التآثرات الأساسية في الكون

تاثرات اساسيه في كون

Fundamental interactions in Univers -

التآثرات الأساسيّة في الكون

المادة وتآثراتها والقوى الرابطة بين أجزائها

القوى الرئيسيّة الأربع

حوامِل القوى والحقول وتآثراتها الافتراضية Force carriers, fields and virtual interactions

مقدمة لتوحيد القوى

نضال شمعون

تتناول التآثرات الأساسية في الكون fundamental interactions in the universe تأثّر أجزاء المادة بأجزائها الأخرى صغرت هذه الأجزاء أم كبرت، ومن ثمّ فهي تتناول القوى التي تربط أجزاءها بعضها ببعض ووسطاء هذا الربط.

المادة وتآثراتها والقوى الرابطة بين أجزائها

افترض اليونانيون القدامى أن الكون مؤلّف من مكونات صغيرة جداً غير قابلة للتجزئة، سمّوها الذرات atoms؛ أي الجزء الذي لا يتجزأ، وخمّنوا أن الكون بكل ما فيه يُبنى من عدد محدود جداً من هذه الوحدات العنصرية الأساسية. وكان تخمينهم صائباً نوعاً ما؛ إذ توصل العلماء في القرن التاسع عشر إلى الاستنتاج أن المادة الملفاة في الكون على شكل عناصر مثل الأكسجين والكربون (ومركّبات من هذه العناصر)؛ تتكون من وحدات أساسية -حافظوا على إطلاق اسم الذرات عليها- ولكنها تقبل التجزئة حيث تم وضع النموذج الذري، الشبيه بالنظام الشمسي، وفيه تتكون الذرة من نواة nucleus، تضم نكليونات nucleons (بروتونات protons ونترونات neutrons)، تدور حولها إلكترونات electrons على مدارات محدّدة.

ظن الفيزيائيون مدة طويلة أن هذه البروتونات والنترونات والإلكترونات هي الوحدات التي لا يمكن تجزئتها، غير أن تجارب لاحقة أجريت في المسرّعات accelerators بيَّنت أن البروتونات والنترونات ليست جسيمات أساسية عنصرية، بل إنها تتكون من وحدات أصغر منها هي الكواركات quarks. وأظهرت هذه التجارب أن هناك ستّة أنواع من الكواركات سُمّيت العلوي up (u) والسفلي down (d) والفاتن charm (c) والغريب strange (s) والذروي top (t) والقعري (b) bottom؛ فالبروتون يتكون من كواركين علويّين وكوارك سفلي، في حين يتكون النترون من كواركين سفليّين وكوارك علوي، وهكذا يمكن معرفة بقية بنية الجسيمات الأخرى المعروفة. هناك جسيم أساسي آخر هو النترينو neutrino، كان الفيزيائي النظري النمساوي (الأصل) السويسري وولفغانغ باولي Wolfgang Ernst Pauli قد تنبأ بوجوده في مطلع الثلاثينيات، ولكن تأكيد ذلك كان في غاية الصعوبة؛ لأنّه جسيم "شبحي" قلّ ما يتفاعل مع مكوّنات المادة الأخرى. وكذلك اكتشف الفيزيائيون خلال دراستهم الأشعة الكونية في أوائل الثلاثينيات جسيماً آخر سمّوه الميون muon، وهو مثل الإلكترون شحنة؛ بيد أنه أثقل منه بنحو 400 مرّة، ثم وجدوا قريباً آخر للإلكترون أثقل من الميون، سمّوه التاو tau. ووجدوا كذلك جسيمين آخرين تشبه خصائصُهما خصائصَ النترينو ، وأسموهما لذلك نترينو الميون muon-neutrino ونترينو التاو tau-neutrino تمييزاً لهما من النترينو الأصلي الذي أصبح يعرف بنترينو الإلكترون electron-neutrino.

ووجد أيضاً أن لكلٍّ من هذه الجسيمات قريناً مضاداً antiparticle، يماثله في كتلته ويعاكسه في شحنته الكهربائية. (وقد يتعاكسان بشحنات أخرى ترافق أنواعاً أخرى من القوى)؛ فللبوزيترون positron مثلاً -وهو مضاد الإلكترون- كتلة الإلكترون وشحنة مقدارها (+1)، في حين أن شحنة الإلكترون تساوي (-1). وعند اصطدام الجسيمات بمضاداتها يفني واحدُها الآخرَ وتتحرر طاقة، وهو ما يفسر ندرة وجود الجسيمات المضادة في الكون.

تعرّف الفيزيائيون في هذه الجسيمات نمطاً تناظرياً، يبدو من خلال معطيات الجدول (1)، حيث صنّفت ما بين ثلاث زمر groups، تعرف عادة بالعائلات families، في كل واحدة منها كواركان وإلكترون، أو أحد قرينيه، وواحد من النترينُوات الثلاثة. تتشابه هذه الوحدات في خصائصها فيما بين العائلات الثلاث باستثناء كتلتها التي تزداد من عائلة إلى أخرى. كما بيّنوا أن كل ما في الكون من أشياء يتكون من تركيبات من جسيمات هذه العائلات الثلاث ومن مضاداتها.

القوى الرئيسيّة الأربع

تمكن العلماء خلال القرن الأخير من جمع دلالات تشير إلى أن التأثيرات المتبادلة بين مختلف الأشياء التي تحدث في الكون، وأيّاً كانت طبيعة المواد المتفاعلة تُردّ إلى تركيبات لأربعة أنواع من القوى هي: قوة الثقالة (الجاذبية) gravitational force، والقوة الكهرطيسية electromagnetic force، والقوة النووية الضعيفة weak nuclear force، والقوة النووية الشديدة strong nuclear force.

تعدّ قوة الثقالة الأكثر شيوعاً بين هذه القوى، فهي المسؤولة عن بقاء كوكب الأرض في مداره حول الشمس، وهي ما تتيح للإنسان الوقوف على سطح الأرض. وتعد كتلة جسم ما مقياساً لقوة الثقالة التي يؤثر بها هذا الجسم أو يتأثر بها في تآثره مع أجسام أخرى، وهي القوة المسيطرة بين النجوم والمجرات في الكون. يلي هذه القوةَ شيوعاً وانتشاراً القوةُ الكهرطيسية التي يرجع إليها الفضل في التمتع بمنجزات الكشوف الحديثة من الكهرباء التي يُرى أثرها في أجهزة الإنارة وأجهزة التلفاز والهاتف والحواسيب، ويمكن أن تردّ إليها الروابط الكيميائية جميعها. تشمل شدة هذه القوة طيفاً واسعاً، فهي في الأثر الهائل للعواصف الرعدية كما هي في الأثر اللطيف لمداعبةٍ باللمس؛ تقوم الشحنة الكهربائية التي يحملها جسم ما - في هذه القوة - بالدور ذاته الذي تقوم به كتلة هذا الجسم بالنسبة إلى قوة الثقالة، فهي تدل على شدة التأثير الكهرطيسي الذي يتبادله مع أجسام أخرى.

أما القوتان الأساسيتان الأخريان فلا يُحَسُّ بهما في الحياة اليومية؛ لأن مداهما لا يتعدى الأبعاد الذرّيّة. تُعدُّ أولاهما -وهي القوة النووية الشديدة- مسؤولة عن التصاق الكواركات بعضها ببعض ضمن البروتونات والنترونات؛ وعن ترابط هذه الأخيرة ضمن النوى الذرية، أما الثانية -وهي القوة النووية الضعيفة- فتتدخل في التحولات الجسيميّة أكثر من ظهورها قوةً جاذبة أو دافعة، وهي المسؤولة عن التفكك الإشعاعي لعناصر مشعة مثل اليورانيوم والكوبالت.

لا يزال النموذج الفيزيائي للثقالة تقليديّاً classical مستمرّاً continuous بمقابل النموذج الكمومي quantum المتقطّع discrete للقوى الثلاث الأخرى، فالثقالة تُفسَّر ضمن نظريّة النسبيّة العامة general relativity لأينشتاين على أنها نتيجةٌ لهندسة الزمكان spacetime الديناميكيّة التي "تنحني" بجوار الأجسام الثقيلة والعالية الطاقة، أمّا التآثرات الثلاثة الأخرى فهي جزءٌ من النموذج المعياري (القياسي) standard model القائم على أساس ميكانيك الكمّ quantum mechanics، وإحدى أهمّ المسائل في الفيزياء النظرية تكمن في إيجاد تفسير كمومي لقوة الثقالة.

تُفسَّر القوى المحسوسة في الطبيعة جميعُها -من ناحية المبدأ- اعتماداً على هذه القوى الأربع، فهناك أبحاث كثيرة حول إمكان اشتقاق الكمون النووي بين النكليونات nucleon-nucleon potential انطلاقاً من القوى النووية الشديدة، ومن ثمّ إمكان تفسير بنية الهادرونات hadrons والميزونات mesons وكتلها. أمّا بنية الذرّات الإلكترونيّة electronic structure وقوة فاندِرفالس Van der Waals force بين الجزيئات فهي قائمةٌ أساساً على القوى الكهرطيسيّة، كما أن نموذج هايزنبرغ الذي يقترح آليةً لتآثر التبادل exchange interaction المسؤول عن الاتجاه المتماثل لثنائيات القطب في المغانِط يعزو هذا الأثر إلى قوى كولومب Coulomb للحقل الكهرساكن المتولِّد من البنية البلّوريّة للمادة المُمَغنَطة.

حوامِل القوى والحقول وتآثراتها الافتراضية Force carriers, fields and virtual interactions

وجد الفيزيائيون في القرن الماضي خاصيّةً مشتركةً بين أنواع القوى الأربع كافة، تتجلى بوجود جسيم على مستوى مجهري هو حامل هذه القوة، يرافق كل نوع من أنواع القوى الأربع، يُعَدُّ أصغر رزمة أو كمّة quantum للقوة التي يرافقها.

فالفوتونات photons التي ترافق القوة الكهرطيسية هي الجسيمات الصغرى لهذه القوة. أما المكوّنات الأصغرية المرافقة للقوى النووية الضعيفة والشديدة فهي جسيمات تُدعى -على التوالي- بوزونات المعيار الضعيف weak gauge bosons والغليّونات gluons. (تعني الغليّونات بالإنكليزية الصمغيات، لذلك فهي تسمية ناجحة من الناحية الوصفية، حيث يمكن عدُّها المكونات المجهرية للحقل الصمغي القوي الذي يجمع مكونات النوى الذرية فيما بينها، كما ويستخدم بعضهم مصطلح "غرْيون" المشتق من كلمة "الغِراء" للتعبير عن جسيم القوة الشديدة). وقد تحقق العلماء تجريبياً من وجود هذه الأنواع الثلاثة من جسيمات القوى وحدّدوا خصائصها، المبينة في الجدول (2)، وهم يعتقدون بوجود جسيم رابع يرافق قوة الثقالة، سمّوه الغرافيتون graviton؛ مع عدم تمكنهم حتى الآن من التحقق تجريبياً من وجوده (يستخدم بعضهم مصطلح "جذبون" المشتق من كلمة "الجاذبية" للتعبير عن جسيم قوة الثقالة، حيث إن هذه الأخيرة تتمتع دوماً بالخاصة التجاذبية).

ينبغي تفسير أي إجرائيّة تآثُر تقليديّة عبر حوامل القوى التي تكمّم الحقولَ الموافقة، ففي حالة تبعثر scattering جسيمَين مشحونَين كهربائياً بفعل القوى الكهرطيسيّة- على سبيل المثال- يولّد الجسيمُ المشحونُ -تقليديّاً- حقلاً كهرطيسياً حوله، ينتشر تدريجياً ليؤثّر في الجسيم الآخر، والآلية هنا عكوسةٌ ودائمةٌ يوجِزها الشكل (1) الذي يوضح أن الكائنات في الطبيعة إمّا جسيمات، وإما حقول، حيث تتآثر الجسيمات فيما بينها عبر الحقول. يزول هذان المفهومان عن الجسيم والحقل في النظرية الكمومية؛ إذ يتمّ الاستغناء عنهما بوساطة مفهومِ الكمّة. وهكذا لا يمثّل الشكل (2) الذي يوجز الإجرائيةَ الكمومية للتفاعل جسيماتٍ تتآثر عبر الحقول، بل كمّات متآثرة من خلال الكمّات. في الحالة الموافقة للتآثرات الكهرطيسية يمثّل الخطّ المتقطّع فوتوناً ينقل التآثر بين الكمّتين المشحونتَين؛ كأن تكونا إلكترونين. للوهلة الأولى، يبدو أن قانوني مصونية الطاقة ومصونية الاندفاع (كمية الحركة) يمنعان عملية إصدار الفوتون من قبل الإلكترون، ولكن هنا بالضبط يتدخّل المظهر الكمومي لهذه المقادير، فوفقاً لـمبدأ الارتياب uncertainty principle لا يمكن تعريف الطاقة لظاهرةٍ مدتها محدودة إلاّ من خلال ضبابية معيّنة (تكبر كلّما قصرت هذه المدة)، وهذا يسمح بمجالِ حرّيةٍ أمام القيود التي يفرضها قانونا المصونية. لا يحقّق الفوتون الوسيطُ علاقة التشتّت dispersion relation للطاقة-الاندفاع المتعلّقة بالفوتون الحقيقي ذي الكتلة الساكنة المعدومة، ولذلك يوصف بأنه افتراضي virtual. يمكن تعميم مثل هذه المخطّطات -المعروفة باسم مخطّطات الفيزيائي الأمريكي فاينمان Feynman diagrams- إلى التآثرات الأخرى.

الشكل (1) التآثر وفقاً للفيزياء التقليدية.

الشكل (2) التآثر وفقاً للفيزياء الكمومية.

يتآثر جسيمان عبر الحقل الذي يولّدانه. يمثّل الخطّان المتّصلان "خطوط العالَم" الموافقة للجسيمين التقليديَّين A وB. أمّا الخطوط المتقطّعة والمائلة فهي تمثّل انتشار الحقول التي يولّدها كلّ من الجسيمين ليؤثّر في الآخر. يؤثّر الحقل الذي يخلقه الجسيم A في اللحظة t بقوة في الجسيم B في اللحظة .

تتآثر الكمّتان A وB المقابلتان للجسيمين التقليديين القادمين من أسفل الشكل عبر تبادلهما لفوتونٍ واحد (الرسم أ) أو اثنين (الرسم ب) أو أكثر (الرسم ج).

مقدمة لتوحيد القوى

تتجلى إحدى السمات المميّزة لقوى الطبيعة الأربع في التباينات الكبيرة الكائنة ما بين شداتها الذاتية. فشدة القوة الكهرطيسية أضعف من واحد بالمئة من شدة القوة النووية الشديدة، والقوة النووية الضعيفة أوهن من الكهرطيسية بنحو ألف مرة. أما قوة الثقالة فأقل بقرابة مئة مليون مليار مليار مليار (10-35) مرة من شدة القوة الضعيفة. عمل الفيزيائيون النظريون: الأمريكي غلاشو Sheldon Lee Glashow ، والباكستاني عبد السلام  Abdus Salam Mohammed، والأمريكي فاينبرغ Steven Weinberg على توحيد القوتين الكهرطيسية والضعيفة ضمن قوّة سُمِّيَت الكهرضعيفة electroweak، كما تمّت صياغة القوة الشديدة بطريقة مماثلة لصياغة القوة الكهرضعيفة باستخدام مفهوم نظريّات المعيار gauge theories، وتجلّى ذلك كلّه في النموذج المعياري لفيزياء الجسيمات. وقد تابع غلاشو وزميله الأمريكي جورجي Howard Mason Georgi السير في هذا الطريق، فاقترحا عام 1974 إمكانَ "توحيد كبير" grand unification لثلاث من قوى الطبيعة الأربع يختلف عن توحيد القوتين الكهرطيسية والضعيفة بأمر واحد أساسي. ففي حين تبلورت هاتان القوتان الأخيرتان (أي تمايزتا فبدتا مختلفتين في حين كانتا متّحدتين قبلاً) عندما انخفضت درجة حرارة الكون إلى نحو مليون مليار درجة فوق الصفر المطلق ()؛ فإنّ التوحد مع القوة الشديدة يبدو في درجات حرارة أعلى من ذلك قرابة عشرة تريليونات مرة () فوق درجة الصفر المطلق فقط.

وفي حين يمكن تفسير ازدياد الشدة الذاتية intrinsic للقوة الكهرطيسية مع قصر سلم المسافة تقليديّاً وكموميّاً -من حيث إن الابتعاد عن الإلكترون "يحجبه" screen عن الراصِد بسبب جذبه لشحنات معاكسة فيُخْفِض الشحنة الفعليّة للإلكترون- فإن القوى الأخرى في النموذج المعياري تخالف ذلك في أن قيمة الهيجان الكمومي الذي تحدثه عملية الخلق والإفناء الجسيمية تضخّم شدّتي القوتين الشديدة والضعيفة، وهكذا تضعف شدتا هاتين القوتين عند سبرهما على مسافات أقصر.

تبنّى جورجي وفاينبرغ هذا الإنجاز فتوصلا إلى نتيجة مذهلة؛ إذ بيّنا أن شدّات القوى غير الثقالية الثلاث تنقاد لتتوحد معاً عند أخذ تأثيرات الترجحات (الهيجان) الكمومية بالحسبان. ولما كانت شدات هذه القوى متباينة فيما بينها في المقاييس التي يمكن بلوغها بالتقانات المتاحة؛ فقد أرجعا مردّ هذا التباين إلى اختلاف التأثير الذي يلحقه سديم الفعالية الكمومية المجهرية بكل واحدة من هذه القوى. وبيّنت حساباتهما أنه لو تمّ اختراق هذا السديم وتفحّص هذه القوى من خلال تأثيرها عند مسافات من مرتبة جزء من مئة مليار مليار مليار () جزء من السنتيمتر؛ فإن شدات هذه القوى غير الثقالية الثلاث تبدو متساويةً فيما بينها، ويتضح ذلك من الشكل (3).

الشكل (3) شدات القوى غير الثقالية الثلاث ممثَّلة بدلالة مسافة تأثيرها، أو بدلالة طاقاتها المُتضمَّنة.

وهناك جهود تبذل لمكاملة التوحيد الكبير ضمن توحيدٍ أكبر يضمّ الثقالة مع القوى الأخرى، من أهمّها نظريّة الأوتار string theory حيث البنية الأساسيّة للكون وترٌ يمكنه الاهتزاز بأنماط عديدة، والثقالة الكموميّة العرويّة loop quantum gravity حيث الزمكان "حُبيبي" granular، ولكن التأكّد التجريبي ما يزال بعيدَ المنال.

التصنيف : الكيمياء والفيزياء

النوع : الكيمياء والفيزياء

المجلد: المجلد السادس

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية