الواقع ليس كما يبدو

Reality is Not What it Seems
by Carlo Rovelli

الواقع ليس كما يبدو
بواسطة كارلو روفيللي
في العلوم
القيام برحلة عبر التاريخ التي تؤدي إلى نظرية اليوم من الجاذبية الكمية ورؤية الفيزيائي الحديث للكون. هل يوجد الزمان والمكان؟ ماذا عن الواقع، هل هو موجود؟ هذه هي الأسئلة التي أمضى عالم الفيزياء النظرية كارلو روفيللي حياته في استكشافها. بدءا من علماء اليونان القديمة، يأخذنا روفيللي في رحلة عبر التاريخ ويظهر لنا كيف تغير فهمنا للواقع مع مرور الوقت. حفر في الاكتشافات والنظريات التي أدلى بها ديموقريطس، إسحاق نيوتن، ألبرت أينشتاين، وحتى عمله الخاص في الجاذبية الكم، روفيللي يسعى إلى توحيد ميكانيكا الكم والنسبية العامة. من خلال الواقع ليس ما يبدو، عليك استكشاف عالم حيث الفضاء يتكون من الحبوب الصغيرة، حيث يختفي الوقت، وحيث جزء كبير من الكون لم يتم اكتشافها بعد.

مقدمة
في عالم الفيزياء، لم يتم اكتشاف الكثير بعد. لذلك، يسعى كارلو روفيللي إلى عرض وجهات نظره ومعرفته في الجاذبية الكمية، المنطقة عند الحدود بين ما نفهمه وما لا نفهمه حتى الآن. العديد من الفيزيائيين الآخرين سيوافقون على الأفكار المعروضة هنا، في حين أن آخرين لن يوافقوا عليها. هذا هو عالم الفيزياء. لذلك ، لا يهدف روفيللي إلى الكتابة إليك عن اليقين ، بل يهدف إلى أخذك في مغامرة للتحرك نحو المجهول. لكنه لن يأخذك في أي رحلة، ستكون الرحلة الأكثر إثارة التي قامت بها البشرية على الإطلاق: الرحلة نحو فهم واسع على نحو متزايد للعالم.
لقد ظل العلماء يبحثون عن إجابات لأسئلتهم حول العالم لعدة قرون، وأجابوا على هذه الأسئلة من بعض النواحي. ومع ذلك ، بطرق أخرى ، أدت إجاباتهم فقط إلى المزيد من الأسئلة! كلما اكتشفنا أكثر، كلما فهمنا أننا لا نعرف بعد كل ما يجب معرفته. معرفتنا بقواعد اللغة الأولية في العالم لا تزال تنمو، ونحن لم نعد نصدق ما كان يدرس لنا في المدرسة. لذلك، يسعى روفيللي إلى تقديم روايته عن الوضع الحالي للبحث عن صورتنا الجديدة للعالم، كما يفهمها اليوم. في نهاية المطاف ، وهذا الكتاب هو جواب روفيللي على السؤال ، “لذلك ، ما رأيك هو الطبيعة الحقيقية للأشياء؟”
الفصل الأول: علماء القدماء يحاولون شرح العالم
منذ بداية الزمن، أو على الأقل منذ أن تركت البشرية نصوصا مكتوبة، تساءل الرجال عن العالم. كيف خرج العالم إلى الوجود؟ ما الذي يتكون منه؟ حتى أنهم تساءلوا عن الظواهر الطبيعية، وطرحوا أسئلة تتعلق بالرياح والمطر. لعدة قرون، حاول الإنسان شرح العالم المحيط بهم وسعى للحصول على إجابات من خلال قصص مفصلة عن الأرواح والآلهة والمخلوقات الوهمية والأسطورية، وأكثر من ذلك.
ثم، في بداية القرن الخامس، بدأ علماء اليونان القديمة في البحث عن المزيد من الإجابات، إجابات مختلفة. وهكذا بدأت ثورة الفكر العلمي. كان أحد هؤلاء العلماء أناكسيماندر، الذي فهم أن الأرض تطفو في السماء وأن مياه الأمطار لم تأت من الآلهة، وبدلا من ذلك، تم إنتاج المطر من خلال تراكم المياه المتبخرة من الأرض. لقد فهم أن النباتات والحيوانات تتطور وتتكيف مع التغيرات في البيئة، وأن الإنسان لا بد أنه تطور من أخرى.
استمرت التطورات في السنوات التالية حيث سعى باحث يدعى ديموقريطوس إلى الإجابة على كيفية إنشاء العالم. وبمساعدة معلمه ليوسيبوس، اكتشف الاثنان أن جميع المواد تتكون من لبنات بناء تسمى الذرات. بالإضافة إلى ذلك، كانوا يعتقدون أن الفضاء الفارغ يكمن بين كل ذرة. لذلك، يجب أن يكون للذرات حجم معين ويجب أن يكون هناك عدد لا حصر له منها. كانوا يعتقدون أنه “لم يكن هناك نهائية، لا هدف في هذه الرقصة التي لا نهاية لها من الذرات”، مع تدور رومانسية على العلم. وبعبارة أخرى، كان هؤلاء الفلاسفة يعتقدون أنهم جزء من الطبيعة، وليس منفصلا. وبطبيعة الحال، لم تتوقف التطورات عند هذا الحد مع وصول الفلاسفة أرسطو وأفلاطون إلى الساحة.
حارب الفيلسوفان القديمان إلى حد كبير ضد أفكار ديموقريطوس، وبدلا من ذلك، طلبا تفسيرات لصالح محاولة فهم الغرض من العالم. لذلك ، أخذوا على فكرة أن الرياضيات يمكن استخدامها كأداة لشرح العالم من حولهم. ثم توسع بطليموس في هذه الأفكار وسعى إلى التنبؤ بحركة الكواكب من خلال إنشاء صيغ لحساب مثل هذه الحركات. بالحديث عن حركات الأرض، لم يتوسع علماء مثل كوبرنيكوس وغاليليو في الأدوات الرياضية وثورة في الطريقة التي يفهم بها البشر العالم إلا بعد أكثر من ألف عام. كوبرنيكوس، على سبيل المثال، أثبت أن مدارات الكواكب يمكن حسابها بمجرد أن يفهم أن الشمس كانت في مركز النظام الشمسي، وليس الأرض. وفي نفس الوقت تقريبا، غير اختراع التلسكوب الطريقة التي ينظر بها البشر إلى الأجسام السماوية في السماء. في القرن السادس عشر، اكتشف غاليليو حلقات زحل وكذلك العديد من الأقمار حول المشتري.
توسع غاليليو في فرضية كوبرنيكوس المحيطة بمدار الكواكب وخلق ما يعرف الآن باسم الطريقة العلمية. كما سعى إلى إثبات معدل سقوط الأشياء. هل تسقط جميع الأجسام بسرعة ثابتة؟ وأسفرت تجاربه عن اكتشاف أول قانون رياضي للحركة بينما دحض في الوقت نفسه نظرية أرسطو في الجاذبية. بسبب علماء مثل غاليليو وأرسطو وديموقريطوس، أصبح لدى العلماء اليوم فهم أفضل للعالم من حولهم ويستمرون في إحداث ثورة في الطريقة التي نفكر بها.
الفصل الثاني: مساهمات نيوتن تؤدي إلى أفكار ثورية
ثم نسافر إلى إنجلترا في القرن السابع عشر حيث نلتقي “أعظم عالم في كل العصور”، إسحاق نيوتن. توسع نيوتن في حسابات غاليليو وسعى إلى اكتشاف كم من الوقت سيستغرق قمر صغير جدا للدوران حول الأرض. واكتشف أن تسارع القمر الافتراضي سيعادل تسارع الأجسام الساقطة على الأرض. وبعبارة أخرى، كانت القوة التي تؤثر على سرعة القمر المداري هي نفس القوة التي اكتشفها غاليليو. فما هي هذه القوة؟
فجأة، كان نيوتن يجمع بين ملاحظات متعددة في نظرية واحدة. لم يعد هناك فصل بين السماوات والأرض، بدلا من ذلك، أصبحت الجاذبية على الأرض هي نفسها مثل الجاذبية في مكان آخر. الآن، فهم أن الفضاء لم يكن مليئا بالأجسام العائمة فحسب، بل كانت هذه الأجسام ترسم نحو بعضها البعض بقوة الجاذبية. استخدم نيوتن هذه النظرية لإنشاء أول صورة متماسكة للعالم، وفصل العالم إلى ثلاث فئات: الفضاء والزمان والجسيمات. في حين أن نيوتن رسم بنجاح صورة جديدة للكون ، كان لا يزال هناك الكثير الذي يمكن اكتشافه.
سافر مايكل فاراداي وجيمس كلارك ماكسويل إلى القرن التاسع عشر، وتوسعا في أفكار نيوتن واكتشفا مفهوم الكهرومغناطيسية. الكهرومغناطيسية هي القوة التي تربط الذرات معا لتشكيل الجزيئات، فضلا عن الإلكترونات التي هي داخل الذرات. بالإضافة إلى ذلك، أظهر العالمان البريطانيان أن الكهرباء والضوء والمغناطيسية كلها مظاهر مختلفة لنفس الظاهرة. يقسم هذا الاكتشاف مفهوم نيوتن للجسيمات إلى قسمين منفصلين: الحقول والجسيمات. اقترح فاراداي وماكسويل فكرة وجود “حقل” غير مرئي في جميع أنحاء الفضاء يسمح لهذه القوى الكهرومغناطيسية بالتصرف.
بعد هذا التوحيد بين الميكانيكا الأرضية والكاوية، جاء آينشتاين إلى الساحة للمساهمة بالمزيد من الأفكار الخاصة به. في عام 1905، يشير آينشتاين إلى أن المكان والزمان هما نفس الأشياء، فهم “يندمجون معا في مفهوم واحد للزمكان”. وبعبارة أخرى ، جاءت فكرة نيوتن الفضاء والوقت معا. أصبح هذا يعرف باسم نظرية آينشتاين للنسبية الخاصة ، وعلى الرغم من أنها كانت فكرة جذرية ، إلا أنها بدأت سلسلة من الاكتشافات التي من شأنها تغيير الطريقة التي ينظر بها الناس إلى العالم.
الفصل الثالث: نظرية آينشتاين للنسبية
كما ذكر سابقا، اكتشف آينشتاين أن نيوتن الفضاء والزمان تنصهر لتصبح واحدة. حسنا، بعد عشر سنوات فقط، اقترح آينشتاين فكرة أكثر راديكالية وثورية. فكرة أن مساحة نيوتن هي مجال الجاذبية الذي اكتشفه فاراداي وماكسويل. جمعت نظرية النسبية العامة هذه بين أفكار نيوتن وماكسويل وفراداي التي تثبت أن الاختراقات تحدث عندما يجمع العلماء أفكارهم مع تعلم الآخرين.
مع هذا التوحيد بين الأفكار والعلماء، أعاد آينشتاين تعريف مفهوم الفضاء ومحتوياته. الآن، الفضاء لم يعد كتلة فارغة وغامضة تحيط بالأرض، بدلا من ذلك، أصبح الفضاء حقل جاذبية يؤثر على كل جسم واحد. بالإضافة إلى ذلك، أثبت آينشتاين أن الكتلة يمكن أن تثني المساحة المحيطة بها، مما يخلق انحناء تسبب في سحب الجثث نحو بعضها البعض. ثم أدت نظرياته إلى تفسير كيفية إنشاء الكون مع “نظرية الانفجار الكبير”.
بقي سؤال واحد، “هل الكون محدود أم لا نهائي؟” سعى العلماء للإجابة على هذا السؤال لسنوات، ولكن الآن، كان آينشتاين قادرا على اقتراح نظرية جديدة. ربما، الكون كان كلاهما! في حين أن هذا يبدو مربكا، بالتأكيد شيء لا يمكن أن يكون محدودا ولا حدود له، دعونا ننظر إلى الأرض، على سبيل المثال. تخيل المشي في اتجاه واحد على سطح العالم، إلى متى سوف تكون قادرة على المشي ل؟ من الناحية الفنية، هل يمكن أن يمشي إلى الأبد، كنت أبدا “تسقط” كما الأرض لا تنتهي أبدا. لذا في حين أن الأرض لا حدود لها، إلا أنها لا تزال محدودة لأن الكوكب لديه كمية معينة من السطح.
بالطبع، (آينشتاين) لم ينته. أدرك آينشتاين أن الكون بالتأكيد لا يمكن أن يكون محدودا. إذا كان الكون لديه كمية محدودة من الفضاء، فإنه سيؤدي في نهاية المطاف إلى انهيار داخلي للمادة بسبب قوة الجاذبية. ومع ذلك ، لم يحدث ذلك حتى آينشتاين اقترح أن الكون يجب أن يتوسع إلى الخارج مما أدى إلى فكرة نعرفها الآن باسم نظرية الانفجار الكبير.
الفصل الرابع: نظرية ميكانيكا الكم
مساهمات آينشتاين في مجالات الزمكان والجاذبية من شأنها أن تؤدي في نهاية المطاف إلى ما يعرف بنظرية الكم، أو ميكانيكا الكم. منذ أيام أناكسيماندر وديموقريطوس، كان الفلاسفة والعلماء يبنون على أفكار لخلق ما نفهمه اليوم. فما هي هذه النظرية بالضبط؟ يقول روفيللي أن ميكانيكا الكم هي النظرية التي تسعى إلى تفسير حركة الجسيمات دون الذرية.
بدأت هذه النظرية في عام 1900 مع الفيزيائي الألماني ماكس بلانك. عند حساب طاقة الحقول الكهربائية، اتخذ بلانك اختصارا رياضيا واعتقد أن جميع الطاقة في هذا المجال تم تقسيمها إلى حزم صغيرة، تسمى كوانتا. ومن المثير للصدمة أن حسابات بلانك كانت صحيحة. لذلك في عام 1905، أدرك آينشتاين أن الضوء كان مشابها للطاقة من حيث أنه كان يتكون أيضا من حزم صغيرة. ثم، بعد بضع سنوات فقط، اكتشف نيلز بور، وهو فيزيائي دنماركي أن إلكترونات التشريح لديها كمية محدودة من الطاقة بدلا من النظرية التي كان يعتقد سابقا أن الذرات لديها طيف مستمر من الطاقة.
ما يعنيه كل هذا هو أن بلانك، آينشتاين، وبور اكتشفوا جميعا النظرية الأساسية لميكانيكا الكم، أن الكون يتكون من حزم محدودة من الضوء والطاقة على حد سواء. بطبيعة الحال ، فإن نظرية ميكانيكا الكم لا تتوقف عند هذا الحد. في العشرينات من القرن العشرين، اكتشف الفيزيائي الألماني فيرنر هايزنبرغ أنه لا يمكن تحديد موضع الإلكترون إلا بناء على تفاعله مع جسم آخر. وقد فضح هذا الاكتشاف الاعتقاد السابق بأن الإلكترونات لها موقع ثابت في الفضاء. بالإضافة إلى ذلك، أثبت هيسنبورغ أن الإلكترون لا يمكن أن يوجد إلا فيما يتعلق بجسم آخر.
في حين أن ميكانيكا الكم تسعى إلى شرح المستوى المجهري للذرات والجسيمات ، لا تزال هناك العديد من الأسئلة المحيطة بالموضوع. وينطوي أحد هذه الأسئلة على جانب من جوانب عدم الدقة مما يعني أنه لا يمكن التنبؤ بالأحداث المادية على وجه اليقين، إلا مع احتمال حدوثها. عدم الجرم هو حقيقة أن هناك دائما شيء لا يمكن التنبؤ بها التي تسمح لنا للحصول على معلومات جديدة. وبعبارة أخرى ، “المستقبل لا يمكن التنبؤ بها حقا” ولكن هذه الحقيقة تمكننا من اكتشاف المزيد.
الفصل الخامس: نظرية الجاذبية الكمية
مع الاكتشافات التي قام بها الفلاسفة القدماء والحديثة ، وهناك الآن مفارقة القرن العشرين في الفيزياء الحديثة. نظرية النسبية العامة وميكانيكا الكم على حد سواء لديها معتقدات مختلفة إلى حد كبير. ترى، النسبية العامة تشير إلى أن الفضاء هو منحني ومستمر. ومع ذلك ، فإن أولئك الذين يقبلون ميكانيكا الكم يعتقدون أن الفضاء مسطح وأن كل شيء ، مثل الضوء والطاقة ، هو حبيبي وموجود في حزم صغيرة.
واليوم، يسعى الفيزيائيون المعاصرون إلى الالتقاء والجمع بين هذه النظريات بطريقة أو بأخرى. أدخل الجاذبية الكمية. عندما يتعلق الأمر بالجاذبية الكمية، تشير النظرية إلى أن الفضاء ليس مستمرا ولكنه محبب أيضا. ويتعلق هذا بفكرة الفيزيائي السوفياتي ماتفي برونستين بأن الفضاء ليس قابلا للقسمة بشكل لا نهائي على غرار نظرية ديموقريطوس حول الذرات والمادة. طور برونستين هذه الفكرة في ثلاثينيات القرن العشرين؛ ومع ذلك، تدعم أبحاث اليوم هذه النظرية من خلال اقتراح أن الفضاء يمكن تقسيمه إلى وحدة قياس أصغر بمليار مرة من نواة الذرة. ويسمى هذا القياس طول بلانك وهو 10-33 سم.
الجاذبية الكمية لديها مطالبة أساسية أخرى ربما تكون الأكثر أهمية على الإطلاق. ويحيط هذا الادعاء بفكرة الزمن. كما ترى، نظرية آينشتاين للنسبية الخاصة أقنعت الناس بالاعتقاد بأن الوقت يمر بنفس الطريقة في كل مكان. ومع ذلك، فقد ثبت أن الوقت يمر أبطأ أو أسرع في بعض الأماكن في الكون! على سبيل المثال، يمر الوقت بشكل أسرع قليلا في المناطق التي تكون فيها الجاذبية أعلى. وبعبارة أخرى، إذا كنت لوضع ساعة على طاولة وآخر على الأرض، واحد أقرب إلى الأرض سوف تعمل أبطأ قليلا.
فماذا يعني هذا بالضبط؟ في الأساس، يفهم الفيزيائيون الآن أن الوقت لم يعد وحدة قياس علمية موثوقة. إذا كان الوقت يمكن أن تمر بسرعات مختلفة على أساس موقعها في الكون، ثم كيف يمكن قياس الوقت أي شيء؟ النقطة هي أنه لا يمكن. لذلك، لم يعد الفيزيائيون في مجال الجاذبية الكمية يستخدمون الوقت في معادلاتهم الأساسية. وبعبارة أخرى، لم تعد الأحداث تحدث في الوقت المناسب. في الواقع، في عالم الفيزياء الحديثة، الوقت غير موجود حتى.
الفصل السادس: الملخص النهائي
من علماء اليونان القديمة إلى علماء الفيزياء الحديثة اليوم، وكلاهما اكتشف اختراقات ثورية حول الطريقة التي ننظر بها إلى العالم. بدءا من اكتشاف أناكسيماندر للأرض العائمة في السماء واكتشاف ديموقريطوس للذرة ، بنى العلماء والفيزيائيون على هذه الأفكار ، والعمل معا بشكل أساسي وتوحيدها. بل وأكثر من ذلك، أحدث نيوتن آينشتاين ثورة في الطريقة التي نفكر بها في الزمان والمكان. من نظرية نيوتن حول مطلقية الزمان والمكان إلى نظرية آينشتاين للنسبية العامة وميكانيكا الكم، استقال الفيزيائيون اليوم للاجتماع حول النظريات المختلفة. الآن، بفضل الجاذبية الكمية، خلق الفيزيائيون عالما حيث الفضاء محبب وحيث قد يكون الوقت موجودا أو غير موجود!

اترك تعليقًا

إملأ الحقول أدناه بالمعلومات المناسبة أو إضغط على إحدى الأيقونات لتسجيل الدخول:

شعار ووردبريس.كوم

أنت تعلق بإستخدام حساب WordPress.com. تسجيل خروج   /  تغيير )

Google photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Google. تسجيل خروج   /  تغيير )

صورة تويتر

أنت تعلق بإستخدام حساب Twitter. تسجيل خروج   /  تغيير )

Facebook photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Facebook. تسجيل خروج   /  تغيير )

Connecting to %s