استقلالية الخلفية

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

استقلال الخلفية شرطٌ في الفيزياء النظرية، يقتضي أن تكون المعادلات الأساسية للنظرية مستقلة عن الشكل الفعلي للزمكان وقيم الحقول المختلفة داخله . ويعني هذا تحديدًا أنه يجب أن يكون من الممكن عدم الاعتماد على نظام إحداثيات محدد ، أي أن تكون النظرية خالية من الإحداثيات . إضافةً إلى ذلك، ينبغي الحصول على تكوينات الزمكان المختلفة (أو الخلفيات) كحلول مختلفة للمعادلات الأساسية.

وصف

الاستقلال عن الخلفية خاصية غير محددة بدقة لنظرية الفيزياء. باختصار، يحد هذا الاستقلال من عدد البنى الرياضية المستخدمة لوصف المكان والزمان والتي تُصاغ يدويًا. بدلًا من ذلك، تكون هذه البنى نتاجًا لمعادلات ديناميكية، مثل معادلات أينشتاين للمجال ، بحيث يمكن تحديد شكلها انطلاقًا من المبادئ الأساسية. ولأن شكل المقياس يحدد نتيجة الحسابات، فإن النظرية التي تتمتع بالاستقلال عن الخلفية تكون أكثر قدرة على التنبؤ من النظرية التي لا تتمتع به، لأنها تتطلب مدخلات أقل لإجراء تنبؤاتها. وهذا يُشابه الرغبة في تقليل عدد المعاملات الحرة في النظرية الأساسية.

لذا، يمكن اعتبار استقلال الخلفية بمثابة توسيع للكائنات الرياضية التي ينبغي التنبؤ بها من النظرية لتشمل ليس فقط المعاملات، بل أيضًا البنى الهندسية. ويلخص ريكلز هذا بقوله: "تُقارن البنى الخلفية بالبنى الديناميكية، والنظرية المستقلة عن الخلفية لا تمتلك إلا النوع الأخير - ومن الواضح أن النظريات المعتمدة على الخلفية هي تلك التي تمتلك النوع الأول بالإضافة إلى النوع الأخير." [ 1 ]

في النسبية العامة ، يُعرَّف استقلال الخلفية بأنه خاصية كون مقياس الزمكان حلاً لمعادلة ديناميكية. [ 2 ] أما في الميكانيكا الكلاسيكية ، فالأمر مختلف، إذ يُحدِّد الفيزيائي المقياس ليتوافق مع الملاحظات التجريبية. وهذا غير مرغوب فيه، لأن شكل المقياس يؤثر على التنبؤات الفيزيائية، ولكنه في حد ذاته لا يُتنبأ به من خلال النظرية.

الاستقلال الظاهر في الخلفية

إن الاستقلال الواضح عن الخلفية هو في المقام الأول مطلب جمالي وليس فيزيائيًا. وهو مشابه ومرتبط ارتباطًا وثيقًا باشتراط كتابة المعادلات في الهندسة التفاضلية بصيغة مستقلة عن اختيار المخططات وتمثيلات الإحداثيات. فإذا وُجدت صيغة مستقلة عن الخلفية، فقد تؤدي إلى معادلات أبسط وأكثر أناقة. مع ذلك، لا يوجد أي مضمون فيزيائي في اشتراط أن تكون النظرية مستقلة بشكل واضح عن الخلفية ؛ فعلى سبيل المثال، يمكن إعادة كتابة معادلات النسبية العامة بإحداثيات محلية دون التأثير على دلالاتها الفيزيائية.

على الرغم من أن إظهار خاصية ما هو مجرد جانب جمالي، إلا أنه أداة مفيدة للتأكد من أن النظرية تمتلك تلك الخاصية بالفعل. على سبيل المثال، إذا كُتبت نظرية ما بطريقة تُظهر ثباتها تحت تحويلات لورنتز، فيمكن التحقق في كل خطوة للتأكد من الحفاظ على هذا الثبات. كما أن إظهار خاصية ما يوضح ما إذا كانت النظرية تمتلك تلك الخاصية بالفعل أم لا. إن عدم القدرة على جعل الميكانيكا الكلاسيكية تُظهر ثباتها تحت تحويلات لورنتز لا يعكس نقصًا في خيال المنظر، بل هو سمة فيزيائية للنظرية نفسها. وينطبق الأمر نفسه على جعل الميكانيكا الكلاسيكية أو الكهرومغناطيسية مستقلة عن الخلفية.

نظريات الجاذبية الكمومية

نظراً للطبيعة التخمينية لأبحاث الجاذبية الكمومية، يدور جدل واسع حول التطبيق الأمثل لاستقلال الخلفية. في نهاية المطاف، يُحسم الأمر بالتجربة، ولكن إلى حين تمكّن التجارب من استكشاف ظواهر الجاذبية الكمومية، يكتفي الفيزيائيون بالنقاش. فيما يلي ملخص موجز لأهم منهجين في مجال الجاذبية الكمومية.

درس الفيزيائيون نماذج الجاذبية الكمومية ثلاثية الأبعاد، وهي مسألة أبسط بكثير من الجاذبية الكمومية رباعية الأبعاد (وذلك لأن الجاذبية الكمومية في ثلاثة أبعاد لا تحتوي على درجات حرية محلية). في هذه النماذج، توجد سعات انتقال غير صفرية بين بنيتين مختلفتين، [ 3 ] أو بعبارة أخرى، تتغير البنية. هذه النتائج، وغيرها من النتائج المماثلة، تدفع الفيزيائيين إلى الاعتقاد بأن أي نظرية كمومية متسقة للجاذبية يجب أن تتضمن تغير البنية كعملية ديناميكية.

نظرية الأوتار

تُصاغ نظرية الأوتار عادةً باستخدام نظرية الاضطراب حول خلفية ثابتة. ورغم إمكانية أن تكون النظرية المُعرَّفة بهذه الطريقة ثابتة محليًا بغض النظر عن الخلفية، إلا أن هذا الأمر غير واضح، كما أن معناه الدقيق غير مُحدد. ومن المحاولات لصياغة نظرية الأوتار بطريقة مستقلة تمامًا عن الخلفية نظرية حقل الأوتار ، ولكن لم يُحرز تقدم يُذكر في فهمها.

ثمة مقاربة أخرى تتمثل في ثنائية AdS/CFT المفترضة، والتي لم تُثبت بعد، والتي يُعتقد أنها تُقدم تعريفًا كاملًا وغير اضطرابي لنظرية الأوتار في الزمكانات ذات التقارب المضاد لدي سيتر . إذا صحّ ذلك، فقد يصف هذا نوعًا من قطاع الانتقاء الفائق للنظرية المفترضة المستقلة عن الخلفية. لكنه سيظل محصورًا في التقارب المضاد لدي سيتر، وهو ما يتعارض مع الملاحظات الحالية لكوننا. ولا يزال التعريف الكامل غير الاضطرابي للنظرية في خلفيات الزمكان العشوائية غير متوفر.

يُعد تغيير الطوبولوجيا عملية راسخة في نظرية الأوتار .

جاذبية الكم الحلقية

هناك نهج مختلف تمامًا للجاذبية الكمومية يسمى الجاذبية الكمومية الحلقية ، وهو غير اضطرابي تمامًا ومستقل بشكل واضح عن الخلفية: يتم التنبؤ بالكميات الهندسية، مثل المساحة، دون الرجوع إلى مقياس الخلفية أو التقارب (على سبيل المثال، لا حاجة إلى مقياس الخلفية أو التقارب المضاد لدي سيتر )، فقط طوبولوجيا معينة .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ريكلز، دين (2008). "من يخاف من استقلال الخلفية؟". أنطولوجيا الزمكان II . فلسفة وأسس الفيزياء. المجلد  4. الصفحات 133-152 . CiteSeerX 10.1.1.452.2733 . doi : 10.1016/S1871-1774(08)00007-7 . ISBN   978-0444532756.
  2. ↑ بايز، جون سي (28 يناير 1999). "الجبر ذو الأبعاد الأعلى وفيزياء مقياس بلانك - طول بلانك" .نُشر في كتاب كاليندر، كريج وهوجيت، نيك، محرران (2001). الفيزياء تلتقي الفلسفة على مقياس بلانك . مطبعة جامعة كامبريدج. الصفحات 172-195 . 
  3. ↑ أوغوري، هيروشي (1992). "دوال التقسيم وسعات تغيير الطوبولوجيا في جاذبية الشبكة ثلاثية الأبعاد لبونزانو وريجي". الفيزياء النووية ب . 382 (2) (نُشر في سبتمبر 1992): 276-304 . arXiv : hep-th/9112072 . doi : 10.1016/0550-3213(92)90188-H . S2CID 12824742 . 

للمزيد من القراءة