انتهاك ثبات لورنتس

في مختبر في باريس، جعلوا الضوء يتدفق حول عائق، تمامًا كما يتدفق الماء حول حجر في جدول. لكن الماء هنا مميز: فهو لا يشعر بالاحتكاك.

راقصان على خشبة واحدة يكرران حركات بعضهما حتى عندما يفصل بينهما ستار. في العالم الكمومي، تُسمى هذه الأزواج متشابكة، ويختبر الفيزيائيون منذ نصف قرن مدى امتداد هذا الارتباط. حتى الآن، كانت جميع الاختبارات على الجسيمات الضخمة تتعلق بخصائصها الداخلية، مثل السبين، وليس بحركتها نفسها. غير أن الحركة هي التي تحدد كيفية انتشار المادة في الفضاء واستجابتها للجاذبية. الآن، جعل فيزيائيون أستراليون العزوم نفسها ترقص.

بروتون أو نواة ذرية، مسرّع إلى سرعة هائلة، يصطدم بالغلاف الجوي للأرض — فيتولد شلال من مليارات الجسيمات الثانوية. هذا الزخة الجوية الواسعة تندفع نحو السطح، بينما تلتقط التلسكوبات الحساسة توهجها الخافت — إشعاع فلوري ينشأ عند إثارة جزيئات الهواء. من شكل التوهج، يحدد الفيزيائيون مدى عمق اختراق الزخة للغلاف الجوي ومما تتكون. لكن هناك دقة.

بروتون أو نواة ذرية، مسرّع إلى سرعة هائلة، يصطدم بالغلاف الجوي للأرض — فيتولد شلال من مليارات الجسيمات الثانوية. هذا الزخة الجوية الواسعة تندفع نحو السطح، بينما تلتقط التلسكوبات الحساسة توهجها الخافت — إشعاع فلوري ينشأ عند إثارة جزيئات الهواء. من شكل التوهج، يحدد الفيزيائيون مدى عمق اختراق الزخة للغلاف الجوي ومما تتكون. لكن هناك دقة.

في عام 2017، رصدت كاشفات الموجات الثقالية LIGO وVirgo موجة ثقالية — تذبذبًا في نسيج الزمكان نفسه ناتجًا عن اصطدام نجمين نيوترونيين — بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة. وبعد 1.7 ثانية، رصدت التلسكوبات المدارية وميض انفجار أشعة غاما — انبعاثًا قويًا للإشعاع الكهرومغناطيسي من نفس النقطة في السماء.

النسبية العامة، التي تصف بنية الكون، لا تمنع الحلقات الزمنية. لكن ستيفن هوكينج طرح فرضية "حماية التسلسل الزمني": حيث يجب أن تعمل التأثيرات الكمومية على تدمير هذه الحلقات، مما يجعل السفر إلى الماضي مستحيلًا. تقترح تجربة جديدة اختبار هذه الفكرة باستخدام الليزر.

قمة تدور مئة دورة في الثانية، ثم تبدأ فجأة بفقدان سرعتها بشكل حاد — أسرع بكثير من أي قمة معروفة. هذا بالضبط ما يفعله النجم النابض J0435+3233. إنه نجم ميت انكمش إلى حجم مدينة، لكنه يدور بسرعة هائلة. دورته أقل من 10 ميلي ثانية، وقد سجل رقمًا قياسيًا: لم يُرَ من قبل نجم نابض سريع بهذا التباطؤ الشديد (تباطؤه يتجاوز $$10^{-12}$$ هرتز/ثانية).

يشبه الليزر شوكة رنانة تصدر نغمة واحدة. لكن حتى في الصمت التام، فإن صوته يرتجف قليلًا. كان يُعتقد سابقًا أن هذا الارتجاف — وهو عبارة عن هزات عشوائية ناتجة عن الانبعاث التلقائي للضوء من الذرات داخل الليزر — هو الحد الرئيسي للدقة. العمل الجديد يُظهر أن هناك مصدرًا ثانيًا للضجيج، أكثر هدوءًا لكنه منتشر في كل مكان. اهتزازات الفضاء الفارغ ليست مجازًا.

في عام 2021، رصد مرصد LHAASO كمات جاما بطاقة تزيد عن بيتا إلكترون فولت من مصادر مثل سديم السرطان — بقايا انفجار مستعر أعظم، في مركزه ينبض نجم نيوتروني. سافرت هذه الجسيمات آلاف السنين، ومجرد وصولها يشكك في ثبات ثبات لورنتز — المبدأ الذي ينص على أن سرعة الضوء في الفراغ مطلقة ومتساوية لجميع المراقبين.

داخل الكواكب والنجوم، في محيطات البلازما الدوارة، تتصادم التدفقات المضطربة وقوى كوريوليس والتوتر المغناطيسي. اللغز الرئيسي هو كيف تتبلور طاقة هذه الفوضى في إطار مغناطيسي مستقر قادر على البقاء لمليارات السنين. لطالما شبهت عمليات البحث مطاردة شبح: حتى أن لودفيغ بولتزمان كان يأمل في العثور على تكاملات مخفية في النظرية الحركية، لكنه فشل.

نجمان ميتان يدوران في رقصتهما الأخيرة. اقترابهما يولّد تموجات في الفضاء — الموجات الثقالية. لكن قد يشارك في هذه الرقصة شريك ثالث غير مرئي. جاذبيته تسرّع الزوج، وعندها يتغير نغمة الإشارة قليلًا — مثل صفارة سيارة تمرّ بجانبك. تعلّم مؤلفو الدراسة التقاط هذا التحول في النغمة — تسارع مركز الكتلة (ويُعرف اختصارًا بـ LOSA).

قد لا يكون نهر الزمن تدفقًا سلسًا، بل سلسلة من الخطوات المتناهية الصغر — وكأنها لقطات متتالية لكاميرا سريعة بشكل لا يمكن تصوره. في عام 1964، افترض ي. أ. غولفاند أن الزمن لا يتحرك بشكل مستمر، بل بقفزات صغيرة، واشتق معادلة تنبأت بزيادة حتمية في الفوضى (الإنتروبيا).

الوتر يصدر صوتًا نقيًا تمامًا حتى تلمسه نسمة هواء. هكذا تقريبًا يعمل الليزر فائق الإشعاع: حزمة من الذرات، مشحونة مسبقًا بالطاقة، تمر عبر غرفة من مرآتين — المرنان البصري (مصيدة يتردد فيها الضوء ذهابًا وإيابًا). تتخلى الذرات معًا عن الضوء المخزّن، فينشأ شعاع بتردد مستقر للغاية — يمكن وضعه حتى في الساعات الذرية. لكن مؤلفي الدراسة الجديدة اكتشفوا أن هذه المثالية ليست أبدية.

يشبه علم الكونيات قاعة محكمة حيث يدلي شاهدان بشهادتين متعارضتين لا يمكن التوفيق بينهما. الأول — تحليل إشعاع الخلفية الكونية الميكروي بواسطة القمر الصناعي بلانك — يؤكد أن توسع الكون يسير بسرعة 67 (كم/ث)/ميغابارسك.

الشاي في الكوب يبرد بهدوء على الطاولة. ولكن إذا مررت بجانبه بسرعة قريبة من سرعة الضوء، فسيظهر مقياس الحرارة قراءة أعلى — رغم أن أحدًا لم يسخن الشاي. الحسابات تؤكد: سيرتفع المؤشر. قبل مئة عام، انقسم الفيزيائيون إلى ثلاثة معسكرات. رأى البعض أن الجسم المتحرك يبرد، ورأى آخرون أنه يسخن، ورأى ثالثون أن درجة الحرارة لا تتغير إطلاقًا.

ارمِ حفنةً من الرمل في ماءٍ هادئ — ستتموج الدوائر وتختفي. ارمِها في خلاطٍ يعمل — ستمزجها الدوامات في الحال. في الفيزياء قاعدة مشابهة: لا يمكن للفوضى أن تنمو أسرع من معدلٍ معين. هذا الحد، مثل حد السرعة، ظل يُعتبر غير قابل للكسر لفترة طويلة في أنظمة كثيرة — من الجسيمات الكمومية إلى الثقوب السوداء. لكن في السنوات الأخيرة، لاحظ علماء الفيزياء الفلكية أمرًا غريبًا: في بعض الثقوب السوداء تتسارع الفوضى أسرع من المسموح.

شعاعان من الضوء يركضان في حلقة مغلقة باتجاهين متعاكسين. وفقًا لمسلمة ثبات سرعة الضوء، فهي دائمًا ثابتة في الفراغ لأي مراقب. عندما تدور الحلقة، يضطر أحد الشعاعين إلى ملاحقة هدف متحرك — فيطول مساره، بينما يطير الآخر نحو المستقبل، مما يقصر المسافة.

سرعة الضوء في الفراغ هي إيقاع الفيزياء: تضبط نسق جميع العمليات. إذا اختل هذا الإيقاع، ينهار الانسجام المألوف. والنيوترينوات — تلك الجسيمات المنتشرة في الكون لكنها شبه خفية — قادرة على اختبار ما إذا كان هذا الإيقاع يضطرب في الظروف القاسية. ستصطاد كواشف المستقبل GRAND و POEMMA أعلى طاقات النيوترينو، حيث يظهر أي انحراف بشكل أوضح.

في قناة رفيعة من أشباه الموصلات، لا تتصرف الإلكترونات كأفراد منفردين، بل كحشد في ساعة الذروة. إنها تتصادم مع بعضها البعض بين الحين والآخر، وهذه التصادمات هي التي تحدد مدى سهولة مرور الحرارة والتيار الكهربائي عبر المادة. عادةً، يسير هذان التدفقان جنبًا إلى جنب: فالمادة الجيدة في توصيل الكهرباء تكون جيدة أيضًا في توصيل الحرارة. تُعرف هذه القاعدة بقانون فيدمان-فرانز (Wiedemann-Franz law).

تُلقى عملتان معدنيتان في مدينتين مختلفتين، لكنهما تسقطان دائمًا بنفس الطريقة. يسمي الفيزيائيون هذا بالتشابك (entanglement): تتصرف الجسيمات وكأن بينها خيطًا غير مرئي. ولكن ماذا لو لم يكن الخيط فوريًا، بل سريعًا جدًا، لكنه مع ذلك ليس أسرع من الضوء؟ عندها قد تتسلل إشارة ما بين القياسات، وتُفسَّر التطابقات دون أي سحر.

يسري الضوء في أرجاء الغرفة، وينعكس عن المرايا والجدران. يبدو الفراغ بينها محايدًا تمامًا: لا يعيق الشعاع ولا يحني مساره. لكن ماذا لو كان الفراغ، في أعمق أسس العالم، أكثر تعقيدًا؟ لطالما اشتبه الفيزيائيون في أن تناظر المكان قد ينكسر على مقاييس متناهية الصغر — وعندها سيسلك الضوء سلوكًا مختلفًا. في العمل الجديد، حسب العلماء كيف تغيّر هذه الانتهاكات قوانين الكهرومغناطيسية.

تشير إبرة البوصلة المغناطيسية إلى الشمال، لكن ماذا لو كان للفضاء نفسه محور خفي؟ اختبر الفيزيائيون ما إذا كان البنية المتماثلة للكون في جميع الاتجاهات منتهكة، مستخدمين المجال المغناطيسي للأرض. يمكن إضافة حد إلى معادلات الكهرومغناطيسية يميز اتجاهًا واحدًا — كما لو أن للكون «شمال».

على طاولة في المختبر يقف جهاز يشبه الميزان، لكن بدلاً من الكفتين يحمل ثقلين من معدنين مختلفين — البريليوم والألومنيوم. الميزان معلق بخيط رفيع يلتف إذا اختلف شد الثقلين. يدور الجهاز كله تبعاً للشمس، مثل عباد الشمس الذي يتابع النجم، لكنه بدلاً من الضوء يلتقط جاذبيته. تجذب الشمس أي جسم على الأرض: الحجر والريشة وقطعة المعدن.

ينص القانون الثالث لميكانيكا الثقوب السوداء، الذي اقترحه ستيفن هوكينج، على أنه لا يمكن لأي نظام فيزيائي أن يصل إلى الحالة القصوى — حد الدوران أو الشحنة — خلال زمن محدود. هذا يشبه دوامة في المحيط: لكي تتحرك أطرافها بأقصى سرعة ممكنة، ستحتاج إلى وقت لا نهائي لتدويرها.

معادلة الانتشار - الأداة الرياضية التي تصف كيفية انتشار الجسيمات في الفضاء - ظلت لفترة طويلة ترسم صورة متناقضة: الاضطراب، مثل تموجات على الماء، يغطي الكون بأكمله لحظيًا. هذا يتحدى نظرية النسبية، التي تؤكد أن لا شيء يمكن أن يتحرك أسرع من الضوء.

وفقًا للقوانين الأساسية للفيزياء، لا يمكن لأي شيء أن يتحرك أسرع من سرعة الضوء في الفراغ. إذا وُجدت إشارة أسرع من الضوء، فإنها ستصل لدى بعض المراقبين قبل أن تُرسل — فتسبق النتيجة السبب. درس الفيزيائيان آرثر إيكرت وأندريه دراغان هذا الموقف الافتراضي واكتشفا أنه يولّد عدم يقين يذكرنا بشكل مذهل بعدم اليقين الكمومي.

النجم S2 يكمل دورة حول الثقب الأسود في مركز درب التبانة كل 16 عامًا، مسرعًا إلى 7650 كيلومترًا في الثانية. مداره عبارة عن قطع ناقص ممدود، وفي أقرب نقطة يقترب النجم من الثقب الأسود بمسافة تعادل 120 ضعف المسافة بين الأرض والشمس. راقب علماء الفلك هذه الرقصة على مدى عقدين من الزمن، مسجلين موقع النجم بدقة كافية لرصد انحرافات تصل إلى بضعة عشرات من الكيلومترات.

عملاقان أسودان يدوران حول بعضهما ثم يصطدمان — فينتشر عبر الكون ارتجاج في الفضاء. هذا الارتجاج تلتقطه كاشفات الموجات الثقالية. لكن الإشارة قد تخفي أكثر من مجرد الكتلة والمسافة: إذا كانت قوانين الفيزياء مختلفة قليلاً في اتجاهات مختلفة، فسوف تتشوه الموجة. أخذ العلماء حدثين مستقبليين: واحد صاخب جداً، وآخر بثقوب سوداء ضخمة جداً.

التشابك الكمومي هو رابطة خاصة بين الجسيمات: فهي تؤثر في بعضها بعضاً بشكل فوري، حتى لو كانت تفصل بينها سنوات ضوئية. لطالما ساد الاعتقاد بأن التسارع القوي يدمر هذه الرابطة.

المحيط يشبه كعكة ذات طبقات: في الأعلى ماء دافئ وخفيف، وفي الأسفل ماء بارد وثقيل. بين الطبقات، عند الحدود الفاصلة، تتنقل أمواج غير مرئية من السطح. إنها لا ترفع قممًا كالعواصف، بل تهز كتلة الماء بأكملها ببطء، كما لو كان أحدهم يهز حوضًا ضخمًا من الداخل. هذه الأمواج الداخلية تنقل الطاقة والحرارة، وتخلط العناصر الغذائية، وتؤثر على مناخ الكوكب بأكمله.

في أكتوبر 2022، قاس مرصد LHAASO الطيف — أي توزيع الطاقات — لـانفجار أشعة غاما GRB 221009A، وهو الأكثر سطوعًا في تاريخ الرصد. ضوء هذا الانفجار، بعد أن قطع ملياري سنة ضوئية، كان شديدًا لدرجة أنه عطّل الغلاف الأيوني للأرض.

ومضات الراديو السريعة هي ومضات كونية ساطعة، تشبه إشارة البداية التي تطلق سباقًا لموجات الراديو عبر الكون. استخدمها علماء الفلك كمختبر طبيعي لاختبار ما إذا كان الفوتون — كمية الضوء والجسيم الحامل للتفاعل الكهرومغناطيسي — يمتلك كتلة.

فوتون مفرد يمر عبر شقين ويترك نمط تداخل على الشاشة. تصف ميكانيكا الكم هذه العملية بدالة موجية، لكن ماذا يحدث للجسيم نفسه؟ قبل قرن تقريبًا، اقترح لويس دي برولي فكرة الموجة المُرشدة، وطوّرها ديفيد بوم إلى نظرية صارمة حيث لكل جسيم مسار. ومع ذلك، فإن التعميم النسبي لهذه النظرية ظل لفترة طويلة مجرد بناء رياضي.

في 9 أكتوبر 2022، قدّم الكون عرضاً لم يشهد علماء الفلك مثله في تاريخ الرصد بأكمله. انفجار أشعة غاما GRB 221009A، وهو أقوى انفجار كوني يُصدر وميضاً من أشعة غاما، أبهر الكواشف في المدار وعلى الأرض. أُطلق عليه لقب «الأكثر سطوعاً على الإطلاق».

مسطرة من الضوء، هكذا يمكن تسمية الطريقة الجديدة لقياس التأخيرات الزمنية المتناهية الصغر. في عام 1987، لاحظ تشونغ كي هونغ وتشي-يو أوو وليونارد ماندل أنه إذا سقط فوتونان لا يمكن تمييزهما في وقت واحد على مقسم شعاع، فإنهما يخرجان معًا دائمًا من منفذ واحد.

مترجمان يستمعان إلى نفس السيمفونية. الأول يسمع النغمة الأساسية فقط: لحنًا نقيًا يمكن التنبؤ به. الثاني يلتقط النغمات التوافقية التي تغيّر لون كل نغمة.