إميل أحمدوف عن المشاكل التي لم يتم حلها في الفيزياء. نظرية المجال الكمي

في سبتمبر 2015، تحدث ستيفن هوكينج عن فكرة جديدة ستساعد، وفقًا للفيزيائي، في حل مفارقة فقدان المعلومات الموجودة في الثقوب السوداء والتي استمرت 40 عامًا. تمت صياغة هذه المفارقة عند التفاعل بين نظرية المجال الكمي والنسبية العامة، لذلك يمكن أن يساعد حلها في صياغة نظرية الجاذبية الكمومية.
وأشار العالم في رسالته إلى بعض الخصائص الخاصة للفضاء، والتي، إذا تم استخدامها بشكل صحيح، يمكن أن تشير إلى كيفية خروج المعلومات من الثقب الأسود وبأي شكل. "في أعقاب الإعلان" بعد الإعلان، اكتشفنا بالفعل اقتراح هوكينج، لكن كل تفاصيل الفرضية لا تزال في انتظار النشر.

بعد ثلاثة أشهر، مباشرة بعد حلول العام الجديد تقريبًا، ظهر مقال على خدمة ما قبل الطباعة الإلكترونية arXiv.org، حيث كشف الفيزيائي مع زملائه أندرو سترومينجر ومالكوم باري، بمزيد من التفصيل عن جوهر اقتراحه. بالتزامن مع نشر النسخة الأولية، أرسل هوكينج المقال للنشر في إحدى مجلات الفيزياء الأكثر موثوقية - رسائل المراجعة البدنية. وبعد خمسة أشهر، تمت مراجعة العمل وظهر على موقع المجلة في 6 يونيو.

تسبب هذا في زيادة غير متوقعة في المنشورات حول بوابات إلى أكوان أخرى تقع في الثقوب السوداء وغيرها من الظواهر الغريبة. مصدرهم هو محاضرة علمية شعبية ألقاها هوكينج في أغسطس 2015. في العمل المنشور لا توجد كلمة عن الأكوان البديلة، ولكن هناك نفس التفاصيل التي تشرح كيفية التعامل مع مفارقة المعلومات.

نعود اليوم إلى مناقشة مفارقة المعلومات ونتوجه مرة أخرى للتعليق على إميل أحمدوف، دكتور في العلوم الفيزيائية والرياضية والباحث الرئيسي في معهد الفيزياء النظرية والتجريبية.

قبل ان تبدا

من أجل صياغة مفارقة المعلومات، من الضروري التذكير بالعديد من الخصائص المهمة للثقوب السوداء. وأشهرها أن الثقب الأسود له سطح معين يسمى أفق الحدث، والذي بمجرد ظهوره لا يستطيع حتى الضوء أن يغادر محيط الجسم. الخاصية الثانية المهمة هي ما يسمى بـ “نظرية الثقب الأسود اللاشعري”. ووفقا لها، فإن أي مجالات يخلقها الثقب الأسود الساكن تكون ثابتة، أي أنها لا تتغير بمرور الوقت. تتبع خاصية الثقب الأسود هذه خصائص أفق الحدث.

كانت إحدى الخطوات المهمة في ظهور مفارقة المعلومات هي التنبؤ بإشعاع هوكينج، والذي بسببه يتبخر الثقب الأسود ببطء. هذا هو التأثير الكمي المرتبط بتضخيم (تضخيم) تذبذبات النقطة صفر نتيجة الانهيار - عملية تكوين الثقب الأسود.

ويكون طيف الطاقة لهذا الإشعاع حراريا، وكلما كان الثقب الأسود أصغر كلما ارتفعت درجة الحرارة المقابلة لهذا الإشعاع. وذلك لأن الثقب الأسود لن يكون قادرًا على احتواء الإثارة الكمومية ذات الطول الموجي الأكبر من حجمه. ولذلك، ومن الاعتبارات العامة، فإنه سوف ينبعث بطول موجي مميز يعادل حجم أفقه. ويتناسب نصف قطر أفق الثقب الأسود مع كتلته. وبناءً على ذلك، فإن طاقة الإشعاع المميزة، التي تتناسب مع التردد، يجب أن تتناسب عكسيًا مع كتلة الثقب الأسود. لكن الطاقة المميزة لكميات الإشعاع هي درجة حرارته. تم تأكيد هذه الحجج الإرشادية التي تنتمي إلى فلاديمير نوموفيتش غريبوف من خلال الحسابات التفصيلية.

درجة حرارة هوكينج منخفضة للغاية، فبالنسبة لثقب أسود له كتلة الشمس ستكون درجة الحرارة عشرة ملايين من كلفن. وبالتالي فإن الثقب الأسود ذو الكتلة الأكبر ستكون درجة حرارته أقل. لذلك، من المستحيل على الأرجح رؤية إشعاع هوكينج عمليًا في المستقبل المنظور. ما لم يكن من الممكن اكتشاف اضمحلال ما يسمى بالثقوب السوداء البدائية التي تشكلت في المراحل الأولى من تطور الكون. في الواقع، كان ينبغي أن تكون كثافة المادة عالية جدًا، وبالتالي يمكن تشكيل ثقوب سوداء ذات كتلة صغيرة جدًا. سيكون لمثل هذه الثقوب درجات حرارة عالية جدًا. يمكن للمرء أن يأمل في رؤية نتائج اضمحلالها في إشعاع هوكينج إذا نظر إلى أبعد المناطق، أي أقدمها، في الجزء المرئي من الكون. لكن حتى الآن لم يتم اكتشاف مثل هذه الظواهر.

ولا يعتمد إشعاع هوكينغ على المادة التي تشكل منها الثقب الأسود نتيجة الانهيار. في ذلك، بالنسبة لطاقة معينة، يمكن أن تظهر جسيمات مختلفة باحتمال متساوٍ - على سبيل المثال، الفوتونات والميزونات المحايدة. والنتيجة هي وضع غير مقبول بالنسبة للفيزياء - حيث يتم فقدان الإمكانية الأساسية لاستعادة "مصير" ذرة فردية عالقة في ثقب أسود. في لغة الرياضيات، هذا يعني أن مصفوفة التحويل التي تنقل النظام من الحالة قبل تكوين الثقب الأسود إلى الحالة بعد تبخره يتبين أنها غير وحدوية (نحن نتحدث عن المصفوفة S، واحدة للأشياء المركزية في نظرية المجال الكمي). وهذا يعني، على سبيل المثال، أن احتمالات بعض العمليات قد تكون أكبر من واحد.

هذه هي مفارقة فقدان المعلومات - استنادا إلى النظرية النسبية العامة ونظرية المجال الكمي، تمكن هوكينج من الحصول على موقف لا ينبغي أن يكون موجودا في الفيزياء. يمكن للمرء أن يكون له مواقف مختلفة تجاه صياغة هذه المفارقة، لكن قابلية حلها الواضحة والدقيقة هي إحدى خصائص النظرية "الحقيقية" للجاذبية الكمية.

ينتمي إميل أحمدوف إلى مجموعة الفيزيائيين الذين يعتقدون أنه لا يوجد تناقض مع فقدان المعلومات. يرجع الغموض الذي يحيط بالمفارقة إلى العدد الكبير من الافتراضات الفظة التي وضعها هوكينج في صياغته. من بين أمور أخرى هذه هي:

1) طاقة جزيئات إشعاع الثقب الأسود صغيرة جدًا مقارنة بإجمالي طاقة أو كتلة الثقب الأسود.
2) أفق الحدث بعيد بما فيه الكفاية عن نقطة التفرد وتنطبق عليه النسبية العامة.
3) تساهم التصحيحات الكمومية بشكل بسيط في طيف إشعاع هوكينج.

ومع ذلك، يرى إميل أنه من المهم جدًا أن نفهم بالتفصيل كيفية اضمحلال الثقوب السوداء، وكيف تحمل منتجات الاضمحلال معلومات حول الحالة الأولية للمادة المنهارة

الوظيفة الجديدة ومتطلباتها

يُطلق على الورقة البحثية الجديدة التي أعدها هوكينج وسترومينجر وباري اسم "الشعر الناعم على الثقوب السوداء". ووفقا للعرض الشعبي الذي قدمه غاري هورويتز، أستاذ الفيزياء الفخري في جامعة كاليفورنيا، فإن هذه الورقة تعيد النظر في الحقائق الأساسية الكامنة وراء هذه المفارقة، مثل صحة "نظرية الثقب الأسود اللاشعري".

ن+1: كما أفهم، في الوقت الذي انقضى منذ إصدار النسخة الأولية، ربما تم بالفعل عقد العديد من الندوات لفحص عمل هوكينج بالتفصيل؟

إميل أحمدوف:حتى أننا عقدنا مؤتمرًا مدرسيًا لطلاب المرحلة الجامعية والدراسات العليا في أبريل. لقد قمنا بدعوة طلاب مالكولم باري وهوكينج، حيث ألقوا محاضرات، وفهمنا بشكل أو بآخر ما ورد في العمل. ويمكن القول إننا وصلنا إلى سوء فهم عميق.

ن+1: قام سترومينجر وباري وهوكينج بفحص مقترحين قدمهما ستيفن هوكينج في الورقة الأصلية لعام 1975. يبدو أنهم قالوا إن الأمر ليس كذلك حقًا. من أين جاء هذا البيان؟

إ.أ.:هل تتذكر أنني شرحت لك في المرة السابقة أن هناك ما يسمى بـ "نظرية عدم وجود شعر"؟ الزمكان في وجود ثقب أسود في لحظة معينة من الزمن، وعلى أي مسافة منه،تتميز بثلاثة أرقام: الكتلة وعزم الدوران والشحنة. وبناء على ذلك، فإن الحالة الأساسية لنظرية المجال الكمي على خلفية الثقب الأسود يجب أن تتميز بهذه المعلمات. وبما أن إشعاع هوكينج لا يحمل أي معلومات، فهذا يعني أن كل ما كان قبل الانهيار قد ضاع تقريبًا.

الآن قام سترومينجر وباري وهوكينج بمراجعة هذا البيان. في البداية، يقولون إنه إذا ابتعدت عن ثقب أسود إلى مسافات طويلة ليس في لحظة معينة من الزمن، ولكن في اتجاه الضوء اللانهائي - أي التحرك مع الضوء - فإن خصائص هذا الإشعاع تحتوي على العديد من المعلمات، على وجه التحديد - العديد من المعلمات بلا حدود.

ن+1: إذن فهي ليست محدودة بالزخم الزاوي والشحنة والكتلة للثقب الأسود؟

إ.أ.:نعم. يمكنني حتى إعطاء تناظرية من الكهرومغناطيسية، والتي من المحتمل أن تكون أكثر قابلية للفهم.

دعونا نلقي نظرة على المجال الكهرومغناطيسي لمجموعة من الشحنات. إذا أخذنا لحظة معينة من الزمن ونظرنا ببساطة إلى هذه المجموعة من مسافة كبيرة جدًا، فسنرى ببساطة حقل كولوم. قد تنشأ تصحيحات لها - عزم ثنائي القطب، عزم رباعي القطب، ولكن الكمية المهيمنة على مسافات كبيرة ستكون مجال كولومب.

علاوة على ذلك، هناك تماثل لـ "نظرية عدم وجود شعر" - حل معادلات ماكسويل، التي لا تتغير عند الدوران حول المركز وتنخفض إلى الصفر على مسافات كبيرة - الوحيد، وهو مجال كولومب. السمة الوحيدة لها هي الشحن. وبهذا المعنى فإن الوضع يشبه "نظرية عدم وجود شعر". إذا لم يكن هناك ثبات فيما يتعلق بالتناوب، فيمكن إجراء التصحيحات في شكل ثنائي القطب، ورباعي القطب، وعزوم أعلى.

كل ما سبق صحيح إذا نظرنا إلى الشحنات في لحظة زمنية معينة ونسينا حركتها. إذا قامت الشحنات بأي تحركات، فإنها تنبعث منها شيئًا ما. بعد ذلك، بالإضافة إلى الخصائص المذكورة أعلاه، سيكون لديك أيضًا خصائص إشعاعية. وحتى على مسافة كبيرة، بالإضافة إلى حقل كولومب، سيكون هناك أيضًا مجال إشعاع يحمل عددًا لا نهائيًا من الخصائص. وتوجد حالة مماثلة في وجود مجالات الجاذبية والإشعاع. أود أن أؤكد أنه حتى الآن ليس لكل هذا أي تأثير مباشر على حل مفارقة المعلومات.

هذا ما كان معروفًا قبل مقال هوكينج وسترومينجر وباري - في الستينيات والسبعينيات. نشأ اهتمام جديد بهذه القضية بسبب عمل سترومينجر وطلابه والمؤلفين المشاركين. النقطة المهمة هي أن هذا العدد اللامتناهي من خصائص الإشعاع على مسافة كبيرة يرتبط بوجود تناظر مقارب كبير جدًا في هذا الجزء من الزمكان. هذا ما درسه سترومينجر محاولًا تعميم مبدأ التوافق AdS/CFT على حالة الفضاء المسطح. [المزيد حول هذا الأمر يمكن العثور عليه في المقابلة السابقة]

ما الجديد الذي قدمه هوكينج وبيري وسترومينجر؟

إ.أ.:كل ما قلته عن العدد اللامحدود لخصائص الإشعاع صحيح، عندما تكون قد ابتعدت كثيرًا عن جميع أنواع مصادر مجالات الجاذبية والكهرومغناطيسية. أي أن هذا صحيح في التقريب التقريبي للترتيب الرئيسي عند الضوء اللانهائي، أي بدون أي تصحيحات. ويقول هوكينج وبيري وسترومينجر الآن إن وضعًا مشابهًا يجب أن يوجد ليس فقط على مسافة لا نهائية من مصادر الإشعاع، ولكن أيضًا بالقرب من أفق الحدث للثقب الأسود.

ن+1: إنها بالتأكيد ليست مسافة لا نهائية

إ.أ.:نعم، هذه بالتأكيد ليست مسافة بعيدة لا نهائية، لكن هوكينج والمؤلفين المشاركين يزعمون أنهم تمكنوا من وصف كيف يمكن للتماثلات الموصوفة أعلاه أن تمتد من اللانهاية إلى أفق الثقب الأسود. علاوة على ذلك، ليس بالنسبة للحالة الأكثر عمومية للمجالات، ولكن في الوقت الحالي فقط للإشعاع الكهرومغناطيسي.

هناك أسئلة كثيرة حول هذا البيان. يقولون حرفيًا أن هناك نفس التماثل في أفق الثقب الأسود كما هو الحال في اللانهاية. لم أتمكن من أن أفهم بالتفصيل من أين جاء هذا البيان. إذا نظرت إلى مقالة هوكينج وسترومينجر وباري، فلا يوجد الكثير من الصيغ، بل هناك المزيد من الكلمات. ولم أتمكن من استخلاص صيغة قابلة للاختبار من هذه الكلمات.

ن+1: ومن أين جاء هذا التصريح إذن؟

إ.أ.:كان هوكينج مهتمًا بحقيقة أن مقياس الزمكان على مسافات كبيرة من الثقب الأسود يمكن وصفه بمعلمات أكثر من مجرد الشحنة والكتلة والزخم الزاوي. وهذا انتهاك واضح لنظرية "لا شعر". لقد اعتقد أنه يمكن تعميم نفس الشيء على خصائص مقياس الزمكان بالقرب من أفق الحدث للثقب الأسود.

في الواقع، من الاعتبارات العامة، من الواضح أننا إذا أخذنا في الاعتبار تأثير الجسيمات/الموجات المتساقطة أو الهاربة من أفق هوكينج للأحداث على الثقب الأسود، فإن هذا الأفق سوف يتشوه بطريقة ما. يمكن وصف هذه التشوهات بعدد لا نهائي من المعلمات، حيث أنها يمكن أن تحدث محليًا في أي جزء منها. وهذه الصورة تشبه كيفية تشوه الزمكان عند الضوء اللانهائي نتيجة للإشعاع الذي يذهب إلى هناك. وهذا يعني أن التشابه بين أفق الحدث واللانهاية الخفيفة واضح.

ن+1: أي هل أفهم بشكل صحيح أن الورقة تنص على أن إشعاع هوكينج سيكون له عدد لا نهائي من الخصائص، وليس مجرد توزيع لدرجة الحرارة حسب الكتلة والشحنة وعزم الدوران؟

إ.أ.:نعم. وبناء على ذلك، بمساعدة هذه الخصائص، يمكنك وصف حالة الثقب الأسود بشكل كامل. بالكلمات، كان كل هذا واضحًا بالنسبة لي وللعديد من زملائي منذ فترة طويلة، لكنني لم أر صيغًا واضحة ويمكن التحقق منها بسهولة حول هذا الموضوع. علاوة على ذلك، حتى من الأشخاص الذين فهموا هذه القضية وناقشوها مع هوكينج وسترومينجر وباري.

ن+1: اتضح أن هذا عمل فلسفي أكثر؟

إ.أ.:إنها أشبه بصياغة فكرة. كفكرة أعجبتني. وأكرر، كان الأمر واضحًا في البداية بالنسبة لي وللعديد من زملائي. وهذا يعني أن هذا ليس جديدًا بالنسبة لي، إلا أن هؤلاء الأشخاص المشهورين تحدثوا عن هذا الموضوع بنفس الطريقة التي تحدث بها أشخاص آخرون أقل شهرة.

ن+1: كانت هناك لحظة صغيرة أخرى إلى جانب "الشعر". هل يقول هوكينج وسترومينجر وباري أن حالة الفراغ ليست فريدة من نوعها إلى حد ما؟

إ.أ.:خصائص الثقب الأسود هي نفس خصائص الفراغ (الحالة الأرضية) في نظرية المجال الكمي على خلفية الثقب الأسود. والحقيقة هي أنه حتى في وجود إشعاع هوكينج، فإننا نتعامل مع الحالة الأرضية لنظرية المجال الكمي، لأن إشعاع هوكينج هو تضخيم لتذبذبات نقطة الصفر الموجودة في الفراغ، أي في الحالة الأرضية. في السابق، كانوا يعتقدون أن هناك ثلاث فقط من هذه الخصائص، ولكنهم الآن رأوا أنه يجب أن يكون هناك عدد لا نهائي من هذه الخصائص. لقد كان من المعروف منذ زمن طويل أنه يوجد في اللانهاية عدد لا حصر له من هذه الخصائص، والآن يزعمون أن كل شيء هو نفسه تمامًا في منطقة الثقب الأسود. وبالتالي، فإن الحالة الأساسية لنظرية المجال الكمي في وجود ثقب أسود لها انحطاط كبير لا نهائي، ويتم تمييز الحالات الأرضية المختلفة من خلال الخصائص المذكورة أعلاه ويتم ترجمتها إلى بعضها البعض من خلال تحولات التناظر اللانهائية.

حتى أن هوكينج وبيري وسترومينجر يزعمون أنهم أثبتوا ذلك بدقة. أي أنك إذا سألت مالكولم باري مباشرة سيقول أنهم أثبتوا هذا القول. وهو رجل لا يضيع الكلام. أنا لا أفهم تمامًا هذه التصريحات بعد.

ن+1: خلال المقابلة الأخيرة، ذكرت عاملاً آخر لم يأخذه هوكينج بعين الاعتبار. وأتساءل عما إذا كانوا قد صححوه عند "تصحيح الثغرات" في وصف المفارقة؟

إ.أ.:قلت ما يلي - نظرية المجال الكمي على خلفية الثقب الأسود في حالة غير ثابتة. ربما كنت قد صغت الأمر بشكل مختلف قليلاً، لكن هذا ما قصدته. يتحدث هوكينج وسترومينجر وباري عن الفراغ وخصائصه. بالنسبة لي، هذا لا يكفي - نظرا لحقيقة أن نظرية المجال الكمي في حالة غير ثابتة على خلفية الثقب الأسود، فإنها لا تبقى في حالة فراغ، ولكنها تدخل في نوع من الحالة المثارة. وهي متحمسة للدرجات الداخلية للحرية في نظرية المجال. وهذا يعني أنه بالإضافة إلى تذبذبات النقطة صفر، فإن الحالات المثارة لنظرية المجال الكمي ستساهم أيضًا في إشعاع الثقب الأسود. وهذا بالطبع يميز أيضًا حالة نظرية المجال الكمي على خلفية الثقب الأسود ويكمل الصورة.

لكن ما قلته للتو لا يمثل بأي حال من الأحوال وجهة نظر مقبولة بشكل عام. ربما يتقاسمها خمسة أشخاص في العالم. ومع ذلك، يمكن دعم وجهة النظر هذه من خلال حسابات مفصلة [إميل ت. أحمدوف وآخرون. / بي آر دي، 2016]، والصيغة موضوعية. يمكن لأي شخص التحقق من ذلك والتأكد من صحته أو خطأه.

تجربة فكرية

ن+1: وإذا كنت تتخيل، فهل لا يزال من الممكن تخيل نوع من التجربة التي يمكن أن تختبر النظرية؟ ففي نهاية المطاف، تقوم كل نظرية بتنبؤاتها الخاصة، والتي تعتبر معايير للصحة.

إ.أ.:وبطبيعة الحال، كل هذه التأثيرات ضعيفة وفي الوقت الحالي هي ذات أهمية أكاديمية فقط. لسوء الحظ، من غير المجدي التحقق من وجود إشعاع هوكينج ورؤية خصائصه بالقرب من تلك الأجسام الموجودة في السماء والتي نعتبرها ثقوبًا سوداء.

ن+1: ماذا لو تخيلنا أنه يمكننا إرسال جهاز؟

إ.أ.:وحتى لو تخيلنا أنه يمكننا إرسال الجهاز، فإن هذه التأثيرات لا تزال ضعيفة للغاية. ستكون درجة حرارة الثقب الأسود بكتلة الشمس حوالي عشرة ملايين من كلفن - وهذه قيمة ضئيلة حتى على خلفية الإشعاع الكوني.

الشيء الوحيد الذي يأمله العلماء هو رؤية الظواهر من الثقوب السوداء المجهرية. عندما ننظر إلى السماء، فإننا لا ننظر إلى المسافة فحسب، بل ننظر إلى الماضي أيضًا. في المراحل الأولى من تطور الكون، عندما كان الكون كثيفًا جدًا، يمكن أن تتشكل ثقوب سوداء بدائية صغيرة. إذا أخذنا ثقبًا أسود كتلته تساوي كتلة جبل إيفرست، فبدلاً من أن ينبعث منه ببطء، فإنه ينفجر، لأن درجة حرارته هائلة.

ن+1: ومن الواضح أنه كلما كان الثقب الأسود أصغر، كلما ارتفعت درجة حرارة الإشعاع. ولكن ماذا لو تمكنا من التقاط كم واحد على الأقل ينبعث من ثقب أسود من بعيد؟

إ.أ.:من أجل التأكيد تجريبيًا على ملاحظات هوكينج وسترومينجر وباري، فإن كمية واحدة من التدفق المنبعث من الثقب الأسود لا تكفي بالنسبة لنا. إذا نظرنا إلى ثقب أسود من بعيد، فسنجد أن عددًا لا حصر له من الخصائص يحدد التدفق بأكمله.

ن+1: وهذا يعني أنه إذا تمكنا من التقاط تدفق الإشعاع بأكمله من الثقب الأسود، فيمكننا الحصول على إجابة حول ما إذا كانت النظرية صحيحة أم لا.

إ.أ.:حسنًا، من الناحية النظرية، إذا أحاطنا ثقبًا أسودًا بصندوق وجمعنا كل ما يصدره، فيمكننا تحديد قيمة عدد لا نهائي من الشحنات. وأود أن أؤكد أن بعضها سيكون مساوياً للصفر، والبعض الآخر لا. كل هذا من شأنه أن يميز حالة الثقب الأسود بشكل كامل.

لكنني سأوضح مرة أخرى أن هذا لا ينبغي أن يتم عند اللانهاية، لأنه قد لا يكون هناك ثقب أسود واحد، وقد يكون محاطًا بشيء ما. يمكن لهذه الأجسام أيضًا أن تنبعث منها إشعاعات الجاذبية والكهرومغناطيسية. للحصول على خصائص ثقب أسود معين، نحتاج إلى التقاط الإشعاع بالقرب من أفقه.

ن+1: اتضح أننا نحتاج فقط إلى بناء كاشف ضخم حول الثقب الأسود، وهو نوع من كرة دايسون.

إ.أ.: ن وآخرون. بالطبع، لا أدعي أنه من الضروري إجراء مثل هذه التجربة المعقدة وحتى المستحيلة لتأكيد الملاحظات المذكورة أعلاه. إذا رأينا أن بعض الثقب الأسود المجهري (على سبيل المثال، الابتدائي) يشع وتتغير خصائصه، ويحمل الإشعاع تلك الخصائص التي تغيرت بالضبط، فسيكون هذا كافيا.

أجرى المقابلة فلاديمير كوروليف

كريس فريل هو مصور فوتوغرافي بريطاني، وهو مؤلف الرسوم التوضيحية التي تم استخدامها في المادة. لقد أمضى السنوات العشر الماضية وهو يحاول التقاط صورة أعجبته. لقد عمل بالفعل في 150 دولة ويرغب في زيارة الدول الـ 46 المتبقية قبل أن يصبح مواطنًا في المنزل.

في الفيزياء الأساسية، على عكس الرياضيات، هناك ثلاث مشاكل رئيسية فقط لم يتم حلها والتي يدرسها جميع العلماء تقريبًا في هذا المجال من العلوم: مشكلة الثابت الكوني، ومشكلة حبس الكوارك، ومشكلة الجاذبية الكمية.

مشكلة الثابت الكوني

تخيل حفرة بداخلها كرة. إذا قمت بتحريكه، فسوف يبدأ في التأرجح وبدون احتكاك سوف يتأرجح إلى الأبد - وستحصل على مذبذب كلاسيكي. ولكن إذا لم تلمس الكرة، فسوف تقع في الأسفل.

ومع ذلك، فإن الجسيم الكمي ليس كرة، بل موجة. ولذلك، فإن الحالة الأرضية للمذبذب الكمومي لها طاقة غير صفرية. هذه موجة ذات قمة واحدة داخل حفرة. وهذا يعني أن الجسيم الكمي يتأرجح حتى في الحالة الأرضية. هذه هي ما يسمى التذبذبات الصفرية. وهي تحدث في أي نظام كمي، بما في ذلك نظرية المجال الكمي.

في نظرية المجال الكمي، الفراغ ليس فراغًا. يتكون من ذبذبات صفرية. إذا لم تكن هناك جاذبية، فسيتم حساب الطاقة من الطاقة الإجمالية لهذه التذبذبات عند نقطة الصفر. يبدو أنه تم إلقاؤهم بعيدًا. وجميع الجسيمات في نظرية المجال الكمي هي عبارة عن إثارات أعلى من تذبذبات نقطة الصفر.

ومع ذلك، في ظل وجود الجاذبية، لا يمكن التخلص من تذبذبات نقطة الصفر. إنهم "يزنون" شيئًا ما، أي أنهم يثنون الزمكان. ولذلك هناك مشكلة.

من المتوقع نظريًا أن تذبذبات نقطة الصفر تمثل طاقة فراغ هائلة. ومع ذلك، تظهر الملاحظات أن طاقة الفراغ في كوننا صغيرة جدًا. وهذا ما يسمى الآن بالطاقة المظلمة في الفضاء. إنه يؤدي إلى التوسع المتسارع للكون، كشيء "يزن". هذه هي بالضبط مشكلة الثابت الكوني: فمن ناحية، تتنبأ نظرية المجال الكمي بأنه ضخم، ولكن من ناحية أخرى، نلاحظ أنه صغير جدًا. أين تذهب طاقة الفراغ الهائلة التي تنبأت بها نظرية المجال الكمي؟ ما هي إذن طبيعة الطاقة المظلمة؟

مشكلة حبس الكوارك

ومن المعروف أن النواة تتكون من بروتونات ونيوترونات. يتفاعلون مع بعضهم البعض باستخدام القوى النووية. إذا اصطدمنا بالبروتونات، مما أدى إلى زيادة الطاقة، فسنرى ولادة مجموعة كبيرة ومتنوعة من الجزيئات الجديدة - الهادرونات.

يتم وصف جميع الهادرونات بطريقة واحدة: فهي تتكون من كواركات. ويمكن ملاحظة ذلك عن طريق تشتيت الإلكترون على البروتون عند طاقات عالية جدًا. وتبين أنه في هذه الحالة ينتشر الإلكترون بنفس الطريقة تقريبًا التي تنتشر بها جسيمات ألفا على الذرات. وقد درس رذرفورد هذا الأخير في بداية القرن العشرين: فقد رأى أن جسيم ألفا مبعثر بواسطة مركز شديد التركيز للنواة، وهو ذو حجم صغير جدًا. اتضح أن الإلكترون ينثر بواسطة البروتون بنفس الطريقة تمامًا، ولكن مع تحذير واحد: يبدو أن البروتون لديه ثلاثة مراكز بشحنات متناظرة.

يوجد في الواقع ثلاثة كواركات داخل البروتون. لكن لسبب غير معروف، لا يمكننا الحصول على هذه الكواركات بشكل منفصل، فنحن نراها دائمًا كجزء من الهادرونات فقط. نحن نعرف نظرية الكواركات، وهي الديناميكا اللونية الكمومية، التي تصف الكواركات والجلونات. وهذا الأخير ينقل التفاعلات بين الكواركات، تمامًا مثل الفوتونات بين الشحنات الكهربائية. نحن نفهم الديناميكا اللونية الكمومية جيدًا في الطاقات العالية. ثم يصف حقًا فيزياء الهادرونات. ولكن عند الطاقات المنخفضة، يتبدد الإلكترون بواسطة الهادرونات ككل. كيف يمكن لوصف ما، باستخدام الكواركات الحرة عمليا، أن ينتقل إلى وصف آخر - في شكل هادرونات كحالات مقيدة للكواركات؟ ولماذا لا توجد الكواركات بشكل منفصل؟ هذه الأسئلة هي جوهر مشكلة الحبس.

مشكلة الجاذبية الكمومية

تواجه نظرية المجال الكمي مشاكل مع وجود ترددات لا نهائية. بشكل تقريبي، يمكن ثني المجال بأي طريقة وبالدقة المطلوبة. ولهذا السبب، ينشأ ما يسمى بالاختلافات، وهي: عند حساب الكميات الفيزيائية المختلفة في نظرية المجال الكمي، نحصل على مساهمات لا حصر لها. في جميع نظريات المجال الكمي المطورة حاليًا والتي نحن مهتمون بها، يمكن إزالة هذه الاختلافات عن طريق إعادة تعريف العديد من ثوابت الاقتران، مثل شحنات وكتل الجسيمات، على سبيل المثال.

علاوة على ذلك، ومن أجل القضاء على مشكلة مماثلة عند قياس الجاذبية، من الضروري إعادة تعريف عدد لا نهائي من ثوابت الاقتران. ومع زيادة الطاقة، تحتاج النظرية إلى أن تصبح أكثر تعقيدًا. يشير هذا إلى أن نظرية الجاذبية لا تنطبق إلا على الطاقات المنخفضة، ويجب أن تستند إلى نظرية أكثر جوهرية (الطاقة العالية) لا نعرفها بعد.

الفيزيائي إميل أحمدوف يتحدث عن قانون نيوتن الثاني وقياس مينكوفسكي وطبيعة الزمكان.

يمكنك قضاء سنوات من حياتك في تحديد الوقت. وهذا أمر شخصي لكل إنسان يحتل مكانته الحضارية. وبطبيعة الحال، فإن محاولة الإجابة على مثل هذه الأسئلة هي جزء من الثقافة الإنسانية. لكن بالنسبة للفيزيائي، فإن الروابط بين المواد المختلفة مهمة، والعلاقات ليست لفظية، ولكنها صيغية. مثال على هذه العلاقة هو قانون نيوتن الثاني. ويذكر أن F = ma - قوة تجعل جسمًا كتلته m يتحرك بتسارع a. يمكنك قضاء سنوات من حياتك محاولًا تحديد معنى القوة. يمكنك قضاء سنوات من حياتك محاولًا تحديد ماهية المادة. لكن بالنسبة للفيزيائي، فإن العلاقة الصيغةية بين القوة والكتلة والتسارع مهمة. الآن سأؤكد بأي معنى.

ويذكر أن القانون F=ma، وهو قانون نيوتن الثاني، ينشأ من التجربة. وهذا لا يعني أن هناك تجربة محددة تقاس فيها القوة والكتلة والتسارع ويثبت أن F=ma. وهناك مجموعة من الظواهر الطبيعية التي يتم وصفها بإيجاز في شكل هذه الصيغة وغيرها من الصيغ والعلاقات. بالنسبة للفيزيائي، هذا هو المهم: هناك كمية تقاس بالنيوتن - هذه هي القوة؛ هناك كمية تقاس بالكيلو جرام - هذه كتلة؛ هناك كمية تقاس بالمتر في الثانية المربعة - وهذا هو التسارع. لقد فهمت بنفسي منذ الصغر أن الفيزياء علم يقيم العلاقات بين الكميات التي يمكن قياسها بالكيلوجرام والأمتار والثواني. يتم التعبير عن نيوتن باستخدام هذه الصيغة بالكيلوجرام والأمتار والثواني.

حاول الإجابة على السؤال "ما هي طبيعة الزمن؟" هذا السؤال مشروع، لكن بالنسبة للفيزيائي والمهندس، المهم ليس الإجابة المجردة، بل الصيغة التي تربط الزمن بشيء ما، بالجانبين الأيمن والأيسر. وبعد هذا يصبح السؤال مشروعاً: ما طبيعة ما هو على اليمين، وما علاقة الزمن به؟ ومن أراد ذلك فليجيب عليه. لكن ما يهم الفيزيائي هو العلاقة بين شيء وآخر، علاقة السبب والنتيجة: إذا قمت بتغييرها بهذه الطريقة، فإنها تتغير بهذه الطريقة. وهذه حقيقة من حقائق الواقع الموضوعي، مهما نظرنا إليها.

ما هو الوقت المناسب لعالم الفيزياء؟ هناك معيار زمني، على سبيل المثال، يتم الاحتفاظ به في باريس. لا أعرف ما الذي يُعتبر الآن معيارًا للوقت، لكن يمكنني اعتبار اهتزازًا واحدًا لجزيء ما معيارًا للوقت. وإذا قام الجزيء بعمل 10 مليارات ذبذبة، كان يطلق عليه ثانية. في السابق، تم أخذ الثانية كمعيار، ولكن الآن يمكنك أخذ اهتزاز واحد، ثم الثانية هي 10 مليار ذبذبة للجزيء. الساعة الذرية، الكرونومتر، تقيس ببساطة عن طريق حساب عدد الاهتزازات بين اللحظة الأولية واللحظة الأخيرة لجزيء معين. هذه هي الطريقة التي يقاس بها الوقت، وهذه هي طبيعته بالنسبة للفيزيائي.

ويمكن للمرء أن يتساءل أيضًا: ما هي طبيعة الفضاء، وكيف يتم تركيبه على المستوى المجهري؟ إذا حصلت على إجابة هذا السؤال في شكل صيغة تربط بعض خصائص الفضاء بشيء آخر، فأنا مستعد لمناقشتها. كفيزيائي، هذا مثير للاهتمام بالنسبة لي. إذا بدأت بالقول إن الفضاء كمادة يشبه الطين أو أي شيء آخر، فأنا لست مهتمًا بهذا، فهذا البيان غير مفيد بالنسبة لي.

طبيعة الفضاء بالنسبة للفيزيائي هي كما يلي: في الفضاء يمكنك إدخال شبكة إحداثيات، أي تخيل محاور الإحداثيات في الفضاء وتعيين طريقة لتحديد الموقع في هذه الإحداثيات، وكذلك المسافة بين أي نقطتين في الفضاء. فضاء. كيفية قياس المسافة على متن الطائرة؟ قمت بإدخال شبكة إحداثيات - المحور Y والمحور X. حدد نقطة، لها إحداثيان. على سبيل المثال، تريد العثور على المسافة من هذه النقطة إلى النقطة Y، ولها أيضًا إحداثياتها الخاصة. تقوم بحساب الفرق بين الإحداثيات على طول المحور والآخر، ثم تربيعها، ثم تضيفها باستخدام نظرية فيثاغورس، ثم تأخذ الجذر التربيعي. هذه هي المسافة بين نقطتين - المستوى الإقليدي، والفضاء الإقليدي ثنائي الأبعاد. هذه هي الطريقة التي يتم تعريفها. لا أحتاج إلى أي شيء آخر في هذه المرحلة للتنبؤ. ثم يمكنك أن تسأل نفسك: من أين أتت هذه الصيغة، ولماذا هي صحيحة؟ ولكن مرة أخرى، ستكون الإجابة مثيرة للاهتمام بالنسبة لي فقط بصيغة معينة، وليس لفظيًا.

الفضاء في ميكانيكا نيوتن هو فضاء ثلاثي الأبعاد يوجد فيه ثلاثة محاور: المحور الرأسي Z، والمحور الأفقي X، والمحور Y المتعامد عليها، ويتم تعريف موضع نقطة في هذا الفضاء بثلاث قيم إحداثية. أختار شيئًا كمركز الإحداثيات، مثلًا زاوية في هذه الغرفة، وأشير بالمحاور المتعامدة مع بعضها البعض، وأقول إن النقطة تبعد ثلاثة أمتار عن نقطة الأصل في اتجاه واحد، وخمسة في آخر، وعشرة في اتجاه ثالث. بعد ذلك، لا بد لي من وضع صيغة تحدد المسافة بين هذه النقطة وأي نقطة أخرى. وبنفس الطريقة، أحسب أطوال هذا المقطع على ثلاثة محاور (لدي مقطع يربط بين هذه النقاط، وله ثلاثة نتوءات على ثلاثة محاور). لقد قمت بجمع مربعات الإسقاطات، وأخذت الجذر التربيعي، وهذا يعطيني الإجابة عن طول القطعة. بمجرد أن كتبت هذه الصيغة، أستطيع دراسة حركة النقاط المادية والجسيمات تحت تأثير القوى. على سبيل المثال، تحت تأثير بعض القوى، يقوم جسيمي بنوع من الحركة. لقد كتبت هذا المنحنى، وباستخدام الصيغة، يمكنني تحديد جميع خصائص هذا المنحنى ومعرفة القوة عدديًا وفي أي لحظة أثرت على الجسيم وأعطته كذا وكذا تسارع، وكان للجسيم كذا وكذا كتلة، و قريباً. بعد هذا سأثبت صحة القانون - على سبيل المثال، F=ma. أو باستخدام القانون F=ma، سأتنبأ بكيفية تحرك الجسيم تحت تأثير قوة أو أخرى.

كان هذا هو الحال في الميكانيكا النيوتونية، حيث تم قياس الوقت بشكل منفصل باستخدام شيء ما. أحصى جاليليو اهتزازات الثريات في الكاتدرائية في ساحة دي ميراكولي، في بيزا، وأحصى نبضه: كم مرة دق نبضه وكم مرة تمايلت ثرياه. بالنسبة له، كانت وحدة القياس جزءًا من ستين من الثانية. يمكن لشخص آخر أن يصنع الكرونومتر السويسري، لكن شخص آخر غير راض عن هذا ويطالب بوجود الكرونومتر الذري. كل هذا يتوقف على درجة دقة البيان الذي يريد الحصول عليه.

في الميكانيكا النيوتونية، تم قياس الوقت والمسافات الزمنية بشكل منفصل. ببساطة، تم قياس المسافة في الزمن باستخدام الصيغة التالية: بين لحظة وأخرى، تحدث العديد من التذبذبات، على سبيل المثال، البندول. هذا يعني أننا قمنا بقياس الوقت بعدد التذبذبات. لقد قمنا بقياس المسافة في الفضاء بنفس الطريقة تمامًا، وهذه هي الطريقة التي عملت بها الميكانيكا النيوتونية.

وفي النظرية النسبية الخاصة ظهرت مقولة جديدة مفادها أنه لا توجد طريقة منفصلة لقياس المسافات على طول الزمن ولا توجد طريقة منفصلة لقياس المسافات على طول الفضاء، ولكن هناك طريقة واحدة لقياس المسافات في الزمكان. وتعطى هذه الطريقة من خلال صيغة مينكوفسكي التي تنص على أن المسافة بين نقطتين في الزمكان يتم حسابها من خلال الصيغة التالية: ج 2 مضروبا في المدة الزمنية، في دلتا تي 2 ناقص مربع الطول في الفضاء - ج 2 *Δt 2 -(x 1 -x 0) 2 -(y 1 -y 0) 2 -(z 1 -z 0) 2.نفس مربع الطول، أي ناقص المسافة على طول X مربع ناقص المسافة على طول Y مربع ناقص المسافة على طول Z مربع.

تتبع صيغة مينكوفسكي من نفس مكان F=ma - من وصف مجمل البيانات التجريبية. إذا قبلت هذه الصيغة، فإنك تصف بإيجاز نطاقًا معينًا من البيانات التجريبية. لا داعي لقول المزيد عن هذه الصيغة في هذه المرحلة.

عندما يتحدثون عن استمرارية الزمان والمكان أو الزمكان، فإنهم في الواقع يقصدون طريقة تحديد الإحداثيات في الفضاء وطريقة تحديد المسافة باستخدام مقياس مينكوفسكي. هذه هي طبيعة الزمكان بالنسبة للفيزيائي.

تختلف صيغة مينكوفسكي كثيرًا عن الصيغة الإقليدية، من حيث طريقة تحديد المسافات في الفضاء الإقليدي. ولهذا السبب، من وجهة نظر شخص مطلع على الهندسة الإقليدية، فإن معظم تصريحات هندسة مينكوفسكي تبدو متناقضة للغاية، لذا فإن معظم تصريحات النظرية النسبية الخاصة تبدو متناقضة. ولكن في الوقت نفسه، لا يدرك الشخص أننا نتحدث عن ظواهر خفية للغاية.

أي قانون فيزيائي، مهما كان أساسيا، له حدود في التطبيق. وهو ليس على حق تماما. على عكس قوانين المنطق، فإن القانون الفيزيائي له حدود في التطبيق. على سبيل المثال، ميكانيكا نيوتن قابلة للتطبيق إذا تحركنا بسرعات أقل بكثير من سرعة الضوء، فنحن نتعامل مع تسارعات صغيرة بما فيه الكفاية، ومجال الجاذبية ضعيف بما فيه الكفاية. فإذا بدأنا التحرك بسرعات عالية، فإننا نتعامل مع مجالات جاذبية قوية جدًا، ويتم استبدال الميكانيكا النيوتونية بالنظرية النسبية الخاصة والعامة. وهم لا يدحضونها، بل يدخلونها ضمن مكوناتها. كل ما في الأمر أننا إذا أخذنا ميكانيكا النسبية الخاصة والعامة وانتقلنا إلى مجالات الجاذبية الصغيرة والسرعات المنخفضة، فسنحصل على نفس القوانين الموجودة في الميكانيكا النيوتونية.

لا تنطبق صيغة مينكوفسكي إلا بشكل تقريبي، عندما نهمل انحناء الزمكان وعندما نتحدث عن الأطر المرجعية بالقصور الذاتي. إذا كنا نتحدث عن أنظمة مرجعية غير بالقصور الذاتي، فإن الصيغة لم تعد قابلة للتطبيق. وإذا كان الزمكان منحنيًا، فهذه الصيغة غير قابلة للتطبيق. تنشأ معظم مفارقات النسبية الخاصة لأن الناس ينسون حدود إمكانية تطبيق هذه الصيغة.

إميل أحمدوف، دكتور في العلوم الفيزيائية والرياضية، باحث بارز في معهد الفيزياء النظرية والتجريبية الذي يحمل اسم أ. آي أليخانوف، أستاذ قسم الفيزياء النظرية في MIPT.

التعليقات: 0

إميل أحمدوف

سأخبرك ما هو التناظر الفائق. التناظر الفائق هو ظاهرة لم يتم اكتشافها تجريبيا بعد، ولكن أولا، تم تعليق آمال كبيرة عليها في اللحظة التي نشأت فيها، وثانيا، إنها جزء مهم من الفيزياء الرياضية والرياضيات. ورغم أنه لم يتم اكتشافه تجريبيا في الوقت الحالي، إلا أنه لم يقل أحد أنه لن يتم اكتشافه في المستقبل، فهو جزء مهم من العلم الحديث. هذا يعني أنه لكي أعرف ما هو التناظر الفائق، أحتاج إلى أن أقول ما هي الإحداثيات فائقة التناظر أو ما هي الإحداثيات بشكل عام.

إميل أحمدوف

ما هو الجسيم الأولي؟ كلمة "جسيم" تأتي من كلمة "جزء"، لذلك عادة ما نتصور أنه نوع من الطوب الذي نبني منه الكل. يرتبط الطوب بشيء صلب وصلب ومضغوط وصغير، ويرتبط الجسيم بنوع من الكرة (هذا هو أول ما يتبادر إلى ذهن الشخص العادي عندما يقول "الجسيم الأولي"). الفيزيائي إميل أحمدوف يتحدث عن نموذج طومسون الذري وجسيمات ألفا وتشتت رذرفورد.

إميل أحمدوف

من المعروف أن سرعة الضوء لا تعتمد على الإطار المرجعي. هذا البيان صحيح فقط في الزمكان المسطح، وليس في المنحني، وعلاوة على ذلك، فقط عند الانتقال من إطار مرجعي بالقصور الذاتي إلى بالقصور الذاتي. إذا مررت في زمكان مسطح من إطار مرجعي بالقصور الذاتي إلى إطار مرجعي بالقصور الذاتي، فإن سرعة الضوء لا تعتمد على سرعة حركة إطار واحد بالنسبة إلى آخر. ولكن إذا انتقلت إلى نظام مرجعي غير بالقصور الذاتي، فإن سرعة الضوء لم تعد بقرة مقدسة، بل يمكن أن تعتمد على الإحداثيات، إذا فهمت ذلك على أنه تقسيم الزيادة المكانية على الزيادة الزمنية. الفيزيائي إميل أحمدوف يتحدث عن مبدأ فيرما والجاذبية النيوتونية وتأثيرات النسبية العامة.

إميل أحمدوف

في الفهم الحديث، اتضح أن قانون الحفاظ على الطاقة وقانون الحفاظ على الزخم يتبعان مبدأ أكثر جوهرية، والذي يتكون مما يسمى بالثبات الانتقالي في المكان والزمان. ماذا يعني ذلك؟ ماذا يعني ثبات الترجمة بشكل عام؟

إميل أحمدوف

ستكون قصتي أكثر تاريخية: سأتحدث عن كيفية ظهور نظرية ماكسويل ومفهوم الموجات الكهرومغناطيسية. كانت قوانين كولوم، وقانون بيوت سافارت، ومختلف قوانين فاراداي للتحريض وغيرها معروفة. حاول ماكسويل وصف هذه المجموعة من البيانات التجريبية نظريًا. وعلى حد علمي، يتكون عمله من ستمائة صفحة تقريبًا. وحاول شرح قوانين فاراداي ميكانيكيًا بحتًا، واصفًا المجال الكهرومغناطيسي بأنه مجموعة من التروس ذات أنواع مختلفة من التروس. في القرن التاسع عشر، كان الوصف الميكانيكي للطبيعة شائعًا جدًا. لقد فقدت معظم تلك الصفحات الستمائة لأنها لم تقدم أي بيانات بناءة. ربما أنا أبالغ قليلا، ولكن الشيء البناء الوحيد في هذا العمل لماكسويل كان معادلاته وصيغه.

إميل أحمدوف

الفيزيائي إميل أحمدوف يتحدث عن تحديد الموقع على المستوى وفي الفضاء والإحداثيات والساعات الذرية اللازمة. سأتحدث عن المبادئ العامة لتشغيل GPS و GLONASS. ثم سأشرح كيفية ارتباط ذلك بالنسبية الخاصة والعامة. سأبدأ من بعيد. المثلث هو شكل صلب على المستوى، بمعنى أنك إذا أخذت ثلاث مفصلات وربطتها بثلاثة عصي صلبة، فلا يمكن إزاحة هذه المفصلات، ولا يمكن تحريكها. إذا أخذت أربعة مفاصل أو أكثر وقمت بتوصيلها بعدد مناسب من العصي لتكوين مضلع، فيمكن لهذا المضلع أن يتحرك. يمكن أن يتشوه الشكل الرباعي، لذلك إذا كان هناك أكثر من ثلاث زوايا، فإن الشكل الموجود على المستوى لم يعد جامدًا.

إميل أحمدوف

تميز القرنان الثامن عشر والتاسع عشر بنجاح الميكانيكا النيوتونية، التي أظهرت كفاءة مذهلة في وصف حركة كواكب النظام الشمسي. لكن العلم بدأ يتقدم عندما تخلى عن هذا النهج الآلي. وتحت علامة حدوث كل هذا، نشأت مفارقة لابلاس، التي تشير إلى غياب الإرادة في كل مكان. وهذا هو، لا يستطيع الشخص أن يتصرف بإرادته الحرة، كل شيء محدد سلفا ويمكن التنبؤ به. الفيزيائي إميل أحمدوف يتحدث عن المعادلات التفاضلية والمستقيمات والنقاط المثالية وحل مفارقة لابلاس.

إميل أحمدوف

الجميع تقريبا يعرف العلاقة E0=mc^2. أي شخص متعلم يعرف أن E=mc^2. وفي الوقت نفسه، ينسون أنه إذا ألقيت نظرة فاحصة ونظرت إليها بطريقة غير عامية، فستبدو العلاقة مثل E0=mc^2، E لها مؤشر 0، وهي تربط بقية الطاقة بالكتلة و سرعة الضوء. يجب أن نتذكر أن الطاقة هي المفهوم الأساسي هنا. وهذا يعني، بالعامية، أن هذه العلاقة تقول إن أي كتلة هي طاقة، ولكن ليست كل الطاقة هي كتلة. يجب ألا ننسى هذا، أنه ليست كل الطاقة كتلة! أي كتلة هي طاقة، ولكن العكس ليس صحيحا. وليس لأي طاقة، ولكن فقط لطاقة الراحة، صحيح أنها تساوي mc^2. ومن أين تأتي هذه النسبة؟ الفيزيائي إميل أحمدوف يتحدث عن العلاقة بين الكتلة والطاقة، والزمكان مينكوفسكي وإحداثيات المتجهات الأربعة.

إميل أحمدوف

ما هي الملاحظات التي تكمن وراء النظرية النسبية الخاصة؟ كيف تم استنتاج الفرضية القائلة بأن سرعة الضوء لا تعتمد على الإطار المرجعي؟ ما هي نظرية نويثر حول؟ وهل هناك ظواهر تتعارض مع SRT؟ يتحدث عن هذا دكتور في الفيزياء والرياضيات إميل أحمدوف.

إميل أحمدوف

دكتور في الفيزياء والرياضيات إميل أحمدوف يتحدث عن تحولات لورنتز والنظرية النسبية الخاصة ومفارقة التوأم ومفارقة العصا والحظيرة.

الفيزيائي إميل أحمدوف يتحدث عن المعادلات التفاضلية والمستقيمات والنقاط المثالية وحل مفارقة لابلاس.

تميز القرنان الثامن عشر والتاسع عشر بنجاح الميكانيكا النيوتونية، التي أظهرت كفاءة مذهلة في وصف حركة كواكب النظام الشمسي. بالإضافة إلى ذلك، أدى ذلك بالطبع إلى نجاحات في مجالات أخرى، أكثر دنيوية، وتبين أنها فعالة في وصف طبيعة الحرارة والديناميكا الحرارية. أي أن الديناميكا الحرارية للغازات تم وصفها على شكل حركة الذرات فيها بطريقة ميكانيكية بحتة. وحاول ماكسويل، عند كتابته لمعادلاته في الديناميكا الكهربائية، وصف حتى المجالات الكهرومغناطيسية ميكانيكيًا، بمساعدة التروس والتروس. لكن في الحقيقة، لا علاقة لذلك بطبيعة المجالات الكهرومغناطيسية، وقد بدأ العلم يتحرك عندما تخلى عن هذا النهج الآلي.

وتحت علامة حدوث كل هذا، نشأت مفارقة لابلاس، التي تشير إلى غياب الإرادة في كل مكان. وهذا هو، لا يستطيع الشخص أن يتصرف بإرادته الحرة، كل شيء محدد سلفا ويمكن التنبؤ به.

إذا كنت تؤمن بكل من النهجين الآلي والميدان، فسيتم وصف جميع الظواهر الطبيعية في شكل دوال معينة ومعادلات تفاضلية لها. سنناقش الآن ما هي الدوال والمعادلات التفاضلية. على سبيل المثال، أبسط وظيفة هي موضع الجسيم. هذه ثلاث وظائف، أي إحداثيات في ثلاثة اتجاهات. يوجد موضع لجسيم في لحظة معينة من الزمن t في هذا الموضع، وفي اللحظة التالية من الزمن في موضع مختلف، وهكذا.

الوظيفة الناتجة هي الاعتماد الزمني لموضع الجسيم. يتم وصف هذه الوظيفة بمعادلة تفاضلية معروفة تسمى قانون نيوتن الثاني. وهي تفاضلية لأنها تحتوي على مشتقتين لهذه الدالة. هذا هو التسارع مضروبًا في الكتلة، وكل هذا يتحدد بالقوة المؤثرة على هذا الجسيم. وهنا معادلة تفاضلية بالنسبة لك. إذا قمت بتحديد الموضع الأولي للجسيم وسرعته الأولية، فسيتم تحديد حل هذه المعادلة بشكل فريد.

في الديناميكا الحرارية، يتم وصف كل شيء أيضا بشكل لا لبس فيه. ليس لديك سوى جسيم واحد، بل الكثير منهم. يتم إعطاء فكرة عن عدد الجسيمات الموجودة في الغاز من خلال رقم أفوجادرو. يوجد عدد كبير من الجزيئات في حجم معين من الغاز. تتحرك هذه الجزيئات، وتتصادم مع بعضها البعض، وتصطدم بالجدران، وهذا يؤدي إلى ظاهرة الديناميكا الحرارية. اتضح أنه إذا كان لديك جهاز كمبيوتر قوي بما فيه الكفاية يمكنه العمل مع مثل هذا الكم الهائل من البيانات، فعند معرفة الموقع الأولي لجميع الجسيمات وسرعاتها الأولية، يمكنك تحديد تطورها اللاحق وسلوك الغاز بشكل لا لبس فيه، التنبؤ بشكل كامل بكل تفاصيل سلوك الغاز والجزيئات المكونة له، وهكذا.

ويمكن الاستمرار في هذه الفكرة أكثر. نحن نتكون أيضًا من جزيئات، ذرات تتفاعل مع بعضها البعض، وتؤثر على بعضها البعض بنوع من القوة. وإذا قمنا بتحديد المواقع الأولية والسرعة الأولية لكل هذه الجسيمات التي نتكون منها، فإن سلوكنا يكون محددًا مسبقًا تمامًا، لأن وعينا وكل شيء آخر، إذا كنا نؤمن بهذا النموذج الآلي، يتحدد بالكامل من خلال تلك التفاعلات الكيميائية. يحدث داخل عقولنا وأجسادنا وما إلى ذلك. وبناء على ذلك لا توجد إرادة. يتم تحديد أي من أفعالي اللاحقة مسبقًا من خلال كل ما يحدث من حولي. وهذا يعني أن هذه هي مفارقة لابلاس، أن كل شيء محدد سلفا.

كان يُعتقد أن مفارقة لابلاس تم حلها بواسطة ميكانيكا الكم لأنها تقدم تفسيرًا احتماليًا. ومع ذلك، فإن التفسير الاحتمالي لميكانيكا الكم ينشأ عندما يتم فصل النظام. أي أنك إذا أثرت على نظام كمي صغير بنظام كلاسيكي كبير، فإن هذا يسمى قياسًا، ويتم قياس حالة النظام الميكانيكي الكمي، وفي هذه اللحظة يظهر تفسير احتمالي. وإذا كان نظام ميكانيكا الكم مغلقًا، فإنه يتم وصفه بالكامل بواسطة ما يسمى بالدالة الموجية. وبسبب تفسيرها الاحتمالي، فإنها تسمى موجة احتمالية، ولكن هذا لا يهم.

أيًا كان اسمه، فإن نظام ميكانيكا الكم المغلق يوصف بالدالة الموجية، والتي تخضع أيضًا لمعادلة تفاضلية تسمى معادلة شرودنغر. المهم أنك إذا عرفت الشروط الأولية لهذه المعادلة التفاضلية، أي القيم الأولية للدالة الموجية، ومشتقاتها، فإنك بعد ذلك تقوم بإعادة بناء الدالة الموجية بشكل فريد في جميع الأوقات. ويتم وصف نظام ميكانيكا الكم، إذا كان مغلقًا، بشكل فريد باستخدام هذه الدالة الموجية. وليس هناك حاجة إلى تفسير احتمالي، لأنك لا تفتح النظام.

يمكننا أن نقول مرة أخرى أن كل شيء محدد سلفا. يمكن للمرء أن يجادل في هذا، ولكن بغض النظر عن النظرية التي نتعامل معها - النظرية النسبية، النظرية النسبية العامة، معادلة الجاذبية، معادلات ماكسويل، المعادلات التي تصف التفاعلات الضعيفة والقوية - كل هذه القوى موصوفة بالثانية. ترتيب المعادلات التفاضلية. تحتوي هذه المعادلات على حقول هي دالات إحداثيات، أي موضع قيمة بعض الحقول في المكان والزمان. يتم وصف تغيراتها في المكان والزمان بمعادلة تفاضلية. وهذا هو، مرة أخرى، يبدو أن كل شيء محدد سلفا.

من أين تأتي المفارقات؟ دعونا نستطرد لثانية ونحاول شرح ما يحدث. ينشأ جزء كبير من المفارقات عندما نحاول استقراء بعض قوانين الطبيعة لجميع حالات الحياة. على سبيل المثال، المفارقة المعروفة: أيهما جاء أولاً: الدجاجة أم البيضة؟ مشكلة فلسفية تشير إلى أنه على مدار تاريخ الكون، كان هناك دجاج يضع البيض، ويفقس البيض في الدجاج، وما إلى ذلك. ومن الواضح أن هذا لم يكن الحال دائما. ونتيجة للتطور كانت هناك حالات وسطية أنجبت ما يشبه البيضة، وأقرب وأشبه بالبيضة، ومن هذه البيض أو ما يشبه البيض تفقس طيور أو حيوانات كانت أقرب فأكثر إلى ما نسميه الآن دجاجة. تم حل مفارقة الدجاجة والبيضة بهذه الطريقة.

إذا عدنا إلى مفارقة لابلاس، فإننا، العلماء المشاركين في العلوم الطبيعية، نستخدم دائمًا بعض التقديرات التقريبية. إن أي قانون علمي طبيعي، مهما كان أساسيا، يكون دائما صادقا مع بعض التقديرات التقريبية. قانون نيوتن الثاني صحيح إذا كنا نتعامل مع أجسام كبيرة بما فيه الكفاية - من حبة فما فوق - تتحرك بسرعات أقل بكثير من سرعة الضوء، بتسارعات قريبة من تلك التي نشهدها على الأرض وفي النظام الشمسي، في حقول الجاذبية التي تخلق شيئًا مثل الشمس، أو نجومًا مثل الشمس، أو كواكب مثل الأرض. إذا بدأنا بمناقشة الأجسام التي تتحرك بسرعات عالية جدًا، فعلينا أن نتعامل مع النظرية النسبية الخاصة. إذا ناقشنا مجالات الجاذبية القوية جدًا، فعلينا أن نتعامل مع النسبية العامة. إذا كان علينا أن نتعامل مع أشياء صغيرة جدًا، فعلينا أن نتعامل مع ميكانيكا الكم. إذا كان علينا أن نتعامل مع سرعات عالية جدًا لأجسام صغيرة جدًا، فعلينا أن نتعامل مع نظرية المجال الكمي. في الخطوة التالية، إذا أردنا أن نتعامل مع نظرية المجال الكمي في مجالات جاذبية قوية جدًا، فمن المحتمل أن نضطر إلى التعامل مع شيء مثل الجاذبية الكمومية، التي لا تزال في بداياتها، بينما تم تطوير بقية النظريات.

ومن أين يأتي هذا التقريب؟ الرياضيات، كما يحلو لهم أن يقولوا بشفقة كبيرة، هي ما يسمح لنا بإيجاد نوع من النظام في الفوضى المحيطة بنا. وهذا يعني أننا نستخدم دائمًا الصيغ الرياضية لوصف شيء مثالي رياضيًا، والذي يصف تقريبًا ما يحدث بالفعل في الطبيعة. ويمكننا حتى تحديد التقريب، وحتى تحسين هذا التقريب، والاقتراب من الوضع الحقيقي. على سبيل المثال، لا توجد خطوط مستقيمة مثالية رفيعة للغاية، ولا توجد نقاط وأشياء مثالية بدون حجم، ولا توجد أنظمة مرجعية قصورية مثالية.

لكن في الواقع ماذا يحدث؟ يمكننا حساب المحصول المراد حصاده من منطقة معينة من خلال وصفها باستخدام مستطيل أو مضلع تتكون حوافه من شرائح مستقيمة، باعتبار أنها رفيعة بشكل لا نهائي. وهذا يسمح لنا بتقدير مساحة هذا الشكل المسطح والمحصول الذي سنجنيه، وغالباً ما نهمل حقيقة أن هذا السطح ليس مسطحاً، ويوجد داخل هذا المضلع تلال ومنخفضات وما إلى ذلك. السؤال هو في أي تقريب نعمل.

وبنفس الطريقة، باستخدام الخطوط الرفيعة المثالية والنقاط وما إلى ذلك، يمكننا العد في المنزل. للحصول على دقة في حساب المنازل، بضعة ملليمترات كافية حتى لا يكون لدينا شقوق في النوافذ. من ناحية أخرى، ما هي الدقة التي نحتاجها لحساب جسم مثل الكاشف في المسرع (وهذا شيء مشابه لمبنى مكون من ثلاثة أو أربعة أو خمسة طوابق)؟ وهناك، يتم تعديل أجزائه المختلفة مع بعضها البعض بدقة ميكرونية. وهناك حاجة إلى دقة أعلى، لأنه من الضروري تحديد مسارات الجسيمات وقمم التفاعل بهذه الدقة. والسؤال هو ما مدى دقة ما نريد وصفه. لذلك، نقوم دائمًا بإجراء نوع من التقريب، ونقتصر على دقة معينة نريد بها وصف شيء ما، وكل شيء يتدفق من هذا.

ولذلك، فإن المعادلات التفاضلية التي تصف قوانين الطبيعة هي في الواقع نوع من التقريب لما يحدث بالفعل في الطبيعة. لم يقل أحد أننا إذا ذهبنا إلى أحجام أصغر، فسنرى بنية دقيقة في المكان والزمان، نوع من البنية الحبيبية، والتي لن يتم وصف سلوكها من خلال المعادلات التفاضلية، ولكن من خلال معادلات الفروق المحدودة. نعم، في مثل هذه المعادلات سوف تنشأ المشكلة مرة أخرى مع حقيقة أن كل شيء يمكن التنبؤ به. ولكن ماذا لو لم تكن هذه معادلات ذات فروق محدودة؟ والحقيقة هي أن مفارقة لابلاس تفسر على الأرجح بحقيقة أنه ليست هناك حاجة لاستقراء قوانين الطبيعة التي تنطبق على موقف معين على جميع الحالات في الحياة والطبيعة.

التعليقات: 0

تعد مسألة الإرادة الحرة إحدى المشكلات الفلسفية القديمة، ولكن في العقود الأخيرة حدثت العديد من التطورات المثيرة للاهتمام في هذا المجال. سيناقش المشاركون في المحادثة هذه الابتكارات. سنتحدث بشكل خاص عن "أمثلة فرانكفورت" و"الحجة المتلاعبة" بقلم د. بيريبوم و"مبدأ المسؤولية النهائية" بقلم ر. كين. إن النظر في هذه الأدوات المفاهيمية وغيرها سيسمح للمشاركين في المحادثة بتقييم التقدم الحقيقي في فهم مشكلة الإرادة الحرة.

الحتمية هي مفهوم علمي عام ومذهب فلسفي حول السببية والأنماط والروابط الجينية والتفاعل والشرطية لجميع الظواهر والعمليات التي تحدث في العالم.

بمساعدة طبيبة التخدير جينيفر أنيستون وعالم مسلح بمطرقة ثقيلة، يبحث البروفيسور ماركوس دو سوتوي عن إجابة سؤال ما هي "أنا". للقيام بذلك، يعرض نفسه للعديد من التجارب المثيرة للاهتمام وغير العادية. يكتشف ماركوس في أي عمر يظهر الوعي الذاتي لدينا وما إذا كانت الكائنات الحية الأخرى تمتلكه. لقد وضع عقله في النوم في تجربة تخدير لفهم الأمر بشكل أفضل، ثم خاض تجربة الخروج من الجسم لتوطين نفسه. بعد ذلك، ذهب ماركوس إلى هوليوود لفهم كيف يساعد المشاهير في فهم النشاط المجهري لأدمغتنا بشكل أفضل. ثم يشارك بعد ذلك في تجربة قراءة الأفكار التي تغير بشكل جذري فهمه لماهية "أنا".

إذا كانت الظروف الأولية لنظام ما معروفة، فمن الممكن، باستخدام قوانين الطبيعة، التنبؤ بحالته النهائية.

تعد الإرادة الحرة جزءًا مهمًا من وجهات نظر الإرادة الحرة بشكل عام. وتختلف الأديان إلى حد كبير في كيفية استجابتها للحجة الأساسية ضد الإرادة الحرة، وبالتالي قد تعطي إجابات مختلفة لمفارقة الإرادة الحرة ــ الادعاء بأن المعرفة المطلقة لا تتوافق مع الإرادة الحرة.

"الأحداث الحديثة لها علاقة بالأحداث السابقة، استنادا إلى المبدأ الواضح المتمثل في أنه لا يمكن لأي شيء أن يبدأ في الوجود دون سبب أدى إلى إنتاجه... فالإرادة، مهما كانت حرة، لا يمكن أن تؤدي إلى أفعال دون دافع محدد، حتى تلك التي تعتبر محايدة... يجب أن نعتبر الحالة الحالية للكون نتيجة لحالته السابقة وسبب الحالة اللاحقة. إن العقل الذي يستطيع، في أي لحظة معينة، أن يعرف كل القوى العاملة في الطبيعة، والمواقع النسبية للأجزاء المكونة لها، إذا كان، علاوة على ذلك، واسعًا بما يكفي لإخضاع هذه البيانات للتحليل، فإنه سيحتضن في صيغة واحدة الحركات من أضخم الأجسام في الكون وأخف ذرة؛ بالنسبة له لن يكون هناك شيء غير واضح، والمستقبل، مثل الماضي، سيكون أمام عينيه... المنحنى الموصوف بواسطة جزيء الهواء أو البخار يتم التحكم فيه بدقة وبشكل مؤكد مثل مدارات الكواكب: الفرق الوحيد بينهما هو ما يفرضه جهلنا "

هناك مشكلة في توافق فكرتنا عن الحرية وطريقة عمل العالم. فمن ناحية، نحن نعلم أن كل حدث له سببه الخاص. إن سلسلة الأسباب تعود إلى زمن بعيد جداً. ويبدو أن ما يحدث اليوم محدد سلفا بأحداث الماضي. ومن ناحية أخرى، هناك فكرة أننا قادرون على بدء العمل بأنفسنا، ويمكننا حقًا تغيير المستقبل. إن المشكلة الميتافيزيقية للإرادة الحرة هي مشكلة العلاقة بين النظام السببي، بين حقيقة أن جميع الأحداث محددة، وحقيقة أننا نقوم باختيار حر أو فعل حر. لكن هذه ليست مشكلة مجردة. فكرة الشخصية والمسؤولية مبنية على فكرة الحرية. هل يمكننا القيام بأفعال حرة، وما هي المسؤولية الأخلاقية والقانونية التي تقوم عليها، وهل سيصبح الروبوت إنسانًا؟ في هذه الحلقة نقدم مناقشة حول حجة التلاعب التي قدمها ديرك بيريبوم.

ايليا شتشوروف

متى تم طرح مفهوم "الوظيفة" في التداول العلمي؟ ما هي الحلول المقترحة لمشكلة اهتزاز السلسلة؟ ما هي الأساليب الموجودة لفهم الوظائف؟ وكيف تطور الخلاف حول الوتر؟ يتحدث عالم الرياضيات إيليا ششوروف عن هذا.