مقدمة في نظرية إم

بصورة مبسطة، تُقدم نظرية إم فكرةً عن المادة الأساسية للكون . ورغم عدم وجود صياغة رياضية كاملة لها، إلا أن منهجها العام يُعدّ الأبرز في سعيها نحو " نظرية شاملة " تُوحّد الجاذبية مع قوى أخرى كالكهرومغناطيسية . تهدف نظرية إم إلى توحيد ميكانيكا الكم مع قوة الجاذبية في النسبية العامة بطريقة رياضية متسقة. في المقابل، يعتبر الفيزيائيون والباحثون نظريات أخرى، مثل جاذبية الكم الحلقية، أقل أناقةً، لأنها تفترض أن الجاذبية تختلف تمامًا عن قوى أخرى كالقوة الكهرومغناطيسية. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

في أوائل القرن العشرين، ثبت أن الذرة - التي  طالما اعتُقد أنها أصغر وحدة بناء للمادة  - تتكون من مكونات أصغر تُسمى البروتونات والنيوترونات والإلكترونات ، وهي جسيمات دون ذرية . وبدأ اكتشاف جسيمات دون ذرية أخرى في ستينيات القرن العشرين. وفي سبعينيات القرن نفسه، اكتُشف أن البروتونات والنيوترونات ( والهادرونات الأخرى ) تتكون بدورها من جسيمات أصغر تُسمى الكواركات . والنموذج القياسي هو مجموعة القواعد التي تصف تفاعلات هذه الجسيمات.

في ثمانينيات القرن العشرين، ظهر نموذج رياضي جديد للفيزياء النظرية يُعرف بنظرية الأوتار . وقد أوضح هذا النموذج كيف يمكن بناء جميع الجسيمات دون الذرية المعروفة للعلم من خلال "أوتار" افتراضية أحادية البعد، وهي وحدات بناء متناهية الصغر لا تمتلك سوى بُعد الطول، دون الارتفاع أو العرض. تهتز هذه الأوتار في أبعاد متعددة، وبناءً على كيفية اهتزازها، يمكن رؤيتها في الفضاء ثلاثي الأبعاد كمادة أو ضوء أو جاذبية. في نظرية الأوتار، يُقال إن كل شكل من أشكال المادة هو نتاج اهتزاز الأوتار.

مع ذلك، لكي تكون نظرية الأوتار متسقة رياضيًا، يجب أن توجد الأوتار في كون ذي عشرة أبعاد . تفسر نظرية الأوتار تصورنا للكون على أنه ذو أربعة أبعاد (ثلاثة أبعاد مكانية وبُعد زمني واحد) من خلال تخيل أن الأبعاد الستة الإضافية "ملتفة"، أي صغيرة جدًا لدرجة لا يمكن ملاحظتها يوميًا. يُطلق على هذا المصطلح التقني اسم " التكثيف " . عادةً ما تُصنع هذه الأبعاد على شكل كائنات رياضية تُسمى مشعبات كالابي-ياو .

تم تطوير خمس نظريات رئيسية للأوتار، وثبت أنها متوافقة رياضياً مع مبدأ أن المادة كلها تتكون من أوتار. وقد اعتُبر وجود خمس نسخ مختلفة من نظرية الأوتار لغزاً محيراً.

في مؤتمر "سترينغز 95" بجامعة جنوب كاليفورنيا، أشار إدوارد ويتن من معهد الدراسات المتقدمة إلى أن النسخ الخمس المختلفة لنظرية الأوتار قد تصف الشيء نفسه من زوايا نظر مختلفة. ^{[ 4 ]} واقترح نظرية موحدة تُسمى " نظرية إم "، جمعت بين جميع نظريات الأوتار. وقد فعلت ذلك من خلال التأكيد على أن الأوتار هي تقريب لأغشية ثنائية الأبعاد ملتفة تهتز في فضاء-زمن ذي 11 بُعدًا . ووفقًا لويتن، يمكن أن يرمز حرف " إم " إلى "السحر" أو "الغموض" أو "الغشاء" حسب الرغبة، وسيتم تحديد المعنى الحقيقي للعنوان عند التوصل إلى فهم أفضل للنظرية. ^{[ 5 ]}

نظرية إم ليست مكتملة، ولم تُفهم رياضياتها جيدًا بعد. إنها نظرية في الجاذبية الكمومية، وكغيرها من النظريات، لم تحصل على أدلة تجريبية تؤكد صحتها. ^{[ 1 ]} كما أنها لا تُميّز كوننا المرئي عن غيره، وبالتالي لا تهدف إلى التنبؤ بكل ما يمكننا قياسه عنه انطلاقًا من المبادئ الأساسية.

ومع ذلك، ينجذب بعض الفيزيائيين إلى نظرية إم بسبب درجة تفردها ومجموعة خصائصها الرياضية الغنية، مما يثير الأمل في أنها قد تصف عالمنا ضمن إطار واحد.

من أبرز سمات نظرية إم التي حظيت باهتمام كبير أنها تتنبأ بشكل طبيعي بوجود الجرافيتون ، وهو جسيم ذو لف مغزلي 2 يُفترض أنه يُساهم في نقل قوة الجاذبية. علاوة على ذلك، تتنبأ نظرية إم بشكل طبيعي بظاهرة تُشبه تبخر الثقوب السوداء . في المقابل، لم تُظهر نظريات التوحيد المنافسة، مثل الجاذبية الآمنة تقاربياً ، ونظرية E8 ، والهندسة غير التبادلية ، وأنظمة الفرميونات السببية ، أي مستوى من الاتساق الرياضي.

• تاريخ نظرية الأوتار

• غرين، ب. (1999). الكون الأنيق: الأوتار الفائقة، والأبعاد الخفية، والبحث عن النظرية النهائية . دبليو دبليو نورتون . رقم ISBN 978-0-375-70811-4.
• غرين، ب. (2004). نسيج الكون: المكان والزمان وبنية الواقع . ألفريد أ. كنوبف . رمز Bibcode : 2004fcst.book.....G . ISBN 978-0-375-41288-2.
• ميميك، أ.؛ شناكينبورج، آي. (2006). “أساسيات نظرية M”. فورتشريت دير فيزيك . 54 (1): 5– 72. أرخايف : التهاب الكبد الوبائي/0509137 . بيب كود : 2006ForPh..54....5M . دوى : 10.1002/prop.200510256 . S2CID 98007313 . 
• موسر، ج. (2008). الدليل الكامل للمبتدئين في نظرية الأوتار . دار ألفا للنشر . رقم ISBN 978-1-59257-702-6.
• سمولين، ل. (2006). مشكلة الفيزياء . هوتون ميفلين . ISBN 978-0-618-55105-7.
• وويت، ب. (2006). ليس خطأً حتى: فشل نظرية الأوتار والتحدي المستمر لتوحيد قوانين الفيزياء . دار بيسيك بوكس . رقم ISBN 978-0-465-09275-8.

• الكون الأنيق – سلسلة وثائقية قصيرة من ثلاث ساعات من تقديم برايان غرين، من إنتاج NOVA (تاريخ البث الأصلي على PBS: 28 أكتوبر و4 نوفمبر 2003). تتضمن السلسلة صورًا ونصوصًا ومقاطع فيديو ورسومًا متحركة متنوعة تشرح نظرية الأوتار ونظرية إم.