ثلاثة كتب في التناظُر ونظريَّة الكون

سمير كوسا

واحد من أجمل كتب التبسيط العلمي عن "التناظُر" symmetry التي قرأتُها هو، من دون شك، كتاب مارتن غاردنر الكون الأضبط[1] ("الأضْبَط" هو القادر على استعمال كلتا يديه بالمهارة نفسها). يستهل غاردنر كتابَه بالتساؤل عن السبب الذي يجعل المرآةَ العادية تقلب اليمينَ يسارًا واليسارَ يمينًا، في حين أنها لا تقلب الأعلى أسفل والعكس بالعكس!

غلاف الطبعة الثانية من كتاب مارتن غاردنر الكون الأضبط الجديد: التناظر واللاتناظر من انعكاسات المرآة إلى الأوتار الفائقة

استلهم الكاتبُ والفيزيائي الروسي ل. تاراسوف الكتابَ السابق ليضع كتابًا تعليميًّا عنوان ترجمته الفرنسية هو: هذا العالم المتناظر المدهش[2].

غلاف الطبعة الروسية الأخيرة (2005) من كتاب ليف ف. تاراسوف التناظر في العالم المحيط بنا

يمكن لنا أن نقول عمومًا إن التناظر هو بقاء جسم على حاله إنْ طبَّقنا عليه تحويلاتٍ معينة، كأن ندوِّر، مثلاً، كرةً حول محورها. فإذا ما نظرنا إلى الطبيعة، نجد العديد من الأجسام التي تتمتع بخاصية التناظُر هذه، كتناظُر بلورات ملح الطعام، أو ندف الثلج، إلخ، أو حتى العديد من المنشآت البشرية.

ولا شكَّ أن التعريف السابق عام جدًّا، ويمكن لنا أن نُعرِّف بأنواع عديدة من التناظُرات. فإذا انتقلنا إلى قوانين الفيزياء، نجد التناظر في قوانين "الانحفاظ" conservation القائلة بأن ثمة ثوابت لا تتبدل، كالطاقة الكلِّية لجملة معزولة، وكذلك اندفاعها، وعزمها الزاوي angular momentum... وإذا ما استبدلنا بمادة الكون كلِّها "مادةً مضادة" antimatter (أي تُعاكِسُها في شحنتها الكهربائية) لما تبدَّلتْ قوانينُ العالم الفيزيائية.

هل يعني ما سبق أن عالمنا "متناظر" في كلِّيته؟ طبعًا لا. فهناك العديد من الظواهر غير المتناظرة، لكنْ التي تتم دراستُها دائمًا بردِّ "لاتناظُرها" asymmetry إلى تناظُر مفترَض. فالحياة ذاتها تتميز بخاصية عدم التناظُر هذه بين اليمين واليسار، حيث تُبنى الأجسامُ بواسطة جزيئات لولبية يمينية أو يسارية.

وفي الفيزياء، تم اكتشاف عدم انحفاظ "الزوجية" parity في التفاعلات الضعيفة weak interactions. وهذا يعني، في تبسيط مفرط، أن الانحطاط (أو التحلل) يتم دومًا في هذه التفاعلات في اتجاه مفضَّل. وحدها هذه الظاهرة تجيز لنا تحديد "يمين" و"يسار" في عالمنا.

يعرض تاراسوف لهذه التناظُرات كلِّها ولغيرها في براعة وسلاسة، مستعينًا برسوم ملونة عديدة. (جدير بالذكر أن الكتب السوفييتية الاختصاصية والتبسيطية ممتازة في شكل عام، وهي تفيد مَن يريد التعلم بنفسه أيضًا، إضافة إلى سعرها المنخفض نسبيًّا؛ لكنها تحتاج إلى ترجمة أكثر اعتناءً.)

وهذا ينقلني إلى كتابينا الآخرين. لم أخترْ مصادفةً كتابًا يتحدث عن التناظُر لأستهل به هذه المراجعة. فأنا ما فعلت ذلك إلا لأن مساعي جميع الفيزيائيين الحاليين في توحيد القوى في الطبيعة تعتمد على إيجاد مفاهيم (أو علاقات) تناظُرية معقدة لا يمكن رؤيتها، كما هي الحال في التناظُرات التي جئنا على ذكرها. فهكذا تم، في منتصف القرن التاسع عشر، توحيد القوتين الكهربائية والمغناطيسية على يد ماكسويل: فبعد أن وضع ماكسويل معادلاتِه، لحظ وجود عدم تناظُر بين القسمين الكهربائي والمغناطيسي، مما حَمَلَه على إضافة حدٍّ يعيد التوازنَ إلى نصابه؛ لكن هذا الحد قاد إلى اكتشافِ أثر لم يتم رصدُه سابقًا، وهو ظهور حقل مغناطيسي عند تحول الحقل الكهربائي. وبهذا ظهرت القوة الكهرومغناطيسية electromagnetic force.

يعترف علماء اليوم بوجود أربع قوى مستقلة في الطبيعة، أمكن ردُّها، حتى الآن، إلى ثلاث قوى (والقوة، في بساطة، هي كل شيء يستطيع تحريك جسم):

1.     الجاذبية أو القوة "الثقالية" gravity هي القوة التي تشد الأجسامَ بعضها إلى بعض؛ وهي القوة المهيمنة على مستوى الكون.

2.     أما القوة "الكهرومغناطيسية"، فهي التي تحافظ على استقرار الذرة من خلال تحديد مدارات الإلكترونات electrons. إنها القوة المهيمنة في قوانين الكيمياء، وهي أقوى من الجاذبية على مستوانا.

لكن داخل نواة الذرة يسود كل من القوتين النوويتين "الضعيفة" و"الشديدة"، ضعيفتَي المدى:

3.     القوة (النووية) الشديدة مسؤولة، مثلاً، عن ارتباط النوترونات neutrons بالپروتونات protons في نواة الذرة وعن إشعاع النجوم.

4.     أما القوة (النووية) الضعيفة، فهي المسؤولة عن نشاط الذرات الثقيلة غير المستقرة الإشعاع.

وليس ثمة ما يؤكد عدم إمكانية وجود قوى أخرى مجهولة. ولولا هذه القوى لما أمكن للمادة أن تنتظم ولا للحياة أن تظهر.

ومشروع الفيزياء الكبير هو إيجاد نظرية أو علاقة رياضية واحدة تصبح معها القوى الأربعة حالاتٍ خاصة من قوة وحيدة اصطُلِحَ على تسميتها بـ"القوة الفائقة" Superforce. وتجابه هذا المشروع مشكلاتٌ عديدة، أهمها وجود نظريتين كبريين تسودان الفيزياء، هما: نظرية أينشتاين في النسبية Relativity والنظرية الكوانتية Quantum Theory. وحتى الآن، لم يتمكن الفيزيائيون من توحيد هاتين النظريتين على نحوٍ كلِّيٍّ ومُرْضٍ.

ترى النسبية العامة General Theory of Relativity الكونَ كمتَّصَل مكاني–زماني space-time continuum محدَّب curved بسبب وجود كتل كبيرة كالشمس؛ وهي تفسر الجاذبية تفسيرًا جيدًا. أما النظرية الكوانتية فهي تهتم عمومًا بالأجسام الصغيرة، كالقُسَيْمات particles التي يُعَد تحديبها للمكان–الزمان مهمَلاً لضآلته.

وقد صارت القوى، بفضل الإلكتروديناميكا الكوانتية Quantum Electrodynamics ومشتقاتها، تُرى على أنها تبادُل لقُسَيْمات بين الأجسام المتفاعلة: فتنافُر إلكترونين (التفاعل الكهرومغناطيسي) يتم بسبب تبادُلهما لفوتونات "رسولة" messenger photons، وليس بسبب تَضادِّهما. وقد عُمِّمَتْ هذه النظرة على بقية القوى، فافتُرِضَ أن الجاذبية تسري عبر تبادُل قُسيمات تسمى الغرافيتونات gravitons. أما التفاعل الضعيف فهو يتم بواسطة قُسيمات W ± وZ، فيما التفاعل القوي يتم عبر تبادُل الغلووُنات gluons بين الكواركات quarks، تلك القُسيمات التي يُفترَض أنها تؤلف الپروتونات والنوترونات. وهكذا صار مشروع توحيد القوى، من هذا المنظور، مرادفًا للبحث عن المركِّبات الأساسية للمادة.

فكيف يمكن توحيد هذه القوى الأربعة؟ يأمل العلماء في التوصل إلى هذا التوحيد بفضل مجموعة من التناظُرات الرياضية التي يُطلَق عليها اسم "التناظر المعياري" gauge symmetry والتي لا يمكن وصفها بكلمات قليلة بسيطة. يرتبط التناظر المعياري، بحسب تسميته، بفكرة "المعايرة": تبديل المستوى أو السلَّم أو قيمة الكمية الفيزيائية. وتتصف جملةٌ ما بتناظر معياريٍّ إذا لم تتبدل الطبيعةُ الفيزيائية للجملة نتيجة تحويل من هذا النوع. فإذا كنَّا مسافرين، مثلاً، في قطار يسير بسرعة خطِّية منتظمة لما شعرنا بأثر لحركته؛ أما إذا دار القطار على خطٍّ متعرج فإننا سنشعر بقوة نابذة تختلف من نقطة إلى أخرى بحسب السرعة وتقوس الخط. فإذا أجرينا تحويلاً معياريًّا على أثر الدوران من خلال إدخال حقل جاذبية يعوِّض عن التبدلات من نقطة لأخرى، لنعود من جديد نشعر وكأن القطار ساكن على الرغم من دورانه، نكون قد جعلنا قوانين الفيزياء لا تتبدل بالنسبة إلى تحويلات معيارية محلِّية تتعلق بالمسافة.

يمكن تطبيق الفكرة ذاتها على بقية القوى واعتبارها كلَّها حقولاً معيارية ذات أشكال مختلفة. ولقد كانت القوتان الضعيفة والكهرومغناطيسية أول قوتين تقعان في شرك التناظر المعياري لتصبحا قوة وحيدة اسمها "الكهرضعيفة". وهنا يُفترَض أن هوية الإلكترون والنوترينو neutrino هي ذاتها في الأساس؛ ويقوم الحقل المعياري بتعويض التبدلات المحلِّية لهوية هذين القُسيمين. وقد تنبأت النظرية بأن القُسيمات "الرسولة" هي W ± وZ التي اكتُشفت مخبريًّا، وهي تكافئ ثلاثة حقول معيارية.

وقد حاول الفيزيائيون (منهم شِلدون غلاشو وستيفن واينبرغ ومحمد عبد السلام) المضيَّ أبعد من هذا وضم القوة الشديدة إلى القوة الكهرضعيفة. لكن "نظريات التوحيد الكبرى" Grand Unified Theories (GUT) كانت متعددةً لأن المعادلات لا تمتلك حلاً وحيدًا. وهنا نشهد أيضًا توحيدًا لهوية بعض القُسَيمات بواسطة حقول معيارية: أبسط النظريات تقول بتوحيد هوية بعض الكواركات مع الپوزيترون positron (الإلكترون الموجب الشحنة) وضد النوترينو antineutrino (وهنا أيضًا لا بدَّ من قُسيمات رسولة جديدة تسمَّى X). ومن نتائج هذه النظريات تحلُّل الپروتون الذي تعذَّر رصدُه، على الرغم من المحاولات كافة، وكذلك وجود أقطاب مغناطيسية أحادية monopoles لم يشاهدها أحدٌ بعد...

أما "القوة الفائقة"، فإنها تهدف إلى توحيد القوى السابقة كلِّها مع الجاذبية. وأفضل نظرية مرشَّحة الآن هي نظرية "الأوتار الفائقة" Superstring Theory التي تبحث عن "تناظُر فائق" supersymmetry يحل المشكلة. وتفترض هذه النظرية أن عالمنا يتألف من عشرة أبعاد على الأقل: الأبعاد الثلاثة المكانية والبُعد الزمني، إضافة إلى ستة أبعاد جديدة لا نراها لأنها "منطوية على ذاتها" (أي أنها صغيرة جدًّا، لا تشعر بها سوى القُسَيمات، مما يسمح بتوحيد هويتها). أما لبنة الكون الوحيدة فهي "الوتر" String الذي يمكن أن نقول، في تبسيط مفرط، بأن القُسيمات المختلفة تشكِّل "اهتزازات" متباينة له.

وحتى يتحقق العلماء من هذه النظريات تلزمهم طاقةٌ تضاهي الطاقة اللاحقة للانفجار الكبير Big Bang – وهو أمر متعذر الآن. ويعتقد المبشرون بنظرية الأوتار الفائقة أن هذه النظرية هي نظرية "كل شيء" Theory of Everything (TOE): فهي، إضافة إلى توحيد القوى، تفسِّر ظهور الانفجار الكبير على أنه أثر لانفجار أكبر، هو انكسار لتناظُر العالم ذي الأبعاد العشرة إلى عالمين ذَوَي طاقة أقل: عالمنا الرباعي الأبعاد، وعالم سداسي الأبعاد. وفي أعقاب ذلك، بدأ التضخم الذي تلاه الانفجارُ الكبير، وكأنه مجرد شظية لتصدُّع بنية المكان–الزمان ذاته! (راجع أيضًا كتاب هاينز پاجلس التناظر الكامل[3].)

غلاف كتاب هاينز ر. پاجلس التناظر الكامل: البحث عن بداية الزمن

كتاب ما بعد أينشتاين: البحث العالمي عن نظرية للكون[4] يهدف خاصةً إلى الحديث عن نظرية الأوتار الفائقة. وهنا لا مناص من الإشادة بالجهد الذي بذله المهندس فايز فوق العادة، رئيس الجمعية الكونية السورية، في ترجمة هذا الكتاب إلى العربية ترجمةً أنيقة وواضحة[5] وفي التقديم له بكلمة فلسفية موجزة لخَّصتْ معضلةَ المحاولات التوحيدية في الفيزياء الحديثة التي تتنازعها ثنائيةُ الحتمية، ممثَّلةً بالنسبية، والاحتمالية، ممثلةً بالكوانتية. نقتطف من مقدمة الترجمة العربية هذا المقطع:

أما المفارقة الكبرى فهي أن المحاولة العلمية لا تخرج في جوهرها عن السمة المميزة للمحاولات المناظِرة للأسطورة والحكمة والفلسفة. ففي الأسطورة والحكمة والفلسفة كانت المحاولة داخلية صرفًا، بعيدة عن أيِّ اشتراط خارجي. واليوم يختزل العلماءُ مهمة توحيد العالم إلى مراجع داخلية، ضاربين عرض الحائط بالاشتراطات الخارجية، وهذا على الرغم مما يُنسَب للعلم من أنه المنظومة "الموضوعية" البحتة. فالبساطة والتناظر والجمال هي المعايير التي تقرَّر وفقًا لها صحةُ نظرية معينة؛ والأداة التي تُجلَب من عالم الرياضيات لتحقيق أمل التوحيد المنشود يجب أن تكون أداة بالغةً حدَّ الكمال في تناظُراتها الداخلية وجمالياتها الصرف. ولا غرو في ذلك: فكما تصدَّت الأسطورة والحكمة والفلسفة لحقيقة الثنائيات في العالم – الخير والشر، الوجود والعدم، وسواهما – كذلك يواجه العلمُ المعاصر ثنائيةً مناظِرة لا تخرج، في التحليل النهائي، عن إطار تلك الثنائيات: إنها ثنائية العالم العشوائي والعالم الحتمي المقرَّر.

ما الذي يظلِّل محاولات التوحيد الآنفة الذكر؟ إنه التحليل الذي سنطرحه في هذه المقدمة: لقد أتينا إلى العالم دون استشارة – وتلكم مصادرة. إنْ كان العالم حتميًّا فهذا ينطوي على القرار والمصادرة؛ أما إذا كان العالم احتماليًّا فهذا قرار آخر ومصادرة أيضًا، لأن العالم لا يُعقَل أن يصبح حتميًّا في هذه الحالة – فقد وُجِدَ هكذا ولن يتغير. ولما كان القرار والمصادرة سِمَتين من سمات الحتمية فإن الحتمية ستظلِّل – ولا شك – أية محاولة توحيدية.

أما كتاب پول ديفيس القوة الفائقة[6]، فهو أعم وأعمق من حيث التحليل الفلسفي. وأعتقد أنه يجب ترجمة كتب هذا الفيزيائي والمبسِّط اللامع في سبيل تكوين مكتبة علمية عربية رفيعة. أذكر من هذه الكتب: قوى الطبيعة[7]، عوالم أخرى[8]، الشبح في الذرة[9] (مع جوليان ر. براون)، الله والفيزياء الحديثة[10]، إلخ. وسأعود حتمًا إلى كتابه الذي صدر في نهاية العام 1987 بعنوان المخطط الكوني[11]، وكذلك إلى كتابيه اللاحقين العقل الإلهي[12] والدقائق الثلاث الأخيرة[13]؛ والأخير، كما يدل عنوانُه الفرعي، "ظنون حول المصير النهائي للكون".

أخيرًا، أعتقد أن هذه الأبحاث هامة وضرورية. فهي، من خلال بحثنا عن قوة وحيدة، تحملنا على إجراء اكتشافات جديدة غير متوقَّعة وشائقة. لكني شخصيًّا لست متأكدًا من وجود هذه "القوة الوحيدة"! وحتى في حال وجودها على هذا الشكل، فمن المستبعَد أن تتمكن من تفسير تطور المادة والحياة وظهور الوعي؛ وهي، على كلِّ حال، لن تتمكن من تفسير ذاتها. وهنا أتفق أيضًا مع الإپستمولوجي كارل پوپر الذي كتب أنه إذا افترضنا وجود نظرية واحدة للكون، وإذا اتفق لنا أن نجدها، فلن نعرف ذلك أبدًا، لأنه لا بدَّ للتحقق منها تحققًا يقينيًّا من تطبيقها على ظواهر الكون كافة – وهذا مستحيل!

*** *** ***

تنضيد: نبيل سلامة