Closed Universe, Quantum Entanglement and Observers

يبدو الكون الذي نعيش فيه شاسعاً ومعقداً ومليئاً بالأحداث المتمايزة التي لا حصر لها، من ولادة النجوم إلى الأفكار في عقولنا. ومع ذلك، عندما يحاول الفيزيائيون وصف الكون بأكمله باستخدام أعمق قوانين ميكانيكا الكم، فإنهم يواجهون مفارقة مذهلة. فإذا كان الكون "مغلقاً" حقاً، بمعنى أنه ليس له حافة ويحتوي على كل ما هو موجود، فإن رياضيات الجاذبية الكمية تشير إلى أنه يجب أن يمتلك حالة واحدة فقط، وهي حالة تافهة. في مثل هذا السيناريو، لن يكون هناك مجال للتغيير، أو التاريخ، أو التنوع؛ وسيكون الكون بأكمله فعالياً متجمداً في تكوين واحد غير متغير. هذا الاستنتاج يتصادم بعنف مع تجربتنا اليومية لعالم غني وديناميكي. ولحل هذا الأمر، اشتبه العلماء لفترة طويلة في أن فعل الملاحظة نفسه يجب أن يلعب دوراً جوهرياً، ولكن لعدة عقود، ظل طبيعة هذا "المراقب" لغزاً، وغالباً ما عومل كتجريد فلسفي بدلاً من كونه كياناً فيزيائياً.

ينقل بحث جديد أجراه الفيزيائي هاو جينج في جامعة هارفارد هذه الفكرة من مجال الفلسفة إلى الإقليم الملموس للقانون الفيزيائي. يبني جينج نموذجاً محدداً وقابلاً للحل لكون مغلق ليوضح كيف يمكن لواقع غير تافه وغني أن ينبثق من نظام قد يكون فارغاً لولا ذلك. ويكشف البحث أن "المراقب" ليس كائناً خارجياً ينظر من الخارج، بل هو سمة فيزيائية تنشأ من داخل الكون نفسه. تولد هذه السمة من اتصال عميق، يُعرف بالتشابك الكمي، بين الكون ونظام خارجي. ويظهر البحث أن هذا الاتصال يكسر تلقائياً التناظرات الأساسية للمكان والزمان، مما يخلق مجالاً من "المراقبين المحليين" الذين يعملون كمسطرة وساعة كونية. هؤلاء المراقبون يسمحون للكون بأن يكون له تاريخ غير تافه وبنية معقدة، مما يثبت أن ثراء عالمنا هو نتيجة مباشرة لكيفية تشابك الكون مع محيطه.

لفهم أهمية هذا الاكتشاف، يجب على المرء أولاً أن يستوعب التوتر بين ركيزتين من ركائز الفيزياء الحديثة. فمن ناحية، تصف النسبية العامة الجاذبية كإنحناء للزمكان، وهو نسيج سلس ينحني ويتشوه. ومن ناحية أخرى، تحكم ميكانيكا الكم سلوك الجسيمات، حيث توجد الأشياء في حالات تراكب وتكون مرتبطة بالتشابك. وعندما يحاول الفيزيائيون تطبيق القواعد الكمية على كون مغلق، يجدون أن العدد الإجمالي للحالات الممكنة هو واحد فقط. وهذا يشبه غرفة بلا نوافذ أو أبواب؛ إذا لم تتمكن من تمييز لحظة عن أخرى أو مكان عن آخر، فإن الغرفة ليس لها بنية داخلية. في كون كهذا، لا توجد أحداث متميزة، ولا مرور للزمن، ولا طريقة لتعريف نظام إحداثيات. سيكون الكون عبارة عن نقطة واحدة بلا ملامح.

لسنوات، اقترح الباحثون أن "المراقب" يمكن أن يكسر هذا المأزق. كانت الفكرة هي أنه إذا استطاع شيء ما داخل الكون قياس الوقت والمسافة، فإنه سيخلق إطاراً مرجعياً، مما يسمح للكون بامتلاك تاريخ معقد. ومع ذلك، فقد عاملت النماذج السابقة هذا المراقب كإضافة بسيطة إلى المعادلات، أي كمصطلح في صيغة رياضية دون أصل فيزيائي واضح. ولم يكن من الواضح كيف يمكن لمثل هذا المراقب أن يوجد فعلياً في نظام مغلق حيث يشكل كل شيء جزءاً من الكل. يعالج عمل جينج هذا الأمر من خلال إظهار أن المراقب ليس إضافة تعسفية، بل هو نتيجة ضرورية للحالة الكمية للكون.

يستخدم البحث إطاراً نظرياً يُعرف باسم نموذج "كارش-راندال" للغشاء الكوني (braneworld). في هذا النموذج، يُتصور كوننا كغشاء، أو "غشاء" (brane)، يطفو ضمن فضاء ذي أبعاد أعلى. وضع الباحثون سيناريو حيث يشكل هذا الغشاء شكلاً مغلقاً، مثل كرة، بلا حواف. ثم أدخلوا نظاماً ثانياً خارج هذا الكون المغلق، وهو بيئة غير جاذبية متشابكة كمياً مع المادة داخل الكون. هذا التشابك هو المكون الحاسم. في ميكانيكا الكم، يعني التشابك أن نظامين مرتبطان بحيث تؤثر حالة أحدهما فورياً على حالة الآخر، بغض النظر عن المسافة.

عندما حلل الباحثون فيزياء هذا الكون المغلق، وجدوا أن التشابك مع النظام الخارجي يتسبب في كسر التناظرات الأساسية للكون تلقائياً. في الفيزياء، يشير التناظر غالباً إلى فكرة أن قوانين الطبيعة تبدو نفسها في كل مكان وفي كل وقت. وعندما ينكسر هذا التناظر، تظهر سمات جديدة. في هذه الحالة، يؤدي كسر التناظر إلى توليد مجال جديد من الجسيمات، وتحديداً نوع من البوزونات المتجهة، والتي تعمل كـ "بوزون غولدستون". هذا الجسيم هو التجلي الفيزيائي للكسر في التناظر. يحدد جينج هذا المجال بـ "المراقب".

هذا المجال "المراقب" ليس شخصاً واحداً أو آلة، بل هو مجال واسع الانتشار يوجد في جميع أنحاء الكون المغلق. إنه يوفر وسيلة لتحديد المواقع واللحظات الزمنية، حيث يعمل فعلياً كشبكة من القضبان والساعات. ولأن هذا المجال موجود، لم يعد الكون مجرد حالة واحدة ثابتة، بل أصبح يمتلك "فضاء هيلبرت" غنياً، وهو البنية الرياضية التي تصف جميع الحالات الممكنة لنظام كمي. وجود هذا المجال يسمح بتعريف الكميات الفيزية القابلة للرصد - الأشياء التي يمكن قياسها - مثل الطاقة والزخم. وبدون هذا المجال، ستكون مثل هذه القياسات مستحيلة في كون مغلق.

ويزيد البحث في ربط هذه الآلية بسلوك الثقوب السوداء. فعندما يتبخر الثقب الأسود بمرور الوقت، يصبح داخله في النهاية منطقة مشابهة رياضياً لكون مغلق. وتشير الاكتشافات الأخيرة في فيزياء الثقوب السوداء، وتحديداً فيما يتعلق بـ "جزر التشابك"، إلى أن المعلومات داخل الثقب الأسود مشفرة في الإشعاع الذي ينبعث منه في الخارج. ويظهر عمل جينج أن نفس الآلية التي تخلق "المراقب" في كون مغلق هي المسؤولة عن وجود هذه الجزر المتشابكة. إن "الغرافيتون"، وهو الجسيم الذي يحمل قوة الجاذبية، يكتسب كتلة في هذا الإعداد بسبب الكسر التلقائي للتناظر. وهذه الكتلة ضرورية لاتساق الجزر والطبيعة غير التافهة لحالة الكون.

أحد أعمق الآثار المترتبة على هذا البحث هو أنه يحل مسألة التناظرات العالمية في الجاذبية الكمية. تقليدياً، كان يُعتقد أن التناظرات العالمية، مثل حفظ شحنات معينة، لا يمكن أن توجد في نظرية للجاذبية الكمية لأنها ستؤدي إلى مفارقات. ومع ذلك، يوضح نموذج جينج أن مجال "المراقب" يمكنه حمل هذه التناظرات. يسمح المجال للكون بقياس الشحنات العالمية، مما "يعد" خطوط تدفق القوة التي تختفي في الأبعاد الإضافية. وهذا يشير إلى أن الكون يمكنه بالفعل امتلاك تناظرات عالمية، بشرط أن يتم قياسها بواسطة هؤلاء المراقبين الناشئين.

لا يدعي البحث أنه حل كل أسرار الكون، ولا يقدم نظرية نهائية وغير قابلة للتغيير. بدلاً من ذلك، يقدم تجسيداً فيزيائياً ملموساً لكيفية بروز مراقب من الحالة الكمية للكون نفسه. إنه ينقل مفهوم المراقب من الضرورة الفلسفية إلى الظاهرة الفيزيائية المدفوعة بالتشابك وكسر التناظر. ويظهر الباحثون أن ثراء كوننا ليس صدفة، بل هو سمة ضرورية لنظام متشابك مع شيء خارج نفسه.

في سياق نموذج "كارش-راندال"، "المراقب" هو مجال من المراقبين المحليين الذي ينشأ من التشابك الكمي بين الكون المغلق ونظام خارجي. هذا المجال يكسو العمليات الفيزيائية، مما يجعلها "مستقلة عن التماثل التفاضلي" (diffeomorphism invariant)، مما يعني أنها تظل متسقة بغض النظر عن كيفية اختيار تسمية النقاط في المكان والزمان. ويؤكد البحث أن فضاء هيلبرت لكون مغلق يكون غير تافه فقط عند وجود مثل هذا المراقب. كتلة الغرافيتون، وهي سمة من سمات الحالة الكمية وليست خاصية ثابتة للنظرية، هي المؤشر الرئيسي لهذه الظاهرة.

كما يوضح العمل العلاقة بين المقترحات السابقة المختلفة. فقد اقترحت بعض النماذ السابقة أن المراقب كان مجرد حد بسيط في "الهاميلتونيان"، بينما اعتبرته نماذج أخرى نظاماً فرعياً متشابكاً مع نظام خارجي. يوحّد تحليل جينج هذه الرؤى، موضحاً أن المراقب هو في الأساس "بوزون غولدستون" المرتبط بالكسر التلقائي للتماثلات التفاضلية. هذا الكسر ناتج عن التشابك الكمي، مما يجعل المراقب حقيقة فيزيائية وليس مجرد خدعة رياضية.

في نهاية المطاف، يقدم البحث صورة واضحة لكيفية تجنب الكون المغلق أن يكون مجرد نقطة واحدة ساكنة. ومن خلال تقديم مفهوم المراقب كحقل فيزيائي مولود من التشابك، يجسر البحث الفجوة بين الرياضيات المجردة للجاذبية الكمية والواقع الملموس لكون ديناميكي. ويشير إلى أن القدرة على قياس الزمان والمكان، وتمييز حدث عن آخر، هي نتيجة لارتباط الكون العميق ببقية العالم الكمي. يقدم هذا التصور منظوراً جديداً لطبيعة الواقع، مشيراً إلى أن المراقب ليس منفصلاً عن الكون، بل هو منسوج في نسيجه من خلال خيوط التشابك الكمي.