قضى أينشتاين العقود الثلاثة الأخيرة من حياته محاولاً إيجاد “نظرية الحقل الموحّدة”، لكن الموت حال بينه وبينها، ومنذ عصر أينشتاين وحتى يومنا هذا، تطوَّرت الفيزياء واشتد تعقيدها، فقد ظهرت قوى جديدة وعالـمٌ كبيرٌ من الجسيمات دون الذرية. وعلى الرغم من ذلك، ما زال الفيزيائيون يحاولون تحقيق حلم أينشتاين في الحصول عل نظرية نهائية تلخِّص القوانين الفيزيائية جميعها، وتصف جميع القوى الفيزيائية الموجودة في الكون.

تحكم الكون أربع قوى أساسية: قوة الجاذبية، والقوة الكهرومغناطيسية، والنووية القوية، والنووية الضعيفة. فالجاذبية أشهر قوة وأضعفها ذات مدى طويل، وتتفاعل مع كل شيء، تم إدخالها في المنظومة العلمية من قِبل نيوتن، وطوّرت عام 1915، على يد أينشتاين في نظريته النسبية العامة، التي تفسِّر الجاذبية بأنها تشوه أو انحناء في الزمكان.
وتتفاعل القوة الكهرومغناطيسية مع الجسيمات المشحونة كهربائياً، الهادرونات واللبتونات. فالأجسام المختلفة في الشحنة تتجاذب، والمتماثلة تتنافر، وهاتان القوتان الكهربائية والمغناطيسية كانتا منفصلتين، ونتيجة أعمال فاراداي وماكسويل تم توحيدهما في قوة واحدة، وبذلك وضع ماكسويل أول خطوة في توحيد قوى الطبيعة، وهذه القوة أقوى بكثير من قوة الجاذبية، ففي ذرة الهيدروجين يتجاذب الإلكترون السالب مع البروتون الموجب بقوة هائلة تفوق قوة الجذب بينهما الناتجة عن كتلتيهما، (تساوي 1040). ولذلك، فإننا نتجاهل قوة الجاذبية في تجارب فيزياء الجسيمات لأن أثرها ضئيل جداً.
أما القوة النووية القوية، فهي التي تؤثر في البروتونات والنيترونات داخل النواة، وتتفاعل مع الهادرونات فقط، وهي القوة الفيزيائية الأعظم في الكون، إذ إنها تمسك البروتونات داخل النواة رغم التنافر الشديـد بينهما بسبب تشابــه الشحنات الموجبة التي تحملها البروتونات.
والقوة النووية الضعيفة، فهي أضعف من القوتين السابقتين، لكنها كبيرة جداً مقارنة بقوة الجاذبية، وتتفاعل مع الهادرونات واللبتونات جميعها، وهي المسؤولة عن بعض عمليات التحلل الإشعاعي النووي، أي عملية تحول جسيم إلى جسيم آخر. وقد طرحت هذه القوة لفهم ظاهرة التفكك البيتاوي، وهو تحول البروتون إلى نيترون داخل النواة أو العكس، ويصاحب هذا التحول إطلاق إلكترون وجسيم آخر يسمى نيترينو مضاد تقذفه النواة إلى خارجها، وهاتان القوتان تعملان في نطاق قصير جداً ضمن المسافات النووية، أي مسافات أصغر من حجم الذرة، وتقاس بوحدة فمتو متر أو الفيرمي وتساوي (15-10)، ونظراً لهذه المسافات الصغيرة فهما ليستا مألوفتين لدينا.

في رحاب الذرّة!
حاول فلاسفة اليونان التعرف إلى اللبنات الأساسية في بناء الكون، فقد ذهبوا إلى أنه يتألَّف من أربعة عناصر أساسية: التراب، والهواء، والنار، والماء. لكن معرفتنا صارت اليوم  أفضل بكثير. ففي النصف الأول من القرن العشرين عرفنا أن الذرَّة تتكوَّن من نواة موجبة تحتوي بداخلها على البروتونات والنيترونات، وتدور حولها الإلكترونات سالبة الشحنة. وظل الاعتقاد لفترة طويلة بأن البروتونات والنيترونات التي تكوّن النواة هي جسيمات أولية، إلَّا أن تجارب المسرعات أثبتت أن هذه الجسيمات الأولية تتكوَّن من جسيمات أصغر أطلق عليها اسم “كوارك”، من قِبل جيلمان الذي حاز جائزة نوبل عام 1969 على ذلك، وهناك ست (نكهات) منها بثلاثة ألوان للتفريق بينها. وكبقية الجسيمات هناك جسيمات مضادة لها. ويمكننا تكوين البروتونات والنيترونات من ثلاثة “كواركات”، أي إن البروتون والنيترون في الواقع ليسا جسمين أساسين، وإنما يتكوَّنان من جسيمات أصغر، فالبروتون يتكوَّن من كواركين علويين وكوارك سفلي، بينما يتكوَّن البروتون المضاد من كواركين علويين مضادين وكوارك سفلي مضاد.
وضع النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات في عام 1974. وفي ذلك الوقت كان عدد الجسيمات المكتشفة قليل جداً. واستمرت تجارب المسرعات، ووجد العلماء أنفسهم أمام عالم كبير من الجسيمات دون الذرية، وتم اكتشاف جميع الجسيمات حينها ما عدا “جسيم هيجز” الذي اكتشف في مختبر المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية عام 2012، وبذلك نكون قد اكتشفنا القطعة الأخيرة من النموذج القياسي.
إن أصل الكتلة للجسيمات يُكتسب من مجال هيجز نتيجة التفاعل بينهما، وهذه الأرقام التي اتخذتها الجسيمات ككتلتي البروتون والإلكترون، ولِّفت توليفاً دقيقاً، وضبطت بدقة متناهية وبشكل مدهش، بحيث إنها لو اختلفت قليلاً ولم تتخذ هذه الأرقام التي عليها الآن، لما تكوّن الكون إطلاقاً.

ونتيجة العمل الشاق، وضِع النموذج القياسي في صورته النهائية، وهو أشبه بالجدول الدوري للعناصر، وقد اشتمل على ثلاث عائلات من الجسيمات الأولية، وهي: الكواركات، اللبتونات، البوزونات. وجمع هذا النموذج بين القوة الكهرومغناطيسية والقوتين النوويتين، والأساس الذي يقوم عليه هو أن الحقول أو المجالات هي وحدة البناء وليس الجسيمات، وأن البوزونات هي التي تتبادل القوة، ونتيجة المبادئ الكمية تنتج الكواركات أو اللبتونات الحزم الصغيرة للطاقة، فإذا قمنا بالنظر إلى الذرّة من خلاله، نلاحظ أن البروتونات والنيترونات تترابط عن طريق الجلوونات بين الكواركات المكونة لهما، وتترابط الإلكترونات مع البروتونات بواسطة الفوتونات.
واجه النموذج القياسي انتقاداً حاداً، فهو غير مقبول كنظرية نهائية لتفرعه الكثير، ونقطة ضعفه الأساس أنه لا يشمل الجاذبية، وتكمن الصعوبة الكبرى في دمج النسبية العامة مع ميكانيكا الكم. فالأولى تصف العالم على المستوى الكبير أما الثانية فتصفه على المستوى الصغير، وقد حاول علماء الفيزياء استخدام نظرية ميكانيكا الكم على النسبية العامة لكن النظرية فشلت وأنتجت نتائج لا نهائية لكميات نهائية، أي إننا نحصل على نتائج غير منطقية.

توحيد القوى
بعد نجاح ماكسويل في ضم القوتين الكهربائية والمغناطيسية، أصبحت فكرة توحيد القوى تسيطر على علماء الفيزياء في القرن العشرين. ففي منتصف القرن العشرين خطا ثلاثة علماء فيزيائيين نحو توحيد النظريات وإخراجها في نظرية واحدة، وهم: فاينمان، شفينجر، وتوموناغا، وقد حصلوا على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1965، نظير إسهاماتهم في الكهروديناميكا الكمية، التي تضم الكهرومغناطيسية مع ميكانيكا الكم.
وفي نهاية السبعينيات من القرن الماضي، وبعد جهود كبيرة، تمكن ثلاثة علماء فيزيائيين، وهم: عبدالسلام وواينبرغ وجلاشو من توحيد القوتين الكهرومغناطيسية والنووية الضعيفة في قوة واحدة، عرفت باسم القوة الكهروضعيفة، وقد ساعدت هذه النظرية كثيراً في بناء النموذج القياسي، وذلك من خلال التنبؤ ببوزونات جديدة، جسيمان مشحونان رمزهما w وجسيم حيادي z، بالإضافة إلى جسيم هيجز الذي افترضه على أساس رياضي بيتر هجز في عام 1964، وقد حصلوا على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1979. وبعد هذا النجاح تفاءل الفيزيائيون كثيراً من خلال ضم القوة النووية الشديدة لهما في نظرية كبرى عرفت باسم “النظرية الكبرى الموحدة” (GUT). وبالطبع، حتى لو وجدت هذه النظرية فإنها ستفتقر إلى قوة الجاذبية، بمعنى أنها ليست النظرية النهائية. لذلك، نحن نحتاج إلى نظرية نقوم من خلالها بتكميم حقل الجاذبية. وظهرت حينها نظرية تعرف باسم “الجاذبية الفائقة”، التي تم تأسيسها في منتصف السبعينيات. ولهذه النظرية نسخ كثيرة، لكنها لم تصمد طويلاً، حيث عانت من مشكلات رياضية ضخمة، إضافة إلى بروز “نظرية الأوتار” كنظرية نهائية، ففي عام 1984، أصبحت هذه الأخيرة النظرية الأولى في الأوساط العلمية، نتيجة التقدّم الناجح الذي أحرزته على أيدي اثنين من رواد نظرية الأوتار وهما شوارز وغرين.

نظرية الأوتار

تم التأسيس لنظرية الأوتار، على يد غابرييل فينيزيانو في عام 1968، عندما كان الفيزيائيون يحاولون وصف القوة النووية الشديدة، حيث اقترح نموذجاً يحوي أوصاف حركة كمية وترية، وبذلك يتم التعامل مع الجسيمات كالبروتونات والنيترونات بأنها موجات على وتر! وعلى هذا، فإن القوى الكونية الأربع يمكن وصفها ضمن إطار موسيقي لذبذبات أوتار صغيرة جداً. بمعنى أننا لو نظرنا إلى الجسيمات الأساسية فإننا سوف نرى وتراً صغيراً يهتز. وهذه الاهتزازات المتنوِّعة ذات الترددات المختلفة ينشأ عنها التنوُّع في الجسيمات الأساسية، وهذه الذبذبات تحدث في أبعاد عليا تصل إلى عشرة أبعاد، وهذا غير مألوف في عالمنا الذي يحتوي على أربعة أبعاد، ثلاثة أبعاد للمكان وواحد للزمان، وهذه الأبعاد العليا منحنية داخل فضاء صغير جداً بحيث إننا لا نلاحظها، وهذه الأوتار قد تكون مغلقة أو مفتوحة.
إن أهمية نظرية الأوتار تكمن في تضمّنها لقوة الجاذبية التي أخفقت فيها النظريات السابقة. ففي عام 1974، أدرك شوارز وشيرك أن نظرية الأوتار قادرة على وصف الجاذبية على المستوى الكمي، ونشرا في ذلك مقالاً بيّنا فيه ظهور جسيم الجرفتون في النظرية، وكان هذا الاكتشاف الرائع في المراحل الأولى من نظرية الأوتار. وعلى الرغم من أهميته، إلا أنه لم يلقَ الاهتمام الجيد بسبب تراجــع نظريــة الأوتار في نسختها الأولى، التي تصـف القوى النووية الشديــدة، وبروز نظريــة الجاذبية الفائقة في الأوساط العلمية.
إن ظهور صفات الجرفتون في نظرية الأوتار يعد إنجازاً كبيراً، ففي عام 1982 قرأ إدوارد ويتن مقالة كتبها شوارز، حول هذه النقطة، وقال حينها: إنني أشعر بأعظم إثارة فكرية في حياتي!”. وقد بدأ العلماء بالفعل بعد ذلك بالاهتمام بالنظرية الوترية، وأخذوا يطوّرونها شيئاً فشيئاً وظهرت نتيجة ذلك خمس نظريات وترية، مما وضع نظرية الأوتار في حرج شديد. فإذا كانت هناك نظرية نهائية تصف كل شيء في الكون فيجب أن تكون نظرية واحدة، وبعد ذلك حصل اكتشاف مذهل مفاده أن هذه النظريات الخمس تمثل نظرية أساسية واحدة، وذلك بعد إضافة البعد الحادي عشر الذي اقترحه ويتن في عام 1995. وهذا يعني أن هذا البُعد قد وحّد النظريات الخمس في نظرية واحدة! وهذا البعد الحادي عشر المضاف يسمح للوتر أن يتمدّد إلى ما يشبه الغشاء، وتنبأت النظرية بوجود جسيم رياضي جديد افتراضي اسمه الغشاء، لذلك تسمى بنظرية الأغشية.

نظرية (M)
هناك عدة معانٍ مقترحة للحرف (M): غموض (Mystery) أو غشاء (Membrane) أو سحر (Magic)، أو الأم (Mother)، أو المصفوفة (Matrix)، وهذه النظرية تدمج بين جميع أنواع القوى، بما فيها الجاذبية، ولا يوجد فيها نهائيات، وتحتوي على أحد عشر بعداً، هذه الأبعاد الإضافية، تتفاوت ما بين أبعاد صغيرة جداً إلى أبعاد لا متناهية. ومع وجود الأغشية العملاقة والأبعاد الإضافية نحتمل أن كوننا ليس الكون الوحيد بل هناك أكوان متعددة، هذه الأكوان توجد على أغشية منفصلة متعددة الأبعاد! وهذه الأغشية قد تتصادم في ما بينها ويتولد من هذا التصادم كونٌ جديدٌ مثل كوننا! وهذه الأكوان قد تتشابه معنا وقد تحكمها قوانين فيزيائية مختلفة تماماً! كالجسيمات الأولية والقوى التي تحكمها تختلف تماماً عن كوننا! هذه الأكوان توجد في الأبعاد الإضافية بنظرية (M)، وربما يكون الكون المضاد المصنوع من المادة المضادة أحد هذه الأكوان الموجودة على أحد أغشية نظرية (M)، وهذا أحد التفسيرات لسبب اختفاء المادة المضادة من كوننا، فهل يمكننا أن نتخيل كوناً له طبيعة مختلفة عن كوننا؟!
لماذا قوة الجاذبية ضعيفة؟
الجاذبية حسب نظرية (M) ليست قوة ضعيفة بل هي قوة قوية مثل الكهرومغناطيسية، فجسيم الجرافتون بحسب نظرية الأوتار يتكوَّن من أوتار مغلقة مثل الحلقة وليست مفتوحة، وهذا يعني أنه لا يملك نهايات مفتوحة قد تثبته بمكان محدّد، وهذه الخاصية تجعله حراً وغير مرتبط بالبُعد الذي نعيش فيه. بمعنى أنه ينساب إلى خارج الجزء الخاص بنا في كوننا منطلقاً إلى أبعاد أخرى وأغشية أخرى! ونتيجة هذا الانسياب تبدو لنا الجاذبية أضعف من القوى الكونية الأخرى. وإذا كان هذا صحيحاً فلربما أن غشاء كوننا يتفاعل مع الأغشية الأخرى من خلال الجاذبية! وربما سنستطيع في يوم ما أن نستشعر تلك الأكوان من خلال موجات جاذبية قوية! قد تكون هذه المخلوقات قريبة منا جداً، تعيش في أبعاد عليا! وربما تكون ذكية أيضاً! يروننا ونحن لا نستطيع رؤيتهم! والطريقة الوحيدة لاستكشافها هو تبادل قوة الجاذبية! وربما ستكون عندنا القدرة في يوم ما على فعل ذلك!

هل توجد نظرية نهائية؟

هل العالم مكوَّن فعلاً من أوتار وأغشية وأبعاد إضافية؟ هل إننا نعيش في كون صغير وجزء ضئيل من منظومة كونية واسعة جداً تحوي بداخلها أكواناً متعددة؟ وإذا كانت هذه الأكوان موجودة بالفعل هل تدعم الحياة أم أنها أكوان ميتة؟ هل نحن أمام نظرية علميــة حقيقيـة، أم خيــال علمي فقط؟ هل الكـون الواقعــي عبارة عن سيمفونية كونية موسيقية، أم أن خيالنا يريد للكون أن يكون كذلك؟
إن نظرية (M) رياضية وفلسفية بحتة، ولا تزال تحتاج كثيراً كي تحتل منصب النظرية النهائية، إذ لا يوجد دليل علمي واحد على صحتها، وهي غير قابلة للاختبار إطلاقاً، وهذه مشكلة حقيقية، فكيف يمكننا أن نتأكد من صحتها؟! في الحقيقة،

إن النموذج القياسي أثبت بنجاحه تجريبياً تفوقاً عليها! فحتى هذه اللحظة لم نستطع الكشف عن الجرفتون، ولا الجسيمات الضخمة التي تقول بها نظرية التناظر الفائق وتصادق عليها النظرية كالفويتنو، ولا شك أن اكتشاف الجسيمات المتناظرة سوف يشكّل فتحاً علمياً ضخماً، وسوف يدلل على أننا نسير في الاتجاه الصحيح، لكن لا يعني صحة النظرية. وإضافة إلى ذلك، فهناك أسئلة كبرى تعجز نظرية (M) على تفسيــرها في الوقـت الحالي، كحســاب كتلة الجسيمات وشدة القوى.
ثمة مبالغة في اسم “النظرية النهائية” وكأنها نظرية كل شيء. فلا ننخدع بهذا الاسم! إذ إن هناك مشكلات علمية كثيرة، وواضح جداً أنها بعيدة كل البُعد عن النظرية النهائية.

لا يزال الفيزيائيون من جميع أنحاء العالم يعملون دون توقف للوصول إلى النظرية النهائية التي تمنّعت على علماء الفيزياء في القرن العشرين، لكن الكون لا يزال يخبئ في جعبته كثير من المفاجآت لعلماء الفيزياء في القرن الحادي والعشرين إزاء بحثهم عن النظرية النهائية!

فنحن حتى هذه اللحظة، لا نعرف جميع القوى التي تتحكم في الكون. فالكون أصبح أكثر تعقيداً من الماضي، ورؤية العالم بأنه أوتار وأغشية متذبذبة في أحد عشر بعداً، له غموضه وسحره وجماله. لكن الكون أكبر من ذلك، وهذا ما يؤكِّده لنا العلم في كل يوم، فهناك تكهنات بوجود قوة خامسة أساسية! إضافة إلى وجود قوى غامضة لم نفهمها حتى الآن كالمادة المظلمة والطاقة المظلمة. وعلى هذا، ربما لا تكون هناك نظرية نهائية إطلاقاً، وستبقى النظرية النهائية كالسراب كلما اقترب منها الفيزيائيون ابتعدت عنهم! إن النظرية النهائية ليست بأكثر من مجموعة القوانين والمعادلات التي تصف الكون بدقة أكبر. وبحسب طبيعة العلم فإن البحث عن النظرية النهائية قدَّم لنا رؤية بديعة للكون وأسهم في تقدم علم الفيزياء كثيراً، وهذا أشبه بتطور علم الكيمياء نتيجة حلم الخيميائيين في الحصول على الذهب!
لقد أخطأ هوكنج وغيره في أننا سوف نحصل على النظرية النهائية قبل نهاية القرن العشرين. وما زال الفيزيائيون من جميع أنحاء العالم يعملون دون توقف للوصول إلى النظرية النهائية التي تمنّعت على علماء الفيزياء في القرن العشرين، لكن الكون ما زال يخبئ في جعبته كثيراً من المفاجآت لعلماء الفيزياء في القرن الحادي والعشرين إزاء بحثهم عن النظرية النهائية!