ما هو الزمكان

في القرن التاسع عشر بدت الفيزياء كأنها في ذروتها حتى أن العديد من الناس قالوا إنه لا يوجد شيءٌ جديدٌ يمكن اكتشافه في الفيزياء الآن كل ما تبقى هو الحصول على قياساتٍ أكثر وأكثر دقةً، حتى ظهر مفهوم الزمكان الذي حاول ربط مفهومي الزمان والمكان مع بعضهما، فما هو الزمكان؟

الزمكان في الفيزياء هو مصطلحٌ يربط مفهوم المكان (الفضاء) والزمن معاً قام باقتراحه لأول مرةٍ العالم الرياضي هيرمان مينكوفسكي في عام 1908 لإعادة صياغة نظرية النسبية الخاصة بألبرت أينشتاين.

دائماً ما اعتبر الناس الفضاء الخارجي بأنه مجرد فراغٍ بعكس حقيقته فهو يعد خلفيةً لكل شيءٍ آخر وبنفس الطريقة اعتبر الوقت دليلًا للاستمرار، لكن إذا عمل الفيزيائيون من أجل توحيد نظيراتهم فإن المكان والزمن يكونان نظام مركبٍ مذهلٍ يتحدى جهدنا الدائم للفهم.

في عام 1916 بعد عامٍ من صياغة نظرية النسبية العامة من قبل ألبرت اينشتاين التي تفترض أن الجاذبية ليست عبارةً عن قوةٍ تنتشر عبر الفضاء وإنما هي صفةٌ من صفات الزمكان نفسه، عند رمي كرةً بالهواء لمسافةٍ عاليةٍ فإنها سوف تعود إلى الأرض بشكلٍ منحنيٍّ لأن الأرض تعمل على شويه الزمكان المحيط بها بحيث تتقاطع مسارات الكرة والأرض مرةً أخرى، فكر آينشتاين بعد ذلك بدمج نظريته النسبية مع أفكاره الأخرى لكن هذا لن يشوه الفضاء فقط وإنما سيعمل على تفكيكه أما رياضيًا فلم يكن يعرف من أين يبدأ فكتب في رسالةٍ إلى صديقه: "كم ابتليت نفسي بهذه الطريقة بالفعل!"

يمكن توضيح المشكلة التي تواجه علماء الفيزياء باستخدام مغناطيس المطبخ لكونه يستطيع تحدي الجاذبية ورفع لقاطة ورق متحديًّا الجاذبية الأرضية أي أن الجاذبية أضعف من المغنطة ومن القوى الكهربائية، مهما كانت درجة ضعف التأثيرات الكمومية يبقى الدليل الوحيد الملموس لحدوث هذه العمليات هو النمط المنقط للمادة في الكون المبكر للغاية الناجم بشكلٍ جزئيٍّ عن تقلبات الكم في حقل الجاذبية.

تعد الثقوب السوداء أفضل حالةً لاختبار جاذبية الكم، نظرية النسبية تتنبأ بأن المادة التي تسقط ضمن الثقب الأسود تصبح مضغوطةً بشكلٍ كبيرٍ مع اقترابها من المركز، الأمر الذي يعد طريقًا مسدودًا رياضيًا بمصطلح يسمى المتفرد حيث لا يمكن للعلماء استقراء مسار الكائن ما وراء المتفرد وأن خطه الزمني ينتهي هناك، كما أن التحدث عن مصطلح "هناك" يمثل بحد ذاته مشكلة كون الزمكان الذي يحدد موقع المتفرد لن يبقى موجود أصلًا، أما خارج حدود الثقب فإن المادة لن تكون مضغوطةً بشكلٍ كبيرٍ والجاذبية ستكون أضعف لكن يجب أن تظل قوانين الفيزياء المعروفة قائمةً بجميع الحالات.

وبالتالي فمن المحير للغاية أنها ليست كذلك حيث يتم ترسيم الثقب الأسود من خلال أفق الحدث أو ما يسمى نقطة اللاعودة، حيث لا يمكن للمادة التي تقع فيه أن تعود مطلقًا فهو نفقٌ لا رجعةً فيه، هذا الأمر يشكل مشكلةً كبيرةً لأن جميع قوانين الفيزياء الأساسية المعروفة والمفهومة بشكلٍ عام يتم عكسها من حيث المبدأ على الأقل (يجب أن تكون قادرًا على عكس حركة جميع الجزيئات واستعادة ما كان لديك).

في أواخر القرن الثامن عشر واجه العلماء مشكلةً مشابهةً عندما فكروا بأن رياضيات الجسم الأسود مثاليةٌ لتجويفٍ مليءٍ بالإشعاعات الكهرومغناطيسية حيث تنبأت نظرية جيمس كليرك ماكسويل الكهرومغناطيسية أن مثل هذا الجسم سوف يمتص جميع الإشعاعات التي تؤثر عليه وأنه لا يمكن أبدًا أن يتوازن مع المادة المحيطة به، وضح العالم رافائيل سوركين (معهد المحيط للفيزياء النظرية في أونتاريو) ذلك بقوله : "سوف يمتص كميةً لا حصر لها من الحرارة من خزانٍ يتم الحفاظ عليه عند درجة حرارة ثابتة"، من الناحية الحرارية ستكون درجة حرارة الصفر المطلق فعالةً، لكن هذا الاستنتاج يتناقض مع مراقبات الأجسام السوداء الواقعية، بين أينشتاين بعد متابعة عمل ماكس بلانك أن الجسم الأسود يمكنه الوصول إلى التوازن الحراري إذا كانت الطاقة الإشعاعية تأتي في وحداتٍ منفصلةٍ أو كوانتا.

منذ نصف قرن تقريبًا يعمل علماء الفيزياء النظرية للوصول إلى حلٍ متكافئٍ لوصف الثقوب السوداء حيث طبق ستيفن هوكينج نظرية الكم على حقل الإشعاع حول الثقوب وأظهر أن لديها درجة حرارةٍ غير صفريةٍ وبالتالي لا تستطيع هذه الثقوب امتصاص الطاقة فقط ولكن أيضًا يمكن أن تنبعث منها الطاقة، لكن بالرغم من أن تحليله قام بجلب الثقوب السوداء إلى داخل الديناميك الحراري، إلا أنه أدى إلى تعميق مشكلة اللاعودة حيث أن الإشعاع الذي يصدر من خارج حدود الثقب ينبعث مباشرةً دون أن يحمل أي معلوماتٍ من الداخل إنما هو عبارةٌ عن طاقةٍ حراريةٍ عشوائيةٍ.

لكن إذا قلبت العملية وتم تغذيته بالطاقة مرةً أخرى فلن تظهر أي من الأشياء التي سقطت وإنما ستزود بالمزيد من الحرارة فقط ولا يمكن التأكد بأن الأشياء الأصلية لا تزال موجودةً محاصرةً داخل الثقب، لأن الثقب عندما ينبعث منه الإشعاع يتقلص ليختفي في النهاية وفقًا لتحليل هوكينج، سميت هذه المشكلة بمفارقة المعلومات لأن الثقب الأسود يدمر المعلومات المتعلقة بالجزيئات التي مرت به والتي تتيح التراجع عن حركتها وإذا كانت فيزياء الثقب الأسود قابلةً للانعكاس فعليًّا فيجب أن يقوم شيءٌ ما بنقل المعلومات مرةً أخرى وقد يحتاج مفهومنا للزمكان إلى التغيير للسماح بذلك.

تعد الحرارة عبارةً عن الحركة العشوائية للأجزاء المجهرية مثل جزيئات الغاز نظرًا لأن الثقوب السوداء يمكن أن ترتفع درجة حرارتها وتبرد وبالتالي يمكن أن تحتوي على أجزاءٍ (بنية مجهرية)، وبما أن الثقب الأسود هو مجرد مساحةٍ فارغةٍ فيجب أن تكون أجزاء الثقب هي أجزاءٌ من المكان نفسه، لكن كما يبدو أنه عبارةٌ عن مساحةٍ واسعةٍ خاليةٍ إلا أنه يحتوي على تعقيداتٍ هائلةٍ، حتى النظريات التي انطلقت للحفاظ على الفكرة التقليدية عن الزمكان انتهت إلى استنتاج مفاده أن شيئًا ما يكمن وراء الواجهة المتميزة للزمكان، مثلاً سعى ستيفن وينبرغ في أواخر سبعينيات القرن الماضي إلى وصف الجاذبية بنفس طريقة وصف القوى الطبيعية الأخرى ووجد أنه لا يزال الزمكان يتغير بشكلٍ جذريٍّ على مقاييسه.

في البداية تخيل العلماء بأن الفضاء المجهري يشبه الفسيفساء المكونة من قطعٍ صغيرةٍ من الفضاء، إذا تم تكبيرها على مقياس بلانك سنرى شيء أشبه برقعة الشطرنج لكن هذا الأمر ليس صحيحًا كون خطوط شبكة رقعة الشطرنج ستقوم بتمييز بعض الاتجاهات على الأخرى وخلق تبايناتٍ تتناقض مع نظرية النسبية الخاصة، فقد ينتقل ضوء الألوان المختلفة بسرعاتٍ مختلفةٍ (مثل المنشور الزجاجي الذي ينكسر فيه الضوء إلى ألوانه الأساسية).

في حين يصعب عادةً رؤية التأثيرات على المقاييس الصغيرة لكن تباينات النسبية ستكون في الواقع واضحةً، كما يثير الديناميك الحراري للثقوب السوداء المزيد من الشكوك على تصور الفضاء كفسيفساءٍ بسيطةٍ حيث بقياس السلوك الحراري لأي نظامٍ يمكن حساب أجزائه على الأقل من حيث المبدأ وتفريغ الطاقة ومراقبة ميزان الحرارة لملاحظة التغيرات، إذا تم إطلاق هذه الطاقة فأنه يجب أن تنتشر على عددٍ قليلٍ من الجزيئات لكن في الواقع أنت تقوم بقياس حالة الفوضى للنظام والذي يمثل تعقيده المجهري.

إذا تم إجراء التجربة السابقة على مادةٍ عاديةٍ فإن عدد الجزيئات يزداد مع حجم المادة وهو الأمر الذي يجب أن يحصل بالتأكيد فإذا تمت زيادة نصف قطر كرة الشاطئ بعامل 10 سيزداد عدد الجزيئات الموجودة بداخلها بمعدل 1000 ضعف، ولكن إذا تمت زيادة نصف قطر الثقب الأسود بعامل 10 سيرتفع عدد الجزيئات بمعدل 100 ضعف فقط.

يجب أن يكون عدد الجزيئات التي تكونت منها الثقوب يتناسب مع مساحتها وليس مع حجمها وقد يبدو الثقب الأسود ثلاثي الأبعاد لكنه يتصرف كما لو كان ثنائي الأبعاد، يسمى هذا التأثير بـ "مبدأ التصوير المجسم" كونه يشبه الهولوغرام الذي يتم تقديمه ككائنٍ ثلاثي الأبعاد لكن عند الفحص الدقيق نلاحظ بأنه عبارةٌ عن صورةٍ تنتجها ورقة فيلم ثنائية الأبعاد.

إذا اعتمدنا أن مبدأ التصوير المجسم يحسب المكونات المجهرية للفضاء ومحتوياته بالتالي يجب أن يتم بناء الفضاء ككتلةٍ واحدةٍ بدلًا من تجميع أجزاءٍ صغيرةٍ منه معًا، لكن نادرًا ما تكون علاقة الجزء بالكتلة الكلية واضحةً ومباشرةً فمثلًا جزيء H2O لا يمثل مجرد قطعةٍ صغيرةٍ من الماء فقط، بالنظر إلى ما يستطيع الماء السائل فعله من تدفق وتشكيل قطرات والتموج والتجمد والغليان فلا يقوم جزيء H2O الفردي بأيٍّ من ذلك، أي أن تلك الأشياء تمثل سلوكياتٍ جماعيةً وبالمثل لا يحتاج بناء الفضاء إلى مكانٍ.

يقول العالم في معهد ماكس بلانك لفيزياء الجاذبية في بوتسدام بألمانيا دانييلي أوريتي: "إن ذرات الفضاء ليست أصغر أجزاء الفضاء بل هي مكونات الفضاء والخواص الهندسية للفضاء، وهي خواصٌ جديدةٌ وجماعيةٌ وتقريبيةٌ لنظامٍ مصنوعٍ من العديد من هذه الذرات"، لكن ما هي هذه اللبنات الأساسية بالاعتماد على النظرية؟

هذه اللبنات عبارة عن كمات حجمٍ يتم تجميعها بتطبيق مبادئ الكم، في نظرية الأوتار تمثل حقول تشبه الحقول الموجودة في الكهرومغناطيسية التي تبقى على السطح تاركةً وراءها حبلًا متحركًا أو حلقةً من الطاقة (سلسلة تحمل الاسم نفسه)، في نظرية M المرتبطة بنظرية الأوتار تمثل نوعًا خاصًا من الجسيمات (غشاء متقلص إلى حدٍ ما)، أما في نظرية المجموعة السببية تمثل أحداث مرتبطة بشبكةٍ من الأسباب والنتائج وفي نظرية بنية الكون الهندسية وبعض النظريات الأخرى فلا تعترف بوجود كتل بناءٍ على الإطلاق.

بالرغم من وجود اختلافٍ في المبادئ الناظمة لتلك النظريات إلا أن جميعها تسعى لدعم نسخةٍ واحدةٍ من ما يسمى بالعلائقية للفيلسوف الألماني غوتفريد لايبنيز. في القرن السابع عشر والثامن عشر حيث تؤكد العلائقية على أن الفضاء ينشأ من نمطٍ معينٍ من الارتباطات بين الأشياء، ويعد الفضاء هو اللغز في هذا الرأي حيث يجب البدء بمجموعةٍ كبيرةٍ من القطع والنظر بطريقة تواصلها مع بعضها ثم وضعها في أماكنها وفقًا لطريقة الاتصال، فإذا كانت لقطعتين خصائصٌ متشابهةٌ مثل اللون ربما تكونان قريبتان من بعضهما لكن إذا اختلفتا بشدة بخصائصهما فيجب وضعهما بعيدًا عن بعضهما، يتم التعبير عن هذه العلاقات بشبكةٍ ذات نمطٍ معينٍ من الاتصال والعلاقات بينها تم تحديدها عن طريق نظرية الكم وغيرها من النظريات ثم تُبعت بالترتيب المكاني.

الإدراك الكبير الذي حصل في السنوات الأخيرة هو أن الارتباطات ذات الصلة انطوت على التشابك الكمي، ويبدو هذا التشابك كنوعٍ بدائيٍّ من الارتباط إلا أنه جوهريٌّ في ميكانيك الكم ويعد أكثر بدائيةً من المكان، ولطالما أشار الناس إلى التشابك والتغير الكمي وكل التأثيرات الكمومية الأخرى الموجودة في الكتب عند حديثهم عن الجاذبية الكمومية لكنهم لا يتحدثون عن الارتباط الكمي.

تغيرت تلك الأحاديث عندما حلت الثقوب السوداء القضية فعلى طول دورة حياتها تسقط الجسيمات المتشابكة ضمنها وبعد أن يتبخر الثقب بالكامل يبقى ما هو مشترك معه من الخارج متشابك مع لا شيء، حتى في الفراغ مع عدم وجود جسيمات حوله فإن الحقول الكهرومغناطيسية وغيرها من المجالات تكون متشابكةً داخليًا وإذا قمت بقياس حقلٍ في موقعين مختلفين ستلاحظ أن القراءة ستهتز بطريقةٍ عشوائيةٍ ولكن ستبقى متناسقةً مع بعضها البعض، وإذا قمت بقسم منطقةٍ ما إلى قسمين فستكون القطع مترابطة مع بعضها بالاعتماد على الكمية الهندسية الوحيدة المشتركة بينهما (مساحة الواجهة).

في عام 1995 ناقش جاكوبسون بأن التشابك يوفر رابطًا بين وجود المادة وهندسة الزمكان، وهذا يعني أنه قد يفسر قانون الجاذبية بقوله "المزيد من التشابك يعني ضعف الجاذبية وزيادة صلابة الزمكان".

بعد العديد من التفسيرات لجاذبية الكم، يعد أهم تفسير هو نظرية الأوتار التي تعتبر أن التشابك أمرًا بالغًا في الأهمية، وتعمل على تطبيق مبدأ التصوير المجسم على الكون ككلٍ ليس فقط على الثقوب السوداء، كما وفرت وصف لكيفية إنشاء المكان (أو بعضًا منه على الأقل)، حيث يمكن ربط فضاء ثنائي الأبعاد بحقول (إذا تم تكوينها بطريقةٍ صحيحةٍ) التي تنشئ بعدًا إضافيًا ثالثًا للمكان، وسيكون الفضاء الأصلي ثنائي الأبعاد بمثابة حدودٍ للعالم الأكبر (يعرف بالمكان ككل) والتشابك هو ما يحول المكان ككلٍ إلى كيانٍ مجاورٍ له.

قدم مارك فان رامسدونك من جامعة كولومبيا البريطانية في عام 2009 تفسيرًا لهذه العملية، على فرض أن الحقول الموجودة على الحدود ليست متشابكةً، أي تشكل زوجًا من الأنظمة غير المرتبطة وأنها تتوافق مع اثنين من الأكوان المنفصلة (مع عدم وجود وسيلةً للسفر بينهما)، عندما تتشابك الأنظمة سيبدو الأمر وكأنه يوجد نفقٌ أو ثقبٌ مفتوحٌ بين تلك الأكوان، وبالتالي يمكن أن تنتقل سفينة الفضاء من أحد الأكوان إلى الآخر، يتقلص طول الفجوة بين الكونين كلما ازدادت درجة التشابك حتى يجتمع الكونين معًا حتى لم يعد بوسعنا الحديث عنها ككونين منفصلين.

بالإضافة لكون المكان متشابك، تعكس العديد من الميزات الأخرى للمكان التشابك حيث يناقش فان رامسدونك وبريان سوينجل بأن انتشار التشابك يشرح الجاذبية الكونية المؤثرة على جميع الكائنات ولا يمكن فحصها، يشير ليونارد سوسكيند من جامعة ستانفورد وخوان مالداسينا من معهد الدراسات المتقدمة في برينستون نيوجيرسي إلى أنه بالنسبة إلى الثقوب السوداء فإن التشابك بين الثقب الأسود والإشعاعات المنبعثة منه يخلق ثقبًا مسدودًا أو مدخلًا خلفيًّا إليه، الأمر الذي قد يساعد ذلك في الحفاظ على المعلومات والتأكد من إمكانية عكس فيزياء الثقب الأسود.

بما أن مبادئ نظرية الأوتار تعمل فقط مع هندساتٍ محددةٍ ولا تعيد بناء سوى بُعد واحد من المكان، سعى بعض الباحثين إلى توضيح بأنه يمكن أن يظهر المكان ككلٍ من الصفر، حيث بدأ كل من كاو وسبايردون ميخالاكس وسين كارول من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بوصفٍ كموميٍّ بسيطٍ للنظام الذي صيغ دون أية إشاراتٍ مباشرةٍ إلى الزمكان أو حتى المادة، إذا كان لديه النمط الصحيح من الارتباطات فيمكن تقسيم النظام إلى أجزاءٍ مكونةٍ يمكن تعريفها على أنها مناطقٌ مختلفةٌ من الزمكان، في هذا النموذج تحدد درجة التشابك فكرة المسافة المكانية.

في الفيزياء وبشكلٍ عام في العلوم الطبيعية يعد المكان والزمان الأساس لجميع النظريات، ومع ذلك لا نرى الزمكان مباشرةً وإنما نستنتج وجوده من تجاربنا اليومية، نحن نفترض أن الحساب الأكثر اقتصاديةً للظواهر التي نراها هو بعض الآليات التي تعمل في الفضاء لكن الدرس الأساسي في الجاذبية الكمومية هو أنه ليست كل الظواهر مناسبةً تمامًا خلال الزمكان، وبالتالي سيحتاج الفيزيائيون لإيجاد بنيةٍ أساسيةٍ جديدةٍ وإذا فعلوا ذلك سيكونون قد أتموا ثورة أينشتاين التي بدأت منذ أكثر من قرن.