When do quantum systems source gravity and how can we test it?

تعد الجاذبية هي القوة التي تبقي أقدامنا على الأرض وتُبقي الكواكب في مداراتها، لكنها أيضًا اللغز الأكثر استعصاءً في الفيزياء الحديثة. لأكثر من قرن، حاول العلماء توحيد نظريتين عظيمتين: النسبية العامة، التي تصف الجاذبية كالتواء سلس للزمان والمكان بفعل الأجسام الضخمة، وميكانيكا الكم، التي تصف السلوك الفوضوي والاحتمالي لأدق الجسيمات. المشكلة تكمن في أن هاتين النظريتين تتحدثان لغات مختلفة؛ فعندما يحاول الفيزيائيون الجمع بينهما، غالبًا ما تنهار الرياضيات، منتجةً قيمًا لانهائية ونتائج غير منطقية. وقد دفع هذا الكثيرين إلى الاعتقاد بأن الجاذبية نفسها يجب أن تتكون من جسيمات دقيقة صغيرة، تمامًا كما يتكون الضوء من فوتونات. ومع ذلك، هناك احتمال آخر طالما تم استبعاده: وهو أن تظل الجاذبية قوة كلاسيكية سلسة، لكنها لا "تعمل" إلا عندما تتفاعل الأنظمة الكمومية مع محيطها بطريقة محددة.

يقترح فرانسيسكو بيبا، الباحث في جامعة كوينزلاند، طريقة جديدة للتفكير في هذا اللغز. تشير أعماله إلى أن الجاذبية لا توجد كحقل ثابت تولده كل جسيمة كمومية في جميع الأوقات. بدلاً من ذلك، يجادل بأن النظام الكمومي لا يولد حقلًا جاذبيًا فقط — أي أنه لا يخلق قوة جذب — عندما يشارك في سلسلة محددة من التفاعلات التي تؤدي إلى نتيجة محددة. في العالم الكمومي، غالبًا ما توجد الجسيمات في حالة "تراكب"، حيث تكون في أماكن أو حالات متعددة في آن واحد. يقترح بيبا أنه طالما ظل الجسيم في هذه الحالة المعزولة والمتراكبة، فإنه لا يولد جاذبية. وفقط عندما يتفاعل الجسيم مع مادة أخرى بطريقة تؤدي إلى "فقدان الترابط" (decoherence) — وهي عملية تجبر البيئة فيها الجسيم على اختيار حالة واحدة محددة — يبدأ في العمل كمصدر للجاذبية. يتحدى هذا الفكرة المعتادة التي تقول إن الكتلة تخلق دائمًا جاذبية، بغض النظر عما إذا كانت تلك الكتلة معزولة أم متفاعلة.

تحدد الورقة إطارًا تبرز فيه الجاذبية من خلال سلاسل من أحداث السبب والنتيجة. يطلق بيبا على هذه السلاسل اسم "سلاسل التحديد المستقرة". تخيل تسلسلًا حيث يتفاعل نظام كمومي مع نظام آخر، مما يخلق سجلًا لهذا التفاعل، والذي يسمح بعد ذلك لنظام ثالث بالتفاعل، وهكذا. فقط ضمن هذه السلاسل، حيث يتم نقل المعلومات وتثبيت النتائج المحددة، يظهر حقل الجواذب. إذا كان النظام معزولًا تمامًا عن مثل هذه السلاسل، فإنه يتطور دون توليد جاذبيته الخاصة، حتى لو كان يمتلك كتلة. يتجنب هذا النهج الحاجة إلى تكميم الجاذبية إلى جسيمات، بل يعاملها كظاهرة مشروطة تنشأ من الطريقة التي تستقر بها المادة الكمومية في حالات محددة عبر التفاعل.

ولاختبار هذه الفكرة الجذرية، يقترح بيبا عدة تجارب يمكنها تمييز نظريته عن النظريات القائمة. أحد المقترحات الرئيسية يتضمن تجربة "بوز-مارليتو-فيدرال"، وهي إعداد مصمم لمعرفة ما إذا كانت الجاذبية قادرة على إحداث "تشابك" بين جسيمين. في هذه التجربة، توضع كتلتان في حالة تراكب لمواقع مختلفة. إذا كانت الجاذبية قوة كمومية، فينبغي أن تكون قادرة على ربط الكتلتين معًا، مما يخلق حالة كمومية مشتركة. تقدم نظرية بيبا البيان الخاص بالفرضية الصفرية في هذه التجربة: فهي تتنبأ بأنه نظرًا لأن الكتل معزولة وليست جزءًا من سلسلة مسببة لفقدان الترابط، فإنها لا ينبغي أن تولد حقل جاذبية على الإطلاق. لذلك، لن يحدث بينهما تشابك، ولن تظهر التجربة أي تأثير للجاذبية. إذا أظهرت التجربة تشابكًا بالفعل، فسيتم دحض نظرية بيبا. ومع ذلك، إذا ظلت الكتل غير متشابكة، فسيؤيد ذلك فكرة أن الجاذبية شرطية.

كما تقترح الورقة اختبارًا أكثر مباشرة باستخدام الدوائر الكمومية. يمكن للباحثين بناء دائرة يتحكمون فيها بدقة في الوقت الذي يدخل فيه النظام إلى "سلسلة تحديد". من خلال عزل نظام ثم السماح له بشكل انتقائي بالتفاعل مع سلسلة من الأنظمة الأخرى، يمكنهم تشغيل وإيقاف حقل الجاذبية الخاص بالنظام. إذا كانت النظرية صحيحة، فإن النظام سينتج فقط قوة جذب قابلة للقياس عندما يكون جزءًا نشطًا من السلسلة. وهذا من شأنه أن يسمح للعلماء باستخدام الحواسيب الكمومية للتحكم في عملية توليد الجاذبية ذاتها، وهي قدرة لم يسبق إثباتها من قبل.

تتناول أعمال بيبا أيضًا طبيعة الكون على نطاق واسع. إذا كانت الجاذبية تنشأ فقط من هذه السلاسل من التفاعلات، فإن فراغ الفضاء، الخالي من مثل هذه التفاعلات، لن يمتلك حقل جاذبية خاصًا به. يؤدي هذا إلى طريقة جديدة لفهم الثابت الكوني، تلك القوة الغامضة التي تدفع توسع الكون. تشير الورقة إلى أن قيمة هذا الثابت قد لا تكون ثابتة، بل يمكن أن تتغير بمرور الوقت مع تغير عدد التفاعلات في الكون. يمكن أن يفسر هذا سبب ضعف الطاقة المظلمة تدريجيًا، وهي ظاهرة تعجز النظريات الحالية عن تفسيرها.

تكمن قوة هذا الاقتراح في قدرته على حل المفارقات طويلة الأمد دون اختراع جسيمات أو قوى جديدة. فهو يشير إلى أن "غرابة" ميكانيكا الكم و"سلاسة" الجاذبية ليستا في صراع؛ بل إن الجاذبية هي ببساطة نتيجة لصيرورة الأنظمة الكمومية في حالات محددة من خلال التفاعل. لا تدعي الورقة أنها أثبتت هذه النظرية بعد، بل تقدم مجموعة واضحة من القواعد والتنبؤات التي يمكن اختبارها في المختبر. ومن خلال اقتراح تجارب محددة، مثل الدائرة الكمومية المتحكم بها وتجربة بوز-مارليتو-فيدرال المعدلة، يقدم بيبا مسارًا للمضي قدمًا للعلماء لتحديد ما إذا كانت الجاذبية قوة أساسية موجودة في كل مكان، أو تأثيرًا شرطيًا يظهر فقط عندما يتفاعل العالم الكمومي مع نفسه.

إن تداعيات هذا العمل عميقة. إذا كانت الجاذبية شرطية، فهذا يعني أن نسيج الزمكان ليس مسرحًا ثابتًا تُعرض عليه الأحداث، بل هو بنية ديناميكية تنبثق من تفاعلات المادة. إنه يشير إلى أن الكون ليس مليئًا بحقل جاذبية ثابت، بل إن الجاذبية ظاهرة تنتشر عبر شبكة من التفاعلات، تمامًا مثل إشارة تمر عبر سلسلة من الأشخاص. يمكن لهذا المنظور أن يحل مشكلة التفردات، وهي النقاط شديدة الكثافة في مراكز الثقوب السوداء. فإذا كانت الجاذبية توجد فقط حيث تحدث التفاعلات، ففي أعمق قلب الثقب الأسود، حيث قد تتوقف التفاعلات، ستختفي الجاذبية ببساطة، تاركة مكانًا مسطحًا وفارغًا بدلًا من نقطة التفرد.

في نهاية المطاف، تدعونا هذه الورقة لإعادة التفكير في العلاقة بين العالم الكمومي والكون. إنها تقترح أن القوة التي تشكل النجوم والمجرات ليست حضورًا خلفيًا ثابتًا، بل هي نتيجة للطريقة التي تستقر بها المادة في الواقع. ومن خلال التركيز على الظروف التي تظهر فيها الجاذبية، يقدم بيبا منظورًا جديدًا يمكن أن يسد الفجوة بين المتناهي في الصغر والمتناهي في الكبر. الخطوة التالية هي بناء التجارب التي يمكنها تأكيد أو نفي هذه الأفكار، وتحويل الاحتمال النظري إلى واقع مادي.