فلسفة الفيزياء

في الميكانيكا الكلاسيكية، يُعتبر الزمن كمية أساسية (أي كمية لا يمكن تعريفها بدلالة كميات أخرى). مع ذلك، تزعم بعض النظريات، مثل جاذبية الكم الحلقية، أن الزمكان ناشئ. وكما قال كارلو روفيللي ، أحد مؤسسي جاذبية الكم الحلقية: "لا مزيد من الحقول على الزمكان، بل حقول على حقول فقط". ^{[ 2 ]} يُعرَّف الزمن عن طريق القياس، من خلال فاصله الزمني القياسي. حاليًا، يُعرَّف الفاصل الزمني القياسي (المسمى " الثانية التقليدية"، أو ببساطة "الثانية") بأنه 9,192,631,770 ذبذبة لانتقال فائق الدقة في ذرة السيزيوم -133 ( ISO 31-1 ). ويستنتج من التعريف السابق ماهية الزمن وكيفية عمله . ويمكن بعد ذلك دمج الزمن رياضيًا مع الكميات الأساسية للمكان والكتلة لتعريف مفاهيم مثل السرعة ، والزخم ، والطاقة ، والحقول .

اعتقد كل من إسحاق نيوتن وجاليليو جاليلي ، ^{[ 3 ]} وكذلك معظم الناس حتى القرن العشرين، أن الزمن واحد للجميع في كل مكان. ^{[ 4 ]} يستند المفهوم الحديث للزمن إلى نظرية النسبية لألبرت أينشتاين ونظرية الزمكان لهيرمان مينكوفسكي ، حيث تختلف معدلات الزمن باختلاف الأطر المرجعية العطالية، ويندمج المكان والزمان في الزمكان . تشير النسبية العامة لأينشتاين، بالإضافة إلى الانزياح الأحمر للضوء القادم من المجرات البعيدة، إلى أن الكون بأكمله ، وربما الزمكان نفسه، بدأ قبل حوالي 13.8 مليار سنة في الانفجار العظيم . جعلت نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين، في الغالب (وإن لم يكن بشكل عام)، نظريات الزمن التي تفترض وجود شيء مميز ميتافيزيقيًا في الحاضر تبدو أقل منطقية، إذ يبدو أن اعتماد الزمن على الإطار المرجعي لا يسمح بفكرة وجود لحظة حاضرة مميزة.

يُعدّ الفضاء أحد الكميات الأساسية القليلة في الفيزياء، ما يعني أنه لا يمكن تعريفه بواسطة كميات أخرى لعدم وجود ما هو أكثر جوهرية منه معروف حاليًا. لذا، وكما هو الحال مع تعريف الكميات الأساسية الأخرى (كالزمن والكتلة ) ، يُعرَّف الفضاء عن طريق القياس. حاليًا، تُعرَّف المسافة الفضائية القياسية، والتي تُسمى المتر القياسي أو ببساطة المتر، بأنها المسافة التي يقطعها الضوء في الفراغ خلال فترة زمنية قدرها 1/299792458 من الثانية (بالضبط).

في الفيزياء الكلاسيكية ، يُعرَّف الفضاء بأنه فضاء إقليدي ثلاثي الأبعاد، حيث يمكن وصف أي موقع باستخدام ثلاثة إحداثيات وتحديده بالزمن. أما النسبية الخاصة والعامة فتستخدمان الزمكان رباعي الأبعاد بدلاً من الفضاء ثلاثي الأبعاد؛ ويوجد حاليًا العديد من النظريات النظرية التي تستخدم أكثر من ثلاثة أبعاد مكانية.

مبدأ عدم اليقين هو علاقة رياضية تؤكد وجود حد أقصى لدقة القياس المتزامن لأي زوج من المتغيرات المترافقة ، مثل الموضع والزخم. في صيغة تدوين المؤثرات ، يُمثل هذا الحد قيمة مُبدِّل المؤثرات المُقابلة للمتغيرات.

نشأ مبدأ عدم اليقين كإجابة على السؤال التالي: كيف يمكن قياس موقع الإلكترون حول النواة إذا كان الإلكترون موجة؟ عندما تم تطوير ميكانيكا الكم، تبين أنها علاقة بين الوصف الكلاسيكي والكمي للنظام باستخدام ميكانيكا الموجة.

نظرية بيل مصطلح يشمل عددًا من النتائج المترابطة في الفيزياء، والتي تُحدد جميعها عدم توافق ميكانيكا الكم مع نظريات المتغيرات الخفية المحلية، وذلك في ضوء بعض الافتراضات الأساسية حول طبيعة القياس. تشير كلمة "محلي" هنا إلى مبدأ المحلية ، أي فكرة أن الجسيم لا يتأثر إلا بمحيطه المباشر، وأن التفاعلات التي تتوسطها الحقول الفيزيائية لا يمكن أن تنتشر بسرعة تفوق سرعة الضوء . أما " المتغيرات الخفية " فهي خصائص افتراضية للجسيمات الكمومية غير مُدرجة في النظرية، ولكنها مع ذلك تؤثر على نتائج التجارب. وكما قال الفيزيائي جون ستيوارت بيل ، الذي سُميت هذه المجموعة من النتائج باسمه: "إذا كانت [نظرية المتغيرات الخفية] محلية، فلن تتفق مع ميكانيكا الكم، وإذا اتفقت معها، فلن تكون محلية". ^{[ 6 ]}

يُستخدم هذا المصطلح على نطاق واسع للإشارة إلى عدد من الاشتقاقات المختلفة، أولها ما قدمه بيل في ورقة بحثية عام 1964 بعنوان "حول مفارقة أينشتاين وبودولسكي وروزن ". جاءت ورقة بيل ردًا على تجربة فكرية طرحها ألبرت أينشتاين وبوريس بودولسكي وناثان روزن عام 1935 ، حيث جادلوا بأن فيزياء الكم نظرية "ناقصة". ^{[ 7 ] [ 8 ]} وبحلول عام 1935، كان من المسلّم به أن تنبؤات فيزياء الكم احتمالية . قدّم أينشتاين وبودولسكي وروزن سيناريو يتضمن تحضير زوج من الجسيمات بحيث تكون حالتهما الكمومية متشابكة ، ثم فصل الجسيمات إلى مسافة كبيرة كيفما كانت. ويملك المجرب خيارات متعددة من القياسات التي يمكن إجراؤها على أحد الجسيمات. عندما يختار الجسيم الأول قياسًا ويحصل على نتيجة، يبدو أن الحالة الكمومية للجسيم الثاني تنهار لحظيًا إلى حالة جديدة تبعًا لتلك النتيجة، بغض النظر عن بُعد الجسيم الآخر. يشير هذا إلى أن قياس الجسيم الأول قد أثر بطريقة ما على الجسيم الثاني بسرعة تفوق سرعة الضوء، أو أن الجسيمات المتشابكة تمتلك خاصية غير مقاسة حددت مسبقًا حالاتها الكمومية النهائية قبل انفصالها. لذلك، وبافتراض مبدأ الموضعية، لا بد أن تكون ميكانيكا الكم غير مكتملة، إذ لا يمكنها تقديم وصف كامل للخصائص الفيزيائية الحقيقية للجسيم. بعبارة أخرى، لا بد أن تحمل الجسيمات الكمومية، مثل الإلكترونات والفوتونات ، بعض الخصائص أو السمات غير المشمولة في نظرية الكم، وبالتالي فإن الشكوك في تنبؤات نظرية الكم ستكون ناتجة عن الجهل بهذه الخصائص أو عدم إمكانية معرفتها، والتي تُسمى لاحقًا "المتغيرات الخفية".

واصل بيل تحليل التشابك الكمومي بشكل معمق. فقد استنتج أنه إذا أُجريت القياسات بشكل مستقل على الجسيمين المنفصلين في زوج متشابك، فإن افتراض اعتماد النتائج على متغيرات خفية داخل كل نصف يفرض قيدًا رياضيًا على كيفية ارتباط نتائج القياسين. عُرف هذا القيد لاحقًا باسم متباينة بيل . ثم بيّن بيل أن الفيزياء الكمومية تتنبأ بارتباطات تُخالف هذه المتباينة. وبالتالي، فإن الطريقة الوحيدة التي يمكن للمتغيرات الخفية من خلالها تفسير تنبؤات الفيزياء الكمومية هي أن تكون "غير محلية"، أي أن الجسيمين يمكنهما بطريقة ما حمل ارتباطات غير كلاسيكية بغض النظر عن مدى تباعدهما. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

طُرحت عدة صيغ مختلفة لنظرية بيل في السنوات اللاحقة، مُدخلةً شروطًا أخرى وثيقة الصلة تُعرف عمومًا باسم متراجحات بيل (أو "من نوع بيل"). أُجريت أول تجربة بدائية لاختبار نظرية بيل عام 1972 على يد جون كلاوزر وستيوارت فريدمان . ^{[ 11 ]} ومنذ ذلك الحين، أُجريت تجارب أكثر تطورًا، تُعرف مجتمعةً باسم اختبارات بيل ، مرات عديدة. وحتى الآن، أثبتت اختبارات بيل باستمرار أن الأنظمة الفيزيائية تخضع لميكانيكا الكم وتُخالف متراجحات بيل؛ أي أن نتائج هذه التجارب لا تتوافق مع أي نظرية للمتغيرات الخفية المحلية. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

لقد ناقش الفيزيائيون والفلاسفة الطبيعة الدقيقة للافتراضات اللازمة لإثبات قيد من نوع بيل على الارتباطات. وبينما لا شك في أهمية نظرية بيل، فإن آثارها الكاملة على تفسير ميكانيكا الكم لا تزال غير محسومة.

في مارس 1927، وخلال عمله في معهد نيلز بور ، صاغ فيرنر هايزنبرغ مبدأ عدم اليقين، واضعًا بذلك حجر الأساس لما عُرف لاحقًا بتفسير كوبنهاغن لميكانيكا الكم. كان هايزنبرغ يدرس أبحاث بول ديراك وباسكوال جوردان ، واكتشف مشكلة في قياس المتغيرات الأساسية في المعادلات. أظهر تحليله أن حالات عدم اليقين، أو عدم الدقة، تظهر دائمًا عند محاولة قياس موضع وزخم جسيم في الوقت نفسه. وخلص هايزنبرغ إلى أن حالات عدم اليقين أو عدم الدقة هذه في القياسات ليست خطأ المجرب، بل هي أساسية في طبيعتها، وهي خصائص رياضية متأصلة في المؤثرات في ميكانيكا الكم، ناشئة عن تعريفات هذه المؤثرات. ^{[ 14 ]}

تفسير كوبنهاغن غير محدد بدقة، إذ طرح العديد من الفيزيائيين وفلاسفة الفيزياء آراءً متشابهة، وإن لم تكن متطابقة، حول ميكانيكا الكم. ويرتبط هذا التفسير بشكل أساسي بهايزنبرغ وبور، على الرغم من اختلافاتهما الفلسفية. ^{[ 15 ] [ 16 ]} تشمل السمات المشتركة لتفسيرات كوبنهاغن فكرة أن ميكانيكا الكم غير حتمية بطبيعتها، حيث تُحسب الاحتمالات باستخدام قاعدة بورن ، ومبدأ التكاملية ، الذي ينص على أن للأجسام أزواجًا معينة من الخصائص المتكاملة التي لا يمكن ملاحظتها أو قياسها جميعًا في آن واحد. ^{[ 17 ]} علاوة على ذلك، فإن عملية "ملاحظة" أو "قياس" جسم ما لا رجعة فيها، ولا يمكن إسناد أي حقيقة إلى جسم ما إلا وفقًا لنتائج قياسه . ترى تفسيرات كوبنهاغن أن الأوصاف الكمومية موضوعية، بمعنى أنها مستقلة عن أي عوامل اعتباطية في ذهن الفيزيائي. ^{[ 18 ] : 85-90}

يدّعي تفسير هيو إيفريت الثالث لميكانيكا الكم، القائم على نظرية العوالم المتعددة ، أن الدالة الموجية لنظام كمومي تُخبرنا بمعلومات حول حقيقة ذلك النظام الفيزيائي. وينفي هذا التفسير انهيار الدالة الموجية، ويؤكد على ضرورة تفسير حالات التراكب حرفيًا بوصفها وصفًا لحقيقة العوالم المتعددة التي تتواجد فيها الأجسام، وليس مجرد إشارة إلى عدم حتمية تلك المتغيرات. ويُطرح هذا أحيانًا كنتيجة طبيعية للواقعية العلمية ^{[ 19 ]} ، التي تنص على أن النظريات العلمية تهدف إلى تقديم أوصاف دقيقة للعالم.

إحدى المشكلات التي تواجه تفسير إيفريت هي دور الاحتمال في هذا التفسير. فالتفسير الإيفريتي حتمي تمامًا، بينما يبدو أن للاحتمال دورًا لا غنى عنه في ميكانيكا الكم. ^{[ 20 ]} وقد جادل الإيفريتيون المعاصرون بأنه يمكن التوصل إلى تفسير للاحتمال يتبع قاعدة بورن من خلال بعض البراهين النظرية المتعلقة بالقرار، ^{[ 21 ]} ولكن لا يوجد حتى الآن إجماع حول مدى نجاح أي من هذه البراهين. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

لاحظ الفيزيائي رولاند أومنيس أنه من المستحيل تجريبياً التمييز بين وجهة نظر إيفريت، التي تقول إنه مع تفكك الدالة الموجية إلى عوالم متميزة، يوجد كل منها على قدم المساواة، وبين وجهة النظر التقليدية التي تقول إن الدالة الموجية المتفككة لا تُنتج إلا نتيجة حقيقية فريدة واحدة. ومن ثم، فإن الخلاف بين وجهتي النظر يُمثل "هوة" سحيقة. "لقد ظهرت كل سمة من سمات الواقع في إعادة بنائه بواسطة نموذجنا النظري؛ كل سمة باستثناء واحدة: تفرد الحقائق." ^{[ 25 ]}

اعتبرت الفيزياء الأرسطية الكون كرةً ذات مركز. والمادة، المؤلفة من العناصر الكلاسيكية : التراب والماء والهواء والنار، تسعى إلى النزول نحو مركز الكون، أي مركز الأرض، أو الصعود بعيدًا عنه. أما الأجرام السماوية كالقمر والشمس والكواكب والنجوم، فتدور حول مركز الكون. ^{[ 26 ]} ويُعرَّف التحرك بأنه تغير في المكان، ^{[ 26 ]} أي الفضاء. ^{[ 27 ]}

تم استبدال البديهيات الضمنية للفيزياء الأرسطية فيما يتعلق بحركة المادة في الفضاء في الفيزياء النيوتونية بقانون نيوتن الأول للحركة . ^{[ 28 ]}

كل جسم يبقى على حالته إما من السكون أو من الحركة المنتظمة في خط مستقيم، إلا إذا أجبر على تغيير حالته بفعل قوى خارجية.

يشمل مصطلح "كل جسم" القمر والتفاحة، ويشمل جميع أنواع المادة، الهواء والماء، والحجارة، وحتى اللهب. لا شيء له حركة طبيعية أو ذاتية. ^{[ 29 ]} الفضاء المطلق هو فضاء إقليدي ثلاثي الأبعاد ، لانهائي وبدون مركز. ^{[ 29 ]} تعني حالة "السكون" التواجد في نفس المكان في الفضاء المطلق عبر الزمن. ^{[ 30 ]} يجب أن تسمح طوبولوجيا الفضاء وبنيته الأفينية بالحركة في خط مستقيم بسرعة منتظمة؛ وبالتالي ، يجب أن يكون لكل من المكان والزمان أبعاد محددة وثابتة . ^{[ 31 ]}

كان غوتفريد فيلهلم لايبنتز (1646-1716) معاصرًا لنيوتن. وقد أسهم إسهامًا كبيرًا في علم السكون وعلم الحركة اللذين ظهرا في عصره، وغالبًا ما اختلف مع ديكارت ونيوتن . وضع لايبنتز نظرية جديدة للحركة ( الديناميكا ) قائمة على الطاقة الحركية والطاقة الكامنة ، والتي افترضت أن الفضاء نسبي، بينما كان نيوتن مقتنعًا تمامًا بأن الفضاء مطلق. ومن الأمثلة المهمة على نضج فكر لايبنتز الفيزيائي كتابه " نموذج الديناميكا " (Specimen Dynamicum) الصادر عام 1695. ^{[ 32 ]}

قبل اكتشاف الجسيمات دون الذرية وميكانيكا الكم التي تحكمها، لم يكن للعديد من أفكار لايبنتز التأملية حول جوانب الطبيعة التي لا يمكن اختزالها إلى السكون والديناميكا معنى يذكر.

لقد سبق ألبرت أينشتاين بالقول، خلافاً لنيوتن، إن المكان والزمان والحركة نسبية وليست مطلقة: ^{[ 33 ]} "أما بالنسبة لرأيي الشخصي، فقد قلت أكثر من مرة، إنني أعتبر المكان شيئاً نسبياً فحسب، كما هو الحال مع الزمان، وأنني أعتبره نظاماً من التعايشات، كما أن الزمان نظام من التتابعات." ^{[ 34 ]}