ليس هناك من ينكر القوة التنبؤية الهائلة لنظرية ألبرت أينشتاين للجاذبية والنسبية العامة عام 1915، ومع ذلك، لا تزال النظرية تعاني من تناقضات عندما يتعلق الأمر بحساب تأثيرها على مسافات شاسعة. وتشير الأبحاث الجديدة إلى أن هذه التناقضات قد تكون نتيجة “خلل كوني” في الجاذبية نفسها.
خلال 109 سنوات منذ صياغتها لأول مرة، ظلت النسبية العامة أفضل وصف للجاذبية على نطاق المجرة؛ وقد أكدت التجارب مراراً وتكراراً دقتها. كما تم استخدام هذه النظرية للتنبؤ بجوانب الكون التي سيتم تأكيدها لاحقًا عن طريق الملاحظة. يتضمن ذلك الانفجار الكبير، ووجود الثقوب السوداء، وعدسة الجاذبية للضوء، والتموجات الصغيرة في الزمكان التي تسمى موجات الجاذبية.
ومع ذلك، مثل نظرية الجاذبية النيوتونية التي تجاوزتها، فإن النسبية العامة قد لا تقدم لنا الصورة الكاملة لهذه القوة الغامضة.
وقال روبن وين من قسم الفيزياء الرياضية بجامعة واترلو في بيان: “كان نموذج الجاذبية هذا ضروريًا لكل شيء بدءًا من نظرية الانفجار الكبير وحتى تصوير الثقوب السوداء”. “ولكن عندما نحاول فهم الجاذبية على المستوى الكوني، على مستوى مجموعات المجرات وما بعدها، فإننا نواجه تناقضات واضحة مع تنبؤات النسبية العامة.”
متعلق ب: يمكن أن تساعد “الجاذبية الكمومية” في توحيد ميكانيكا الكم مع النسبية العامة أخيرًا
وقال ون “الجاذبية تصبح أضعف بنحو واحد بالمئة عند التعامل مع مسافات بمليارات السنين الضوئية.” “نحن نطلق على هذا التناقض اسم” خلل كوني “. يبدو الأمر كما لو أن الجاذبية نفسها توقفت تمامًا عن مطابقة نظرية أينشتاين.”
سيتطلب الخلل الكوني الذي وصفه الفريق تغييرًا في قيمة تسمى ثابت الجاذبية. سيحدث هذا التغيير عندما تقترب الحسابات من “الأفق الفائق”، أو أقصى مسافة يمكن للضوء أن يقطعها منذ نشأة الكون.
يقول الفريق إنه يمكن إجراء هذا التعديل عن طريق إضافة امتداد واحد للنموذج الكوني القياسي. يُعرف هذا النموذج بنموذج لامدا للمادة المظلمة الباردة. بمجرد اكتماله، يجب أن يزيل التعديل التناقضات في القياسات على المستويات الكونية دون التأثير على الاستخدامات الناجحة الحالية للنسبية العامة.
ما هي النسبية العامة وهل يمكن أن تكون خاطئة؟
كان اكتشاف النسبية العامة ثوريًا للغاية، لأنه بدلاً من وصف الجاذبية كقوة غامضة، افترض أن الجاذبية تنشأ من انحناء نسيج المكان والزمان، متحدين ككيان واحد يسمى “الزمكان”. وأدرك أينشتاين أن هذا الانحناء يتشكل بواسطة الأجسام ذات الكتلة.
تخيل وضع كرات ذات كتلة متزايدة على لوح مطاطي مشدود. من شأن كرة التنس أن تسبب انبعاجًا صغيرًا وغير محسوس تقريبًا؛ من شأن كرة الكريكيت أن تخلق انبعاجًا أكثر وضوحًا؛ ومن شأن كرة البولينج أن تحفز منحنى ضخمًا من المحتمل أن يجذب أي شيء آخر على الورقة نحوها. إنه نفس المفهوم مع الأجسام الموجودة في الفضاء، على الرغم من أن انحناء الزمكان موجود في أربعة أبعاد، لذلك هناك بعض الاختلافات الرئيسية. ومع ذلك، فإن الأقمار لها كتلة أقل من الكواكب، والكواكب أقل من النجوم، والنجوم أقل من المجرات، وبالتالي فإن تأثيرات الجاذبية لهذه الأجرام السماوية تزداد على التوالي.
كانت نظرية أينشتاين في الجاذبية بمثابة خليفة لنظرية نيوتن، على الرغم من أن الأخيرة لا تزال تخدم بشكل جيد على المقاييس الأرضية ودقيقة بما يكفي لإيصال الصواريخ إلى القمر. ومع ذلك، فإن نظرية أينشتاين يمكن أن تفسر أشياء لم تستطع نظرية نيوتن تفسيرها، مثل مدار عطارد الغريب حول الشمس.
لم يكن نيوتن بالضبط خطأ فيما يتعلق بالجاذبية، لم يكن محقًا فيما يتعلق بمقاييس الكواكب والنجوم والمجرات.
ولكن هل النسبية العامة خاطئة؟
حسنا، ربما لا. كنظرية، كانت دقيقة جدًا في التنبؤ بجوانب الكون التي لم نكن نعرف عنها شيئًا. على سبيل المثال، تم الكشف عن الصورة الأولى لثقب أسود تم التقاطها بواسطة Event Horizon Telescope للجمهور في أبريل 2019. وكانت هذه الصورة صادمة نوعًا ما بسبب مدى تشابه مظهر الثقب الأسود الهائل M87* مع تنبؤات النسبية العامة.
ومع ذلك، يدرك العلماء أن هناك بعض المشكلات المتعلقة بالنسبية العامة والتي قد تتطلب مراجعتها في نهاية المطاف. على سبيل المثال، النظرية لا تتحد مع ميكانيكا الكم؛ أفضل وصف لدينا للفيزياء على مستويات أساسية أصغر من الذرة. ويرجع ذلك أساسًا إلى عدم وجود نظرية كمومية لوصف الجاذبية حاليًا.
لذا، يبدو أن التعديلات على النسبية العامة في مرحلة ما من أجل “توسيع” نطاقها إلى أصغر مقاييس الكون – ووفقًا لهذا الفريق، المقاييس الأوسع – تبدو حتمية.
لعقود من الزمن، حاول الباحثون إنشاء نموذج رياضي يساعد النسبية العامة في التغلب على تناقضاتها، وقد شارك علماء الرياضيات التطبيقية وعلماء الفيزياء الفلكية في جامعة واترلو بعمق في هذا المسعى.
تغيير النسبية العامة؟ ماذا!
إذا كانت فكرة مراجعة النسبية العامة تبدو بمثابة هرطقة، فاعتبر أن هذه لن تكون المرة الأولى التي يتعين فيها تعديل النظريات المرتبطة بها.
بعد وقت قصير من تقديم أينشتاين للنظرية لأول مرة، قام هو وآخرون بتوسيع نطاقها لتطوير معادلة لوصف حالة الكون. ونتيجة للنسبية العامة، تنبأت هذه المعادلة بأن الكون يجب أن يتغير. وكانت المشكلة في ذلك هي الإجماع العلمي في ذلك الوقت على أن الكون ثابت. ورغم أن أينشتاين لم يكن غريبا على تحويل الوضع الراهن إلى حالة من التغير المستمر، فقد صادف أنه وافق على هذه الصورة الكونية غير المتغيرة.
ولضمان توقع النسبية العامة للكون الساكن، أضاف أينشتاين “عامل التصحيح” الذي وصفه لاحقًا بأنه “أعظم خطأه الفادح”، ويعرف هذا بالثابت الكوني، ويمثله الحرف اليوناني لامدا. سيتم إزالة الثابت من الفكر عندما أقنع إدوين هابل أينشتاين بأن الكون غير ساكن. وقال إنه يتوسع. وعلى حد علمنا اليوم، كان هابل على حق بالفعل.
ومع ذلك، ستعود لامدا بالفعل. سيبدأ في أداء وظيفة مختلفة في نهاية القرن العشرين، عندما اكتشف علماء الفلك أن الكون لا يتوسع فحسب، بل إنه يفعل ذلك بمعدل متسارع.
وقال نيايش أفشاريد، أستاذ الفيزياء الفلكية بجامعة واترلو والباحث في معهد المحيط، في البيان: “منذ قرن من الزمان تقريبًا، اكتشف علماء الفلك أن كوننا يتوسع”. “كلما كانت المجرات أبعد، كلما تحركت بشكل أسرع، إلى درجة أنها تبدو وكأنها تتحرك بسرعة تقارب سرعة الضوء، وهو الحد الأقصى الذي تسمح به نظرية أينشتاين. وتشير النتائج التي توصلنا إليها إلى أنه، على تلك المقاييس ذاتها، قد تكون نظرية أينشتاين أيضًا تكون غير كافية.”
إن اقتراح فريق جامعة واترلو بوجود “خلل كوني” يعدل الجاذبية على مسافات شاسعة ويوسع صيغ أينشتاين الرياضية لمعالجة هذا دون “الإطاحة” بالنظرية.
وقال وين: “فكر في الأمر على أنه بمثابة حاشية لنظرية أينشتاين”. “بمجرد وصولك إلى النطاق الكوني، تنطبق الشروط والأحكام.”
يقترح الباحثون الذين يقفون وراء نظرية الخلل الكوني هذه أن الملاحظات المستقبلية للبنية واسعة النطاق للكون ومجال الإشعاع “الأحفوري” العالمي الذي يسمى الخلفية الكونية الميكروية (CMB) من حدث وقع بعد وقت قصير من الانفجار الكبير يمكن أن يلقي الضوء حول ما إذا كان الخلل الكوني في الجاذبية هو المسؤول عن “التوترات الكونية” الحالية.
يمكن أن يشمل هذا السبب في أن نظرية الكم تعطي قيمة لامدا وهو عامل مذهل قدره 10¹²¹ (10 متبوعًا بـ 120 صفرًا) وهو أكبر مما تظهره الملاحظات الفلكية (لا عجب أن بعض الفيزيائيين يطلقون عليه “أسوأ تنبؤ نظري في تاريخ الكون”). الفيزياء!”).
واختتم أفشوردي حديثه قائلاً: “قد يكون هذا النموذج الجديد مجرد الدليل الأول في اللغز الكوني الذي بدأنا في حله عبر المكان والزمان”.
يظهر بحث الفريق في مجلة علم الكونيات وفيزياء الجسيمات الفلكية.
. “محلل حائز على جوائز. محب للموسيقى. منشئ. هواة Twitter. مستكشف ودود. محب للتواصل ودود.”