تُعتبر تجربة قياس الجاذبية واكتشاف الجرافيتون، الجسيم المقترح الذي يُعتقد أنه يحمل قوة الجاذبية، واحدة من أكبر التحديات في مجال الفيزياء. منذ عقد من الزمان، كان يُعتقد أنه من المستحيل تقريباً اكتشاف الجرافيتون، حيث كانت التقديرات تشير إلى ضرورة وجود أجهزة ضخمة بمقاييس كواكب甚至 النجوم النيوترونية لتسجيل حتى مجرد جرافيتون واحد في المليارات من السنين. ومع ذلك، الآن، تتحدى مجموعة من العلماء هذه الأفكار التقليدية من خلال اقتراح تجريبي يجمع بين فهْم الأمواج الجاذبية والتطورات في تقنيات الكم. في هذه المقالة، سنستعرض هذا الاقتراح الجديد وكيف يمكنه أن يُحدث تحولًا في فهمنا للجاذبية وكيفية ارتباطها بالفيزياء الكمومية، إلى جانب ما قد يعنيه ذلك للمستقبل العلمي.
الكشف عن الجرافيتون: التجربة التحدي
تمثل فكرة الكشف عن الجرافيتون، الجسيم الافتراضي المرتبط بقوة الجاذبية، إحدى أكبر التحديات في علم الفيزياء. تعتبر الجاذبية واحدة من أربع قوى أساسية في الطبيعة، وعلى الرغم من كل الأبحاث والدراسات، لا يزال فهم الجاذبية الكمية بعيد المنال. وفقًا لرأي شائع، فإن اكتشاف جرافيتون واحد يتطلب جهازًا بحجم الأرض في مدار حول الشمس لمدة مليار عام لالتقاط جرافيتون واحد. كما أيدت حسابات أخرى أنه حتى وجود جهاز بحجم كوكب المشتري بجوار نجم نيوتروني سيكون ضروريًا. هذا ما يؤكد صعوبة هذه المهمة. ومع ذلك، تتجلى آمال جديدة في الأعمال البحثية التي دمجت بين فهم جديد لتذبذبات الزمكان المعروفة باسم الموجات الجاذبية وتطورات في التكنولوجيا الكوانتية. اقترح مجموعة من الفيزيائيين طريقة جديدة لكشف الجرافيتون أو على الأقل حدث كوانتي مرتبط به. تشير التقديرات إلى أن هذا الاكتشاف قد يصبح ممكنًا ضمن إطار زمني معقول بدلاً من حاجة عدة قرون للجمع بين تقنيات الأبحاث.
تنطلق المقترحات الحديثة من مفهوم الموجات الجاذبية، التي تمت ملاحظتها لأول مرة في عام 2015 عبر مرفق الكشف عن الموجات الجاذبية بالليزر (LIGO) بعد عقود من البحث. هؤلاء الفيزيائيون يعتقدون أن الموجات الناتجة عن تفاعلات قوية مثل تصادم الثقوب السوداء يمكن أن توفر كمية كافية من الجرافيتونات لاكتشاف إحداها. وفقًا لماتييو فادل من المعهد الفيدرالي السويسري للتقنية بزيورخ، فإن هذه الطريقة مبدعة وتتمتع بإمكانيات كبيرة لتقديم تقدم حقيقي في فهم الجاذبية الكمية. وقد أضاف العالم الشهير فرانك ويلتشك، الحائز على جائزة نوبل، أن مثل هذا الاكتشاف قد يحدث ثورة في مجال الفيزياء.
الموجات الجاذبية وفهم الجاذبية الكمية
يتناول العلم الحديث موضوع الموجات الجاذبية بشكل مفصل، حيث يتم إدراكها على أنها تموجات تتنقل عبر الزمكان نتيجة للاضطرابات الناتجة عن الأجسام الضخمة. عانت الأبحاث لعقود من الزمن على كشف هذه الموجات بسبب قوة الجاذبية الضعيفة، مقارنةً بالقوى الأخرى مثل الكهرومغناطيسية. على سبيل المثال، إن مغناطيس يحمل حجم بطاقة الائتمان يتمكن من الالتصاق بالثلاجة، بينما تستلزم الجاذبية وجود كتل ضخمة مثل الكواكب للتفاعل بوضوح.
يمكن مقارنة القدرة على اكتشاف الجرافيتون بالدقة المطلوبة لاكتشاف أثر جزيء واحد في محيط من المياه. قام عالمان، فريمان دايسون وإيغور بيكوفسكي، بتقديم بعض التقديرات حول إمكانية هذا الكشف، مع التركيز على الموجات الجاذبية الناتجة عن الشمس. وفقًا لتقديرات دايسون، فإنه سيكون هناك فرصة لرؤية أثر جرافيتون واحد فقط في مدة حياة الشمس التي تبلغ 5 مليار سنة، من خلال جهاز بحجم الأرض. ومع ذلك، فإن تطور التكنولوجيا الحديثة سمح للكثير من العلماء بتحقيق نتائج أفضل مع هذه الفرضيات.
احتدمت النقاشات حول كيفية تصميم جهاز يمكنه التجربة. اقترح بيكوفسكي وفريقه استخدام كتلة من البيريليوم بحجم 15 كيلوغرامًا، مبردة بالقرب من الصفر المطلق، للإحساس بالتفاعل عند مرور موجات جاذبية عبرها، حيث ستعمل كل الذرات في الباريليوم كجهاز كوانتي موحد يمكنه الاستجابة لتأثيرات هذه الموجات. وبتقييم احتمالات التفاعل، يتم حساب أن واحدًا من كل ثلاثة موجات جاذبية من النوع المناسب يمكن أن يرصد.
تاريخ الجرافيتون ورحلة البحث عن الكتلة الكوانتية
تاريخ اكتشاف الجرافيتون واسع ومعقد، حيث شهدت الفيزياء تغيرات جذرية في بداية القرن السابق. في عام 1905، قام ألبرت أينشتاين بتفسير البيانات التجريبية لتؤكد أن الضوء يتميز بطبيعة كوانتية، مما أدى إلى الكشف عن جسيمات تدعى الفوتونات. ومنذ ذلك الحين، اتضح أن هذا التفسير كان محاطًا بالكثير من الجدل بين العلماء، حيث أن بعضهم كانوا يصرون على أن الطبيعة الموجية للضوء لن تُقضى أبدا.
إن مفهوم وجود “كوانتيات” للجاذبية لم يُثَبَت بشكل نهائي بعد، وهو موضوع يمكن أن يُبنى عليه الكثير من الباحثين. إن تحقيق الكشف عن الجرافيتون يتطلب المزيد من الأدلة التجريبية. كما كان الحال مع الفوتونات، قد نحتاج إلى سنوات من الأبحاث والمناقشات قبل أن يتم اعتماد مثل هذا الاكتشاف كمبدأ راسخ في الفيزياء.
إن النضال من أجل تحديد طبيعة الجاذبية الكوانتية لا يزال في بداياته. من الجدير بالذكر أن الكثير من الفيزيائيين اليوم يتفقون على الحاجة إلى أجوبة جديدة حول الجاذبية على المستوى الكمي. تمتزج هذه الأبحاث الجديدة بالتقدم في التكنولوجيا، مما يعيد إحياء الاهتمام في هذا المجال. يُظهر ذلك أن مجال الفيزياء لا يتوقف عن البحث والتجريب، وأن كل خطوة صغيرة يمكن أن تقود إلى اكتشافات ثورية تغير فهمنا للطبيعة.
فهم الطاقة الضوئية والنظرية الكوانتية
قطعت النظرية الكوانتية خطوات هائلة على مر السنين، حيث أعادت تشكيل فهمنا للضوء والطاقة. في أوائل القرن العشرين، قدم ألبرت أينشتاين نظرية جديدة تتعلق بتأثير الفوتو الكهربائية، وهو الاكتشاف الذي كشف النقاب عن طبيعة الضوء. اعتمدت هذه النظرية على مفهوم الكم أو “الكوانتات”، والتي تمثل الوحدات المنفصلة للطاقة. تفيد النظرية أن طاقة هذه الوحدات مرتبطة بتردد الموجة؛ فكلما زاد تردد الموجة، زادت طاقتها. ولذلك، فإن الضوء الأحمر ذو التردد المنخفض لن يتمكن من إطلاق الإلكترونات، في حين أن الضوء الأزرق ذو التردد الأعلى يمكن أن يؤدي إلى ذلك حتى لو كان الضوء خافتًا.
يبدو أن هذا التحدي للطريقة التقليدية لفهم الضوء كان مثيرًا للجدل في ذلك الوقت، حيث كان الفيزيائيون منخرطين في الجدالات حول الطبيعة الثنائية للضوء، كونه يحتوي على خصائص الموجات والجسيمات. قاد ذلك إلى نقاشات معقدة حول إذا ما كان الضوء يجب أن يُعتبر جسيمات (فوتونات) أو موجات. مقاربة أينشتاين كانت جريئة، ونالت اهتمامًا كبيرًا، لكنها واجهت مقاومة كبيرة من علماء مثل نiels Bohr، الذي اعتبر أن الضوء في حد ذاته يجب أن يبقى ضمن الإطار التقليدي للنظرية الموجية.
التحدي والنقاشات حول الضوء والفوتونات
استمر النقاش حول طبيعة الضوء لسنوات، حتى بعد أن حصل أينشتاين على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 1921 بفضل تأثيره في تعزيز الفهم العلمي لخصائص الضوء. ومع ذلك، لم يكن النقاش محصورًا بين مؤيدي النظرية الكوانتية ومعارضيها فقط، بل شمل أيضًا النقاد الذين كانوا يحاولون فهم التأثير الحقيقي للضوء كجسيمات. كانت مختبرات الأبحاث تقوم بتجارب متكررة، وكان هناك حاجة إلى أدلة أكثر صلابة لإثبات وجود الفوتونات وتقديم الدلالات الكافية حول الجوانب الكوانتية.
واجه الفيزيائيون الكثير من العقبات في سعيهم لفهم كيفية تفاعل الضوء مع الإلكترونات. لكن كل تجربة كانت تنجح في إثبات وجود هذه الفوتونات كانت تعزز الاستنتاجات العلمية حول الطبيعة الكوانتية للضوء. في أواخر السبعينات، ظهرت أدلة لا يمكن دحضها حتى من قبل ستار من الشكوك، حيث أثبت الباحثون أن الضوء يصل إلى الكاشف في نمط لم تستطع النظريات الموجية التقليدية تقليده.
الحرب العلمية حول الجاذبية والفوتونات
في عام 2023، بدأ العلماء مجددًا حربًا جديدة لفهم الجاذبية في إطار النظرية الكوانتية. الباحثون اقترحوا وجود طريقة جديدة للكشف عن الجاذبونات، وهي الجسيمات النظرية التي قد تكون مسؤولة عن نقل قوة الجاذبية. كانت الدراسات الأولية تشير إلى إمكانية رصد أحداث كوانتية نتيجة لموجات الجاذبية، ولكن كان هناك تحذير كبير. كان من الممكن أن لا تثبت هذه التجارب بشكل صارم كون الجاذبية كوانتية، حيث يمكن أن توجد تفسيرات كلاسيكية تجمع بين الجاذبية والمادة.
أشار الباحثون إلى أن العديد من الفيزيائيين كانوا يتفقون على الفكرة الأساسية، وهي أن تجربة كسر الجاذبية قد تقدم إشارات قوية على كون الجاذبية قوة كوانتية، غير أن ذلك لا يعتبر دليلًا حاسمًا. وقد بدأ الأمر يتخذ مسارًا معقدًا، حيث لا يزال هناك حاجة لإثباتات أكثر وضوحًا لتأكيد وجود الجاذبونات الحقيقي والتخلص من النظريات التقليدية.
التجارب المستقبلية وتأثيرها على فهم الجاذبية
تجاوز النقاش الأزلي حول الطبيعة الكوانتية للجاذبية إلى أبعاد جديدة من التجارب المثيرة. كان الفيزيائيون على دراية بأن التجارب الحالية لم تكن كافية، ولكنهم اعتبروا أن الأبحاث المستقبلية يمكن أن تمهد الطريق لفهم أعمق للجاذبية كقوة كوانتية. وظهرت بعض الاقتراحات، مثل تجربة استخدام قضيب من البريليوم في بيئة كوانتية، واعتُبرت هذه التجربة نقطة انطلاق مثيرة.
تتطلب دراسة الجوانب الكوانتية للجاذبية تقنيات جديدة وأدوات متطورة قد تُحدث ثورة في الطريقة التي نفهم بها الكون وقوانينه الأساسية. من خلال استخدام أدوات متطورة للقياس والتحليل، يمكن أن توفر هذه التجارب أدلة قوية حول سلوك الجاذبية وكيفية تفاعلها مع القوى الأخرى في الطبيعة. كل تجربة تُضاف إلى ترسانة المعرفة قد تبدو بسيطة، لكنها قادرة على أن تقدم بيانات مهمة حول أقوى وأضعف القوى في الكون.
إن فهم الطبيعة الكوانتية للجاذبية ليس مجرد تحدٍ علمي، بل هو يحتمل أن يكون بوابة لفهم أعمق للكثير من الظواهر الغامضة التي لا تزال تشغل بال العلماء. مع تقدم الأبحاث والتجارب، سيستمر النقاش والتفاعل بين النظريات العلمية حتى الوصول إلى فهم شامل للطبيعة الأساسية للكون.
رابط المصدر: https://www.quantamagazine.org/it-might-be-possible-to-detect-gravitons-after-all-20241030/
تم استخدام الذكاء الاصطناعي ezycontent
اترك تعليقاً