ستار تريك: ما وراء الحدود النهائية

الفضاء الفرعي لستار تريك: اختصار كوني

رسوم متحركة من إنتاج LCARS للميجور هوارد "أدج" كاتلر، http://lcars.org.uk

في عالم ستار تريك، الفضاء الجزئي هو عالم خيالي يسمح للمركبات الفضائية بكسر حاجز سرعة الضوء، مما يتيح السفر بسرعة تفوق سرعة الضوء والتواصل الفوري. وهو يدعو إلى التكهن بكيفية تعامل الفيزياء الواقعية مع الأبعاد والظواهر الكمومية وبنية الواقع نفسها.

الواقع أحادي الأبعاد في عالم رباعي الأبعاد

فكرة أحادية البعد الواقع الموجود داخل كوننا رباعي الأبعاد يُبهر هذا الموضوع الفيزيائيين. ورغم أن سيناريوهات مثل الأوتار والأغشية الكونية في نظرية الأوتار تبدو افتراضية، إلا أنها تُؤخذ في الاعتبار، وإن كانت تواجه تحديات فيزيائية وعملية كبيرة.

الاحتمالات الرياضية للهياكل أحادية البعد

رياضيًا، يُمكن دمج هياكل ذات أبعاد أقل في فضاءات ذات أبعاد أعلى. ومن الأمثلة على ذلك: أوتار كونية والأغشية أحادية البعد، والتي تتفاعل مع استمرارية الزمكان الكاملة بدلاً من الوجود بشكل مستقل.

تحديات الحفاظ على واقع أحادي الأبعاد

يواجه إنشاء واقع أحادي البعد قابل للتطبيق تحدياتٍ مثل محدودية تعقيد الجاذبية والقيود الطوبولوجية. ونظرًا لارتباطه الوثيق بأبعاد أعلى، يصعب تصور كونٍ مستقل أحادي البعد.

الفوتونات: ربط العوالم الكلاسيكية والكمية

تتحدى الفوتونات التصنيف البسيط، إذ توجد كنقط كلاسيكية في الزمكان وإثارات المجال الكمي. توضح ازدواجيتها الحدود المعقدة بين الكلاسيكية الفيزياء والكم علم الميكانيكا.

النفق: قفزة نوعية تتجاوز الأبعاد

وفقا للإجماع الأكاديمي، الفوتون كمية يمثل النفق استكشاف المسار الاحتمالي، وليس التحولات البعدية. ميكانيكا الكم يظهر هذا الجانب الجسيمات تتفاعل من خلال الفراغ الكمومي، مما يسلط الضوء على الطبيعة غير المحلية.

المخالف: كيف؟ كل ما يقوله علماء الفيزياء الكمومية هو أن هناك معادلات احتمالية يمكنها التنبؤ بدقة بسلوك الفوتونات.

الفراغ الكمومي والأبعاد العليا

الإجماع: الفراغ الكمي هو يُنظر إليه عادةً على أنه كيان رباعي الأبعاد، على الرغم من تقترح النظريات المضاربة أبعادًا أعلى لربط ميكانيكا الكم بالجاذبية، إلا أن هذه الأفكار لا تزال غير مؤكدة.

المخالف: الآن، دعونا نكون واضحين: الأفكار غير المؤكدة هي "تي"كيان رباعي الأبعاد يُرى عادةً" وكذلك الأبعاد الأعلى أو الأدنى.

"أبعاد العودة"

الإجماع: ظواهر مثل التشابك و نتيجة النفق من الكم ميكانيكا المجال بدلاً من الأبعاد الخفية. تتصرف الفوتونات وفقًا للطبيعة الاحتمالية لنظرية المجال الكمومي، متحديةً القيود الكلاسيكية.

المخالف: لا يوجد دليل يُذكر على عدم وجود "أبعاد خفية". إذا كانت هذه "الأبعاد الخفية" مجرد استعارة لفهم ما يحدث في تجارب التشابك والنفق، فليكن.

لا يركز العلم في المقام الأول على فهم الآليات الأساسية للكون؛ بل إن هدفه هو تقديم تنبؤات بناءً على الملاحظات والاستفادة من هذه التنبؤات.

الآن، أليس من الرائع لو تمكن أحد من ابتكار تجربة لإظهار أن الأبعاد الخفية تلعب دورًا في تجارب الأنفاق الكمي والتشابك؟

الخيال يلتقي بالفيزياء

الفضاء الجزئي في ستار تريك افتراضي؛ فهو يعكس شوقنا لتجاوز الحدود المكانية. يقول الإجماع إن التعقيد الحقيقي للكون يكمن في الحقول الكمومية، مما يثبت أن الفيزياء ملهمة كمفتاح الباب.

المخالف: ما هو "المجال الكمومي"؟

ملاحظة الموجات المتلاشية

الموجة المتلاشية بالنسبة لجاذبية نيوتن هي مثل الموجة الراديوية بالنسبة لموجة الجاذبية

أمواج المحيط هي أمواج متلاشية

الموجة المتلاشية مقابل الجاذبية النيوتنية

الموجة المتلاشية: ظاهرة كهرومغناطيسية فريدة لا تنتشر، بل هي تأثير مجال قريب يتضاءل بشكل كبير مع المسافة، وتُلاحظ عادةً في حالات مثل الموجهات الموجية أو الانعكاس الداخلي الكلي.

الجاذبية النيوتونية: يصف هذا المفهوم مجالًا ثابتًا غير إشعاعي يتميز بتأثير فوري عن بُعد. ويعني ذلك عدم وجود تأخير أو سلوك موجي في كيفية انتقال قوى الجاذبية.

الاتصال: كلاهما الموجات المتلاشية والجاذبية النيوتنية توضح التفاعلات الموضعية غير الإشعاعية. والأهم من ذلك، أنها لا نقل الطاقة بشكل ديناميكي عبر الزمكان.


الموجات الراديوية مقابل الموجات الثقالية

الموجة الراديوية: هي موجة كهرومغناطيسية تنتشر عبر الفضاء (تعرف باسم الإشعاع المجالي البعيد) وتحمل الطاقة بسرعة الضوء.

الموجة الثقالية: وفقًا لنظرية النسبية العامة، تشير إلى تموجات في الزمكان تنتشر أيضًا وتحمل الطاقة بسرعة الضوء.

الارتباط: كل من الموجات الراديوية والموجات الثقالية هي ظواهر إشعاعية بعيدة المدى تحكمها معادلات الموجة - معادلات ماكسويل للموجات الراديوية ومعادلات أينشتاين للموجات الثقالية.


التوضيح: تتناقص أحجام الأمواج المتلاشية والمحيطية بشكل كبير مع زيادة المسافة.

معكرونة كونية: استكشاف مجازي لثنائية الموجة والجسيم والنفق

فيما يلي استعارات لنظرية الأوتار والفوتونات. تُستخدم الاستعارات عادةً لتوضيح المفاهيم الرياضية. ولكن ليست جميع الاستعارات متساوية.

راي، المفسر المتحمس:

دعونا نفهم هذا.
تُقدّم الاستعارات التالية أمثلةً خياليةً بدلًا من نماذج دقيقة لكيفية عمل الفوتونات، أو الأنفاق، أو الأبعاد الإضافية. فهي تمزج سمات ميكانيكا الكم بعناصر نظرية الأوتار التخمينية، ولا تعكس الفهم العلمي الحالي.

تخيل الفوتونات

بعد محاولة إيجاد نموذج بصري لفوتون يشبه النقطة أو الخط يُظهر نفقًا كميًا - وفشلي في هذه المحاولة - سأقول إن الفوتون، في حالته الطبيعية، يشبه كيانًا متعرجًا (دوارًا)، أشبه بسباغيتي كونية. ليس من النوع المرن الذي يُقدم كوجبة عشاء. بل هو... ال دينت نوعٌ ما، يتلوى في الفضاء رباعي الأبعاد برأسٍ وذيلٍ مثل ثعابين فضائية شديدة النشاط! مجازيًا، بالطبع.

يمتد جسم الفوتون المتعرج إلى البعدين الثالث والرابع. يشرح هذا النموذج جانب الجسيم النقطي (الرأس) وجانب الموجة (التعرجات) لثنائية الفوتون.

كورت، الواقعي المُحير:
هذا التصور مجازي ولا يتوافق مع أي نموذج مقبول في ميكانيكا الكم أو نظرية الأوتار. هل هذه هي نظريتك الكبرى عن النفق الكمي؟

شعاع:
الآن، عندما يصطدم هذا الفوتون بحاجز مادي، فإنه ينضغط إلى الصفر والبعد الأول، مثل بيضة تصطدم بجدار من الطوب بسرعة الضوء. تنبيه. لا تعرف الأبعاد صفرية البعد وأحادية البعد مكانًا أو زمانًا. هذا يُمكّن الفوتون من المرور عبر الأجسام الصلبة بشكل فوري تقريبًا (أسرع من الضوء).

إنها استعارة ووصف أنيق لشخص عادي.

كيرت:
إن وصف النفق بأنه "تأثير ضغط بُعدي" ينتج عنه عبور لحظي هو مجرد زخرف مجازي لا أساس له في الفيزياء المُعتمدة. لماذا لا نقول ببساطة إنهم يغشون؟ "عفواً، أيها الحاجز، أتسلل عبر بنيتك الذرية كشبح متأخر عن اليوغا—"

شعاع:
العلم يحتاج إلى دراما! ينضغط خط الفوتون المتعرج في البعد الأول - تخيّلوه كأسوأ فطيرة في الكون. لا مكان، لا زمان. لوطي. إنه يخترق الجدار. أسرع من الضوء، بدون سعرات حرارية.

كيرت:
وصفك للفوتون الذي اصطدم بجدار من الطوب كالبيضة جديد ولا يُشكل جزءًا من الفهم العلمي الحالي. ألم يُعاقبك الفيزيائيون على هذا؟

شعاع:
إنهم مشغولون جدًا بالجدال! ثلاثون عامًا يتجادلون حول ما إذا كانت "سرعة الطور" أم "سرعة الإشارة"، أو ما إذا كانت الإشارات قادرة على اختراق حاجز أسرع من الضوء. الأمر أشبه ببغائين يصرخان "سببية!" لبعضهما البعض. يقول العلماء "الجادون" إنه لا شيء، تحت أي ظرف من الظروف، يستطيع السفر أسرع من الضوء وينقل المعلومات.

في هذه الأثناء، الفوتونات موجودة، تومض من خلال الجدران كما لو أنها حصلت على تصريح دخول خاص إلى الواقع. ثنائية الموجة والجسيم هي حجر الزاوية في ميكانيكا الكم، وليس نظرية الأوتار. لقد أضفتُها إلى كليهما لأغراض التوضيح. ولهذا السبب تبدو الاستعارة منطقية في هذا السياق.

كيرت:
العبارة صحيحة بأن ثنائية الموجة والجسيم هي مفهوم من ميكانيكا الكم، واستدعاؤها في سياق نظرية الأوتار بالطريقة الموصوفة أمر استفزازي.

شعاع:
يمثل الاستعارة النفق باعتباره تأثير ضغط الأبعاد.

كيرت:
لا يوجد لهذا حاليًا أي أساس في نظرية الأوتار أو ميكانيكا الكم. "الضغط البعدي" - يبدو وكأنه علاقتي الأخيرة.

رسم توضيحي من ناسا للفوتونات. يبدو مثل الشرغوف (أفترض أن الفوتون عالي الطاقة يدور أسرع).

شعاع:
في هذا الرسم التوضيحي من ناسا، يحمل فوتون واحد (بنفسجي) طاقةً تفوق طاقة فوتون آخر (أصفر) بمليون مرة. ناسا بارعة في فنون الخيال العلمي. "ها هو فوتون أرجواني، أقوى بمليون مرة! إنه..." الموقف.'

كيرت:
يبدو أن رسوم ناسا التوضيحية تهدف إلى تبسيط النقاش وتحفيزه؛ فلا ينبغي اعتبارها وصفًا حرفيًا لسلوك الفوتونات في نظريات الفيزياء المتقدمة. العلم يتكون من 5% معادلات، و95% إقناع الناس بأن الكون مجرد رسم كاريكاتوري يستخدم الاستعارات.

شعاع:
لذا فإن النفق هو مجرد... انتقال كوني عبر أزمة وجودية؟

كيرت:
بالضبط! الخوف الوجودي للفوتون يُحوّله إلى نقطة. من أنا؟ أين الزمن؟ وبام - إنه من خلال الحاجز. الوجودية: ١، الفيزياء: ٠. وإلا، فسنضطر لشرحها بـ الرياضيات.  ولا أحد يريد ذلك.

الراوي (الصوت العميق):
وهكذا تظل ألغاز ميكانيكا الكم قائمة.
لكن على الأقل اتفق الجميع على أن الاستعارات تحتاج إلى زيادة.

هل يمكن أن تنتقل المعلومات أسرع من الضوء؟

عندما لا يوجد زمان، لا يوجد مكان (والعكس صحيح). إن مفهوم الحركة أسرع من الضوء يُشكِّل تحديًا لفهمنا للزمان والمكان.

...من منظور الفوتون، الزمن غير موجود. بسرعة الضوء، يصرخ الزمن: "قف!". لا يهم إن كانت الفوتونات تتحدث الألمانية أم لا. المهم هو: "عندما لا يوجد زمن، لا يوجد مكان".

صورة: صورة ثلاثية الأبعاد للفوتونجامعة وارسو

من ادعاءات غونتر نيمتز بشأن النفق الكمي أن عملية النفق الكمي تحدث أسرع من الضوء. ويتفق معظم الفيزيائيين مع هذا الادعاء؛ فعلى سبيل المثال، صرّح أفرايم شتاينبرغ بأن نتائج النفق الكمي "تفوق سرعة الضوء بكثير". وينبع هذا الجدل من اقتراح نيمتز بأن الإشارة يمكن أن تنتقل أسرع من الضوء، وهو ما يمكن لأي شخص سماعه، مما يتحدى نظرية عدم الاتصال. https://en.wikipedia.org/wiki/No-communication_theorem .

تُعتبر فكرة الاتصال الأسرع من الضوء (FTL) من المحرمات في الفيزياء، ويُنسب ذلك إلى مجموعة "الفيزياء الأساسية" من جامعة برينستون في سبعينيات القرن الماضي. هذه المجموعة من "الفيزيائيين" الهيبيين، الذين أجروا تجارب على المواد المخدرة والسحر، طوروا "نظرية انعدام الاتصال".

لذا، من ناحية أخرى، يتفق علماء الفيزياء على أن الجسيمات يمكن أن تتحرك في نفق كمي أسرع من الضوءبينما من ناحية أخرى، يؤكدون أن هذه الظاهرة لا يمكن استخدامها لنقل المعلومات. ومع ذلك، يثير هذا السؤال: إذا كنا قادرين على إدراك مثل هذه الإشارات، فكيف يتوافق هذا مع الحدود الموضوعة للإدراك؟ التواصل في الفيزياء?

ومن المثير للاهتمام أن إيفرايم شتاينبرغ من جامعة تورنتو أطلق على النفق الكمي اسم "السرعة الفائقة للضوء":

لقد قام بقياس ذلك باستخدام "ساعات لارمور"، وهي طريقة مختلفة للقول بأنه قام بقياس دوران الفوتونات قبل وبعد دخول النفق.

وبالتالي، he نقل موضع دوران الفوتون بسرعة تفوق سرعة الضوء. كيف لا يُعد هذا "نقل معلومات"؟ قام بنقل معلومات حول حالة الفوتون، وقام بقياس تغيره بعد السفر بسرعة تفوق سرعة الضوء عبر النفق الكمومي. ألم يخالف نظرية عدم التواصل؟ ولماذا يُسمح له بنقل المعلومات حول دوران الفوتون بسرعة تفوق سرعة الضوء، بينما لا يستطيع نيمتز من جامعة كولونيا نقل الموجات المعدلة AM بسرعة موزارت?

نظرية الأوتار المبسطة

لتبسيط الأمر، وصفتُ الفوتون بأنه كيان كمي، أو نقطة، أو غشاء صفري البعد. كلمة "غشاء" مشتقة من كلمة "غشاء"، وقد أغفل الفيزيائيون الذين وضعوا نظرية الأوتار كلمة "ميم". عندما يمر الفوتون بنفق، يتصرف كوتر أحادي البعد. الوتر أحادي البعد هو غشاء أحادي البعد، لكن الفيزيائيين الذين وضعوا نظرية الأوتار رأوا أنه من الأفضل تسميته باسم مختلف. أعتقد ذلك.

NerdBoy1392، CC BY-SA 3.0https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0> ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

لذا، في سياقي البعد الصفري والبعد الأحادي، لا وجود لمفهومي الزمان والمكان كما نعرفهما. نحتاج إلى البعد الرابع لنحصل على الزمان والمكان. ما فعلته هنا هو توضيح ثنائية الجسيم/الموجة.

لا يتشابه تبسيطي كثيرًا مع نظرية الأوتار "الحقيقية". أسميتها "نظرية الأوتار" لأن نقطتين (فوتونين) متصلتين بخط تبدوان كخيط. يمكن أن يكون الخيط موجة، بينما تكون النقطة جسيمًا.

علاوة على ذلك، هناك ادعاء شائع مفاده أن "في ميكانيكا الكم، توجد الجسيمات في الزمكان." من وجهة نظرنا، يوجد فوتون بالتأكيد في الزمكان أثناء انتقاله من النقطة أ إلى النقطة ب.

ومع ذلك، من منظور الفوتون، لا وجود للزمن. بسرعة الضوء، يُنادي الزمن: "توقف!". وسواءٌ أكانت الفوتونات تتحدث الألمانية أم لا، فهذا أمرٌ غير ذي صلة. المهم هو: "عندما لا يوجد زمان، لا يوجد مكان".

وهذا يتفق مع تمدد الزمن عند c.

--------

رأي ثانٍ: "وجهة نظر الفوتون"

بقلم ستيف نيرليش (حاصل على درجة الدكتوراه)، مدير وحدة البحث والتحليل الدولية، أستراليا

"نظرة على الفوتونات" بقلم كريستوفر فيتالي من شركة نيتوركلوجيز ومعهد برات

من وجهة نظر الفوتون، يُصدر ثم يُعاد امتصاصه آنيًا. وينطبق هذا على الفوتون المنبعث من نواة الشمس، والذي قد يُعاد امتصاصه بعد قطع مسافة جزء من المليمتر. وينطبق الأمر نفسه على الفوتون الذي، من وجهة نظرنا، قد... سافرت لأكثر من 13 مليار سنة بعد انبعاثه من سطح أحد أوائل نجوم الكون. لذا يبدو أن الفوتون لا يختبر مرور الزمن فحسب، بل لا يختبر مرور المسافة أيضًا.
نهاية الاقتباس

يتبع الفوتون مسارًا جيوديسيًا صفريًا؛ وهو المسار الذي تتبعه الجسيمات عديمة الكتلة. ولذلك يُسمى "صفرًا"؛ ففاصله (مسافه في الزمكان رباعي الأبعاد) يساوي صفرًا، وليس له زمن محدد.


الفرق بين نظرية الأوتار المبسطة ونظرية الأوتار "الحقيقية"

في نظرية الأوتار الحقيقية، أي جسيم، في أي وقت، هو وتر. في نسختي المبسطة، الجسيم الذي يتبع مسارًا جيوديسيًا صفريًا، لا يتأثر بالجاذبية أو أي نوع من المجالات، هو نقطة ذات بُعد صفري.

نظرية الأوتار "الحقيقية" مقابل النسخة المبسطة

لا يكتسب الجسيم (الفوتون) البُعد الأول إلا بتفاعله مع المجالات الخارجية، سواءً كانت جاذبية أو كهرومغناطيسية أو أجسامًا. يتباطأ الفوتون، فيصبح "وترًا". طول هذا الوتر مماثل لتباطؤه و"طول" موجته المحتمل.

لذا، فإن فوتونًا عالي الطاقة جدًا، على سبيل المثال في طيف أشعة غاما، هو "خيط" قصير نسبيًا، مما يُترجم إلى طول موجي قصير. والخيط القصير يُنتج أطوالًا موجية قصيرة.

إذا تباطأ الفوتون أكثر، على سبيل المثال، باصطدامه بالغلاف الجوي الكثيف لكوكب ما، فإنه يصبح أطول ويمكنه التعبير عن طول موجي للأشعة تحت الحمراء. تُنتج سلسلة الفوتونات الأطول أطوالًا موجية أطول، وتتفاعل بشكل مختلف مع بيئتها.

وهو المطلوب

A وجهة نظر الفوتون (أرشيف)
https://web.archive.org/web/20240423185232/https://phys.org/news/2011-08-photons-view.html

A وجهة نظر الفوتون
https://phys.org/news/2011-08-photons-view.html

صور منشأة بالذكاء الاصطناعي
يسار: صورة ثلاثية الأبعاد لفوتون واحد، جامعة وارسو
https://geometrymatters.com/hologram-of-a-single-photon/