العلماء يقتربون من البعد الرابع

عبدالحكيم محمود – اليمن 

إن البعد الرابع هو البعد الذي قام باضافتة  العالم البرت اينشتاين Albert Einstein  في نظريته الشهيرة (النسبية الخاصةSpecial Relativity, ), والتي تخيل فيها أن الأبعاد الثلاثة المعروفة هي ليست ثلاثة أبعاد ولكنها أربعة بالإضافة إلى الزمن على اعتباره انه بعدا موجودا  في الكون وان لم يكن هو ذا البعد الذي من الممكن أن نشعر به .

وقد قامت النظرية النسبية الخاصة على هذا البعد الذي من الممكن وضعه في الاعتبار والذي غير من القياسات التقليدية  المتعارف عليها في الفيزياء العادية .

 وعلى هذا النحو فقد تخيل البرت انشتاين أن الزمن هو عامل محسوس في الأبعاد الثلاثة التي من الممكن تخيلها على أنها أبعاد رياضيه. قام العالم البرت انشتاين بإضافة الزمن كا حداثى فيزيائي جديد للقيام بتلك المعادلات الرياضية التي من الممكن استخدامها في الحسابات الكونية في الفضاء الخارجي.

ووفقا ل ( ويكبيديا Wikipedia) فان الحديث عن البعد الرابع  فإنما هو فلسفات ,وان كانت منطقية .  ولا يوجد أي إسناد علمي أو معادلات رياضية جبرية تؤيد البعد الرابع .

لكن نظرية الأوتار Superstring theory, التي تقول أن المادة مكونة  من أوتار صغيرة من الطاقة , والتي تعتبر القوى الكهرومغناطيسية والجاذبية كقوة واحدة  , تنطوي على وجود احد عشر بعدا (البعد السيني والبعد الصادي والبعد العيني إضافة إلى الزمن وسبعة أبعاد أخرى ) وهذه النظرية لازالت تحت التطوير ولم تثبت بعد .

نظرية الأوتار تقول إن عالمنا مكون من ثلاثة أبعاد متجاور مع عوالم متشابهة وهذا ما يكون البعد الرابع ,كما أن عالمنا ثلاثي الأبعاد يتكون من عوالم لانهائية ثنائية الأبعاد .

يأمل القائمون على نظرية الأوتار أن يتوصل العلم إلى إثبات  النظرية عن طريق تسريع جزيئين صغيرين (بروتونين) وعند تصادمهما ببعض سينتج عن هذا الاصطدام جزيئات أصغر من ضمنها الجسيم الافتراضي والذي أطلق علية اسم Graviton , والغرافيتون هو عبارة عن جسيم افتراضي بتأثير بالجاذبية وله خاصية وهي التنقل بين العوالم ثلاثية الأبعاد , فإذا اصطدم بروتين ونتج عن الاصطدام خروج الغرافيتون فأن ذلك سوف يثبت وجود  البعد الرابع .

أثبتت التجارب العلمية خاصة تلك المتعلقة بمعادلة انتشار الأمواج  انه لابد أن يكون للزمن بعدا رابعا لتفسير تلك المعادلة ولا ننسى أن معادلة انتشار الأمواج هي أصل معادلة شرودينغر Schrödinger equation التي أثارت ضجة في ميكانيكا الكم .

إذن المكان والزمان هما أصل لمعلم واحد رباعي الأبعاد يسمى معلم مينكوسكي زمكان , وفي هذا المعلم كل متغير فيزيائي يشتق بدلالة الأبعاد الأربعة  وليس فقط بدلالة الزمن كما كان معروفا في قوانين الميكانيكا الكلاسيكية .

كذلك في هذا المعلم الطاقة الحركية وزخم الحركة لهم أصل واحد وهو مقدار شعاعي رباعي الأبعاد بعدة الزماني هو الطاقة الحركية والمكاني هو زخم الحركة .

الاقتراب من البعد الرابع

يبدو أن الفيزياء  ستشهد ثورة جديدة  تأخذ بعدها انطلاقا من النظرية النسبية لأينشتاين  فخلال السنوات الأخيرة برزت العديد من الاكتشافات  والأبحاث المذهلة التي ستجعلنا على أعتاب فيزياء جديدة

فمازال أينشتاين ونظريته النسبية  التي وضعها في عام 1905 هي  أساسا لكل علوم الفيزياء الحديثة و التكنولوجيا المتقدمة  بل وتعتبر نظرية   النسبية من أعظم الإنجازات العلمية للعقل البشري خلال تاريخه على الأرض .

من تلك الأبحاث التي مازالت امتدادا لثورة النسبية في الفيزياء  هو ما توصل اليه العلماء البريطانيين في أبحاثهم حول المادة واكتشافاتهم في تحول أطوارها غير المعتادة والذي قدموا فيها تفسيرات  لشكل المادة في الحالات الثلاث : الصلبة والسائلة والغازية . والتي أدت إلى منحهم جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2016

وفي اتجاه الكشف عن الأسرار الغامضة في الفيزياء كانت أيضا جائزة نوبل للفيزياء للعام 2017  والتي منحت  لعلماء نجحوا في رصد الموجات الثقالية بمرصد الأمواج الثقالية بالليزر (ليغو) Laser Interferometer Gravitation –Wave Observatory (LIGO)والذي كان بمثابة التثبيت العملي للتنبؤات النظرية التي تنأ بها العالم الفيزيائي الشهير ألبرت أينشتاين Albert Einst قبل 100عام , وذلك من خلال نظريته الشهيرة  نظرية النسبية العامة  General Relativity والتي قال فيها : أن الضوء القادم من الأجرام السماوية عبارة عن موجات جانبية في (المنحنى الزمكاني) Sace-ime  والتي تنقل الطاقة عبر ما يسمى (الإشعاع الجاذبي) Gravitational  Radiation  وعلية فان موجات الجاذبية تحمل صفات الأجرام الكونية وأصل الكون الذي نعيش فيه .

وبناء على ما تقدم وانطلاقا مما توصل له علماء الفيزياء في عامي 2016 و 2017  أعلن العلماء في مطلع العام 2018 عن اقترابهم من معرفة البعد الرابع , حيت قامت مجموعتين بحثيتين في كل من  أمريكا وأوروبا  بإجراء دراستهما للكشف عن البعد الرابع حيث صمم الفريقان تجربتين كل منهما ذات بعدين  لتوليد مثال على مؤثر هول الكمي , الذي يحدد حركة الاليكترونات , التي ستمكنهما من   تصور هذه الاليكترونات وقياسها .

وكانت جامعة ولاية بنسلفانيا Pennsylvania State University  برئاسة البروفيسور مايكل ريختسمان Mikael Rechtsman  قد أعلنت نتائج دراستها في مقالة علمية نشرتها الدورية البريطانية العريقة نيتشر Nature .

لقد استند علماء الفيزياء في بحثيهما إلى المعلومات الواردة في البحث الذي نال  في العام 2016 جائزة نوبل، حيث قاموا بتشكيل بنى خاصة ثنائية الأبعاد باستخدام أشعة الليزر وأحرزوا نتائج تحاكي ظاهرة هول الكمية أو ظاهرة توصيل الغاز الإلكتروني ثنائي الأبعاد في الحقول المغناطيسية فائقة الشدة ودرجات الحرارة المنخفضة ,حيث  يتبدى مؤثر هول عادة في التخوم بين مادتين، حيث لا يمكن للالكترونات أن تتحرك إلا في بعدين اثنين. وحين يُسلَّط مجال مغناطيسي بزاوية 90 درجة على المستوى ذي البعدين، فإنه يغير سلوك الالكترونات التي تمر فيه. ويمكن الاستمرار في تغيير سلوكها بخفض درجة الحرارة وزيادة الفولتية في بيئتها فكلما زادت الفولتية والمجال المغناطيسي زاد الدور الذي يقوم به الميكانيك الكمي. السبب أن المجال المغناطيسي يولد قوة تؤثر بزوايا قائمة على اتجاه الحركة ـ قوة لورنز ـ تحرف مسار الالكترونات

وتعليقا على هذه التجربة قال الباحث مايكل ريختسمان من جامعة ولاية بنسلفانيا إنه “لا وجود لمنظومة مكانية رباعية الأبعاد فيزيائيًا، ولكننا نستطيع تطبيق فيزياء هول الكمية رباعية الأبعاد، مستخدمين هذه المنظومة البُعدية الأدنى، لأن المنظومة البُعدية الأعلى مشفرة في تعقيد البنية

وقال أيضا :

 أن العلماء يستطيعون “أن يأتوا بفيزياء جديدة في البعد الأعلى، ثم يصممون أجهزة تستثمر الفيزياء البُعدية الأعلى في أبعاد أدنى.”.

وبلغة القارئ العادي فان الأجسام ثلاثية الأبعاد تلقي ظلالا ثنائية الأبعاد، ما يسمح بتحديد أشكال تلك الأجسام. وأجرى العلماء حسابات معقدة دلت على أن الأجسام ثلاثية الأبعاد قد تكون ظلالا لأجسام رباعية الأبعاد.  

كما أضاف ريختسمان قائلا:

 أن العلماء اقتربوا إلى فهم الفضاء رباعي الأبعاد، مع العلم أن العالم المحيط بنا لديه 3 أبعاد. لكن عدد الأبعاد يمكن أن يزداد في عدد النماذج الفيزيائية. وعلى سبيل المثال فإن نظرية الأوتار الفائقة تفترض وجود 10 أبعاد مكانية.

أما علماء الفيزياء في مختبر “إنريكو فيرمي” الأمريكي فكانوا قد نشروا نتائج دراساتهم الرامية إلى البحث عن أدلة تفيد بوجود كون يمتلك عددا كبيرا من الأبعاد لكنهم اعترفوا أن هذه التجارب ما زالت حتى الآن بلا تطبيقات مفيدة، لكنّ الفيزيائيين يستطيعون أن يقولوا ليس نظريًا فحسب، بل ومختبريًا كذلك.

 إن ظواهر ذات الأربعة الأبعاد  أو أكثر يمكن أن تحدث في عالمنا الاعتيادي ذي الأبعاد الثلاثة. ومن الأمثلة على ذلك أشباه البلورات في الخلائط المعدنية التي تبدي أنماطًا منتظمة في ثلاثة أبعاد.

للمزيد من المعلومات :

https://www.nature.com/articles/nature25011

https://www.ancient-code.com/scientists-have-found-evidence-of-a-fourth-dimension/