المُقدّمة
أمضى علماء الكونيات عقودًا في محاولة لفهم سبب كون كوننا فانيليا بشكل مذهل. إنه ليس فقط سلسًا ومسطحًا بقدر ما يمكننا رؤيته ، ولكنه أيضًا يتوسع بوتيرة متزايدة ببطء شديد ، عندما تشير الحسابات الساذجة إلى أنه - الخروج من الانفجار العظيم - كان يجب أن يتداعى الفضاء بفعل الجاذبية و انفجرت بفعل الطاقة المظلمة البغيضة.
لتفسير تسطيح الكون ، أضاف الفيزيائيون فصلًا افتتاحيًا مثيرًا للتاريخ الكوني: لقد اقترحوا أن الفضاء تضخم بسرعة مثل البالون في بداية الانفجار العظيم ، مما أدى إلى تسوية أي انحناء. ولتفسير النمو اللطيف للفضاء بعد تلك التعويذة الأولية من التضخم ، جادل البعض بأن كوننا هو مجرد واحد من بين العديد من الأكوان الأقل ترحيبًا في كون متعدد عملاق.
ولكن الآن ، قام اثنان من علماء الفيزياء بقلب التفكير التقليدي حول كون الفانيليا رأسًا على عقب. بعد سلسلة من الأبحاث التي بدأها ستيفن هوكينج وجاري جيبونز في عام 1977 ، نشر الثنائي حسابًا جديدًا يشير إلى أن وضوح الكون متوقع ، وليس نادرًا. كوننا هو ما هو عليه ، وفقا ل نيل ترك من جامعة ادنبره و لاثام بويل من معهد Perimeter للفيزياء النظرية في Waterloo ، كندا ، لنفس السبب الذي ينتشر فيه الهواء بالتساوي في جميع أنحاء الغرفة: خيارات Weirder يمكن تصورها ، ولكنها غير محتملة للغاية.
قال الكون "قد يبدو دقيقًا للغاية ، ومن غير المحتمل للغاية ، لكنهم يقولون ،" انتظر لحظة ، إنه المفضل ". توماس هيرتوج، عالم الكونيات في جامعة لوفين الكاثوليكية في بلجيكا.
قال "إنها مساهمة جديدة تستخدم أساليب مختلفة مقارنة بما كان يفعله معظم الناس" ستيفن جيلين، عالم الكونيات بجامعة شيفيلد في المملكة المتحدة.
الاستنتاج الاستفزازي يستند إلى خدعة رياضية تتضمن التبديل إلى ساعة تدق بأرقام خيالية. باستخدام الساعة التخيلية ، كما فعل هوكينج في السبعينيات ، تمكن توروك وبويل من حساب كمية ، تُعرف بالانتروبيا ، يبدو أنها تتوافق مع كوننا. لكن خدعة الوقت الخيالية هي طريقة ملتوية لحساب الانتروبيا ، وبدون طريقة أكثر صرامة ، يظل معنى الكمية محل نقاش ساخن. بينما يحير الفيزيائيون حول التفسير الصحيح لحساب الإنتروبيا ، يرى الكثيرون أنه دليل جديد على الطريق إلى الطبيعة الكمومية الأساسية للمكان والزمان.
قالت جيلين: "بطريقة ما ، يمنحنا ذلك فرصة لرؤية البنية المجهرية للزمكان."
مسارات خيالية
يشتهر توروك وبويل ، المتعاونان الدائمان ، بابتكار أفكار إبداعية وغير تقليدية حول علم الكونيات. في العام الماضي ، لدراسة مدى احتمالية كوننا ، لجأوا إلى تقنية طورها الفيزيائي ريتشارد فاينمان في الأربعينيات.
بهدف التقاط السلوك الاحتمالي للجسيمات ، تخيل Feynman أن الجسيم يستكشف جميع الطرق الممكنة التي تربط بين البداية والنهاية: خط مستقيم ، منحنى ، حلقة ، إلى ما لا نهاية. لقد ابتكر طريقة لإعطاء كل مسار رقمًا متعلقًا باحتمالية وجوده وجمع جميع الأرقام. أصبحت تقنية "المسار المتكامل" إطارًا قويًا للتنبؤ بكيفية تصرف أي نظام كمي على الأرجح.
بمجرد أن بدأ فاينمان في الإعلان عن المسار المتكامل ، اكتشف الفيزيائيون علاقة غريبة بالديناميكا الحرارية ، علم درجة الحرارة والطاقة الموقر. كان هذا الجسر بين نظرية الكم والديناميكا الحرارية هو الذي مكّن توروك وبويل من حسابه.
المُقدّمة
تستفيد الديناميكا الحرارية من قوة الإحصائيات بحيث يمكنك استخدام عدد قليل فقط من الأرقام لوصف نظام من أجزاء كثيرة ، مثل جزيئات الهواء gajillion التي تتجول في الغرفة. درجة الحرارة ، على سبيل المثال - بشكل أساسي متوسط سرعة جزيئات الهواء - تعطي إحساسًا تقريبيًا بطاقة الغرفة. الخصائص العامة مثل درجة الحرارة والضغط تصف "الحالة الكلية" للغرفة.
لكن الدولة الكبرى هي حساب خام. يمكن ترتيب جزيئات الهواء بعدد هائل من الطرق التي تتوافق جميعها مع نفس الحالة الكلية. ادفع ذرة أكسجين قليلاً إلى اليسار ، ولن تتزحزح درجة الحرارة. يُعرف كل تكوين مجهري فريد باسم microstate ، ويحدد عدد microstates المقابل لحالة ماكروستاتية معينة إنتروبياها.
يمنح الانتروبيا الفيزيائيين طريقة حادة لمقارنة احتمالات النتائج المختلفة: كلما ارتفعت إنتروبيا الكبريت ، زادت احتمالية ذلك. توجد طرق كثيرة جدًا لجزيئات الهواء لترتيب نفسها في جميع أنحاء الغرفة أكثر مما لو كانت مجمعة في زاوية ، على سبيل المثال. نتيجة لذلك ، يتوقع المرء أن تنتشر جزيئات الهواء (وتبقى منتشرة). تصبح الحقيقة الواضحة بأن النتائج المحتملة محتملة ، والتي تمت صياغتها بلغة الفيزياء ، هي القانون الثاني الشهير للديناميكا الحرارية: أن الانتروبيا الكلية لنظام ما تميل إلى النمو.
كان التشابه مع تكامل المسار واضحًا: في الديناميكا الحرارية ، تضيف كل التكوينات الممكنة للنظام. وباستخدام تكامل المسار ، يمكنك إضافة جميع المسارات الممكنة التي يمكن أن يسلكها النظام. هناك تمييز واحد صارخ إلى حد ما: الديناميكا الحرارية تتعامل في الاحتمالات ، وهي أرقام موجبة تجمع معًا بشكل مباشر. ولكن في المسار المتكامل ، يكون الرقم المخصص لكل مسار معقدًا ، مما يعني أنه يتضمن الرقم التخيلي i، الجذر التربيعي للعدد −1. يمكن أن تنمو الأرقام المعقدة أو تتقلص عند إضافتها معًا - مما يسمح لها بالتقاط الطبيعة الموجية للجسيمات الكمومية ، والتي يمكن أن تتحد أو تلغي.
ومع ذلك ، وجد علماء الفيزياء أن تحولًا بسيطًا يمكن أن يأخذك من عالم إلى آخر. اجعل الوقت خياليًا (حركة تُعرف باسم دوران الفتيل بعد الفيزيائي الإيطالي جيان كارلو ويك) ، وثانية i يدخل تكامل المسار الذي يستنشق الأول ، ويحول الأرقام التخيلية إلى احتمالات حقيقية. استبدل متغير الوقت بعكس درجة الحرارة ، وستحصل على معادلة ديناميكية حرارية معروفة.
أدت خدعة Wick هذه إلى اكتشاف مذهل بواسطة Hawking و Gibbons في عام 1977 ، في نهاية سلسلة من الاكتشافات النظرية حول المكان والزمان.
إنتروبيا الزمان والمكان
قبل عقود من الزمن ، كشفت نظرية النسبية العامة لأينشتاين أن المكان والزمان معًا يشكلان نسيجًا موحدًا للواقع - الزمكان - وأن قوة الجاذبية هي في الحقيقة ميل للأشياء لاتباع ثنيات الزمكان. في الظروف القصوى ، يمكن للزمكان أن ينحني بشدة بما يكفي لإنشاء ألكاتراز لا مفر منه يُعرف بالثقب الأسود.
في عام 1973 ، جاكوب بيكينشتاين تقدم بدعة أن الثقوب السوداء هي سجون كونية غير كاملة. لقد رأى أن الهاوية يجب أن تمتص إنتروبيا وجباتهم ، بدلاً من حذف هذه الإنتروبيا من الكون وانتهاك القانون الثاني للديناميكا الحرارية. ولكن إذا كان للثقوب السوداء إنتروبيا ، فيجب أن يكون لها أيضًا درجات حرارة ويجب أن تشع حرارة.
حاول ستيفن هوكينج المتشكك إثبات خطأ Bekenstein ، فشرع في حساب معقد لكيفية تصرف الجسيمات الكمومية في الزمكان المنحني للثقب الأسود. لدهشته ، في عام 1974 هو وجدت أن الثقوب السوداء تشع بالفعل. عملية حسابية أخرى أكد تخمين Bekenstein: إن للثقب الأسود إنتروبيا تساوي ربع مساحة أفق الحدث - نقطة اللاعودة لجسم مغمور.
المُقدّمة
في السنوات التي تلت ، الفيزيائيان البريطانيان جيبونز ومالكولم بيري ، ولاحقًا جيبونز وهوكينج ، وصل في نفس النتيجة تبدأ من اتجاه آخر. لقد أقاموا مسارًا متكاملًا ، حيث يضيفون من حيث المبدأ جميع الطرق المختلفة التي قد ينحني بها الزمكان لتكوين ثقب أسود. بعد ذلك ، قاموا بتدوير الثقب الأسود بواسطة الفتيل ، وتحديد تدفق الوقت بأرقام خيالية ، وتفحصوا شكله. اكتشفوا أنه في الاتجاه الزمني الخيالي ، عاد الثقب الأسود بشكل دوري إلى حالته الأولية. أعطى هذا التكرار الشبيه بيوم جرذ الأرض في وقت وهمي الثقب الأسود نوعًا من الركود الذي سمح له بحساب درجة حرارته وانتروبيا.
ربما لم يكونوا يثقون في النتائج إذا لم تتطابق الإجابات بدقة مع تلك التي تم حسابها مسبقًا بواسطة Bekenstein و Hawking. بحلول نهاية العقد ، كان عملهم الجماعي قد أسفر عن فكرة مذهلة: إن إنتروبيا الثقوب السوداء تشير إلى أن الزمكان نفسه مكون من قطع صغيرة قابلة لإعادة الترتيب ، تمامًا كما يتكون الهواء من جزيئات. وبأعجوبة ، حتى من دون معرفة ماهية "ذرات الجاذبية" ، يمكن للفيزيائيين عد ترتيباتهم من خلال النظر إلى ثقب أسود في زمن خيالي.
قال هيرتوج ، طالب الدراسات العليا السابق في هوكينج والمتعاون منذ فترة طويلة ، "إنها تلك النتيجة التي تركت انطباعًا عميقًا وعميقًا على هوكينج". تساءل هوكينج على الفور عما إذا كان دوران الفتيل سيعمل لأكثر من مجرد الثقوب السوداء. قال هيرتوج: "إذا كانت هذه الهندسة تلتقط خاصية كمومية للثقب الأسود ، فلا يقاوم أن تفعل الشيء نفسه مع الخصائص الكونية للكون بأسره".
عد كل الأكوان الممكنة
على الفور ، قام هوكينج وجيبونز ويك بتدوير واحد من أبسط الأكوان التي يمكن تخيلها - واحد لا يحتوي على شيء سوى الطاقة المظلمة المدمجة في الفضاء نفسه. هذا الكون الفارغ المتسع ، المسمى بـ "زمكان دي سيتر" ، له أفق يتوسع بعده الفضاء بسرعة كبيرة بحيث لا تصل أي إشارة من هناك إلى أي مراقب في مركز الفضاء. في عام 1977 ، حسب جيبونز وهوكينج أن كون دي سيتر ، مثله مثل الثقب الأسود ، له أيضًا إنتروبيا تساوي ربع مساحة أفقه. مرة أخرى ، يبدو أن الزمكان يحتوي على عدد لا يحصى من الدول الصغيرة.
لكن إنتروبيا الكون الفعلي ظلت مسألة مفتوحة. كوننا ليس فارغا. تزخر بالضوء المشع وتيارات المجرات والمادة المظلمة. قاد الضوء توسعًا سريعًا للفضاء خلال فترة شباب الكون ، ثم أدت جاذبية المادة إلى إبطاء الأشياء إلى الزحف خلال فترة المراهقة الكونية. الآن يبدو أن الطاقة المظلمة قد استولت ، مما أدى إلى التوسع الجامح. قال هيرتوج: "إن تاريخ التوسع هو طريق وعر". "الحصول على حل واضح ليس بهذه السهولة."
على مدار العام الماضي أو نحو ذلك ، قام بويل وتوروك ببناء مثل هذا الحل الصريح. أولاً ، في كانون الثاني (يناير) ، بينما كانوا يلعبون بلعبة الكوسمولوجيا ، هم لاحظت أن إضافة الإشعاع إلى زمكان دي سيتر لا يفسد البساطة المطلوبة لتدوير الكون.
ثم اكتشفوا خلال الصيف أن هذه التقنية ستقاوم حتى التضمين الفوضوي للمادة. لا يزال المنحنى الرياضي الذي يصف تاريخ التوسع الأكثر تعقيدًا يقع في مجموعة معينة من الوظائف سهلة التعامل ، وظل عالم الديناميكا الحرارية متاحًا. قال "دوران الفتيل هذا عمل غامض عندما تبتعد عن الزمكان المتماثل للغاية" جيلهيرم ليت بيمينتيل، عالم الكونيات في Scuola Normale Superiore في بيزا ، إيطاليا. "لكنهم تمكنوا من العثور عليه."
من خلال دوران Wick لتاريخ توسع الأفعوانية لفئة أكثر واقعية من الأكوان ، حصلوا على معادلة أكثر تنوعًا للإنتروبيا الكونية. بالنسبة لمجموعة واسعة من الكواكب الكونية المحددة بالإشعاع والمادة والانحناء وكثافة الطاقة المظلمة (بقدر ما تحدد مجموعة درجات الحرارة والضغوط بيئات مختلفة ممكنة للغرفة) ، فإن الصيغة تبث عدد الدول المجهرية المقابلة. نشر توروك وبويل نتائجهم عبر الإنترنت في أوائل أكتوبر.
المُقدّمة
أشاد الخبراء بالنتيجة الكمية الصريحة. لكن من معادلة الانتروبيا الخاصة بهم ، توصل بويل وتورك إلى استنتاج غير تقليدي حول طبيعة كوننا. قال هيرتوج: "هذا هو المكان الذي يصبح فيه الأمر أكثر إثارة للاهتمام ، وأكثر إثارة للجدل قليلاً".
يعتقد بويل وتوروك أن المعادلة تجري إحصاءً لجميع التواريخ الكونية التي يمكن تصورها. تمامًا كما تحسب إنتروبيا الغرفة جميع طرق ترتيب جزيئات الهواء لدرجة حرارة معينة ، فإنهم يشكون في أن إنتروبياهم تحسب جميع الطرق التي قد يخلط المرء بها ذرات الزمكان ولا يزال ينتهي بكون له تاريخ إجمالي معين ، الانحناء وكثافة الطاقة المظلمة.
يشبه بويل هذه العملية بمسح كيس ضخم من الكرات ، كلٌ منها في كون مختلف. أولئك الذين لديهم انحناء سلبي قد يتحولون إلى اللون الأخضر. أولئك الذين لديهم أطنان من الطاقة المظلمة قد يكونون عيون القطط ، وما إلى ذلك. يكشف تعدادهم أن الغالبية العظمى من الرخام لها لون واحد فقط - الأزرق ، على سبيل المثال - يتوافق مع نوع واحد من الكون: واحد مثل كوننا على نطاق واسع ، مع عدم وجود انحناء ملموس وبمجرد لمسة من الطاقة المظلمة. تتلاشى الأنواع الغريبة من الكون. بعبارة أخرى ، قد لا تكون سمات الفانيليا الغريبة لكوننا والتي حفزت عقودًا من التنظير حول التضخم الكوني والكون المتعدد غريبة على الإطلاق.
قال هيرتوج: "إنها نتيجة مثيرة للغاية". لكنها "تثير أسئلة أكثر مما تجيب".
عد الارتباك
قام بويل وتوروك بحساب معادلة تحسب الأكوان. وقد قدموا ملاحظة مذهلة مفادها أن أكوانًا مثل كوننا تبدو مسؤولة عن نصيب الأسد من الخيارات الكونية التي يمكن تصورها. لكن هذا هو المكان الذي ينتهي فيه اليقين.
لم يحاول الثنائي شرح ما قد تجعل نظرية الكم للجاذبية وعلم الكونيات أكوانًا معينة شائعة أو نادرة. كما أنها لا تشرح كيف نشأ كوننا ، بتكوينه الخاص للأجزاء المجهرية. في نهاية المطاف ، يرون في حساباتهم دليلًا على تفضيل أنواع الأكوان أكثر من أي شيء قريب من نظرية كاملة لعلم الكونيات. قال توروك: "ما استخدمناه هو حيلة رخيصة للحصول على إجابة دون معرفة ما هي النظرية".
يعمل عملهم أيضًا على تنشيط السؤال الذي لم تتم الإجابة عليه منذ أن بدأ جيبونز وهوكينغ لأول مرة العمل بأكمله في إنتروبيا الزمكان: ما هي بالضبط الدول الصغيرة التي تحسبها الحيلة الرخيصة؟
"الشيء الرئيسي هنا هو أن نقول إننا لا نعرف ما يعنيه هذا الانتروبيا ،" قال هنري ماكسفيلد، عالم فيزياء في جامعة ستانفورد يدرس نظريات الكم للجاذبية.
إن الانتروبيا في جوهرها تغلف الجهل. بالنسبة لغاز مصنوع من جزيئات ، على سبيل المثال ، يعرف الفيزيائيون درجة الحرارة - متوسط سرعة الجسيمات - ولكن ليس ما يفعله كل جسيم ؛ تعكس إنتروبيا الغاز عدد الخيارات.
بعد عقود من العمل النظري ، يتقارب الفيزيائيون حول صورة مماثلة للثقوب السوداء. يعتقد العديد من المنظرين الآن أن منطقة الأفق تصف جهلهم بالأشياء التي سقطت فيها - كل الطرق لترتيب اللبنات الأساسية للثقب الأسود داخليًا لتتناسب مع مظهره الخارجي. (لا يزال الباحثون لا يعرفون ما هي الدول المجهرية في الواقع ؛ تتضمن الأفكار تكوينات للجسيمات تسمى الجرافيتونات أو سلاسل نظرية الأوتار).
ولكن عندما يتعلق الأمر بالانتروبيا في الكون ، يشعر الفيزيائيون بقدر أقل من اليقين بشأن أين يكمن جهلهم.
في أبريل ، حاول اثنان من المنظرين وضع الإنتروبيا الكونية على أساس رياضي أكثر ثباتًا. تيد جاكوبسون، عالم فيزياء في جامعة ماريلاند اشتهر باشتقاق نظرية أينشتاين للجاذبية من الديناميكا الحرارية للثقب الأسود ، وطالبته بتول بانيهاشمي. محددة صراحة إنتروبيا كون دي سيتر (شاغر ومتوسع). لقد تبنوا وجهة نظر المراقب في المركز. تقنيتهم ، التي تضمنت إضافة سطح وهمي بين المراقب المركزي والأفق ، ثم تقليص السطح حتى وصل إلى المراقب المركزي واختفى ، استعادوا إجابة جيبونز وهوكينج التي تقول إن الانتروبيا تساوي ربع مساحة الأفق. وخلصوا إلى أن إنتروبيا دي سيتر تحسب كل الحالات الدقيقة الممكنة داخل الأفق.
قام Turok و Boyle بحساب نفس الانتروبيا مثل Jacobson و Banihashemi للكون الفارغ. لكن في حساباتهم الجديدة المتعلقة بكون واقعي مليء بالمادة والإشعاع ، حصلوا على عدد أكبر بكثير من الدول المجهرية - يتناسب مع الحجم وليس المساحة. في مواجهة هذا الصدام الظاهر ، يتكهنون بأن الأنتروبيا المختلفة تجيب على أسئلة مختلفة: إن إنتروبيا دي سيتر الأصغر تحسب الدول الدقيقة من الزمكان الصافي الذي يحده أفق ، في حين أنهم يشكون في إنتروبياهم الأكبر التي تحسب جميع الحالات الدقيقة للزمكان المليء بالزمان. المادة والطاقة ، داخل الأفق وخارجه. قال توروك: "إنه كل شيء".
في النهاية ، سيتطلب حل مسألة ما يحسبه بويل وتوروك تعريفًا رياضيًا أكثر وضوحًا لمجموعة الدول الصغرى ، على غرار ما فعله جاكوبسون وبانيهاشمي لمساحة دي سيتر. قالت بانيهاشمي إنها تنظر إلى حسابات بويل وتوروك للإنتروبيا "كإجابة على سؤال لم يتم فهمه بالكامل بعد."
أما بالنسبة للإجابات الأكثر ثباتًا على السؤال "لماذا هذا الكون؟" ، يقول علماء الكونيات إن التضخم والكون المتعدد أبعد ما يكون عن الموت. لقد توصلت نظرية التضخم الحديثة ، على وجه الخصوص ، إلى حل أكثر من مجرد سلاسة الكون وانطوائه. تتطابق ملاحظات السماء مع العديد من تنبؤاتها الأخرى. قال بيمنتل إن حجة الانتروبيا لدى توروك وبويل قد اجتازت اختبارًا أولًا ملحوظًا ، لكن سيتعين عليها تثبيت بيانات أخرى أكثر تفصيلاً لتنافس التضخم بجدية أكبر.
بما يتناسب مع الكمية التي تقيس الجهل ، فإن الألغاز المتجذرة في الإنتروبيا كانت بمثابة نذير فيزياء غير معروفة من قبل. في أواخر القرن التاسع عشر ، ساعد الفهم الدقيق للإنتروبيا من حيث الترتيبات المجهرية في تأكيد وجود الذرات. اليوم ، الأمل هو أنه إذا تمكن الباحثون الذين يحسبون الانتروبيا الكونية بطرق مختلفة من تحديد الأسئلة التي يجيبون عليها بالضبط ، فإن هذه الأرقام ستوجههم نحو فهم مشابه لكيفية تراكم مكعبات الليغو للزمان والمكان لخلق الكون الذي يحيط بنا.
قال توروك: "ما تفعله حساباتنا هو توفير حافز إضافي ضخم للأشخاص الذين يحاولون بناء نظريات مجهرية عن الجاذبية الكمية". "لأن الاحتمال هو أن هذه النظرية ستفسر في النهاية هندسة الكون على نطاق واسع."
