18 لغزاً عجز علماء الفيزياء عن حلها حتى الآن

ينقل عن عالِم الفيزياء البريطاني لورد كلفن قوله: "لا يوجد شيء جديد يمكن اكتشافه في علم الفيزياء الآن -عام 1990- وكل المُتبقي هي قياسات أكثر دقة"، ولكن في غضون 3 عقود، أحدثت الميكانيكا الكمية والنظرية النسبية لآينشتاين "ثورة علم الفيزياء".
وبدلاً من الجزم بأن معرفتنا الفيزيائية للكون على وشك الانتهاء، يبدو أن كل اكتشاف جديد كان بمثابة فتح صندوق باندورا السحري، ليطرح أسئلة أعمق وأكبر.
إليك أكبر الألغاز الفيزيائية التي حيَّرت العلماء، فيما نقلها موقع Live Science العلمي:
1- الطاقة المُظلمة
بغض النظر عن مدى تمعّن علماء الفيزياء في النظريات والمعادلات، إلا أن الكون ليس حسبة بسيطة، وعلى الرغم من انكفاء الجاذبية داخلياً في نسيج الزمان والمكان، إلا أنها تتسع للخارج أكثر فأكثر.
ولحساب ذلك، اقترح علماء الفيزياء الفلكية وجود مادة غير مرئية تُعارض الجاذبية وتدفع الزمان والمكان عكس دفع الجاذبية، أطلقوا عليها "الطاقة المظلمة".
وتعد هذه المادة "الثابت الكوني"، وهي خاصية مُتأصلة في الفضاء نفسه ذات ضغط سلبي يحرك الفضاء بعيداً، وكلما اتسع الفضاء تولّدت طاقة مظلمة.
ويؤمن العلماء أن مجموع الطاقة المظلمة يجب أن يزيد عن 70% ، وما زالوا حتى الآن يبحثون عنها.
2- المادة المظلمة
من الواضح أن هذه المادة تشكل 84% من المادة في الكون، وهي لا تمتص الضوء ولا تشعّه، ف"المادة المظلمة" شيء لا يمكن رؤيته بشكل مباشر، ولم يتم حتى الآن التوصل لوسائل للكشف عنها.
وبدلاً من ذلك يُستدل عليها وعلى خصائصها من تأثير جاذبيتها على المادة المرئية والإشعاع وبنية الكون، ويُعتقد أن هذه المادة الظليّة تتخلل ضواحي المجرات.
3- لماذا يسير الزمن للأمام؟
يمضي الزمن إلى الأمام بسبب وجود خاصية في الكون تسمى الاعتلاج "الانتروبيا"، وهي مستوى الاضطراب المتزايد بشكل متواصل، لذا ليس هناك وسيلة لاسترجاع الأحداث بعد وقوعها.
لكن السؤال الأساسي هنا هو: لماذا كان الاعتلاج مُنخفضاً للغاية في الماضي؟ وبعبارة أخرى لماذا كان الكون منظماً في بدايته، أي حينما حُشر قدر كبير من الطاقة في قدر صغير من الفضاء؟
4- هل توجد عوالم متوازية؟
تشير بيانات الفيزياء الفلكية أن الزمكان أو spacetime قد يكون "مُسطحا" أكثر من كونه منحنياً، وبالتالي يمضي إلى الأبد، وإذا كان الأمر كذلك لذا فإن المنطقة التي نستطيع رؤيتها (التي نعتقد أن اسمها "الكون") هي مجرد رقعة صغيرة فقط في أخرى كبيرة لا نهائية.
وفي نفس الوقت تحتّم قوانين الميكانيكا الكمية وجود عدد محدود من تشكيلات الجسيمات داخل كل بقعة كونية، والتكرار بصورة لا نهائية مع وجود عدد لا حصر له من البقع الكونية.
وهذا يعني أن هناك العديد من العوالم الموازية: بقع كونية بها أشخاص مثلنا، بالإضافة إلى البقع التي تختلف باختلاف وضع جسيم واحد فقط والبقع التي تختلف باختلاف وضع جُسيمين، وهكذا.
5- لماذا توجد المادة أكثر من المادة المضادة؟
الحديث هنا عن تواجد المادة بصورة أكبر من المادة المضادة، ذات الشحنة المعاكسة والدوران المزدوج المعاكس. إنه سؤال فحواه لماذا يتواجد أي شيء؟
ويفترض الباحث أن الكون سيتعامل مع المادة والمادة المضادة بشكل متوازن، وعلى هذا الأساس ينبغي أن يكون الانفجار الكبير أنتج كميات متساوية من المادة والمادة المضادة.
لكن إذا حدث ذلك بالفعل، فمن الممكن أن يكون هناك إبادة كاملة على حد سواء: ستُلغى البروتونات مع المضاد للبروتون وما شابه ذلك، تاركين بحراً مُملاً من الفوتونات في فسحة لا أهمية لها.
ولعدة أسباب هناك مادة زائدة لم تحدث لها إبادة وهي ما نعيش فيها. لهذا ليس هناك تفسير مقبول.
6- ما مصير الكون؟
مصير الكون يعتمد بقوة على عامل القيمة غير المعروفة "أوميغا"، وهي أداة قياس كثافة المادة والطاقة، فإذا كانت أوميغا أكبر من 1 سيكون الزمان والمكان بصورة كروية.
وفي حال غياب الطاقة المظلمة فإن مثل هذا الكون سيتوقف عن التوسع ويبدأ بالانكماش، وفي نهاية المطاف ينهار على نفسه، أما إذا كان الكون مغلقاً وبلا طاقة مظلمة، فإن الكرة الكونية ستتمدد للأبد.
وفي حالة كانت قيمة أوميغا أقل من 1، فإن الشكل الهندسي للفضاء سيكون "مفتوحاً"، في هذه الحالة فإن مصيره النهائي هو "التجمد الكبير" يليه "التمزق الكبير".
أما إذا كانت أوميغا تساوي 1، فسيكون الكون مُسطحاً ويتسع مثل سطح مستوٍ لانهائي في جميع الاتجاهات، إذا لم تكن هناك طاقة مظلمة فإن مثل هذا الكون المستوي يتمدد إلى الأبد مقترباً من طريق مسدود.
وإذا كان هناك طاقة مظلمة، سيشهد الكون المسطح في نهاية المطاف انفلاتاً بارزا مؤدياً إلى التمزق الكبير.
7- كيف تؤدي القياسات إلى انهيار معادلات الموجة الكمية؟
في عالم الإلكترونات والفوتونات والجسيمات الأساسية الأخرى، الفيصل هو قانون ميكانيكا الكم، ويُلاحظ في هذا العالم الغريب أن الجسيمات لا تتصرف مثل الكرات الصغيرة، وإنما تشبه في حركتها مسار الموجات التي تنتشر عبر مساحة واسعة.
يُعَرف كل جسيم من خلال "دالة موجيّة" تدل على الموقع المحتمل لهذا الجسيم وسرعته وليس المعلومات الأكيدة، وعند قياس هذه الخصائص مخبرياً، "تنهار" الدالة الموجية وتتخذ موقعاً واحداً فقط.
وما زال سبب انهيار الدالة الموجية بمجرد قياس جسيماتها غير معروف، والإجابة عن هذا السؤال قد تجيب عن سؤال الوجود نفسه.
8- هل نظرية الأوتار سليمة؟
عندما يفترض الفيزيائيون أن جميع الجسيمات الأولية هي في الواقع حلقات ذات بعد واحد، أو "أوتار" يهتز كل منها وفق تردد مختلف، يكون فهم الفيزياء أمراً سهلاً إلى حد كبير.
تُمكِّن نظرية الأوتار علماء الفيزياء من التوفيق بين القوانين التي تحكم الجسيمات، المعروفة باسم ميكانيكا الكم، والقوانين التي تتحكم في الزمكان، التي يطلق عليها عادة اسم النسبية العامة.
وتسمح لهم بتوحيد القوى الأساسية الأربع المشكلة للطبيعة داخل إطار واحد، لكن المشكلة هي أن نظرية الأوتار لا تنطبق إلا في إطار كون يتضمن 10 أو 11 بعداً: 3 أبعاد مكانية كبيرة، 6 أو 7 أبعاد مكانية مدمجة وبعداً زمنياً واحداً.
تقدّر الأبعاد المكانية المتراصة وكذلك الأوتار المهتزة نفسها بحوالي جزء من المليار من تريليون من حجم نواة الذرة، وليس هناك طريقة يمكن تصورها للكشف عن أي شيء بمثل هذا الحجم لامتناهي الصغر، ولهذا السبب، لا توجد أي طريقة للتحقق من صحة نظرية الأوتار تجريبياً.
9- هل تخضع الفوضى لنظام؟
لا يستطع علماء الفيزياء القيام على نحوٍ دقيق بحل مجموعة المعادلات التي تصف تصرف المواد، ابتداء من الماء إلى الهواء وجميع السوائل والغازات الأخرى.
في ضوء ذلك، تظل طبيعة الفوضى غير مفهومة جيداً. ويتساءل علماء الفيزياء والرياضيات ما إذا كان التنبؤ بأحوال الطقس أمراً صعباً، أم لا يمكن التنبؤ به بالأساس؟ وهل تفوق الاضطرابات الجوية قدرة الرياضيات على وصف الظاهرة، أم أن الأمر يشترط استعمال مقاربة رياضية أخرى؟ أسئلة كثيرة بلا إجابات.
10- هل تندمج قوى الكون في قوة واحدة؟
يتضمن الكون 4 قوى أساسية: الكهرومغناطيسية، النووية القوية، والتفاعل الضعيف (المعروف أيضاً باسم القوة النووية الضعيفة)، والجاذبية.
يعرف علماء الفيزياء حالياً أنه في حالة زيادة الطاقة بما فيه الكفاية داخل معجل الجسيمات على سبيل المثال "تتوحد" 3 من تلك القوات وتصبح قوة واحدة.
إلا أنه لم يتمكن حتى الآن، أي مسرع للجسيمات من بلوغ طاقات عالية بما فيه الكفاية لتوحيد القوة النووية مع الكهرمغنطيسية والضعيفة.
وإذا أضفنا إلى ذلك الجاذبية، فذلك يعني ضرورة توفير طاقة عظمى، وليس من الواضح ما إذا كان ممكناً بناء مسرع جسيمات بمثل هذه القوة.
11- ماذا يحدث داخل الثقب الأسود؟
حسب النظريات الحالية، إذا ألقي مكعب من الحديد في ثقب أسود، لا يمكن بأي وسيلة من الوسائل استرداد أي من المعلومات الخاصة به، وذلك بسبب أن جاذبية الثقب الأسود قوية بحيث تفوق سرعة التملص منها سرعة الضوء، ونحن نعلم أنه ليس هناك ما هو أسرع من الضوء، لكن علم ميكانيكا الكم يعتبر أنه لا يمكن تدميره كلياً.
يقول العالم ماك نيز، إن الكثير من الجهود والأعمال بذلت بخصوص هذا الموضوع، لاسيما من قبل ستيفن هوكينغ وستيفن بيري، اللذين ألمحا في عام 2015 إلى أن المعلومات بدلاً من أن تخزن في براثن عميقة من الثقب الأسود، تظل ثابتة في محيط الثقب، الذي يعرف باسم أفق الحدث.
وقد حاول العديد من العلماء غيرهم حل هذا التناقض، دون أن يحصل حتى الآن توافق في الآراء.
12- هل توجد حالات تفرد مجردة؟
يحدث التفرد عندما تكون بعض خصائص "شيء" ما لا متناهية، ومن ثم تنهار قوانين الفيزياء التي نعرفها.
إذ تقع في وسط الثقوب السوداء نقطة كثيفة وضيقة معبأة بكمية محدودة من المواد - نقطة تسمى تفرداً، ونصادف في مجال الرياضيات حالات التفرد باستمرار منها على سبيل المثال القسمة على صفر.
التفرد "المجرد" هو تفرد يمكنه أن يتفاعل مع بقية الكون، وفي حال وجوده فعلاً، فهذا يعني أن نظرية ألبرت آينشتاين حول النسبية العامة تحتاج إلى مراجعة، لأن هذه النظرية تنهار إذا اقتربت النظم بشكل وثيق من حالة التفرد.
13- خرق نظام تماثل تكافؤ الشحن
إذا استبدلت جسيمة بنظيرتها من المادة المضادة، تظل قوانين الفيزياء هي نفسها دون تغيير، وبناء عليه، سيبدو البروتون موجب الشحنة على سبيل المثال مثله مثل البروتون المضاد سالب الشحنة.
هذا هو مبدأ تماثل الشحن، ثم إذا استبدلت اليسار باليمين، هنا أيضاً ستظل قوانين الفيزياء على حالها، وهذا ما يطلق عليه اسم تماثل التكافؤ.
وفي معظم الوقت، لا تُنتهك هذه القاعدة من الفيزياء، باستثناء بعض الجسيمات الغريبة التي تخرق هذا التماثل، ولا يعرف العلماء سبب ذلك.
14- عندما تنتج الموجات الصوتية الضوء
رغم أن قضايا فيزياء الجسيمات تشكل نسبة معتبرة من المشاكل العلمية التي تظل بدون حلول، توجد أسرار أخرى يمكن مشاهدتها بالعين، مثل "الضيائية الصوتية".
إذا ألقيت موجات صوتية على كمية من الماء يتولد عن الاصطدام فقاعات، هي عبارة عن مناطق ذات ضغط منخفض محاطة بضغط مرتفع، فتنهار الفقاعات بسرعة، ولكن ينبعث منها ضوء في شكل ومضات تستغرق جزءاً من ترليون من الثانية.
و المشكلة المطروحة أن مصدر الضوء غير واضح، ولم يتوصل العلماء حتى الآن لتفسير واضح.
15- ما فائدة النموذج القياسي؟
تشكل نطرية "النموذج القياسي" إحدى النظريات الفيزيائية الأكثر نجاحاً، وأثبت هذا النموذج نجاحه أمام تجارب الاختبار على مدى 4 عقود، ولا تزال التجارب الجديدة تبين سلامتها.
إذ يصف النموذج القياسي تصرف الجسيمات التي تشكل كل شيء من حولنا، ويشرح كذلك لماذا تملك الجسيمات، كتلة خاصة بها.
لكن النموذج القياسي لا يفسر كل شيء، ويتفق معظم علماء الفيزياء أنه ليس كاملاً.
16- الثوابت الأساسية
الثوابت بدون أبعاد، هي أرقام من دون وحدات مرتبطة بها، مثلاً، تشكل سرعة الضوء أحد الثوابت الأساسية، ولكنها تقاس بوحدات المتر في الثانية (أو 186.282 ميل في الثانية).
وخلافاً لسرعة الضوء، فالثوابت بدون أبعاد لا ترتبط بوحدات أصلاً، وإذا كان من الممكن قياسها، فلا يمكن أن نحصل عليها عن طريق النظريات، بعكس الثوابت، مثل سرعة الضوء.
على سبيل المثال، يتحكم ثابت البنية الدقيقة، الذي يكتب عادة بحرف ألفا، في قوة التفاعلات المغناطيسية، وتقدر قيمته بحوالي 0.007297، والذي يجعل هذا الرقم غريباً، هو أنه لو اختلف عما هو عليه، لما وجدت المادة المستقرة.
ويوجد ثابت آخر، هو نسبة كتل العديد من الجسيمات الأساسية، مثل الإلكترونات والكواركات، إلى كتلة بلانك (الذي تبلغ قيمته 1.22 ́1019 GeV/c2).
فيما يتوق علماء الفيزياء إلى معرفة لماذا استقرت هذه الأرقام على هذه القيم بالذات؟ لأنها لو كانت مختلفة لما سمحت قوانين الكون الفيزيائية للإنسان بالوجود.
17- ماذا نعني بالجاذبية؟
ما الجاذبية؟ تتدخل الجسيمات للتوسط بين قوى أخرى، فالكهرومغناطيسية، على سبيل المثال، هي بمثابة تبادل الفوتونات، تحمل بوزونات W و Z القوة النووية الضعيفة، بينما يحمل الغلوونس gluons القوة النووية القوية التي تسمح بتماسك الأنوية الذرية معاً.
ويقول ماك نيز، إن جميع القوى الأخرى يمكن تحديد كميتها، وهذا يعني أنها تستطيع أن تعبر عن نفسها كجزيئات فردية ولها قيم غير متواصلة.
أما الجاذبية فلا تبدو على هذا النحو، إذ تفترض معظم النظريات الفيزيائية أن الجاذبية تُحمَل بواسطة جسيمة افتراضية عديمة الكتلة تسمى الغرافتون graviton، لكن مشكلة هذا الطرح، أنه لم يعثر أحد على الغرافتون حتى الآن.
18- هل نعيش في فراغ مزيف؟
يبدو الكون مستقراً نسبياً، إذ إنه موجود منذ حوالي 13.8 مليار سنة، لكن ماذا لو كان الأمر كله عبارة عن حادث ضخم؟
كل شيء بدأ مع نظرية هيغز وفراغ الكون، إذ يُفترض أن يكون الفراغ، أو الفضاء الفارغ، في أدنى حالة طاقوية ممكنة، لعدم وجود شيء بداخله، ويمكن حساب حالة الطاقة المتعلقة بالفراغ، انطلاقاً من الطاقة الكامنة لحقل هيغز وكتل هيغز وكوارك top quark (جسيمة أساسية).
تُظهر هذه الحسابات على ما يبدو أن فراغ الكون قد لا يكون في أدنى حالة طاقة ممكنة، وهذا يعني أنه فراغ مزيف، وإذا كان هذا الأمر صحيحاً فلن يكون الكون الذي نعيش فيه مستقراً، لأنه يمكن لحدث عنيف بما فيه الكفاية وبطاقة عالية أن يقذف بالفراغ الزائف إلى حالة طاقة أدنى.
يبدو الأمر مخيفاً، لكن بما أن الكون لا يزال موجوداً وثابتاً، فمن الواضح أنه لم يقع مثل هذا الحدث بعد، فضلاً على أن علماء الفلك شاهدوا انفجارات أشعة غاما والسوبرنوفا، ومع ذلك، قد تعني فكرة وجود فراغ زائف أن كوننا برز إلى الوجود بهذه الطريقة بالضبط، عندما تحوّل فراغ زائف سابق، إلى حالة طاقة أدنى.