لماذا يقول الناس أننا وصلنا إلى نهاية الفيزياء؟
كان الهدف الأساسي من الفيزياء
دائمًا هو فهم ما يتكون الكون وكيف تتفاعل الأشياء فيه. أنت تعرف ، مثل كيف أراد إسحاق نيوتن معرفة السبب تسقط التفاحة دائمًا مباشرةً نحو الأرض. وقد قطعنا شوطًا طويلًا حقًا على مر السنين. هذه الأيام ، بعد حوالي قرن من البحث المذهل في
الفيزياء الأساسية ، لدينا فكرة جيدة اللبنات التي تشكل كل شيء - والقواعد
تصف كيفية تفاعلهم. في الواقع ، تبدو صورتنا الأساسية للكون
يكاد يكون مكتملاً لدرجة أن بعض الناس يقترحون ذلك
أننا وصلنا إلى نسخة من "نهاية الفيزياء".
وبالتأكيد ، الفيزياء عند نقطة تحول ،
ولكن قبل أن يحزمها الباحثون ويعودون إلى منازلهم ،
يجدر فهم ما يسمى ب "نهاية الفيزياء"
هو حقا كل شيء.
بقدر ما يمكن لأي شخص أن يقول ، كل شيء في عالمنا كله
يتكون من حفنة صغيرة من
الجسيمات الأولية ،
- مثل الإلكترونات
- الكواركات.
ويطيعون قواعد صارمة للغاية عندما يتفاعلون مع بعضهم البعض.
بدءًا من تلك الجسيمات الأساسية والقواعد التي تتبعها ،
يمكنك البناء على جميع أنواع الأشياء - مثل
- فيزياء البيسبول ،
- كيمياء خبز الفطيرة ،
- أو بيولوجيا انقسام الخلايا.
بالطبع ، لا معنى للتفسير كيف يعمل شيء مثل الدماغ باستخدام الجسيمات الأولية مثل الكواركات. عادة ما يكون من المنطقي وصف الواقع بأشياء أكبر ، مثل
- الجزيئات
- الخلايا.
ولكن الفكرة هي أنه بغض النظر عن الوحدة الأكثر منطقية للاستخدام ،
تلك الوحدة لا تزال تخضع لنفس المبادئ الأساسية. مثل ، لن تحتاج إلى علامة تجارية جديدة
الجسيمات الأولية لفهم بعض الأشياء اليومية ،
مثل كيف يطير الطائر. معظم القواعد الأساسية التي تصف الأشياء
في عالمنا اليومي هي جزء من إطار يسمى
النموذج القياسي.
هذا الإطار هو في الأساس مجموعة من مبادئ الرياضيات والفيزياء
التي تصف البنية الأساسية للعالم كما نعرفها.
وهي تشمل ثلاث من القوى الأساسية الأربع في العالم
والعشرات من الجسيمات المتعلقة بها.
هذه القوى الثلاث هي القوة الكهرومغناطيسية ، القوة القوية ،
والقوة الضعيفة ، وهي تتناسب بدقة مع النموذج القياسي.
لكن هناك قوة أساسية أخرى: الجاذبية.
وهي عبارة عن لعبة غريبة بعض الشيء لأنه لم يتم وصفها بدقة
بواسطة فيزياء الجسيمات الأولية ، مثل القوى الأخرى.
لذلك لا تتناسب مع النموذج القياسي.
وهذا جزء من السبب وراء عدم وجود نظرية لكل شيء التي تربط جميع القوى والجسيمات في الكون بدقة. ولكن ، حتى بدون نظرية كل شيء ، النموذج القياسي
والنسبية العامة تقوم بعمل صلب لوصف تقريبًا
كل شيء في عالمنا. وهو أمر طويل جدًا ، تم النظر في جميع الأشياء.
هذه النظريات تتويج لقرن من الزمان البحث في الفيزياء الأساسية.
وقد يكون من المغري رؤية الفيزياء الأساسية
كأحجية مع كل القطع تقريبًا في المكان.
أي نوع من الأصوات يبدو وكأنه نهاية الطريق للفيزيائيين.
ولكن قبل أن يسميها أي شخص في اليوم ، أو ، مثل ،
يتحول إلى عالم الأحياء ، هناك بعض الأشياء التي يجب مراعاتها.
بادئ ذي بدء ، كان هناك الكثير من الأوقات عبر التاريخ
عندما اعتقد العلماء أن الفيزياء قد اكتملت ...
وفي كل مرة كانوا مخطئين للغاية.
كمثال ، في عشرينيات القرن العشرين ، حتى بعد أن اكتشفنا الألغاز
من ميكانيكا الكم والنسبية ، الفيزيائي
ماكس بورن مازال لديه الجرأة ليقول ذلك
"الفيزياء ، كما نعرفها ، ستنتهي في غضون ستة أشهر."
سبولير! لم يكن كذلك.
ثم ، كان هناك ذلك الوقت في نهاية القرن التاسع عشر
عندما قال الفيزيائي ألبرت ميشيلسون ،
"يبدو من المحتمل أن معظم المبادئ الكامنة الكبرى تم ترسيخها بقوة. " كان هذا الرجل مستعدًا للتنازل عنها قبل أن نعرف حتى الاشياء الكمومية والنسبية! اعتاد الفيزيائيون في ذلك الوقت على قوانين الحركة اكتشفه
إسحاق نيوتن
أنهم يتوقعون منهم العمل إلى الأبد ، لكل شيء. كان الأمر ، عندما قال ذلك ، ميشيلسون نفسه قد أجرى بالفعل تجربة ستستمر لإثباته - ووجهة نظر نيوتن العالمية كلها - خطأ.
تجربة ميشيلسون مورلي ، كما يطلق عليها ، قدمت أدلة قوية على أنه لا يوجد أي عالمي ، إطار مرجعي مطلق يمكن قياس كل شيء بالنسبة إليه ،
كما اقترحت طريقة نيوتن في التفكير.
كانت هذه التجربة حاسمة في تمهيد الطريق للنسبية.
والانتقال من المطلق إلى طريقة التفكير النسبية حول الحركة قلبت تماما ما كنا نعتقده لقرون حول كيفية عمل الكون. نتيجة لذلك ، كان على آينشتاين أن يأتي ويبتكر
طريقة جديدة كاملة لوصف المكان والزمان. إذاً ، في يوم ميشيلسون ، "المبادئ الكامنة الكبرى" من الفيزياء لا يزال أمامها طريق طويل لتقطعه.
في الأساس ، في كل مرة يعتقد شخص مثل Born أو Michelson كان لديهم كل الإجابات ، أدركوا أن إطارهم كان مجرد تقريب جيد للواقع. بمجرد الخروج إلى بعض التطرف ، هذا التقريب
بدأت في الانهيار. وبعبارة أخرى ، قامت أطرها بعمل جيد لوصفها
العالم تحت ظروف معينة ، لكنها لم تكن كذلك تفسيرات مثالية. والشيء نفسه ينطبق على الأرجح على النموذج القياسي
والنسبية العامة.
تبدو أساسية لأنها تصف الكون جيدًا ، لكن في البيئات القاسية مثل الثقوب السوداء أو الانفجار الكبير ، يبدو أن هذه الأطر لا تزال تتعطل. ولا تزال هناك بعض المشاكل في القوانين التي نسميها أساسية. أعني ، مجرد حقيقة أن الجاذبية لا تعكس الثلاثة الآخرين
تقترح القوى الأساسية أن بعض قطعة من القصة لا يزال مفقودًا. وهناك عيوب أخرى تذكرنا باستمرار أن نظرياتنا الأساسية جيدة فقط تقريب الواقع.
بمعنى أنه من شبه المؤكد أنها ليست نهاية الطريق.
بدلاً من ذلك ، نحن في عصر غريب وغير مسبوق حيث يعرف الفيزيائيون أن نظرياتنا ليست كاملة ، لكنها أيضًا لديها القليل من الأدلة على أي شيء أبعد من ذلك.
وذلك يجعل من الصعب إحراز تقدم الآن أكثر مما كان عليه
قبل مئة سنة.
لأن الشيء هو ، كان ميشيلسون ومورلي قادرين على دحض
القوانين الأساسية لوقتهم باستخدام تجربة معملية يمكن القيام به الآن في فصل دراسي في الكلية. لكن الزمن تغير. لقد اقتلع الناس كل الفاكهة المعلقة. إذا كنت ترغب في اكتشافات فيزيائية أساسية هذه الأيام ،
تحتاج إلى تجارب كبيرة حقًا. في عام 2012 ، مصادم الهادرون الكبير في CERN في سويسرا اكتشف آخر جسيم مفقود من النموذج القياسي ،
بوزون هيجز.
كان ذلك تعاونًا دوليًا ضخمًا مليارات الدولارات ، آلاف العلماء والمهندسين ، وجيش من موظفي الدعم. لن تجد ببساطة جسيمًا غير مكتشف
بدون هذا النوع من التكنولوجيا ، لأنك تحتاج إلى شيء
يمكن أن يخلق ظروفًا أكثر تطرفًا مما تحصل عليه
في الحياة اليومية. وبقدر ما يأمل
علماء الفيزياء
النظرية في ذلك مصادم هادرون الكبير سيجد دليلا على الفيزياء فيما بعد
النموذج القياسي ، ببساطة لم يفعل ذلك. لكن حقيقة أنه صعب لا يعني
أنه لم يبق شيء للعثور عليه. والخبر السار هو أن علماء الفيزياء الحديثين يفهمون ذلك بشكل أفضل مما فعله أناس مثل ميشيلسون في اليوم.
لذا فهم لا يدعون أن المهمة قد تمت.
إنهم يعرفون أنه لا تزال هناك "مبادئ أساسية كبرى" التي لم يتم اكتشافها ، وطن من الطرق أن نظرياتنا الحالية غير مكتملة. مثلما حدث مع النسبية في اليوم ،
من المرجح أن يكون حل المشكلة نظرية جديدة بالكامل
يشبه فقط النموذج القياسي أو النسبية العامة في ظل الظروف المناسبة.
وصلت الفيزياء الأساسية
إلى هضبة عالية جدًا مع نظرياتنا الحالية. ولكن بدون أدلة تجريبية كافية لتوجيهها إلى أعلى ، كما أنها عالقة نوعاً ما في شبق. الخبر السار هو أنه لا يزال هناك الكثير من الطرق يدفع الفيزيائيون النظريون إلى الأمام.
أولاً ، إيجاد طرق لتوحيد القوانين الأساسية للفيزياء لا يزال مجالًا ضخمًا للبحث.
في بعض الحالات ، يعرف الفيزيائيون أين القوانين الأساسية
ينهار - مثل الثقوب السوداء.
هناك ، كل من التأثيرات النسبية والآثار الميكانيكية الكمومية
ذات صلة ، لكنهم لا يتفقون على ما يجب أن يحدث.
تقول النسبية العامة أن الثقوب السوداء يجب أن تتبخر إلى لا شيء ،
لكن ميكانيكا الكم تقول أن ذلك غير ممكن.
لذلك نحن ببساطة لا نعرف ما هو الصواب.
لكن العلماء بدأوا في اكتشاف طرق للبحث
تلك الأنواع من البيئات.
مثل ، للالتفاف على حقيقة أنهم لا يستطيعون دراسة الأشياء بالضبط
مثل الثقوب السوداء في المختبرات ، يستخدمون أحيانًا ما يسمى
النظم الفيزيائية المماثلة.
لذا بدلاً من الدراسة ، على سبيل المثال ، ثقب أسود مباشرة ،
يدرس الفيزيائيون نظامًا له خصائص مشابهة.
على سبيل المثال ، أحد أهم خصائص الثقوب السوداء
هو أنهم لا يسمحون للهروب بالضوء.
لذا وجد الفيزيائيون طريقة لصنع نظام مماثل في المختبر
—بدلاً من اعتراض الضوء ، فإن نظامهم يعوض الصوت. وهذا ما يسمى بالثقب الأسود الصوتي. وهذه الأشياء تعيد إنتاج الخصائص التي نتوقع رؤيتها
في الثقوب السوداء الحقيقية.
يأمل العلماء أن يتمكنوا من المساعدة في معرفة المصير الحقيقي من الثقوب السوداء ، حيث لا تختلف النسبية وميكانيكا الكم. وجد فريق آخر من الباحثين طريقة لوضع ذرات الهيليوم فائقة البرودة في حالة يتصرفون فيها مثل جزيئات بوزون هيجز ،
وكانوا قادرين على استخدام ذلك لدراسة خصائص هيجز حتى قبل أن يكتشفوا بوزون هيجز نفسه. بشكل عام ، يمكنك استخدام مفهوم الأنظمة المماثلة
لاختراع جميع أنواع البيئات غير العادية التي سوف جعل الجسيمات تتصرف بطرق لا تفعلها عادةً ، وكانت هذه طريقة واحدة للفيزيائيين لتجاوز الحدود
الفيزياء الأساسية.
لكن هذه الأيام ، ليست الطريقة الوحيدة للدراسة اساسيات الواقع. كما تزداد قوة أجهزة الكمبيوتر ، محاكاة أصبحت الأنظمة الفيزيائية أكثر شيوعًا في أبحاث الفيزياء الأساسية. وكانت المحاكاة بمثابة تغيير جذري للعبة ، لأنه في الماضي ،
مجرد معرفة القواعد الأساسية التي تحكم النظام لم يكن كافيًا معرفة كيف سيتصرف النظام عمليًا. على سبيل المثال ، سوف يستغرق الأمر الكثير من تحليل الأرقام
للإنسان لمعرفة كيف ستعمل قوانين الفيزياء على مدى مليارات السنين من تطور المجرة. ولكن مع المحاكاة ، تقوم الحواسيب بعمل اكتشافها كيف تلعب قوانين الفيزياء في ظل ظروف معينة
—في جزء من الوقت. بناء على النتائج ، يقوم العلماء بتنبؤات حول كيف تتصرف هذه الأنظمة في العالم الحقيقي. وهذا يمكن أن يقطع شوطا طويلا! مثل التنبؤ بالحركة الفوضوية لأنظمة الطقس سيكون شبه مستحيل بدون محاكاة حاسوبية متقدمة ،
بغض النظر عن مدى فهمك لكيفية عمل الجسيمات.
والمحاكاة هي الطريقة الوحيدة حاليًا لاختبار النظريات
عن أشياء مثل تطور الكون المبكر.
لذلك حتى بدون جزيئات أو قوى جديدة ، الفيزياء الأساسية
لا يزال يدفع إلى الأمام. من الواضح أن الفيزياء النظرية لم تتم.
لكن الأمر تغير بالتأكيد. الهضبة التالية في بحثنا عن نظرية كل شيء
لن يتم الوصول إليه من قبل فرد منشق يعمل وحده في المختبر.
سيستغرق الأمر مساهمات من آلاف الباحثين
في جميع أنحاء العالم ، القيام بكل شيء من كتابة المعادلات
لفحص البيانات الفلكية لبرمجة أجهزة الكمبيوتر.
الهضبة التي وصلنا إليها بأحدث نظرياتنا مثيرة ،
ولكن بطريقة ما الأشياء التي لا تستطيع النظرية تفسيرها
هي أكثر إثارة من الأشياء التي يمكنها.
شكرا علي القراءة