تكشف نظرية جديدة للجاذبية الكمومية كيف يمكن أن يكون كوننا موجودا دائما وربما لم تكن هناك بداية مطلقا.
واستخدم برونو بينتو، الفيزيائي الذي يدرس طبيعة الزمن في جامعة ليفربول في المملكة المتحدة، نظرية جديدة للجاذبية الكمية، تسمى نظرية المجموعة السببية، والتي يُقسّم فيها المكان والزمان إلى أجزاء منفصلة من الزمكان. وفي مستوى ما، هناك وحدة أساسية للزمكان، وفقا لهذه النظرية.
واستخدمفريق البحث هذا النهج السببي لاستكشاف بداية الكون. ووجدوا أنه من الممكن أن الكون ليس له بداية - أنه كان موجودا دائما في الماضي اللانهائي وتطور مؤخرا فقط إلى ما نسميه الانفجار العظيم.
وربما تكون الجاذبية الكمومية هي المشكلة الأكثر إحباطا التي تواجه الفيزياء الحديثة.وهناكنظريتان فعالتان للغاية للكون: فيزياء الكم والنسبية العامة.
وأنتجت فيزياء الكم وصفا ناجحا لثلاث من قوى الطبيعة الأساسية الأربع (الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة والقوة الشديدة) وصولا إلى المقاييس المجهرية. وتعد النسبية العامة، من ناحية أخرى، أقوى وأكمل وصف للجاذبية ابتُكر على الإطلاق.
ولكن على الرغم من كل نقاط قوتها، فإن النسبية العامة غير مكتملة. وفي مكانين محددين على الأقل في الكون، تنهار رياضيات النسبية العامة، وتفشل في تحقيق نتائج موثوقة: في مراكز الثقوب السوداء وفي بداية الكون.
وتسمى هذه المناطق "التفردات"، وهي نقاط في الزمكان حيث تنهار قوانين الفيزياء الحالية لدينا، وعلامات تحذير رياضية على أن نظرية النسبية العامة تتعثر على نفسها. وداخل كل من هاتين الفرديتين، تصبح الجاذبية قوية بشكل لا يصدق بمقاييس طول صغيرة جدا.
وعلى هذا النحو، لحل ألغاز التفردات، يحتاج الفيزيائيون إلى وصف مجهري للجاذبية القوية، وتسمى أيضا نظرية الكم للجاذبية. وهناك الكثير من العناصر التنافسية، بما في ذلك نظرية الأوتار والجاذبية الكمية الحلقية.
وهناك طريقة أخرى تعيد كتابة فهمنا للمكان والزمان بالكامل.
نظرية المجموعة السببية
في جميع النظريات الحالية للفيزياء، المكان والزمان مستمران. إنها تشكل نسيجا ناعما يكمن وراء كل الواقع. وفي مثل هذا الزمكان المستمر، يمكن أن تكون النقطتان قريبتين من بعضهما البعض في الفضاء قدر الإمكان، ويمكن أن يقع حدثان في أقرب وقت ممكن من بعضهما البعض.
ولكن طريقة أخرى، تسمى نظرية المجموعة السببية، تعيد تصور الزمكان كسلسلة من القطع المنفصلة، أو "ذرات" الزمكان. وستضع هذه النظرية قيودا صارمة على مدى قرب الأحداث في المكان والزمان، حيث لا يمكن أن تكون أقرب من حجم "الذرة".
وعلى سبيل المثال، إذا كنت تنظر إلى شاشتك وتقرأ هذا، فإن كل شيء يبدو سلسا ومستمرا. ولكن إذا نظرت إلى الشاشة نفسها من خلال عدسة مكبرة، فقد ترى وحدات البكسل التي تقسم المساحة، وستجد أنه من المستحيل جعل صورتين على شاشتك أقرب من بكسل واحد.
وقال بينتو لـ "لايف ساينس: "شعرت بسعادة غامرة للعثور على هذه النظرية، التي لا تحاول فقط أن تكون جوهرية قدر الإمكان - كونها نهجا للجاذبية الكمومية وتعيد التفكير فعليا في مفهوم الزمكان نفسه - ولكنها تعطي أيضا دورا مركزيا للوقت وما هو فيزيائي يعني مرور الوقت، ومدى ماضيك فعليا وما إذا كان المستقبل موجودا بالفعل أم لا".
وأضاف: "جزء كبير من فلسفة المجموعة السببية هو أن مرور الوقت شيء مادي، ولا ينبغي أن يُنسب إلى نوع من الوهم الناشئ أو إلى شيء يحدث داخل أدمغتنا يجعلنا نفكر أن الوقت يمر. لذا، في نظرية المجموعة السببية، فإن المجموعة السببية تسبب نمو "ذرة" واحدة في كل مرة وتصبح أكبر وأكبر".
ويزيل نهج المجموعة السببية بدقة مشكلة تفرد الانفجار العظيم لأنه، في النظرية، لا يمكن للتفردات أن توجد. ومن المستحيل أن تنضغط المادة إلى نقاط متناهية الصغر - لا يمكن أن تصبح أصغر من حجم ذرة الزمكان.
لذا، من دون تفرد الانفجار العظيم، كيف تبدو بداية كوننا؟. هذا هو المكان الذي التقط فيه بينتو ومساعده، ستاف زاليل، طالب دراسات عليا في إمبريال كوليدج لندن، الخيط، واستكشفا ما يجب أن تقوله نظرية المجموعة السببية عن اللحظات الأولى للكون.
ويظهر عملهم في ورقة بحثية نشرت في 24 سبتمبر على قاعدة بيانات ما قبل الطباعة arXiv. (لم تُنشر بعد في مجلة علمية محكمة).
وقال بينتو إن الورقة فحصت "ما إذا كان يجب أن توجد بداية في نهج المجموعة السببية. في صياغة المجموعة السببية الأصلية وديناميكياتها، من الناحية الكلاسيكية، تنمو مجموعة سببية من لا شيء إلى الكون الذي نراه اليوم. وفي عملنا بدلا من ذلك، لن يكون هناك انفجار كبير كبداية، لأن المجموعة السببية ستكون لانهائية الماضي، ولذا هناك دائما شيء ما من قبل".
ويشير عملهم إلى أن الكون ربما لم يكن له بداية - لأنه كان موجودا دائما. وقد يكون ما نعتبره الانفجار العظيم مجرد لحظة معينة في تطور هذه المجموعة السببية الموجودة دائما، وليس بداية حقيقية.
ومع ذلك، ما يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به. ليس من الواضح بعد ما إذا كان هذا النهج السببي غير المبتدئ يمكن أن يسمح بالنظريات الفيزيائية التي يمكننا العمل معها لوصف التطور المعقد للكون أثناء الانفجار العظيم.
وقال بينتو: "لا يزال بإمكان المرء أن يسأل عما إذا كان يمكن تفسير نهج المجموعة السببية بطريقة "معقولة"، أو ما تعنيه هذه الديناميكيات فيزيائيا بمعنى أوسع، لكننا أظهرنا أن إطار العمل ممكن بالفعل. لذا، على الأقل رياضيا، يمكن القيام بذلك".
