نظرية كل شيء (الجزء الأول)

هل سنشهد في المستقبل القريب فتحا جديدا في العلوم الطبيعية؟ .. وهل سنحتاج لنظريات جديدة وأطر معرفية أخرى؟

منذ حوالي قرن من الزمن وبعد أن بلغت المعرفة البشرية بعلوم الطبيعة مبلغا ظن العلماء بأنهم توصلوا إلى معرفة عميقة عن الزمان والمكان وما في الكون من قوى ومادة وذلك من خلال نظريتين فيزيائيتين أبدعهما العقل البشري في تلك الفترة الزمنية ويمكن من خلالهما فهم الكون وما فيه، الأولى النظرية النسبية العامة للعبقري الفذ ألبرت آينشتاين والثانية نظرية الكم التي لا يمكن نسبتها لعالم بعينه فلقد ساهم جمع من العلماء في تأسيسها ومنهم آينشتاين صاحب النظرية النسبية.

وما جعل العلماء يثقون بقدرة هاتين النظرتين، لا يقتصر على القدرات المدهشة لهاتين النظريتين في تفسير الظواهر الفيزيائية المختلفة فحسب، بل قدرتهما على التنبؤ بعدد من الظواهر الفيزيائية التي لم تكن مكتشفة بعد، واكتشفت لاحقا بعد البحث والملاحظة الدقيقة وذلك بناء على ما توصلت إليه هاتان النظريتان.

فالنظرية النسبية العامة حققت نجاحا منقطع النظير عندما حاولت التفسير والتنبؤ بحركة الأجسام الضخمة كالأجرام السماوية واستطاعت أن تتنبأ بعدد من الظواهر الفيزيائية التي لم تكن بالحسبان ولا يمكن للعقل البشري أن يصدقها كالثقوب السوداء والأمواج الثقالية وغيرها من الظواهر الكونية والتي تم الكشف عنها لاحقا.

أما نظرية الكم فقد حققت نجاحا كبيرا في تفسير الظواهر الذرية وما دونها، وما زالت تتربع على عرش الفيزياء في هذا المجال، لكن التحدي الكبير الذي واجه العلماء هو محاولة الخروج بصورة متكاملة عن الكون وذلك من خلال دمج النظريتين معا في نظرية واحدة تمكننا من فهم الكون بأسره من خلال منظومة واحدة من القوانين المتكاملة، وهذا ما أطلق عليه بـ نظرية كل شيء.

فلقد أدرك آينشتاين مباشرة وبعد أن تم التوصل إلى نظرية الكم، بأن هذه النظرية تتعارض تماما مع نظريته النسبية، فهي تنظر للكون نظرة مغايرة تماما لتلك التي تنظر إليها النظرية النسبية العامة، بحيث يصبح من الصعوبة بمكان أن يتم دمج النظريتين معا في نظرية واحدة.

ولقد كان الرجل محقا بالفعل فلقد أمضى سني حياته الباقية محاولا الوصول إلى حل لهذه المعضلة ولكنه لم يصل لها

في هذه المقالة المختصرة سنتحدث عن المقصود من هذه النظرية، وما هي الصعوبات التي تمنع من دمج أعظم نظريتين توصل لهما علم الفيزياء للوصول إلى نظرية كل شيء، ثم سنتحدث عن التقدم الحاصل في هذا المجال وفي الخاتمة سنتحدث عن بعض ملاحظاتنا على النظرية ومفهومها وما سينبثق منها من نتائج.

يقصد بنظرية كل شيء الوصول إلى أبسط وصف رياضي ممكن للمكان والزمان وجميع المواد وأصناف القوى في أعمق وأبسط مستويات الكون.

فلقد اتضح لنا ومنذ قوانين نيوتن بأن أفضل وصف للكون إنما يتم من خلال الرياضيات والمعادلات الرياضية، فلقد تبين لنا بأن العالم المادي لا يمكن وصفه كما نصف نحن البشر الأمور من حولنا، فالجمال والحب والقبح هي صفات لا توصلنا إلى واقع العالم المادي، فأفضل وصف للكون إنما يتم بالرياضيات، ولكن في نظرية كل شيء لا نسعى لوصف الكون بمعادلات رياضية فحسب بل بمعادلات رياضية غاية في البساطة، تحوي على أقل قدر من المتغيرات ويمكن حلها بسهولة ويسر نسبيا.

كما أن هذه المعادلة لابد لها أن تصف الكون بقوامه الأربعة وهي الزمان والمكان والمادة والقوى التي تتحكم به، فلقد توصلنا إلى أن الكون المادي برمته يمكن اختصاره بهذه القوام الأربعة.

فالنظرية النسبية كما قلنا تصف لنا المكان والزمان والقوى التي تتحكم بالكواكب والنجوم والمجرات وتصفها وصفا دقيقا بل واستطاعت أن تدمج الزمان في المكان ويصبح بعدا من الأبعاد ويطلق عليهما معا الزمكان، وما يميزها، أن مكتشف النظرية صاغ النظرية ومعادلاتها بناء على ملاحظات وفهم وفلسفة آمن بها، ولذا جاءت مفهومة وواضحة على الرغم من غرابتها ومخالفتها لما تعود عليه الفكر البشري، ولذا يعدها البعض بأنها أجمل نظرية فيزيائية على الإطلاق.

وبالمقابل فإن نظرية الكم أخذت مسارا معاكسا، فلقد صاغ العلماء معادلاتها الرياضية أولا في محاولة لإيجاد طريقة يمكنهم التنبؤ بسلوك الجسيمات دون الذرية، وبعد أن تمت صياغة هذه المعادلات، حاولوا أن يستخلصوا معنى واضحا لها ويبنوا فلسفتهم على ما توصلوا إليه، فكانت النتيجة صادمة، فكل محاولاتهم لتفسير النظرية كانت تتصادم تماما مع الحس العام بل إنها في بعض التفسيرات المطروحة تتصادم حتى مع القواعد الفلسفية الركينة.

ومن هنا أدرك آينشتاين بعقله الفلسفي مشكلة هذه النظرية، ولم يرتح لها طيلة حياته، وسببت له إزعاجا كبيرا، وفوق هذا وذاك وجدها أيضا تتصادم مع النظرية النسبية.

إن النظرية النسبية العامة تنظر إلى المكان والزمان أنهما متصلان، فهما أشبه شيء ببساط ممتد لا ثقوب فيه، وبالمقابل فإن المفهوم الأساسي والمحوري في نظرية الكم قائم على فكرة تقول بأن جميع المفاهيم الفيزيائية التي نعرفها كالطاقة، بل وحتى المكان والزمان ليست متصلة وممتدة كالبساط بل هي كميات حبيبية منفصلة، فالكون بناء على هذه النظرية إنما هو مجموعة من الجسيمات الكمومية، فأصل جميع القوى والمواد إنما هي هذه الجسيمات الكمومية.

حسنا، ولماذا نطلق عليها جسيمات كمومية، وما الفرق بينها وين الجسيمات الصغيرة الأخرى؟

والواقع أن الفارق بينهما شاسع وكبير، فمن أهم صفات الجسيمات الكمومية أنها ليست كرات مصمتة، بل هي جسيمات تمتلك خواص موجية، فلقد لوحظ أن الإلكترون – ويعد من الجسيمات الكمومية- مثلا يتصرف في ظروف معينة كموجة، فيظهر حيودا كحيود الموجات تماما، وهكذا بقية الجسيمات ما دون الذرية، ولكونها تمتلك خواص مزدوجة، فإن هذه الخاصية تدخل نسبة خطأ في قياساتنا عندما نحاول أن نقوم بعملية قياس لمتغيرين معا في آن واحد، فلو أردنا أن نقيس موقع الجسيم الكمومي وسرعته مثلا، فلا يمكن لنا القيام بذلك بدقة متناهية، فكلما قمنا بحساب أحد المتغيرين بدقة زادت نسبة الخطأ في المتغير الثاني، وهذا ما يجعلنا نصل إلى حدود دنيا لكل متغير، فموقع الجسيم لا يمكن تحديد دقته بأقل من ثابت يعرف بثابت بلانك لأن نسبة الخطأ عندها ستكون كبيرة جدا!، والسبب في ذلك بأن الموجة ليس لها موقع معين فهي تنتشر في الفضاء، ولأن هذه الجسيمات الكمومية هي عبارة جسيمات وموجات، فإن نتيجة ذلك هو أننا لا نستطيع تحديد متغيرين مرتبطين معا بدقة متناهية!

ويعرف ذلك في فيزياء الكم بمبدأ الشك والارتياب والذي صاغه هايزنبرغ ويشير إلى أن الطبيعة على المستوى الجسيمات الكمومية تمنعنا من معرفة موقع الجسيم ودقته في آن واحد، فلو قمنا بتحديد سرعة جسيم ما بدقة متناهية بحيث تكون نسبة الخطأ مقاربة للصفر، فإن الجسيم الكمومي يصبح متواجدا في الكون كله ولا يمكنك تحديد موقعه!.

إن مبدأ الشك والارتياب الذي تحدثنا عنه ينطبق على جميع الجسيمات الكمومية.

ومما يزيد الأمر تعقيدا، ما توصل إليه عالم نمساوي يدعى شرودينجر وذلك عبر معادلته التي تسمى باسمه، حيث تصف هذه المعادلة سلوك الجسيم الكمومي مع الوقت بعد أن تتم تحديد طاقة الجسيم وكتلته، لكنها تتعامل مع الجسيم الكمومي على أنه موجة، ونتيجة لذلك فلا يوجد جواب واحد للمعادلة بل مجموعة من الموجات وكل موجة تسلك طريقا مختلفا مع نسبة احتمال سلوكها لذلك الطريق، وقد يكون احتمال سلوك أحد الطرق عاليا جدا إذ قد يصل إلى ٩٩٪ مثلا، ولكن ذلك يعني أن هناك احتمالا بـ ١٪ أن يسلك الجسيم الكمومي طريقا مغايرا!

وبذلك فإننا نقوم في هذه المعادلات بإدخال متغيرات معينة ولكننا لا نحصل على إجابات محددة بل نحصل على احتمالات لإجابات متعددة!

والخلاصة فإننا نلاحظ أن النظرية النسبية لا تخالف نظرية الكم فحسب بل تعاكسها في نظرتها فهي تنظر للقوام الأربع للكون (المادة والطاقة والزمان والمكان) على أنها قوام متصلة بينما نظرية الكم تنظر لهم على أنهم حبيبات منفصلة كمومية (جسيمات غاية في الصغر تحمل صفات موجية)، وهذا التناقض يجعل من الجمع بين النظرتين أمرا في غاية الصعوبة.

وأمام هذا التحدي انقسم العلماء، فقسم يرى أننا سنشهد في المستقبل القريب فتحا جديدا في العلوم الطبيعية وأننا نحتاج إلى نظرية جديدة تماما وإطار معرفي آخر مغاير لما هو مألوف تماما، وينطلق هؤلاء من فكرة أن التطور البشري في علوم الطبيعة عندما تتأزم الأمور فإنه يخرج بإطار معرفي جديد كما حدث في تاريخ العلوم، ومقابل هؤلاء هناك من طرح حلا للتناقض الظاهر بين النسبية ونظرية الكم، وقبل أن أتناول الحلول المطروحة، لابد لنا من وقفة مع تعريف نظرية كل شيء الذي بدأنا به مقالتنا ثم نتعرض إلى أقرب النظريات الحالية لنظرية كل شيء وذلك قبل الحديث عن الحلول المطروحة.

ذكرنا سابقا بأن المقصود من نظرية كل شيء الوصول إلى أبسط وصف رياضي ممكن للمكان والزمان وجميع المواد وأصناف القوى في أعمق وأبسط مستويات الكون.

والسؤال الذي يثيره البعض، كيف لنا أن نعرف بأننا وصلنا إلى أبسط وصف رياضي ممكن؟

فماذا نقصد بذلك، هل هذا يعني أن تحتوي المعادلة على متغير واحد فقط، أم متغيرين، وكيف لنا أن ندرك أن المعادلة غدت أبسط وصف رياضي وما الذي يضمن ألا يُكتشف وصف رياضي أبسط منه في الغد؟! وهكذا الحال مع فكرة «أبسط مستويات الكون»

فلو رجعنا إلى تاريخ العلوم الطبيعية، لوجدنا بأننا في كل مرة نظن أننا وصلنا إلى أبسط صورة ممكنة، وإذا بنا نرى صورة أبسط منها تبرز بعد فترة وجيزة، فلقد تصورنا أن الذرة هي أبسط الصور ثم وجدنا أن الذرة تتكون من نواة وإلكترونات تدور حولها، ثم تبين لنا أن النواة تتكون من بروتونات ونيوترونات، وأخيرا اكتشفنا أن البروتونات والنيوترونات تتكونان من الكوارك، فما الذي يضمن لنا أن الكوارك جسيم أساسي بسيط، وما الذي يضمن بأننا لن نكتشف غدا بأنه ليس كذلك وأنه جسيم معقد مكون من جسيمات عديدة؟! (٣)

والواقع أنه لا توجد ضمانات في علوم الطبيعة، فطبيعة المنهج التجريبي والتي تقوم عليه علوم الطبيعة، منهج استقرائي، وهذا المنهج يمكننا فيه أن نثبت خطأ النتيجة التي توصلنا إليها من خلال إجراء تجربة ما تثبت مثلا أن الكوارك ليس جسيما أساسيا وأنه يتكون من جسيمات أخرى، ولكننا لا نصل من خلال الاستقراء إلى اليقين المطلق، فحتى لو قمنا بإجراء ألف تجربة تثبت أن الكوارك جسيم أساسي، فهناك احتمال بأن يثبت خطأ هذا الاستنتاج في التجربة رقم ألف وواحد، فالمنهج الاستقرائي منهج يقوم على إمكانية إثبات خطأ النتيجة التي توصلنا إليها ولا يمكن من خلاله إثبات صحة النتيجة التي توصلنا إليها بشكل يقيني، ولكن حالة الاطمئنان واحتمال الصحة ترتفع كلما أقدمنا على تجارب نتائجها تتوافق مع النظرية العلمية، وهذا ينطبق أيضا على بساطة المعادلة الرياضية أيضا، فلا يمكن لنا إثبات أن هذه المعادلة أبسط صورة رياضية ممكنة فلربما يأتي غدا أحدهم ويشتق معادلة رياضية أبسط منها، لذا فإننا نرى أن هذين النقدين غير صحيحين فهما نتيجة منهج العلوم الطبيعية وليسا نتيجة مباشرة للتعريف الذي طرح لنظرية كل شيء.

إن سعي علماء الطبيعة للوصول إلى أبسط وأعمق أشكال المادة والقوى أوصلنا اليوم إلى ما يعرف بـالنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، والذي يعد أبسط وأعمق صور المادة إلى يومنا هذا.

وهذا ما سنتطرق له في الجزء الثاني من المقالة في العدد القادم.

أ. د. حيدر أحمد اللواتي / كلية العلوم، جامعة السلطان قابوس

المصدر: لجريدة عمان