ان النموذج القياسي للتفاعلات الأساسية. والقوى الثلاث التي يتضمنها هذا النموذج كلها موصوفة بواسطة نظريات كمية، بينما رابعة هذه التفاعلات الأساسية قوة هي الجاذبية. وقد استعصت هذه القوة على الجهود الهادفة لوضعها داخل مخطط موحد للقوى. وأول خطوة لعمل ذلك ستكون تضمين فيزياء الكم داخل نظرية الجاذبية من أجل إنتاج نظرية للجاذبية الكمية. ورغم الجهود الشاقة المبذولة لعمل ذلك، فإنه لم يتحقق إلى الآن. وإذا حدث أن تحقق هذا الأمر يوما، فستكون المهمة التالية هي توحيد الجاذبية الكمية مع نظرية موحدة لتفاعلات الجسيمات.

شكل 1: نظرية كل شيء. يُعتقد أن القوى الأربع للطبيعة التي نعرفها في عالمنا المنخفض الطاقة تصير موحدة على نحو معقد عند الطاقات العالية. وبالعودة بالزمن إلى الوراء حتى الانفجار العظيم نتوقع أولاً اتحاد القوة الكهرومغناطيسية مع القوة النووية الضعيفة في قوة واحدة كهروضعيفة. وعند طاقات أعلى من ذلك، ستتحد هذه القوة الكهروضعيفة مع القوة النووية القوية في «نظرية موحدة عظمى». وعند طاقات أعلى من ذلك، قد تنضم الجاذبية لها كي تنتج «نظرية كل شيء». وهذه النظرية، إن وجدت، فستصف الانفجار العظيم نفسه.

من قبيل المفارقة أن النسبية العامة، التي دشنت فعليًّا الحقبة الحديثة للفيزياء النظرية، هي التي تمثل العقبة الأساسية على طريق التقدم نحو نظرية موحدة لكل قوى الطبيعة. بطرق عدة، تُعَدُّ قوة الجاذبية ضعيفة للغاية؛ فأغلب الأجسام الملموسة تحافظ على تماسكها بواسطة القوى الكهربية العاملة بين الذرات، وهذه القوى أقوى أضعافا مضاعفة من قوى الجاذبية العاملة بين بعض الأجسام وبعض. لكن رغم ضعف قوة الجاذبية، فإن لها طبيعة محيرة يبدو أنها تقاوم محاولات الجمع بينها وبين نظرية الكم.

إن نظرية النسبية لأينشتاين نظرية كلاسيكية؛ بمعنى أنها تُماثل معادلات ماكسويل للكهرومغناطيسية التي تتصف بأنها كلاسيكية كذلك؛ فهي تتضمن كيانات تتّسم بالتجانس لا التباين، وتصف سلوكًا حتميًّا لا احتماليًا على الجانب الآخر، تصف فيزياء الكم حالة تكتل جوهرية؛ فكل شيء يتكون من حزم متباينة أو كموم. وبالمثل، تمكننا معادلات النسبية العامة من حساب الحالة المحددة للكون في أي وقت بعينه في المستقبل إذا توفرت معلومات كافية في نقطة ما من الماضي. ومن ثم فهي حتمية. أما العالم الكمي، على النقيض من ذلك، فهو خاضع لعدم اليقين الذي يُجسده مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج.

بطبيعة الحال، النظرية الكهرومغناطيسية الكلاسيكية مناسبة على نحو مثالي للعديد من الأغراض، بَيْدَ أن هذه النظرية تنهار في مواقف معينة؛ مثلا حين تكون المجالات الإشعاعية قوية للغاية. ولهذا السبب بحث الفيزيائيون عن النظرية الكمية للكهرومغناطيسية، أو الكهروديناميكا الكمية (ووجدوها في النهاية). وهذه النظرية صيغت أيضًا على نحو متوافق مع النسبية الخاصة، لكنها لا تتضمن تأثيرات النسبية العامة.

ورغم أن معادلات أينشتاين أيضًا تبدو صحيحة لمعظم الأغراض، فإنه من الطبيعي على نحو مشابه أن نحاول بناء نظرية كمية الجاذبية. كان أينشتاين نفسه يؤمن على الدوام بأن نظريته غير تامة من هذا الجانب، وأنها ستحتاج في نهاية الأمر أن يحل محلها نظرية أخرى أكثر اكتمالا. وإذا شبهنا الموقف هنا بما يحدث للكهرومغناطيسية الكلاسيكية من انهيار، يمكننا الزعم بأن انهيار النسبية العامة سيحدث حين تكون مجالات الجاذبية قوية للغاية، أو على نطاقات أطوال قصيرة للغاية. ولم تكلل محاولات بناء نظرية كهذه بالنجاح إلى الآن.

رغم أنه لا يوجد ما يشبه الصورة الكاملة لما قد تكون عليه نظرية الجاذبية الكمية، فإن هناك بعض الأفكار التخيلية المثيرة للاهتمام. على سبيل المثال، بما أن النسبية بالأساس هي نظرية للزمكان، فلا بد للمكان والزمن نفسيهما أن يصيرا كَمِّيَّين في نظريات الجاذبية الكمية. وهذا يقترح أنه رغم ما يبدو المكان والزمن عليه من اتصال وتجانس في نظرنا، فإنه على النطاقات الضئيلة لأطوال بلانك (نحو ^33–10 سنتيمتر)، يصير المكان أكثر تكتلا وتعقيدًا، بل وربما يتكون من طوبولوجيا أشبه بالزَّبَد تتكون من فقاقيع تربط بينها أنفاق تسمى الثقوب الدودية تتشكل وتنغلق باستمرار في فترات تساوي زمن بلانك، الذي يبلغ ^43–10 ثانية. يبدو أيضًا من المنطقي تخيل أن موجات الجاذبية الكمية أو الجرافيتونات قد تلعب الدور الذي تلعبه البوزونات العيارية في التفاعلات الأساسية الأخرى. ومع ذلك، ما من دليل ملموس بعد على أن هذه الأفكار صحيحة.

إن النطاقات الصغيرة للغاية من الأطوال والزمن الداخلة في الجاذبية الكمية توضح لنا لماذا تعد الجاذبية الكمية مجالًا للفيزيائيين النظريين لا الفيزيائيين التجريبيين. فلا توجد أداة بنيت بعد قادرة على دفع الجسيمات للدخول إلى منطقة تماثل نطاق طول بلانك أو أقل. وثمة حاجة لطاقات هائلة من أجل الكشف عن الطبيعة الكمية للجاذبية. لكن هذا تحديدًا هو السبب الذي جعل العديد من الفيزيائيين النظريين يبتعدون عن تجارب الجسيمات كهذه التجربة، ويتجهون صوب علم الكونيات. فمن المؤكد أن الانفجار العظيم تضمن ظواهر على نطاق بلانك؛ لذا قد يكون من الممكن نظريًا معرفة المزيد عن العمليات الفيزيائية الجوهرية من علم الكونيات.

مواضيع ذات صلة

Equipartition and the quantum oscillator

philosophical implications of quantum mechanics

Crystal diffraction

Measurement of position and momentum

Probability wave amplitudes

The uncertainty principle

First principles of quantum mechanics

Watching the electrons

An experiment with electrons

An experiment with waves

An experiment with bullets

Chance and likelihood