة نواتج تلك الانشطارات، كانت الاكتشافات كبيرة جدا وأنواع الجزيئات المكتشفة كبير، وقد أدى ذلك إلى استنتاجات كبيرة على مستوى الفيزياء أهمها أن قوى الطبيعة يمكن وصفها كجزيئات أيضاً.

مثلاً . . . القوة التي تنشأ بين جسمين هي عبارة عن جزيء (رسول) بينهما، وكلما انتقل بين الطرفين بمعدل أكثر كلما اقترب الجسمان من بعضهما أو بعبارة أخرى _ زادت القوة بينهما، أي أن تبادل الجزيئات هو ما يخلق ما نشعر أنه طاقة، وتم فعلاً تأكيد تلك النظريات باكتشاف الجزيئات المسئولة عن القوة الكهرومغناطيسية والقوى النووية القوية (المسئولة عن تماسك النواة في الذرة) والضعيفة (المسئولة عن النشاط الإشعاعي الذري).

شعر العلماء أنهم اقتربوا من تحقيق حلم توحيد القوى الذي بدأه أينشتين، لأن تلك الجزيئات المسؤولة عن القوى الثلاث: القوة الكهرومغناطيسية ، القوى النووية القوية (المسئولة عن تماسك النواة في الذرة) القوى النووية الضعيفة (المسئولة عن النشاط الإشعاعي الذري)) تبدأ بالتشابه في الخصائص في حال تطبيق حالة الانفجار الكبير أي أنها تنصهر في حرارة وكثافة الكون الشديد عند الانفجار لتصبح نوعا واحدا من القوى ودعي ذلك الشكل من الفهم بـ الشكل القياسي للقوى (standard module) العالم ستيفن وينبيرغ.

لكن خلف ذلك النجاح برزت مشكلة كبيرة . . . فذلك الشكل القياسي للقوى استطاع أن يصف ثلاث فقط من القوى الرئيسية في الفيزياء مهملا القوة الرابعة (الجاذبية) لأنها كانت تعمل على مستوى مختلف عن العالم الدقيق للذرات.

في أواخر السبعينات كان العلماء المتبنون لنظرية الأوتار قليلون يعانون من مشاكل كبيرة في النظرية . . . فتلك النظرية مثلا تنبأت بوجود جزيئات عديمة الكتلة تستطيع أن تنطلق بسرعة أكبر من سرعة الضوء (وهذا غير ممكن حسب أينشتين)، كانت أيضا تتنبأ بجزيئات بلا كتلة تماماً (غير مرئية وغير ممكن التحقق من وجودها)، كانت تحتاج لعشر أبعاد بدلا من الأبعاد الأربعة (ثلاث أبعاد للماكن وبعد زمني). كانت أيضا متضاربة النتائج الرياضية تعطي أرقاما تدل على خطأ معادلاتها.

إلى أن جاء العالم جون شوارتز الذي بدأ بوضع تعديلات للنظرية وربط النظرية مع الجاذبية وافتراض أن حجم تلك الأوتار أصغر بمائة مليار مليار مرة من الذرة وبدأت النظرية تأخذ شكلا صحيحا، والجزيء الذي لم يكن يملك كتلة كان بنظر جون شوارتز جزيء الجرافيتون (Graviton) أو الجزيء المسئول عن نقل القوة الجاذبية على مستوى نظرية الكم، وهو بذلك حل الجزء المفقود الذي قدمه ستيفن وينبيرغ في الشكل القياسي للقوى الذي كان يفتقد لوصف الجاذبية على هذا المستوى.

رغم ذلك لم يحظ البحث مرة أخرى بالاهتمام وبقيت النظرية في الظلام وبقي يعمل فيها ويؤمن بها عالمان اثنان من مجتمع العلماء الفيزيائيين هما جون شوارتز ومايكل غرين، وصل هذان العالمان في أوائل الثمانينات إلى حل المشاكل الرياضية في النظرية وبدأت النظرية تصف القوى الثلاثة الأخرى إلى جانب الجاذبية وهي القوة الكهرومغناطيسية والقوى النووية القوية (المسئولة عن تماسك النواة في الذرة) والضعيفة (المسئولة عن النشاط الإشعاعي الذري)، وقاد هذا الاكتشاف المذهل العلماء إلى التهافت على النظرية بالمئات وحظيت النظرية أخيرا على الاهتمام وتم تسميتها نظرية الكل (The Theory Of Everything).

استطاعت النظرية وصف كل مكونات الطبيعة بشكل واحد مذهل فالبروتونات والإكترونات والنيوترونات التي تتكون منها الذرات تتكون من أجزاء أصغر هي الكواركات (quarks) تلك الكواركات التي كان يعتقد أنها مادة هي وبحسب نظرية الأوتار عبارة عن أوتار أو خيوط صغيرة جدا من الطاقة مهتزة بعدة اتجاهات وطرق، كل وتر من هذه الأوتار حجمه صغير جدا مقارنة بالذرة، فهو كحجم شجرة بالنسبة لحجم كوكب الأرض.


وكل اهتزاز معين لتلك الأوتار يعطي الجزيء خصائص مختلفة . . . فقد يشكل الاهتزاز جزيئا مكونا لذرات المادة أو الطاقة أو الجاذبية، إلكترونات أو جزيئات ألفا أو بيتا..الخ... أي أن كل ما في هذا الكون من مادة أو طاقة أو شحنات هي في الواقع أوتار لكنها مهتزة بطرق مختلفة، والفرق الوحيد بين الجزيئات التي تعطي مادة الخشب والجزيئات التي تعطي طاقة الجاذبية هو طريقة اهتزاز تلك الأوتار فقط، كانت نظرية الأوتار الفائقة حلقة الوصل بين ميكانيكا الكم والنظرية النسبية لأنها تفسر وتلغي الفروقات بينهما بناء على طبيعة الأوتار وخصائصها، والكون الفوضوي على المستوى الذري يصبح أقل فوضوية وأقرب إلى الكون الكبير على مستوى الأجسام الكبيرة، وهو نصر كبير على مستوى الفيزياء والرياضيات والكون للعلماء بآن واحد.

---

نظرة إلى عالم الأوتار الفائقة

حتى تصح نظرية الأوتار الفائقة، وتحقق الخواص التي تقدمها لنا لفهمنا للمادة والجزيئات فإن هذه النظرية احتاجت إلى تطبيق فكرة أشبه بالخيال العلمي لكنها ممكنة . . . فهي بحاجة لأبعاد إضافية في الكون ولا تكفيها الأبعاد الأربع المعروفة (ثلاثة أبعاد لمكان وبعد للزمان)، وهذه أغرب وأهم نتائج تلك النظرية، نحن نتذكر أن الأبعاد الثلاث المكانية هي ما يمكننا رؤيته وما يحتاج إليه عقلنا للفهم والاستيعاب خلال حياتنا اليومية، لكن لا يوجد مانع علمي أو رياضي من وجود أبعاد أخرى لا ندركها بحواسنا المجردة، المذهل أكثر أن تلك الأبعاد أقرب إلينا مما نتصور، لكننا لا ندركها لصغر حجمها، سنذكر مثالا يوضح ذلك.

إن نظرنا لعمود من الكهرباء من مسافة بعيدة نسبيا فسيبدو لنا كخط مستقيم (له بعدين اثنين فقط) لكن كلما اقتربنا من العمود فإن بعدا ثالثا سيظهر له (السماكة)، وحتى تشكل الأوتار الفائقة تلك التشكيلة الكبيرة من الجزيئات والخصائص المختلفة لها فإن عليها أن تهتز في فضاء يملك أكثر من ثلاثة أبعاد، في الواقع فإنها تحتاج لتسع أبعاد مكانية إضافة إلى البعد الزمني والنتيجة عشر أبعاد. تلك الأبعاد الصغيرة أقرب ما يمكن تخيلها إلى سطوح متداخلة على مستوى صغير جدا كالشكل الموضح.

http://biala.50webs.com/image_phis/ph_010.JPG

تنظيم النسيج الكوني

قبل أينشتين فإن العلماء كانوا يعتقدون أن الكون ثابت الشكل، لكن نظرية أينشتين النسبية تقول أن الكون عبارة عن نسيج يمكن حنيه وثنيه . . . فإذا تخيلنا أننا نسير على أرض مستوية لنقطع مسافة ما فإننا بثني تلك الأرض يمكننا الوصول إلى هدفنا بشكل أسرع . . . قدم اينشتين فكرة انحناءات الكون وتشوهات النسيج الكوني بما يعرف بـ (wormholes) أو الطرق الدودية، وهي طرق مختصرة للوصول إلى أجزاء قصوى من الكون بسرعة فائقة وزمن قصير (بشكل نظري فقط).

وعلى المستوى الذري وحسب صفات نظرية الكم فإن النسيج الكوني معرض للتمزق والتغير بشكل كبير جدا أيضاً بسبب الاختلافات الشديدة في المكان والزمان التي تسببها فوضى الجزيئات، بوجود تلك الفوضى فإن النسيج الكوني معرض للتمزق بشكل دائم، وذلك يسبب كوارث زمانية ومكانية أكبر مما نتخيل، هنا تأتي الأوتار لتنظم ذلك النسيج الفوضوي فتهتز عبر النسيج الكوني الممزق لتقوم بإصلاحه وترميمه. وهذا ما يجعل النسيج الكوني مستقر نسبيا على المستوى الدقيق. فلا يمتد التمزق للنسيج الكوني ويسبب كارثة كونية.

---

البعد الحادي عشر وأهميته

رغم الأهمية الكبيرة التي وصلت إليها نظرية الأوتار الفائقة فإنها كانت تعاني من مشكلة كبيرة تحديدا في أواسط الثمانينات من القرن المنصرم... لأنها لم تكن نظرية واحدة بل خمس نسخ من النظرية.. وكانت تلك مشكلة كبيرة فالعلماء في النهاية يبحثون عن نظرية واحدة تصف الكون لا خمسة نظريات، إلى أن أتى العالم إدوارد ويتن (Edward witten) وقام بجعل تلك النسخ الخمس في شكل نظرية واحدة أطلق عليها اسم نظرية إم (M_theory) لكنه اضطر لإضافة بعد جديد وصارت النظرية بأحد عشر بعداً، وحتى تقوم الأوتار الفائقة بالاهتزاز بالشكل الكافي فإنها تحتاج لأحد عشر بعداً . . . كان البعد الإضافي الذي أضافه العالم إدوارد ويتن ذو نتائج خطيرة على النظرية، فذلك البعد يسمح للوتر المهتز بالتمدد والاهتزاز بمساحة كبيرة جدا تصل إلى حجم الكون نفسه مشكلا غشاءا تمت دعوته بالـ (membrane) أو اختصاراً (brane) هذه الفكرة قادت إلى استنتاج أننا نعيش على غشاء كوني سببه اهتزاز الأوتار، وأننا نعيش في كون موجود على غشاء في كون آخر ذو أبعاد أكثر وكأننا موجودون في شريحة من كون مؤلف من عدة شرائح (أغشية) (membranes) هذا قد يعني أيضا أن تلك الأبعاد والعوالم قد تكون ملاصقة لنا وحولنا في كل مكان لكننا لا نستطيع الإحساس بها لأن جزيئاتنا لا تستطيع اختراق الغشاء الذي نعيش عليه بكل بساطة.

مشكلة النظرية في الوقت الحاضر...

النظرية ورغم سلامتها وقوتها الرياضية التي تفسر العديد من الظواهر التي احتار بها العلماء إلا أنها تملك مشكلة مهمة فهي بالإضافة لكونها تحتاج لكثير من الافتراضات... فلا يمكن التحقق من وجود الأوتار في المختبر حالياً لصغرها الشديد... وهذا يضعها في خانة فلسفية لا علمية، فالعلم مبني على الاستقراء والملاحظة والقياس، لكن هذا لا يمنع العلماء الآن من السعي للتحقق منها. وبرأي العلماء، هناك بوادر أمل، فإذا كانت الأوتار موجودة منذ بدء الكون فلا بد أنها تركت أثرا على محتويات الكون من نجوم أو كواكب، وتمدد هذا الأثر بتمدد حجم الكون وتلك فكرة يتم التقصي عنها.

وسيلة أخرى للتأكد تكمن في مختبران وحيدان في العالم للشطر الذري الأول يدعى (fermilab) في ولاية إيلونويز الأمريكية... والثاني هو مختبر (cern) في سويسرا وهو أكبر بكثير من المختبر الأمريكي لكنه قيد الإنجاز وسيدخل العمل في عام 2007). هذه المختبرات تقوم بدراسة الجزيئات عن طريق تسريع ذرات الهيدروجين بعد فصلها عن الكتروناتها إلى سرعات تقارب سرعة الضوء، ثم تسييرها باتجاهات معاكسة لتحقيق اصطدامها ومشاهدة الجزيئات التي تخرج منها. فإن استطاع العلماء مشاهدة جزئ الجاذبية (Graviton) وهو يختفي بعد الاصطدام مباشرة أو بكلمات أخرى يخرج من الغشاء (membrane) الذي نعيش فيه إلى كون آخر فذلك يعني أن توقعات نظرية الأوتار الفائقة عن الجاذبية كانت صحيحة.

ختاما

كثيرا ما عمل العلماء على نظريات انتهت بالفشل، وكثيرا ما أنفق العديد الوقت على نظريات لم تثبت صحتها تماماً، ونظرية الأوتار الفائقة ليست استثناءاً... لكن العلماء مؤمنون بأنها تقدم تفسيرات منطقية لظواهر محيرة في السابق، وهم يعتقدون أن أناقة تلك النظرية علميا ستقودهم إلى العديد من الإجابات عن هذا الكون ومن أين أتى. يقول ستيفن وينبيرغ (لا أعتقد أن نظرية بتلك القوة الرياضية التي تملكها نظرية الأوتار الفائقة في تاريخ العلم باءت بالفشل تماما، لا بد أن تقدم هذه النظرية شيئا لمعارفنا يوما ماً. والكل هنا يعمل عليها بجد كبير.