الطبيعة الكمومية للجاذبية

شعاع كشاف يغوص في الظلام، لكن إذا أعدناه ذهنيًا إلى الوراء، فسيصطدم بمصدر الضوء — المصباح. ربما ينطبق الأمر نفسه على تاريخ الكون: عندما نتتبع تمدده إلى الوراء، نصطدم بالبداية. أخذ الفيزيائيون أبسط نموذج — كون يتمدد بشكل متساوٍ في جميع الاتجاهات، مثل مكعب تتزايد أضلاعه في الوقت نفسه.

كان الكون المبكر يشبه مرجلاً محموماً تفور فيه التقلبات الكمومية — وهي ارتفاعات عشوائية في الطاقة ملازمة للعالم الميكروسكوبي. وفي هذه الفوضى، تكثف حقل خاص — الحقل القياسي — مثل البخار فوق ماء يغلي. وأصبح ذلك "المحرك" الذي جعل الفضاء يتمدد بسرعة لا تُصدق. وتُسمى هذه العملية التضخم الكوني. أظهر مؤلفو الدراسة أن هذا الحقل لا يحتاج إلى إدخاله بشكل مصطنع.

مباشرة بعد الانفجار العظيم، كان الفضاء يبرد بشكل غير متساوٍ. في بعض المناطق، ربما نشأت عيوب طوبولوجية (topological defects) — طيّات في الفضاء، خيوط طاقة رفيعة كالشعرة لكنها كثيفة بشكل لا يصدق. يسميها الفيزيائيون الأوتار الكونية. هذه الأجسام أحادية البعد تهتز وتتصادم وتصدر موجات جاذبية — تموجات في نسيج الزمكان نفسه.

كرتان ألقيتا من ارتفاعات مختلفة تسقطان على الأرض بتسارع مختلف. في الفضاء، الأمور أكثر تعقيدًا: حتى الفراغ يجعل الأجسام تتحرك بشكل مختلف. أخذ مؤلفو العمل زمكانًا يحتوي على الجذب العادي للمادة وعلى التنافر الكوني الغامض (يسمى الطاقة المظلمة)، ونظروا كيف تتغير المسافة بين جسيمين يتحركان بحرية. اتضح أن هناك سطحًا حرجًا — كرة غير مرئية تقسم العالم إلى منطقتين.

أسطوانة ألمنيوم ضخمة تزن طنًا معلقة في الفراغ. تمر عبرها موجة ثقالية - تموج في نسيج الزمكان - فيبدأ القضيب بالاهتزاز بشكل بالغ الدقة. يمكن سماع هذا الاهتزاز كصوت: الموجة الثقالية تتحول إلى فونون - كمية اهتزازات الصوت.

في الأوركسترا العظيمة للكون، لكل آلة إيقاعها الخاص. فالإلكترونات في الذرة تقوم بقفزات كمومية خلال فمتو ثوانٍ، والخلايا العصبية في الدماغ تتبادل الإشارات خلال ميلي ثوانٍ، أما الإنسان فيحتاج إلى أجزاء من عُشر الثانية ليدرك «الآن». لطالما بحث الفيزيائيون عن قائد يوحّد هذه المقاطع المتباينة المقاييس في لحن واحد للزمن الموجّه.

أخبرنا انفجار مستعر أعظم بعيد بما يصعب تصديقه: العالم يتمدد بسرعة متزايدة. محرك هذا التسارع هو الطاقة المظلمة — حوالي 70% من كل ما هو موجود. ولكن وراء اسمها اليومي تختبئ هوة: كثافة مجهرية (حوالي 10⁻⁴⁷ GeV⁴) أقل بـ 10¹²⁰ مرة مما تتنبأ به نظرية الحقل الكمومي بسذاجة.

الفضاء الذي نعيش فيه يبدو ثلاثي الأبعاد. ولكن عندما يحاول الفيزيائيون التوفيق بين الجاذبية وميكانيكا الكم، تبدأ الأبعاد المألوفة في التصرف بغرابة. في عمل جديد، أظهر العلماء أنه لوصف جسيم ضخم مع مراعاة التأثيرات الكمومية للجاذبية، من الطبيعي إضافة بُعدين آخرين.

إن محو بت واحد يعني إطلاق حرارة. وقد ألمح اكتشاف رولف لانداوَر إلى أن المعلومة ليست مادية، ولكنها ليست وهماً أيضاً. تخيّل أن أي حدث يُلقي بظل — هذا الظل هو المعلومة، وهو حصيلة جميع الاحتمالات التي لم تتحقق. عندما تختار مفتاحاً لقفل، يبقى ظل المفاتيح الأخرى معلقاً في فضاء اختيارك. وحين تنسى أي مفتاح يخص أي قفل، فإنك تطفئ هذا الظل، فيَسخُن العالم قليلاً.

يشبه الثقب الأسود بئرًا بلا قاع. يمكنك قياس كمية الماء التي تسربت إليه بالنظر إلى المستوى من الخارج. ولكن كيف تعرف كتلة الماء نفسه إذا كنت واقفًا داخل البئر؟ هذه تقريبًا هي المشكلة التي يحلها مؤلفو العمل الجديد. لقد بنوا «ميزانًا» للكتلة المحصورة في منطقة محدودة من الفضاء — على سبيل المثال، حول أفق الثقب الأسود.

مخاريط الضوء مفهوم أساسي في نظرية النسبية، يصف الحدود في الزمكان التي تفصل بين الأسباب والنتائج. هذه المخاريط ليست بنى صلبة تمامًا: فالجسم الضخم يُحدث انحناءً فيها، تمامًا كما تُحدث الكرة الثقيلة انبعاجًا في غشاء مرن مشدود.

الموصل الفائق ينقل التيار دون مقاومة — مثل الماء الجاري في أنبوب دون احتكاك. السر يكمن في أزواج الإلكترونات: إلكترونان يلتصقان معًا ككيان واحد، رغم أنهما عادةً يتنافران. في الموصل الفائق العادي، يتجه لَفّا الإلكترونين في الزوج إلى اتجاهين مختلفين — وهذه حالة مفردة (singlet). يمكن تشبيهها بمتزلجين فنيين يدوران ظهرًا لظهر.

تخيّل الكون ككتابٍ بعددٍ محدودٍ من الصفحات. توسّعه المتسارع، الذي يحرّكه الطاقة المظلمة — المادة الغامضة التي تدفع الفضاء بعيدًا — يعمل كتجلّدٍ غير مرئي: الصفحات البعيدة تُثبَّت إلى الأبد، فتصبح فصولًا لا يمكن الوصول إليها.

أحيانًا يتسلل شيءٌ زائدٌ إلى المعادلات — مثل لوح أرضية يصرّ ولا يدع البيت كله يهدأ. في نظرية الجاذبية، إذا أضفنا إلى المعادلات مربعات الانحناء (وهو أمر ضروري لوصف الحقول القوية جدًا)، يظهر جسيمٌ شبحٌ — ثقيل لكن بطاقةٍ سالبة. إنه يتصرف كضيفٍ يحضر حفلةً ويبدأ بتخريب كل شيء: بسببه تتوقف الاحتمالات عن التوافق، ويفقد العالم قابلية التنبؤ.

كرتان معلقتان بخيوط تتأرجحان جنبًا إلى جنب. كل واحدة تتحرك من تلقاء نفسها، لكن بينهما خيطًا غير مرئي — جاذبية الكتلتين. إذا كانت الجاذبية كمومية، فقد تربطهما معًا في كل واحد: إذا هززت واحدة، تستجيب الأخرى، حتى دون تلامس. كان يُعتقد سابقًا أنه لا يمكن ملاحظة هذا الارتباط إلا بإلقاء الجسيمات في سقوط حر — كما في برج حيث يسقط كل شيء ويستمر انعدام الوزن لثوانٍ.

في عام 2015، التقط كاشفا LIGO أول دفقة من الموجات الثقالية — إذ سمع الفلكيون اصطدام ثقبين أسودين في أعماق الفضاء. وصلت إلينا هذه التموجات في الزمكان محتفظةً بشكل الإشارة: وكأنها صوت جرس قطع مليارات السنين دون تشويه. لكن ماذا لو كان الفضاء نفسه أعقد مما نعتقد؟ إحدى هذه النماذج الأعقد هي الجاذبية الضخمة.

تخيّل جوقتين في غرفتين عازلتين للصوت على مسرح مهتز. إنهما تغنيان لكن لا تسمعان بعضهما البعض — فالهواء لا ينقل اللحن. ومع ذلك، إذا اهتز المسرح، فإن اهتزازاته تربط بين أغنيتهما. على هذه الفكرة تقوم اختبارات جديدة لـالجاذبية الكمومية.

الجاذبية تشبه قطعة قماش مشدودة (مثل الترامبولين): الأجسام الضخمة تضغط عليها، مما يجعل الأجسام الأخرى تنجذب نحوها. هذا الانحناء العام للفضاء — الجاذبية — يؤثر على الجميع، لكنه لا ينقل رسائل سرية. لكي يحدث التشابك الكمي، يلزم تبادل جسيمات خاصة، كما لو أن الكرات على الترامبولين تتبادل كرات صغيرة للتزامن.

بدأ كل شيء بارتعاشات كمية متناهية الصغر — تذبذبات الفراغ — على اللوحة البدائية للكون المبكر. توسع الكون — التمدد الانهياري الأسي للمكان، الذي اقترحه Alan Guth — مدّ هذه اللمسات إلى أبعاد المجرات وعناقيدها.

بموجب قوانين الكم، يمكن لقطّ شرودنغر أن يكون حيًا وميتًا في الوقت نفسه. لكن هذه الحيلة لا تنجح مع جسم كالطاولة. فعندما يحاول جسم ضخم التواجد في مكانين، تؤدي كتلته إلى انحناء الفضاء بقوة شديدة لدرجة أنه بدلاً من نقطتين تنشأ هوّة عميقة واحدة — وينزلق إليها الجسم. الأمر أشبه بحجر ثقيل على قمة جبلية: أقل هبة ريح كفيلة بإسقاطه في الوادي الوحيد.

الصورة المألوفة: الجاذبية دائمًا تجذب. لكن إذا كانت الكتلة في حالة تراكب كمي — أي في نقطتين في آنٍ واحد، مثل جسم في صورة بتعريض مزدوج — ينقلب كل شيء. تسمح النظرية الكمومية للجسيم بأن يكون هنا وهناك حرفيًا: موضعه توصف بدالة موجية موزعة عبر الفضاء. عندما نُظهر هذه الصورة — أي نجري قياسًا لتحديد أين كان الجسم بالفعل — يشعر جسم اختباري بدفعة بعيدًا.

تخيل كرات ثقيلة موضوعة على ترامبولين مرن: كل كرة تُحدث تقعرًا في النسيج، وتتقاطع هذه التقعرات فتجعل الكرات تتدحرج نحو بعضها البعض. هذا التشبيه يساعد على فهم كيف أن الجاذبية — انحناء الزمكان — تربط الجسيمات الضخمة.

الجاذبية تجذب دائمًا — تسقط التفاحة للأسفل، وتدور الكواكب في مداراتها. لكن بوضع مصدر الجاذبية في مكانين في آنٍ واحد، يمكن تحقيق العكس. اقترح الفيزيائيون تجربة: يُنقل جسم ثقيل إلى حالة كمومية، يُوزَّع في الفضاء كالسحابة. ثم يُطلَق جسيم صغير جدًا في هذه السحابة. في الفيزياء الكلاسيكية، كان الجسيم سينجذب إلى كل من موقعَي الكتلة ويسلك مسارًا متوسطًا.

الذرة التي يثيرها الضوء تعيد الطاقة بعد لحظة، فتبعث فوتونًا. تشبه هذه العملية عدّاءً متعبًا يتخلص من حمولة. لكن إذا كان العدّاء يقف على منحدر جبلي، يصعب عليه الانطلاق. الجاذبية تؤثر على الذرة بطريقة مشابهة: فبالقرب من جسم ضخم، يمر الزمن أبطأ، وتُصدر الذرة إشعاعًا مختلفًا. بنى الفيزيائيون نموذجًا تتفاعل فيه الذرة مع مجال يملأ الفضاء، وأخذوا في الحسبان مجال جاذبية ضعيف.

الثقوب السوداء نادرًا ما تكون في عزلة تامة. غالبًا ما تحيط بها سحب غير مرئية من جسيمات المادة المظلمة الافتراضية — خفيفة جدًا لدرجة أنها لا تشعر إلا بالتفاعل الثقالي، ولا تصطدم تقريبًا ببعضها البعض ولا بالمادة العادية. عندما يصل هذا السحاب إلى كثافة عالية، يصبح النظام مشابهًا بشكل مذهل لذرة عملاقة: سرب من الجسيمات يدور حول الثقب مثل الإلكترونات حول النواة.

كرتان ضخمتان في فراغ الفضاء. ادفع إحداهما ولن تشعر الأخرى بالدفعة إلا بعد برهة: تأثير الجاذبية ينتقل، كصدى الصوت في الجبال، بتأخر حتمي. هكذا الفضاء المنحني ينقل الإشارة محليًا، خطوة خطوة — وهذا ما تنبأ به أينشتاين من قبل. في العالم الكمومي تختلف القوانين.

الشلال لا يسألك إن كنت مستعدًا للقفز. يتسارع تدفقه، وفي لحظة ما، حتى الضوء لا يستطيع الإفلات عائدًا. ثقب ماكفيتي الأسود هو شلال من هذا القبيل، لكن ليس في نهر عادي، بل في كون يتمدد: الماء هنا هو الفضاء نفسه، الذي يتمدد باستمرار، حاملًا المجرات بعيدًا عن بعضها. لفترة طويلة، بقي غير واضح ما إذا كان يمكن السقوط في هذا الثقب أصلًا.

إناءان يحتويان ماءً بدرجتي حرارة مختلفتين يفصل بينهما حاجز رقيق. ما دام الحاجز سليمًا، يعيش كل إناء حياته الخاصة: في أحدهما الماء ساخن، وفي الآخر جليدي. لكن بمجرد إزالة الحاجز، تبدأ درجات الحرارة في التعادل، وفي النهاية يصل الإناءان إلى حالة واحدة. تقريبًا بنفس الطريقة يتصرف أفقا ثقب أسود عندما توجد بينهما حقول كمومية.