هل ينتهي العلم مصطفى إبراهيم فهمي

بقلم :   مصطفى إبراهيم فهمي
1-1-1993
التقييم 4.0 بواسطة (2) قارئ 11 قراءة


هذا سؤال يتردد الآن
في الأوساط العلمية حيث هناك بين العلماء من ينادي بأن العلم قد أوشك على الانتهاء.
والعلم المقصود هو أساسا الفيزياء التي تتناول قوانينها أصغر ما في الكون أي الذرة
ومكوناتها وأكبر ما فيه أي الكواكب والنجوم والمجرات. ووصول الفيزياء إلى نهايتها
يقصد به التوصل إلى هدفها النهائي وهو إيجاد نظرية واحدة موحدة تفسر معادلاتها كل
القوى الرئيسية أو التفاعلات التي تؤثر في مادة الكون.. فهل من إجابة عن هذا
السؤال؟

إن تقسيم الكون
إلى مادة وقوى تؤثر فيها هو أمر قديم جداً، وكان أرسطو مثلا يقول إن الكون يتكون من
أربعة عناصر هي الأرض والهواء والنار والماء، وتتأثر هذه العناصر بقوتين، الجاذبية
أو نزعة الأرض والماء إلى الهبوط، والخفة أي نزعة الهواء والنار إلى الصعود. أما
الآن فإن الفيزياء الحديثة قد توصلت إلى أربع قوى رئيسية في الكون. ولعل أقدم هذه
القوى وأكثرها وضوحاً وانتشارا هي الجاذبية. وهي تؤثر في أشياء الكون الكبرى
كالمجرات والنجوم والبشر. ويمتد تأثير الجاذبية لمسافات هائلة كتلك التي بين النجوم
والكواكب. ومع هذا فإنها نسبيا أضعف قوى الطبيعة.

أما القوى
الثلاث الأخرى فإن مجال تأثيرها أساسا هو الجسيمات تحت الذرية أي الجسيمات الأصغر
من الذرة أو المكونة لها. وأولى هذه القوى هي القوة النووية القوية، وهي تجعل
الجسيمات الأولية المسماة بالكواركات تتماسك معا لتكون البروتونات والنيوترونات،
وهذه بدورها تكوّن نواة الذرة، حيث تظل البروتونات والنيوترونات أيضاً متماسكة بفعل
القوة النووية القوية. وهذه القوة أقوى كثيراً من الجاذبية بما يصل إلى ترليون مرة
أو ألف بليون مرة، ولكنها تحدث تأثيرها على مسافات قصيرة فقط كما في داخل
الذرة.

ثم هناك قوة
أخرى هي القوة الكهرومغنطيسية، وهي التي تبقي على الإلكترونات في مدارها حول نواة
الذرة فلا تهوي منجذبة إلى داخل نواة الذرة، وبهذا تبدو المادة العادية
جامدة.

وأخيراً فهناك
القوى النووية الضعيفة التي تسبب التحلل الإشعاعي لنواة بعض الذرات غير المستقرة
كالراديوم واليورانيوم.

نظريتان
رئيسيتان

وقد ظهر في قرننا
هذا نظريتان أساسيتان توصّفان تأثير هذه القوى الأربع. فالجاذبية توصفها أساسا
نظرية أينشتين عن النسبية العامة. أما النظرية التي توصف تأثر الجسيمات تحت الذرية
بالقوى الثلاث الأخرى، أي النووية القوية والكهرومغنطيسية والضعيفة، فهي نظرية
ميكانيكا الكم. وهي نظرية بدأها ماكس بلانك ثم أدخل عليها هايزنيج مبدأ عدم اليقين.
وحسب هذا المبدأ لا يمكن أن نقيس قياسا مضبوطا أزواجا معينة من قياسات الجسيمات في
نفس الوقت معا، كأن نقيس مثلا سرعة الجسيم وموضعه في نفس الوقت. فدقة القياس هنا
تتطلب تسليط ضوء على الجسيم، وحسب نظرية الكم فإن موجات الضوء تنطلق في حزمات أو
كمَّات لها طاقة تجعل الجسيم يضطرب، مما يؤثر على دقة القياس. وهكذا لا يمكن التنبؤ
بنتيجة واحدة محددة في القياس، وإنما يمكن التنبؤ بعدة نتائج ممكنة ومدى احتمال كل
منها. فالجسيم في لحظة معينة لا يمكن وصفه إلا باستخدام منظومة من الاحتمالات
والإحصاءات.

وعندما ظهر مبدأ
عدم اليقين هذا آثار حنق أينشتين وحاول تفنيده على أن المشاهدات والتجارب العملية
أثبتت صمود وتحقق ميكانيكا الكم في مجال الجسيمات تحت الذرية، تماما مثلما أثبتت
صمود وتحقق النسبية العامة لأينشتين في مجال الأجرام الكبيرة. وهكذا أصبحت ميكانيكا
الكم الآن في الأساس من الثورة الإلكترونية والمعلوماتية الحديثة ومبدأ عدم اليقين
هذا يجعل من ميكانيكا الكم نظرية ثورية علميا وليست نظرية كلاسيكية كما في
الميكانيكا التقليدية التي فشلت في تفسير سلوك الجسيمات تحت الذرية. أما النسبية
العامة فتعد نظرية كلاسيكية تطورت عن نفس منهج النظريات السابقة لها فهي تقيس الكون
بدقة تعسفية. على أن أي نظرية فيزيائية موحدة لتفسير الكون كله ستتطلب توحيد هاتين
النظريتين معا.

لماذا البحث عن نظرية
موحدة؟

لقد ظل الكثيرون
من الفيزيائيين يبحثون وراء نظرية موحدة، وكانت نظرية كهذه هي حلم أينشتين في
العقود الأخيرة من حياته ولكنه فشل في تحقيق هذا الحلم. وما زال الكثيرون من
الفيزيائيين حتى الآن يواصلون البحث عن النظرية التي تثبت أن قوى الكون الأربع كانت
في أصلها قوة واحدة ما لبثت أن انشطرت لعدة قوى هي مظاهر متفاوتة للقوة الواحدة
الأصلية.

على أن من
الفيزيائيين أيضا من لا يؤمنون بإمكان وجود نظرية من هذا النوع. والعالم النمسوي
باولي يرى أن العلم لا يحتاج في تقدمه إلى نظرية موحدة.

أما أنصار
النظرية الموحدة فيرون أن الوصول إليها هو طلب للحقيقة بل وللذوق والجمال، فالتوحيد
مطلب عقلي جمالي، وأن النظرية الموحدة لو وجدت فربما يؤدي ظهورها إلى بدء عصر ذهبي
جديد في العلم، ولا أحد يمكنه أن يقطع بأنها لن تكون مفيدة. وعندما ظهرت في أوائل
القرن نظرية النسبية الخاصة لأينشتين التي وحدت الكتلة والطاقة لم يكن أحد يدرك
وقتها أنها ستؤدي إلى عصر الذرة. كذلك فإنه عندما ظهرت ميكانيكا الكم لم يكن أحد
يعرف أنها ستستخدم لصنع أول أشعة ليزر.

زمان توحد
القوى

لو ألقينا نظرة
على الكون المحيط بنا اليوم، قد يبدو لأول وهلة أنه من غير الممكن أن يتم التوفيق
بين قوى الكون الأربع المنفصلة المتباينة في نظرية واحدة. ولكن تباين هذه القوى
الآن سببه أننا نعيش حاليا في كون منخفض الحرارة تبدو فيه هذه القوى غير متصلة. على
أن الكون لم يكن هكذا فيما سبق. ففي البداية كانت مادة الكون كلها مركزة في كثافة
لا متناهية في حيز النقطة أو الصفر الأمر الذي يؤدي إلى ارتفاع هائل في الحرارة
تولد عنه الانفجار الكبير الذي يؤدي إلى نشأة الكون وتمدده مع ما يصحب ذلك التمدد
من انخفاض هائل في درجة الحرارة. ومعظم الفيزيائيين يؤمنون بأن مفتاح النظرية
الموحدة يقع في لحظة الانفجار الكبير أو فيما بعدها بزمن وجيز خلال جزء من الترليون
من الثانية بعد الانفجار. وعندها فإن القوى الأربع التي نراها الآن منفصلة في كوننا
البارد كانت كلها موحدة. ولعل عمر الكون عندها كان لا يتجاوز جزءا من الثانية يقدر
ب10 33 من الثانية. وربما يتطلب الأمر أيضا البحث في زمن هو من 10
33 من الثانية حتى10 43 من الثانية أي حتى ما يسمى بحائط
بلانك حيث يعجز الفيزيائيون عنده عن وصف أي مكان أو زمان أو مادة.

ترتيب انفصال القوى
عن توحدها

ثمة سيناريو معين
لترتيب أحداث نشأة الكون المتمدد قد اقتنع به معظم الفيزيائيين. وأول خطوة أدت إلى
هذا السيناريو هي ما طرحه الروسي فريدمان من أن الكون يتمدد وليس ثابتا. وقد استخدم
في إثبات ذلك نظرية النسبية العامة لأينشتين. ومن الطريف أن أينشتين اعترض على ذلك
وحاول تفنيده. وما لبث هابل أن أثبت عمليا أن النجوم تتباعد دائما حسب قياس أطيافها
وهكذا فإن الكون فعلا يتمدد، وظهر بذلك أن فريدمان قد استوعب من هذه الناحية نظرية
أينشتين أكثر من صاحبها نفسه. وإذا كان الكون يتمدد فهو إذن كان أصغر وأصغر فيما
سبق. وتطور الأمر إلى أن الكون قد بدأ من 10- 15 بليون سنة بمفردة الانفجار الكبير،
وهي مفردة لأن الكون عندها كان مكثفا في حيز نقطة بحيث لا يمكن أن تنطبق عليه أي
قوانين علمية مما نعرفه الآن. على أنه قد أمكن للعلماء إنشاء فكرة جيدة لما حدث
بعدها خلال زمن هو أقل من جزء من بليون الترليون من الثانية بعد الانفجار الكبير.
ورغم أن هذا إنجاز طيب إلا أنهم لم يصلوا إلى معرفة شيء عن الأحداث في اللحظة التي
تكون كل القوى فيها موحدة.

وفيما يعتقد فإن
الكون قد مر خلال أجزاء صغيرة من الثانية بأطوار متلاحقة أتاحت انفصال كل من القوى
الأربع في وقت تهيمن فيه متتابعة على الكون بما يشبه توالي الأحزاب السياسية على
الحكم في بلاد التعدد الحزبي. وآخر ما انفصل من هذه القوى هو القوة النووية الضعيفة
التي سادت بعد الانفجار بزمن طويل نسبيا هو ثوان معدودة. وقبلها كانت القوة
الكهرومغنطيسية، وقبل ذلك كانت القوة النووية القوية هي التي تسود بالكامل في أول
أجزاء من البليون من الثانية بعد الانفجار الكبير. أما ما سبق ذلك من أجزاء من
البليون من الثانية فلابد أن الطاقة عند ذاك تكون من الكثافة بحيث لا يمكن تمييز أي
من قوى الكون إحداها عن الأخرى. وهكذا فإن انفصال القوى في كياناتها الحالية تم
تدريجيا الواحدة بعد الأخرى.

النظريات
الموحدة

وتلا معرفة هذا
السيناريو أن أخذ العلماء يتوصلون فعلا إلى نماذج معادلات وتجارب تثبت أن القوى
النووية الضعيفة والكهرومغنطيسية تصبح عند ظروف معينة نفس القوة الواحدة. ووضع
واينبرج وعبدالسلام عالم الفيزياء الباكستاني كل منهما على حدة نموذجا بمنظومة
المعادلات التي تثبت ذلك. ووجه الجمال في هذا النموذج أنه تنبأ بأحداث وجسيمات
محددة تظهر في ظروف معينة في أجهزة معجلات الجسيمات، وحققت التجارب العملية صحة هذه
النبوءة بالفعل. ومعجلات الجسيمات هذه هي أجهزة يستخدمها الفيزيائيون التجريبيون
ليسلطوا طاقة هائلة على الذرات فتسحقها وتنزع ما حولها من طبقات عديدة ليتضح ما
بداخل الذرة من جسيمات.

بعد الوصول إلى
النموذج الذي وحد القوة النووية الضعيفة والكهرومغنطيسية بدأت تظهر نظريات أخرى
توحد القوة النووية القوية مع الضعيفة والكهرومغنطيسية، وتقول بأنه في ظروف معينة
تصبح القوى الثلاث أعضاء في نفس العائلة الواحدة. على أن الإثبات العملي النهائي
لهذه النظريات لم يتم بعد. وهي تسمى عادة النظريات الموحدة الكبرى، وإن كانت كثيراً
ما تنتقد بأنها ليست كبرى ولا موحدة تماما.

ولكن ماذا عن
القوة الرابعة، أي الجاذبية، تلك القوة التي نكاد نعرفها كلنا والتي ظلت القوة
الرئيسية طيلة بلايين كثيرة، أين موقعها المناسب في نظرية موحدة للقوى الأربع؟ إذا
كانت النظرية قد تمكنت تقريبا من توحيد القوى الثلاث التي تتحكم في الجسيمات تحت
الذرية، فإن الجاذبية التي تتحكم في الأجرام الكبيرة مازالت منعزلة وحدها خارج هذه
النظرية.

علماء لضم الجاذبية
للنظرية الموحدة

وإذا كان ضم
الجاذبية للنظرية الموحدة صعبا هكذا فما نوع العلماء المؤهلين لإيجاد نظرية موحدة
تضم الجاذبية إليها؟ إن للعالم جيل مان مكتشف الكوارك رأيه في ذلك، فهو يرى أن
العلماء المطلوبين لمهمة توحيد الجاذبية بالقوى الأخرى يجب أن يكونوا متمكنين من
نظرية النسبية العامة تمكنهم من نظرية ميكانيكا الكم، وهذا في رأيه لا يتوافر إلا
في مجموعة العلماء التي يرأسها عالم إنجليزي هو ستيفن هوكنج. وهوكنج هذا يعد
أينشتين النصف الثاني من القرن العشرين، وذلك بالرغم من إصابته بمرض العصبة الحركية
الذي أدى إلى ضمور عضلاته وأعصابه، فأصبح مقعدا في كرسيه ذي العجلات، ولا يكاد
يستطيع الكلام أو الكتابة إلا باستخدام كمبيوتر خاص مثبت في كرسيه. ورغم أن الأطباء
أنذروه وهو في العشرينيات من عمره بأنه لن يعيش أكثر من عامين إلا أنه قد عاش حياة
حافلة منتجة حتى يومنا هذا وقد بلغ الخمسين وعندما وصل هوكنج إلى مسرح البحث العلمي
في الستينيات كان الاعتقاد السائد أن الزمان بلا بداية، كما كان نموذج فريدمان عن
الكون المتجدد يعد نموذجا غير دقيق. وكان لهوكنج وزملائه ثم تلاميذه الفضل في إثبات
أن بدء الكون بالمفردة والانفجار الكبير ليس مجرد فكرة نظرية، ولكن لابد للكون من
أن يكون له مفردة يبدأ بها. وقد استخدم نظرية النسبية العامة في إثبات ذلك. على أن
هوكنج يرى أيضا أن ميكانيكا الكم أيضا قد يكون لها دورها المهم في تفسير الكون
بالقرب من نقطة بدايته، حيث الكون جد صغير، وميكانيكا الكم هي ما يصلح للتعامل مع
الجسيمات التي تنشأ في الزمن الوجيز بعد الانفجار الكبير، ولا مفر هنا من التوفيق
بين النسبية العامة وميكانيكا الكم ليتم تفسير الكون في بدايته.

مشاكل نظرية
وتقنية

والآن فقد تحدد
نموذج يبدأ الكون فيه بمفردة الانفجار الكبير وتمدده باعتباره النموذج الأكثر
قبولا، وأصبح العلماء مقتنعين بإمكان وجود نظرية توحد القوى الأربع عند نشأة الكون
وتفسر انفصالها واحدة بعد الأخرى، بل إنهم يأملون الوصول إلى هذه النظرية مع نهاية
هذا القرن. ولكن الوصول إلى نظرية موحدة متماسكة تجابهه بعض المشاكل لا يمكن حلها
الآن نهائيا، ولعل هذا الحل يصبح متاحا في المستقبل من خلال استخدام تقنيات
أفضل.

وحتى الآن ما
زالت تظهر نظريات جديدة عديدة لمحاولة التغلب على مشاكل نموذج المفردة والنظريات
الموحدة. من ذلك مثلا نظرية الفقاعة التي تفسر تمدد الكون بما يشبه تمدد فقاعة،
ونظرية الأوتار الفائقة التي ترى أن حركة الجسيمات ليست في نقاط أو خطوط وإنما في
خيوط دقيقة. ولكن حتى هذه النظريات الجديدة لها كلها مشاكل لا حل لها حتى
الآن.

احتمالات وجود
النظرية الموحدة

لقد افترضنا حتى
الآن إمكان وجود نظرية موحدة ينتهي بها العلم، ولكن هل هناك حقا نظرية موحدة؟ وكما
يقول هوكنج فإن هناك احتمالا من ثلاثة، الأول أن هناك نظرية موحدة كاملة، والثاني
أنه لا توجد نظرية نهائية، وإنما هو تعاقب مستمر من نظريات علمية في تطور. أما
الاحتمال الثالث فهو أنه ليس هناك نظرية موحدة، وأن المشاهدات لا يمكن توصيفها أو
التنبؤ بها.

والاحتمال الثالث
كان يستخدم كمحاجة ضد العلم في القرون السالفة، فكيف للعلم أن يصوغ قوانين تحد من
حرية تغيير ما هو كائن؟! ومع هذا فقد استمر وضع القوانين العلمية، حتى وصلنا إلى
قانون حديث يرد على هذا الاحتمال الحديث ويحتويه داخل الخط العلمي، وهو نظرية
ميكانيكا الكم التي تدور أساسا حول ما لا نعرفه بدقة ولا يمكن التنبؤ به بدقة. أما
الاحتمال الثاني باستمرار تقدم النظريات العلمية في تعاقب لا ينتهي فيرى هوكنج أنه
أمر من غير المحتمل أن يستمر إلى ما لا نهاية، وأنه يشبه حكاية صندوق من داخله
صندوق ثم صندوق.

على أن رأى
هوكنج هذا فيه شيء من التجاوز. ومهما كان من أهمية النظرية الموحدة الكاملة فإن
منهج العلم نفسه مؤداه أن كل نظرية لابد أن تؤدي فيما بعد إلى نظرية أخرى تليها
وتفسر الكون بأفضل منها. وقد سبق لعلماء آخرين أن أعلنوا أن الفيزياء قد أوشكت على
الوصول إلى نهايتها، ثم ثبت خطأ ذلك، كما حدث مثلا في العشرينيات عند اكتشاف
المعادلة التي تتحكم في الإلكترون. ووقتها أعلن ماكس بورن أن الفيزياء كما نعرفها
ستنتهي بعد ستة شهور. وكان المعتقد أن اكتشاف معادلة أخرى تتحكم في البروتون سيكون
فيه نهاية الفيزياء النظرية، باعتبار أن البروتون هو الجسيم الأولي في نواة الذرة.
ثم ثبت أن البروتون ليس هو الجسيم الأولي للنواة، وأن الكوارك هو الآن هذا الجسيم
الأولي للنواة. وهناك الآن دلالات على أن الكوارك قد لا يكون بدوره آخر جسيم أولي.
وهكذا فإن تتالي النظريات لن ينقطع أبدا مع التقدم العلمي، وكلما توسع البحث تم
اكتشاف طبقة جديدة في البنيان تتطلب نظرية جديدة. وما قد نظن الآن أنه نهاية
للنظريات العلمية قد لا يكون سوى خطوة البداية لنظريات أكثر تقدما بما يجعل العلم
يتدفق بلا نهاية.





مصطفى إبراهيم فهمي   


مقالات شبيهة

أرق الأطفال ..إقرأ
القنديل.. والجندول ..إقرأ
وللموج ما يشتهي محمد فهمي سند ..إقرأ

مشاركات القراء حول الكتاب
لكي تعم الفائدة , أي تعليق مفيد حول الكتاب او الرواية مرحب به , شارك برأيك او تجربتك , هل كانت القراءة ممتعة ؟

القائمة البريدية