يحتوي على نسبة عشوائية “إنتروبيا” كبيرة.. كوننا ليس مميزًا بل هو مجرد فقاعة

اكتشف اثنان من علماء الفيزياء أن كوننا يحتوي على نسبة عشوائية "إنتروبيا" أعلى-وبالتالي أكثر احتمالًا- من الأكوان البديلة المحتملة الممكنة. حيث أمضى علماء الكونيات عقودًا من الزمن وهم يسعون جاهدين لفهم سبب خلوّ كوننا من أي إثارة. ليس فقط سلسًا ومسطحًا بقدر ما يمكننا رؤيته، ولكنه أيضًا يتوسع بوتيرة متزايدة ببطء شديد، على الرغم من إشارة الحسابات البسيطة أنه -وبعد الخروج من الانفجار العظيم- كان يجب أن يتداعى الفضاء بفعل الجاذبية وينفجر بفعل الطاقة المظلمة.

لتفسير سبب رتابة/تسطيح الكون، أضاف الفيزيائيون فصلًا افتتاحيًا مثيرًا للتاريخ الكوني: اقترحوا أن الفضاء تضخم بسرعة مثل البالون في بداية الانفجار العظيم، ما أدى إلى التخلص من أي انحناء. ولتفسير النمو المعتدل للفضاء بعد موجة التضخم الأولية، جادل البعض بأن كوننا هو واحد من بين العديد من الأكوان الأقل ملاءمة/جاذبية في كون متعدد عملاق.

ولكن قام الآن اثنان من علماء الفيزياء بقلب التفكير التقليدي حول كوننا الخالي من الإثارة رأسًا على عقب. بعد سلسلة من الأبحاث التي بدأها "ستيفن هوكينج" و"جاري جيبونز" في عام 1977، نشر الثنائي حسابًا جديدًا يشير إلى أن بساطة الكون هو شيء متوقع وليس نادرًا. كوننا هو ما هو عليه، وفقًا ل "نيل توروك" من جامعة إدنبرة و"لاثام بويل" من معهد بيرميتر للفيزياء النظرية في واترلو، كندا، لنفس السبب الذي ينتشر فيه الهواء بالتساوي في جميع أنحاء الغرفة: خيارات أكثر غرابة ممكنة ولكنها غير محتملة.

قال توماس هيرتوج، عالم الكونيات بجامعة لوفين الكاثوليكية في بلجيكا، إن الكون "قد يبدو دقيقًا للغاية، ومستبعدًا بشكل كبير، لكنهم يقولون "انتظروا لحظة، إنه المفضل" قال ستيفن جيلين ، عالم الكونيات بجامعة شيفيلد في المملكة المتحدة: "إنها مساهمة جديدة تستخدم طرقًا مختلفة مقارنة بما يفعله معظم الناس".

يستند الاستنتاج المثير إلى خدعة رياضية تتضمن التبديل إلى ساعة تدق بأرقام خيالية. باستخدام الساعة التخيلية، كما فعل هوكينج في السبعينيات، يمكن لتورك وبويل حساب كمية، تُعرف بـ "الإنتروبيا"، يبدو أنها تتوافق مع كوننا. لكن خدعة الوقت الخيالية هي طريقة ملتوية لحساب "الإنتروبيا"، ومن دون طريقة أكثر صرامة، يظل معنى الكم موضع نقاش ساخن. بينما يحاول الفيزيائيون فهم التفسير الصحيح لحساب "الإنتروبيا" يرى الكثيرون أنه دليل جديد على الطريق إلى الطبيعة الكمية الأساسية للمكان والزمان.

قالت جيلين: "بطريقة ما، يمنحنا ذلك فرصة لرؤية البنية المجهرية للزمكان."

يشتهر توروك وبويل، المتعاونان الدائمان، بابتكار أفكار إبداعية وغير تقليدية حول علم الكونيات. في العام الماضي، لدراسة مدى احتمالية كوننا، لجآ إلى تقنية طورها الفيزيائي ريتشارد فاينمان في الأربعينيات. بهدف التقاط السلوك الاحتمالي للجسيمات، تخيل "فاينمان" 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 حساب توروك وبويل.

تستفيد الديناميكا الحرارية من قوة الإحصائيات بحيث يمكنك استخدام عدد قليل فقط من الأرقام لوصف نظام ذي أجزاء كثيرة، مثل جزيئات الهواء الهائلة 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 الحالة الماكروية هي حساب خام. يمكن ترتيب جزيئات الهواء بعدد هائل من الطرق التي تتوافق جميعها مع نفس الحالة الكلية. ادفع ذرة أكسجين قليلًا إلى اليسار، ولن تتزحزح درجة الحرارة. يُعرف كل تكوين مجهري فريد باسم ميكروستات، وعدد الميكروستات المقابلة لماكروستات معين يحدد الإنتروبيا الخاصة بها.

يمنح الإنتروبيا الفيزيائيين طريقة حادة لمقارنة احتمالات النتائج المختلفة: كلما ارتفعت إنتروبيا المكروستات، زادت احتمالية ذلك. هناك طرق أكثر بكثير 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 الإنتروبيا 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. لكن في المسار المتكامل، يكون الرقم المخصص لكل مسار معقدًا، ما يعني أنه يتضمن الرقم التخيلي "أ" الجذر التربيعي لـ 1. يمكن أن تنمو الأعداد المعقدة أو تتقلص عند إضافتها معًا - ما يسمح لها بالتقاط الطبيعة الموجية للجسيمات الكمية، والتي يمكن أن تتحد أو يتم حذفها.

ومع ذلك، وجد علماء الفيزياء أن تحولًا بسيطًا يمكن أن يأخذك من عالم إلى آخر. اجعل الوقت خياليًا (حركة تُعرف باسم دوران الفتيل على اسم الفيزيائي الإيطالي جيان كارلو ويك) وثانيًا أدخل المسار المتكامل الذي ينهي الأول، ما يحوّل الأرقام التخيلية إلى احتمالات حقيقية. استبدل متغير الوقت بعكس درجة الحرارة ، وستحصل على معادلة ديناميكية حرارية معروفة.

أدت خدعة "ويك" إلى اكتشاف مذهل بواسطة "هوكينج" و"جيبسون" في عام 1977، في نهاية سلسلة من الاكتشافات النظرية حول المكان والزمان.

قبل عقود من الزمان، كشفت نظرية النسبية العامة لأينشتاين أن المكان والزمان معًا يشكلان نسيجًا موحدًا للواقع -الزمكان- وأن قوة الجاذبية هي في الحقيقة ميل الأجسام لاتباع ثنايا الزمكان. في الظروف القصوى، يمكن للزمكان أن ينحني بشدة بما يكفي لإنشاء ألكاتراز لا مفر منه يُعرف بالثقب الأسود.

في عام 1973، قدم جاكوب بيكينشتاين بدعة أن الثقوب السوداء هي سجون كونية غير كاملة. لقد رأى أن الهاوية يجب أن تمتص إنتروبيا وجباتهم، بدلًا 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 أن "بيكينشتاين" على خطأ، فشرع في حساب معقد لكيفية تصرف الجسيمات الكمية في الزمكان المنحني للثقب الأسود. ولدهشته، اكتشف في عام 1974 أن الثقوب السوداء تشع بالفعل. أكدت عملية حسابية أخرى تخمين بيكينشتاين: يحتوي الثقب الأسود على إنتروبيا تساوي ربع مساحة أفق الحدث - نقطة اللاعودة لجسم مغمور.

في السنوات التي تلت ذلك، توصل الفيزيائيان البريطانيان "مالكولم بيري" و"جيبونز"، ولاحقًا جيبونز وهوكينج، إلى نفس النتيجة 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 بعيد فأر الأرض في وقت وهمي الثقب الأسود نوعًا من الركود الذي سمح له بحساب درجة حرارته والإنتروبيا الخاصة به.

ربما لم يكونوا ليثقوا في النتائج إذا لم تتطابق الإجابات بدقة مع تلك التي تم حسابها مسبقًا بواسطة بيكينشتاين وهوكينج. 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، الطالب السابق لهوكينج ومعاونه لفترة طويلة: "هذه النتيجة هي التي تركت انطباعًا عميقًا وعميقًا على هوكينج". تساءل هوكينج على الفور عما إذا كان دوران ويك سيعمل لأكثر من مجرد الثقوب السوداء. قال هيرتوج: "إذا كانت هذه الهندسة تلتقط خاصية كمية للثقب الأسود ، فلا يمكن مقاومة أن تفعل الشيء نفسه مع الخصائص الكونية للكون بأسره."

على الفور، قام هوكينج وجيبونز (ويك بتدوير) واحد من أبسط الأكوان التي يمكن تخيلها - لا يحتوي على شيء سوى الطاقة المظلمة الموجودة 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 ميكروستات.

لكن إنتروبيا الكون الفعلي ظلت مسألة مفتوحة. كوننا ليس فارغًا. إنما يزخر 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 سيطرت، ما أدى إلى التوسع الجامح. قال هيرتوج: "إن تاريخ التوسع هو طريق وعر". "الحصول على حل واضح ليس بهذه السهولة."

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 جيلهيرم لايت بيمنتل، عالم الكونيات في سكولا نورمال سوبريور في بيزا، إيطاليا: "إن دوران ويك هذا هو عمل غامض عندما تبتعد عن الزمكان المتماثل للغاية". "لكنهم تمكنوا من العثور عليه."

من خلال دوران ويك 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 محتملة للغرفة)، فإن الصيغة تبث عدد الدول المجهرية المقابلة. نشر تورك وبويل نتائجهم على الإنترنت في أوائل أكتوبر.

أشاد الخبراء بالنتيجة الكمية الصريحة. لكن من معادلة الإنتروبيا 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 الإنتروبيا الخاصة بهم تحسب جميع الطرق التي قد يخلط المرء بها ذرات الزمكان ولا يزال ينتهي الأمر بكون له تاريخ إجمالي معين، وانحناء وكثافة الطاقة المظلمة.

يشبه بويل هذه العملية بفحص 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 الكرات لها لون واحد فقط - أزرق، على سبيل المثال - يتوافق مع نوع واحد من الكون: كون 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 الرتابة الغريبة لكوننا والتي حفزت عقودًا من التنظير حول التضخم الكوني والكون المتعدد غريبة على الإطلاق.

قال هيرتوج: "إنها نتيجة مثيرة للاهتمام للغاية". لكنها "تثير أسئلة أكثر مما تجيب."

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. ولكن هذا هو المكان الذي ينتهي فيه اليقين. لم يحاول الثنائي شرح ما قد يجعل 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 خدعة رخيصة للحصول على إجابة دون معرفة ما هي النظرية."

يقوم عملهم أيضًا بتنشيط السؤال الذي لم تتم الإجابة عليه منذ أن بدأ جيبونز وهوكينغ لأول مرة العمل بأكمله في إنتروبيا الزمكان: ما هي بالضبط الميكروستات التي تحسبها الحيلة الرخيصة؟ قال هنري ماكسفيلد، الفيزيائي في جامعة ستانفورد الذي يدرس نظريات الكم في الجاذبية: "الشيء الأساسي هنا هو أن نقول إننا لا نعرف ما تعنيه هذه الإنتروبيا."

إن الإنتروبيا في جوهرها تغلف الجهل. بالنسبة لغاز مكون 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 طرق الترتيب الداخلي للكتل الأساسية للثقب الأسود لتتناسب مع مظهره الخارجي. (لا يزال الباحثون لا يعرفون ما هي الميكروستات في الواقع ؛ تتضمن الأفكار تكوينات للجسيمات تسمى الجرافيتونات أو سلاسل نظرية الأوتار).

ولكن عندما يتعلق الأمر بالإنتروبيا 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، وعرّفت طالبته بتول بانيهاشمي بشكل صريح إنتروبيا كون دي سيتر (شاغر ومتوسع). لقد تبنّيا وجهة نظر المراقب في المركز. تقنيتهما، التي تضمنت إضافة سطح وهمي بين المراقب المركزي والأفق، ثم تقليص السطح حتى وصل إلى المراقب المركزي واختفى، استعادا إجابة جيبونز وهوكينج التي تقول إن الإنتروبيا تساوي ربع مساحة الأفق. وخلصا إلى أن إنتروبيا دي سيتر تحسب كل الحالات الدقيقة الممكنة داخل الأفق.

قام تورك وبويل بحساب نفس الإنتروبيا مثل جاكوبسون وبانيهاشمي، للكون الفارغ. لكن في حساباتهم الجديدة المتعلقة بكون واقعي مليء بالمادة والإشعاع، حصلوا على عدد أكبر بكثير من الميكروستات - يتناسب مع الحجم وليس المساحة. في مواجهة هذا الصدام الظاهر، يتكهنون بأن الإنتروبيا المختلفة تجيب عن 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 الميكروستات للزمكان المليء بالزمان. المادة والطاقة ، داخل الأفق وخارجه. قال توروك: "إنه الأمر برمته."

في النهاية، سيتطلب حل مسألة ما يحسبه بويل وتوروك تعريفًا رياضيًا أكثر وضوحًا لمجموعة الميكروستات، على غرار ما فعله جاكوبسون وبانيهاشمي لفضاء دي سيتر. قالت بانيهاشمي إنها تنظر إلى حساب بويل وتوروك للإنتروبيا "كإجابة عن سؤال لم يتم فهمه بالكامل بعد."

أما بالنسبة للإجابات الأكثر رسوخًا على السؤال "لماذا هذا الكون؟" يقول علماء الكونيات إن التضخم والأكوان المتعددة بعيدة كل البعد عن الموت. لقد توصلت نظرية التضخم الحديثة، على وجه الخصوص، إلى حل أكثر من مجرد سلاسة الكون وانطوائه. تتطابق عمليات رصد السماء مع العديد من تنبؤاتها الأخرى. قال بيمنتل إن حجة الإنتروبيا التي طرحها توروك وبويل قد اجتازت اختبارًا أوليًا ملحوظًا، لكن سيتعين عليها تثبيت بيانات أخرى أكثر تفصيلًا 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 الإنتروبيا الكونية بطرق مختلفة من تحديد الأسئلة التي يجيبون عنها 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."