إغراء التوحيد الكامل

(١) النظريات الموحدة العظمى

يسعى العلم بشتى مناحيه وراء التوحيد؛ فالعلم الذي نعرفه اليوم بدأ حين وجد جاليليو ونيوتن وغيرهما روابط بين حركة الأجسام على الأرض وحركة القمر والكواكب. ومن الروابط البارزة الأخرى اكتشاف ارتباط القوتين الكهربية والمغناطيسية إحداهما بالأخرى، وبالضوء، إضافة إلى معادلة أينشتاين «الطاقة = الكتلة × مربع سرعة الضوء» التي بينت أن الطاقة والكتلة شيئان متساويان. إن العثور على الروابط الخفية بين ما يبدو كأنه ظواهر غير مترابطة هو ما يجعل المنهج العلمي بهذه القوة والنجاح. يتفرد العلم بالتوسع والعمق؛ التوسع في طريقة معالجته للظواهر الفيزيائية، والعمق في طريقة ربطه بينها، بشكل حريص، في نظام تفسيري عام يتطلب قدرًا أقل وأقل من الافتراضات. ولا يمكن لأي نظام تفكير آخر أن يضاهي العلم في هاتين الصفتين.

شكل ٥-١: توحيد القوى. يعتقد الفيزيائيون أنه بالإمكان الجمع بين جميع قوى الطبيعة، ربما في نظام موحد على غرار نظرية الأوتار أو النظرية M. من الناحية التاريخية كانت القوتان الكهربية والمغناطيسية هما أول قوتين تتوحدان (على يد ماكسويل في خمسينيات القرن التاسع عشر). بعد ذلك جُمع بين القوة الكهرومغناطيسية والقوة النووية الضعيفة في نظرية للقوة الكهروضعيفة على يد جلاشو وعبد السلام وواينبرج، وتأكدت صحتها تجريبيًّا. حاولت نظريات توحيد كثيرة الجمع بين القوة النووية الشديدة والقوة الكهروضعيفة، لكن إلى الآن لا يوجد أي دليل تجريبي. تُضَم الجاذبية إلى برنامج التوحيد هذا بوصفها الخطوة الأخيرة، وهناك من النظريات الرائجة ما يضمها على غرار نظرية الأوتار والنظرية M.

(٢) ماذا حدث لكل تلك المادة المضادة؟

من المؤكد أن التناظر بين المادة والمادة المضادة لا يمكن أن يكون تامًّا. لقد كسره شيء ما، جاعلًا الكفة تميل لمصلحة المادة على المادة المضادة. تنضوي نظريات التوحيد بشكل طبيعي على الانكسار الضروري لهذا التناظر، فإذا كان بمقدور البروتون التحول إلى بوزيترون، فيمكن إذن (بالسير بطريقة معاكسة) تحويل زوج إلكترون-بوزيترون إلى زوج إلكترون-بروتون، وهو ما يعني وجود ذرة هيدروجين دون وجود ذرة هيدروجين مضادة مصاحبة لها. لكن مهما تكن كيفية عمل ذلك، يمكن أن تسير قصة نشأة المادة على النحو الآتي: تسبب الإشعاع الحراري الناتج عن الانفجار العظيم في إنتاج كميات متماثلة من المادة والمادة المضادة، مختلطة بعضها ببعض، لكن مع زيادة «طفيفة» في المادة. مع برود حرارة الكون دُمِّرَت المادة المضادة بفعل اقترانها بالمادة، تاركة قدرًا بسيطًا من المادة التي لم تُمس، حوالي جزء في المليار. تسبب الفناء الكلي للمادة والمادة المضادة في غمر الكون بفوتونات أشعة جاما. أين هي الآن؟ الجواب هي أنها فقدت أغلب طاقتها مع تمدد الكون وبرودته، وفي النهاية تحولت إلى فوتونات للأشعة الميكرونية. وهي التي تؤلف إشعاع الخلفية الميكروني الكوني. وبهذا يكون هذا الإشعاع الخافت هو بقايا الفناء الأولي للمادة المضادة في بداية الزمن.

بالنظر للأمر من هذه الزاوية لا تبدو المادة إلا نتاجًا كونيًّا ثانويًّا، لكن يا له من نتاج ثانوي هام! فدون المادة لم تكن هناك حياة، ومن ثم لم نكن لنوجد، ناهيك عن وجود الكون المرئي، المتعلق بقاؤه بدرجة طفيفة من عدم التناظر بين المادة والمادة المضادة، الذي بدوره يعتمد على كيفية تفاعل الكواركات واللبتونات والقوى التي تربطها كمزيج واحد وفق نظام كلي أعظم لم يتحدد بعد.

(٣) التناظر الفائق

لكن قبل أخذ هذه الخطوة ينبغي توضيح الاختلاف الأساسي بين نوعي الجسيمات محل الحديث هنا، وهذا الاختلاف يتعلق بخاصية اللف المغزلي لها. تحمل جميع الجزيئات الأساسية للمادة — الكواركات واللبتونات — لفًّا مغزليًّا قدره ١ / ٢. وعلى النقيض تحمل جسيمات التبادل المعروفة لفًّا مغزليًّا قدره ١ (يحمل الجرافيتون — لو أن له وجودًا — لفًّا مغزليًّا قدره ٢). قد لا يبدو هذا إلا اختلافًا فنيًّا غير مؤثر، لكنه ليس كذلك؛ إذ يؤثر اللف المغزلي للجسيم بشدة على خصائصه، خاصة على الطريقة التي تتصرف بها الجسيمات تصرفًا جماعيًّا. الجسيمات ذات اللف المغزلي ١ / ٢ تطيع القاعدة المعروفة باسم مبدأ استبعاد باولي، والمسمى على اسم فولفجانج باولي مكتشف هذه القاعدة في العشرينيات. يمنع هذا المبدأ أكثر من جسيم واحد من نفس النوع من أن يحتل نفس الحالة الكمومية في نفس الوقت (على سبيل المثال، لا يمكنك حشر إلكترونين بحيث يكونان مقتربين للغاية أحدهما من الآخر)، ولهذا المبدأ تبعات بعيدة مهمة: صلابة المادة، وتركيبة الذرات، وقواعد الكيمياء، وثبات النجوم، وهذه ليست إلا أمثلة قليلة.

(٤) كارثة في الأعماق

إلى الآن كنت أستخدم كلمة «الجسيم» بمعناها العام، دون ذكر أي شيء بخصوص حجمه أو شكله. لكن يجب الآن مواجهة هذه القضية. كيف يمكننا أن نتصور، مثلًا، الإلكترون؟ من المغري أن نفكر فيه ككرة صغيرة ذات شحنة كهربية موزعة في أرجائه. لكن لو كان الإلكترون على هذه الصورة فسيفتح هذا الباب أمام أسئلة مربكة على غرار: ما المادة الموجودة داخل الإلكترون، وكيف تتماسك بعضها مع بعض، خاصة وأن الشحنة الكهربية متنافرة وستحاول تمزيق هذه الكرة إربًا؟ ومن البديهي أنه لو كان بالإمكان تقسيم الإلكترون لوحدات أصغر فلن يعد وقتها عنصرًا أوليًّا من الأساس.

من سبل تجاوز هذه المشكلة التفكير في الإلكترون بوصفه كرة مصمتة تمامًا ككرة الجولف، فهذا سيجعله غير قابل للتقسيم. إلا أن هناك مشكلة تقابل ذلك الاقتراح، وهي تتعلق بنظرية النسبية (التي تنطبق حتى على مستوى الجسيمات دون الذرية). تخيل أنك ضربت كرة جولف بمضرب مرسلًا إياها في الهواء. لأنها مصمتة بالكامل فستتحرك كرة الجولف دون أي تغير في شكلها؛ بحيث تبدأ جميع أجزاء الكرة في التحرك معًا، لكن هنا ستقابلنا عقبة: لا يمكن لقوة أن تتحرك بسرعة تتجاوز سرعة الضوء، وبهذا فإن الضربة الموجهة لأحد جوانب الكرة لا يمكن الشعور بها من الجانب الآخر إلا على الأقل بعد الوقت الذي يستغرقه الضوء في التحرك من طرف الكرة للطرف الآخر. من ثم سيبدأ الطرف الذي تلقى الضربة بالتحرك قبل الطرف المقابل، وهذا سيجعل شكل الكرة يتغير، إذ ستكون أكثر انضغاطًا. يستتبع هذا أن الكرة المصمتة يجب أن تتمتع بقابلية معينة للانضغاط؛ يعني هذا أن الأجسام المصمتة «تمامًا» لا تتفق مع نظرية النسبية. لكن لو أمكن للإلكترون أن ينضغط يمكن بالتالي أن يتمدد، ويمكن أيضًا، إذا تعرض لقوة كافية، أن يتمزق إربًا. لذا لا يمكن للإلكترون إذا كان على شكل كرة الجولف الصغيرة أن يكون جسيمًا أوليًّا هو الآخر.

ما الذي نستنتجه من كل هذا؟ باستخدام الحيل الرياضية يستطيع علماء الفيزياء الالتفاف حول الكميات اللانهائية واستخدام نظرية الديناميكا الكهربية الكمية للحصول على إجابة معقولة عن الأسئلة المتعلقة بكتلة الجسيمات ومستويات الطاقة وعمليات التشتت وغيرها. تظل النظرية ناجحة لحد بعيد، لكن حقيقة وجود الكميات اللانهائية تشير إلى أن شيئًا ما خطأ، وأن شيئًا ما بحاجة للإصلاح.

(٥) الأوتار: نظرية كل شيء؟

لازمت مشكلة اللانهائيات، خاصة تلك التي تنشأ عن تطبيق ميكانيكا الكم على مجال الجاذبية، موضوع فيزياء الجسيمات لعقود، لكن في ثمانينيات القرن العشرين وجد علماء الفيزياء طريقة لتفاديها. الفكرة الأساسية هي التخلي عن فكرة الجسيمات بصورة كلية واستبدالها بأوتار مرنة، تتحرك وفق قواعد ميكانيكا الكم. في أبسط صور النظرية الجديدة، تشكل الأوتار حلقات مغلقة، لكنها صغيرة للغاية حتى إننا سنحتاج لسلسلة من مائة مليار مليار حلقة كي تلتف حول نواة الذرة الواحدة. وبهذا يصير ما كنا ننظر إليه فيما سبق على أنه جسيم، كالإلكترون، في حقيقته (وفق هذه النظرية) حلقة من الأوتار، فقط نحن لا نستطيع رؤيته بهذه الصورة لأن الحلقة صغيرة للغاية.

الجانب الجذاب في نظرية الأوتار هو أنك تحتاج لنوع واحد فقط من الأوتار لتكوين «جميع» الجسيمات: الفرميونات والبوزونات، وجسيمات المادة وجسيمات التبادل، كل شيء. يمكن أن يهتز الوتر بأنماط متعددة، وكل نمط منها يتوافق مع جسيم مختلف؛ فإذا اهتز الوتر بطريقة ما فالجسيم إلكترون، وإذا اهتز بصورة مغايرة يصير كواركًا، وهكذا. تقدم نظرية الأوتار وصفًا طبيعيًّا لكل الجسيمات المعروفة. وهي تضمن مفهوم التناظر الفائق، وبهذا فهي تصف أيضًا الجسيمات الشريكة فائقة التناظر. (ولهذا السبب أحيانًا يشار إليها بنظرية الأوتار الفائقة.) لا تسأل مِمّا تتكون الأوتار نفسها؛ فالفكرة كلها تعتمد على أنها كيانات أولية غير قابلة للتفكك يُبنى منها كل شيء آخر. وفي هذا الجانب تكون الأوتار شبيهة للغاية بروح النظرية الذرية الأصلية للمادة، لكن مع مزية إضافية؛ فهي تفسر أيضًا كيفية تفاعل الجسيمات بعضها مع بعض دون إدخال مفهوم جديد؛ إذ إن القوى أيضًا تخرج من عباءة نظرية الأوتار بفضل حركات الأوتار التي تصف جسيمات التبادل المختلفة كالفوتون والجلوونات. أهم ما في الأمر هو أن نظرية الأوتار أفضت إلى نتائج محددة في جميع الحسابات التي أجريت إلى الآن، بما فيها تلك التي تضمنت الجاذبية، وبهذا هي تعد بتجنب تلك المعضلة الرياضية الخاصة بالكميات اللانهائية.

يختلف أنصار نظرية الأوتار حول الكيفية التي ستُحل بها مشكلة التعدد تلك؛ فالبعض يعلق آماله على فهم أفضل للبنية الرياضية للنظرية، التي يؤمنون بقدرتها على انتقاء حالة فريدة بعينها، على نحو أشبه بالحالة الأرضية لذرة الهيدروجين مثلًا، وهي أكثر الحالات ثباتًا ومن ثم أكثرها ترجيحًا. إذا كانوا محقين فحري إذن بفيزياء الطاقة المنخفضة التي تصفها هذه الحالة أن تنطبق على العالم الذي نرصده، وإلا ستُكذَّب النظرية على الفور. لكن آخرين من أنصار نظرية الأوتار تخلوا عن أمل الوصول لحل وحيد للمعادلات التي ستظهر وواجهوا بجرأة تبعات تلك الزيادة الهائلة للعوالم المختلفة الممكنة. وفي الواقع نجح هؤلاء في تحويل الخطيئة إلى فضيلة، وكما سأشرح في الفصل التالي، فقد استعانوا بالتعدد الكبير للعوالم المحتملة في محاولة تفسير تأثير جولديلوكس.

(٦) النظرية M

مهما تكن نتيجة هذا المشروع الضخم فهو على الأقل يستحق أن يوصف بأنه «محاولة طيبة». وبالتأكيد من المبكر للغاية غض الطرف عنه باعتباره شطحة علمية جامحة أخرى؛ إذ إنه إلى وقتنا هذا يعد أفضل أمل للوصول إلى نظرية نهائية موحدة. لكن ملاحظة مرئية واحدة تساوي ألف نظرية عبقرية، وبينما كان أصحاب نظرية الأوتار يطورون دون كلل نماذجهم المجردة، حقق علماء الفلك سلسلة من الاكتشافات التي انفجرت كالقنبلة في أسس الفيزياء النظرية، مزلزلة أركان نظرية الأوتار، وعلم الكونيات أيضًا.

النقاط الأساسية