نظرية F؛ التنبؤ بالعوالم بخصائص مختلفة

بعض الأسئلة التي تراودنا في الطفولة قد ترسم مسار حياتنا. ومن بين هذه الأسئلة، سؤال حول سبب وجود ثلاثة أبعاد فقط في العالم، وهو السؤال الذي دفع البروفيسور كامران وفا، أستاذ الفيزياء في جامعة هارفارد والحائز على جائزة المصطفى(ص) في عام 2021، إلى تطوير نظرية "F" ذات الأبعاد الـ12. هذه النظرية تُعد امتدادا لنظرية الأوتار، وهي إحدى أهم الإطارات لفهم الكون.
وبحسب تقرير اللجنة الإعلامية والتنسيق التابعة لمؤسسة المصطفى(ص) للعلوم والتكنولوجيا، فإن نظرية الأوتار هي إحدى النظريات البديلة لوصف الجسيمات الأساسية التي تأخذ في الاعتبار طبيعة الجسيمات الشبيهة بالأوتار المهتزة (بدلا من جسيمات نقطية). لفهم هذه النظرية بشكل أفضل، يمكننا تصور الجسيمات في النموذج القياسي للفيزياء على أنها كرات صغيرة، ولكن في نظرية الأوتار، بدلا من الكرات الصغيرة، سيكون لدينا أشرطة مطاطية متذبذبة.
إن نظرية الأوتار جميلة ومذهلة من الناحية النظرية، ولكن هناك أسباب مهمة، لم تجعلها تصبح حتى الآن النموذج الرئيسي والمقبول لوصف الجسيمات. ومن هذه الأسباب البنية الرياضية لهذه النظرية والعدد الكبير من الأبعاد فيها. ومن هنا جاءت فكرة نظرية "F" لتقديم تفسير أعمق.
تاريخ نظرية F
في أواخر الثمانينيات وأوائل التسعينيات من القرن الماضي، اكتشف علماء الفيزياء مفهوما يسمى "الازدواجية" في نظرية الأوتار. الازدواجية هي نوع من التناظر الذي يوضح كيف يمكن لنظريتين فيزيائيتين مختلفتين تماما على ما يبدو أن تصفا فيزياء نفس الظاهرة بطرق مختلفة. كمثال جيد على هذه الثنائية، يمكننا أن نأخذ في الاعتبار ثنائية الموجة والجسيم للضوء (أو أي جسيم أساسي آخر): سلوك الضوء في بعض الظواهر يشبه الموجة ويتم وصفه من خلال فيزياء الموجة؛ بينما في الظواهر الأخرى يتصرف مثل الجسيمات ويتم وصفه بالفيزياء الكمومية.
لقد أظهر وجود الثنائية في نظرية الأوتار لعلماء الفيزياء أن بعض الإصدارات المختلفة لنظرية الأوتار هي في الواقع وجهان لعملة واحدة، وتصف الفيزياء بشكل موحد . كانت إحدى هذه الثنائيات المهمة في نظرية الأوتار هي ثنائية S (S-Duality) ، التي تربط بين القوى النووية القوية والضعيفة في عائلة من نظريات الأوتار تسمى النوع IIB ، تكمن أهمية الثنائية S في قدرتها على ربط نظرية يكون فيها إجراء الحسابات صعبا، بنظرية تكون فيها الحسابات أبسط. ويشير وجود ثنائية S إلى وجود تناسق عميق ومهم في قلب نظرية الأوتار، والذي بطبيعة الحال، لا يمكن تفسيره في البداية.
وهنا ولدت نظرية F ، في عام 1996، اقترح كامران وفا نظرية F لتفسير وجود هذا التناظر في نظرية الأوتار. في رأيه، فإن وجود 10 أبعاد لم يكن كافيا لتفسير هذا التناظر، لذلك أضاف بعدين آخرين إلى نظريته واقترح نسخة من نظرية الأوتار ذات 12 بعدا. وعلى عكس الأبعاد التي نعرفها، فإن هذين البعدين الجديدين لم يكونا مرتبطين بالطول أو العرض أو الارتفاع أو العمق وما إلى ذلك، بل كانا يفسران تفسر قوى الطبيعة المختلفة في نظرية الأوتار.
ما هي نظرية F بالضبط ولماذا هي مهمة؟
يشير الحرف F في بداية مصطلح F-Theory إلى الألياف البيضوية (Elliptic Fibres) ولكي نفهم طبيعة هذه الألياف، فلنأخذ السجادة، التي تلعب هنا دور الفضاء بالنسبة لنا. الألياف البيضاوية تشبه المكونات التي تشكل نمط وزخارف السجادة وتخبرها بالتصميم الذي يجب عرضه. وبعبارة أخرى، تؤثر هذه الألياف على الخصائص الهندسية للفضاء، وبالطبع الأبعاد الإضافية، وبالتالي فإن استخدامها في نظرية F يساعد في تبرير وتفسير وجود أبعاد إضافية. إن استخدام الهندسة في نظرية F يسمح لنا بحل مشاكل نظرية الأوتار بطريقة جديدة.
وبعبارة أخرى، تساعدنا نظرية F مع بنيتها الرياضية على فهم عائلة IIB من نظرية الأوتار بشكل أفضل، وبطبيعة الحال، باستخدام هذه النظرية، فإن وجود ازدواجية S في هذه العائلة من نظرية الأوتار مبرر بشكل طبيعي.
وأخيرا، يعد استخدام نظرية F أحد الأطر التي يمكن استخدامها لبناء نظرية التوحيد الكبرىGUT(Grand Unification Theory) .
النظريات الموحدة الكبرى هي الأطر النظرية التي يمكنها توحيد القوى الثلاث في قوة واحدة: الكهرومغناطيسية، والقوة النووية القوية، والقوة النووية الضعيفة. أحد الأسباب التي تجعل نظرية F تعمل بشكل جيد في هذا السياق هو وجود أبعادها الإضافية. هذه الأبعاد الإضافية والطريقة التي يتم ضغطها بها في نظرية F تصف عملية تسمى "كسر التناظر"، والتي تقسم القوة الفردية إلى ثلاث قوى نعرفها اليوم كقوى منفصلة.
ما هي مشاكل نظرية F؟
بالإضافة إلى المشاكل المعتادة في نظرية الأوتار (وجود أبعاد إضافية والمستوى العالي من الطاقة المطلوب ملاحظتها)، فإن نظرية F تعاني من مشكلة مهمة أخرى: نظرا لأنها تسمح بمجموعة متنوعة من الأشكال للأبعاد الإضافية، فإن نظرية F بالنسبة لكل شكل من أشكال الأبعاد الإضافية، فإنها تتنبأ بوجود كون له خصائص مختلفة. ونظرا لعدم وجود أدلة تجريبية والتعقيد الرياضي للنظرية، فمن الصعب معرفة أي من الأكوان والعوالم التي تنبأت بها نظرية F بحيث تتطابق تماما مع كوننا.
ما هو الوضع الحالي لنظرية F؟
لا تزال نظرية F، بعد ما يقرب من ثلاثين عاما، واحدة من أهم الأطر لفهم نظرية الأوتار، لأنها تسمح لنا بدراسة نظرية الأوتار من النوع IIB باستخدام 12 بُعدا وتسمح لنا بدراسة التناظر الثنائي S ونظرية توحيد القوى الأساسية في إطار نظرية الأوتار. وعلى الرغم من تعقيداتها ومشاكلها، لا تزال هذه النظرية تحتل مكانة مهمة في دراسة وفهم نظرية الأوتار.