هذه بداية مقال أطول.
المحتوى: “
اشترك في نشرة Starts With a Bang
سافر عبر الكون مع الدكتور إيثان سيجل بينما يجيب على أهم الأسئلة على الإطلاق
”
هناك سؤال وجودي هائل تساءلنا عنه منذ أن أدركنا لأول مرة أن الكون يخضع بالفعل لقوانين فيزيائية: لماذا كوننا على ما هو عليه بالضبط، بدلاً من أي طريقة أخرى يمكن أن نتخيلها؟ لا يوجد سوى ثلاثة أشياء تجعله كذلك:
- قوانين الطبيعة نفسها،
- الثوابت الأساسية التي تحكم الواقع،
- والشروط الأولية التي وُلد بها كوننا.
لو كان لكوننا قوانين طبيعة مختلفة، لكانت كل الرهانات باطلة؛ لكان الكون مختلفًا بشكل هائل بأي طريقة يمكن أن تتخيلها. ربما تتحلل البروتونات، وربما لا تكون الكميات الأساسية مثل كتل الجسيمات ثابتة، وقد تتغير قوى أي قوى أساسية بشكل مفاجئ في أي لحظة.
لو اختلفت الظروف الأولية لكوننا، لبقيت قصة الكون الكونية كما هي من حيث الخطوط العريضة، ولكن ستختلف التفاصيل بين ذلك الكون الافتراضي وكوننا. ولكن بالنسبة للثوابت الأساسية، ستكون بعض التغييرات عميقة، بينما ستكون أخرى بالكاد ملحوظة. في كوننا، للثوابت القيم الصريحة التي تمتلكها، وهذا المزيج المحدد ينتج الكون الصديق للحياة الذي نسكنه. أحد هذه الثوابت الأساسية يُعرف بثابت البنية الدقيقة، وقيمته التقريبية (1/137) تظهر في الحسابات التي تهم مجموعة كاملة من الظواهر، على المستويين دون الذري والكوني على حد سواء.
تبدأ قصتنا مع اللبنات البسيطة للمادة التي يتكون منها الكون: الجسيمات الأساسية للنموذج القياسي.
يتكون كوننا، إذا قمنا بتقسيمه إلى أصغر مكوناته، من جسيمات النموذج القياسي. ترتبط الكواركات والغلونات، وهما نوعان من هذه الجسيمات، معًا لتشكيل حالات مرتبطة مثل البروتون والنيوترون، التي ترتبط بدورها معًا لتشكيل نوى الذرات. والإلكترونات، وهي نوع آخر من الجسيمات الأساسية، هي أخفّ الليبتونات المشحونة. وعندما ترتبط الإلكترونات ونوى الذرات معًا، فإنها تشكل الذرات: وهي اللبنات الأساسية للمادة العادية التي تشكل كل شيء في تجربتنا اليومية.
قبل أن يدرك البشر حتى بنية الذرات، كنا قد حددنا العديد من خصائصها. في القرن التاسع عشر، اكتشفنا أن الشحنة الكهربائية للنواة تحدد الخصائص الكيميائية للذرة، واكتشفنا أن كل ذرة لها طيفها الفريد من الخطوط التي يمكن أن تنبعث منها وتمتصها. تجريبياً، كان الدليل على كون كمي منفصل معروفًا قبل وقت طويل من وضع النظريين كل شيء معًا.
في عام 1912، اقترح نيلز بور نموذجه الشهير للذرة، حيث تدور الإلكترونات حول النواة الذرية مثلما تدور الكواكب حول الشمس. لكن الفرق الكبير بين نموذج بور ونظامنا الشمسي هو أن هناك حالات معينة فقط مسموح بها للذرة، بينما يمكن للكواكب أن تدور بأي تركيبة من السرعة ونصف القطر تؤدي إلى مدار مستقر.
أدرك بور أن الإلكترون والنواة صغيران جدًا، ولهما شحنتان متضادتان، وعلم أن النواة تحتوي على معظم الكتلة تقريبًا. وكان إسهامه الرائد هو فهم أن الإلكترونات لا يمكنها إلا أن تشغل مستويات طاقة معينة، والتي أطلق عليها اسم “المدارات الذرية”. لا يمكن للإلكترون أن يدور حول النواة إلا بخصائص معينة، مما يؤدي إلى خطوط الامتصاص والانبعاث المميزة لكل ذرة على حدة.
فشل هذا النموذج، برغم براعته وذكائه، على الفور في إعادة إنتاج نتائج التجارب التي أجريت منذ عقود في القرن التاسع عشر. ففي عام 1887، حدد مايكلسون ومورلي خصائص الانبعاث والامتصاص الذري للهيدروجين، ولم تتطابق تمامًا مع تنبؤات ذرة بور.
لقد قام نفس العالمان اللذان حصلا على نتيجة عدم وجود فرق في سرعة الضوء سواء تحرك مع حركة الأرض أو عكسها أو بشكل عمودي عليها، بقياس خطوط طيف الهيدروجين بدقة أكبر من أي شخص آخر من قبل. وبينما اقترب نموذج بور من هذه النتائج، أظهرت نتائج مايكلسون ومورلي تحولات طفيفة وحالات طاقة إضافية انحرفت قليلاً ولكن بشكلٍ كبير عن تنبؤات بور. على وجه الخصوص، كانت هناك بعض مستويات الطاقة التي بدت وكأنها تنقسم إلى قسمين، بينما تنبأ نموذج بور بواحد فقط.
لقد كانت تلك المستويات الإضافية للطاقة، التي كانت قريبة جدًا من بعضها البعض وقريبة أيضًا من تنبؤات بور، أول دليل على ما نسميه الآن البنية الدقيقة للذرات. وقد نجح نموذج بور، الذي قام بشكل مبسط بنمذجة الإلكترونات كجسيمات مشحونة عديمة الدوران تدور حول النواة بسرعات أقل بكثير من سرعة الضوء، في تفسير البنية الخشنة للذرات، ولكن ليس هذه البنية الدقيقة الإضافية.
وهذا يتطلب تقدماً آخر، جاء في عام 1916 عندما توصل الفيزيائي أرنولد سومرفيلد إلى إدراك. إذا قمت بنمذجة ذرة الهيدروجين كما فعل بور، وقارنت نسبة سرعة إلكترون الحالة الأرضية بسرعة الضوء، فستحصل على قيمة محددة جدًا، أطلق عليها سومرفيلد اسم α: ثابت البنية الدقيقة. هذا الثابت، بمجرد دمجه بشكل صحيح في معادلات بور، أصبح قادرًا على حساب فرق الطاقة بدقة بين تنبؤات البنية الخشنة والدقيقة.
من حيث الثوابت الأخرى المعروفة في ذلك الوقت، α = e²/(4πε_0)ħc، حيث:
- e هي شحنة الإلكترون،
- ε_0 هو الثابت الكهرومغناطيسي لنفاذية الفراغ،
- ħ هو ثابت بلانك،
- وc هي سرعة الضوء.
على عكس هذه الثوابت الأخرى، التي ترتبط بها وحدات، فإن α ثابت عديم الأبعاد حقًا، وهذا يعني أنه مجرد عدد نقي، بدون أي وحدات مرتبطة به على الإطلاق. في حين أن سرعة الضوء قد تختلف إذا قمت بقياسها بالأمتار في الثانية، أو الأقدام في السنة، أو الأميال في الساعة، أو أي وحدة أخرى، فإن قيمة α تبقى ثابتة دائمًا. ولهذا السبب، يُعتبر أحد الثوابت الأساسية التي تصف كوننا.
لا يمكن تفسير مستويات طاقة الذرة بشكل صحيح دون تضمين هذه التأثيرات الدقيقة للبنية، وهي حقيقة عادت للظهور بعد عقد من زمن بور عندما ظهرت معادلة شرودنجر. وكما فشل نموذج بور في إعادة إنتاج مستويات طاقة ذرة الهيدروجين بشكل صحيح، فشلت معادلة شرودنجر أيضًا. وقد سرعان ما تم اكتشاف ثلاثة أسباب لذلك.
- إن معادلة شرودنجر غير نسبية أساسًا، ولكن الإلكترونات والجسيمات الكمية الأخرى يمكن أن تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء، ويجب تضمين هذا التأثير.
- لا تدور الإلكترونات حول الذرات ببساطة، بل تمتلك أيضًا زخمًا زاويًا داخليًا متأصلًا فيها: الدوران، بقيمة ħ/2، والتي يمكن أن تكون محاذاة أو مضادة للمحاذاة مع باقي الزخم الزاوي للذرة.
- تُظهر الإلكترونات أيضًا مجموعة متأصلة من التقلبات الكمية لحركتها، والمعروفة باسم زيتربيفيج؛ وهذا يساهم أيضًا في البنية الدقيقة للذرات.
عندما تتضمن كل هذه التأثيرات، يمكنك إعادة إنتاج كل من البنية الكلية والدقيقة للمادة بنجاح.
يُعزى ضآلة هذه التصحيحات إلى صغر قيمة ثابت البنية الدقيقة، α، أيضًا. ووفقًا لأفضل قياساتنا الحديثة، فإن قيمة α = 0.007297352569، حيث الرقم الأخير فقط هو غير مؤكد. وهذا قريب جدًا من أن يكون رقمًا دقيقًا: α = 1/137. وقد اعتُبر ذات مرة من الممكن تفسير هذا الرقم الدقيق بطريقة ما، لكن البحوث النظرية والتجريبية الأفضل أظهرت أن العلاقة غير دقيقة، وأن α = 1/137.0359991، حيث الرقم الأخير فقط هو غير مؤكد مرة أخرى.
لكن حتى مع الأخذ في الاعتبار كل هذه التأثيرات، لا نحصل على كل شيء يتعلق بالذرات. فلا يوجد فقط البنية الخشنة (من مدارات الإلكترونات حول النواة) والبنية الدقيقة (من التأثيرات النسبية، ودوران الإلكترون، وتذبذبات الإلكترون الكمية)، بل هناك أيضًا البنية فائقة الدقة: وهي تفاعل الإلكترون مع دوران النواة. فانتقال انعكاس الدوران في ذرة الهيدروجين، على سبيل المثال، هو أضيق خط طيفي معروف في الفيزياء، وهو ناتج عن هذا التأثير فائق الدقة الذي يتجاوز حتى البنية الدقيقة.
لكن ثابت البنية الدقيقة، α، يحظى باهتمام بالغ في الفيزياء. وقد بحث البعض فيما إذا كان هذا الثابت مثاليًا أم لا. وقد أشارت قياسات متنوعة، في نقاط مختلفة من تاريخنا العلمي، إلى أن α قد يتغير مع الزمن أو من مكان إلى آخر في الكون. وقد أشارت قياسات الخطوط الطيفية للهيدروجين والديوتيريوم، في بعض الحالات، إلى أن α ربما يتغير بنسبة ~0.0001٪ عبر المكان أو الزمن.
ومع ذلك، فإن هذه النتائج الأولية لم تصمد أمام التحقق المستقل، وهي تعتبر مشكوك فيها من قبل المجتمع الفيزيائي الأكبر. وإذا ما لاحظنا مثل هذا التغير بشكل قوي، فسوف يعلمنا ذلك أن شيئًا نلاحظه بأنه ثابت في الكون – مثل شحنة الإلكترون، أو ثابت بلانك، أو سرعة الضوء – قد لا يكون ثابتًا بالفعل عبر المكان أو الزمن.
لكن نوعًا مختلفًا من التباين قد تم إعادته بالفعل: تتغير ألفا كدالة لشروط الطاقة التي تجري فيها تجاربك.
لنفكر لماذا يجب أن يكون الأمر كذلك من خلال تخيّل طريقة مختلفة للنظر إلى البنية الدقيقة للكون: خذ إلكترونين واحتفظ بهما على مسافة محددة بعيدًا عن بعضهما البعض. يمكن اعتبار ثابت البنية الدقيقة، α، كنسبة بين الطاقة اللازمة للتغلب على التنافر الكهروستاتيكي الذي يدفع هذين الإلكترونين بعيدًا وطاقة فوتون واحد يكون طول موجته 2π مضروبًا في المسافة بين هذين الإلكترونين.
ولكن في كون كمي، توجد دائمًا أزواج جسيم-مضاد جسيم (أو تقلبات كمية) تسكن حتى الفراغ الخالي تمامًا. عند طاقات أعلى، يغيّر هذا قوة التنافر الكهروستاتيكي بين إلكترونين.
والسبب في ذلك بسيط في الواقع: إن أخف الجسيمات المشحونة في النموذج القياسي هي الإلكترونات والبوزيترونات، وفي الطاقات المنخفضة، تكون المساهمات الافتراضية من أزواج الإلكترون-البوزيترون هي التأثيرات الكمية الوحيدة التي تهم من حيث قوة القوة الكهروستاتيكية. ولكن عند الطاقات الأعلى، لا يصبح من الأسهل فقط إنتاج أزواج الإلكترون-البوزيترون، مما يعطيك مساهمة أكبر، بل تبدأ في الحصول على مساهمات إضافية من مجموعات جسيم-مضاد جسيم أثقل.
في الطاقات المنخفضة (العادية) التي لدينا في كوننا اليوم، α تقارب 1/137. ولكن عند مقياس الطاقة الكهروضعيفة، حيث تجد أثقل الجسيمات مثل بوزونات W و Z وبوزون هيغز والكوارك العلوي، تكون α أكبر إلى حد ما: تقارب 1/128. وبشكل فعال، وبفضل هذه المساهمات الكمية، يبدو الأمر كما لو أن شحنة الإلكترون تزداد قوة.
يلعب ثابت البنية الدقيقة، α، أيضًا دورًا رئيسيًا في واحدة من أهم التجارب الجارية في الفيزياء الحديثة اليوم، وهي الجهد المبذول لقياس العزم المغناطيسي الجوهري للجسيمات الأولية. بالنسبة لجسيم نقطي مثل الإلكترون أو الميون، لا يوجد سوى عدد قليل من الأشياء التي تحدد عزمها المغناطيسي:
- الشحنة الكهربائية للجسيم (التي تتناسب طرديًا معها)،
- عزم دوران الجسيم (التي تتناسب طرديًا معها)،
- كتلة الجسيم (التي تتناسب عكسيا معها)،
- وثابت، يُعرف باسم g، وهو تأثير ميكانيكي كمي بحت.
بينما تُعرف الثلاثة الأولى بدقة بالغة، إلا أن g معروفة فقط بدقة أفضل بقليل من جزء واحد من مليار. قد يبدو هذا قياسًا ممتازًا للغاية، لكننا نحاول قياسه بدقة أكبر لسبب وجيه للغاية.
في عام 1930، كنا نظن أن قيمة g ستكون 2، بالضبط، كما استنتج ديراك. لكن هذا يتجاهل التبادل الكمي للجسيمات (أو مساهمة مخططات الحلقة)، والتي تبدأ فقط في الظهور في نظرية المجال الكمي. وقد تم اشتقاق التصحيح من الرتبة الأولى بواسطة جوليان شفينغر في عام 1948، والذي ينص على أن g = 2 + α/π. وحتى اليوم، لقد حسبنا جميع المساهمات حتى الرتبة الخامسة، وهذا يعني أننا نعرف جميع حدود (α/π)، بالإضافة إلى حدود (α/π) ²، (α/π) ³، (α/π) ⁴، و (α/π)⁵.
يمكننا قياس g تجريبياً وحسابيًا نظرياً، وما نجد، بشكل غريب جدًا، هو أن التطابق بين الاثنين دقيق جدًا، ولكنه ليس مثالياً. إن الاختلافات بين g من التجربة والنظرية صغيرة جدًا، جدًا: 0.0000000052، مع عدم يقين يبلغ حوالي ±0.0000000010: فرق قدره 5.2 سيغما. ومع ذلك، فإن طريقة نظرية ثانية تُعطي فرقًا أصغر بكثير، مما يشير إلى وجود صعوبة ما في الجانب النظري؛ ستُقرر التجارب بالتأكيد.
إذا كان هناك فرق حقيقي، فقد نكون على شفا فيزياء جديدة تتجاوز النموذج القياسي؛ وإلا، فسنتعلم شيئًا عن افتراضاتنا النظرية بدلاً من ذلك.
عندما نبذل قصارى جهدنا لقياس الكون – بدقة أكبر، وبطاقات أعلى، وتحت ضغوط استثنائية، ودرجات حرارة أقل، إلخ – غالباً ما نجد تفاصيل دقيقة وغنية ومحيرة. ولكن ليس الشيطان هو الكامن في تلك التفاصيل، بل يكمن فيها أسرار الواقع الأعمق.
إن الجسيمات في كوننا ليست مجرد نقاط تتجاذب وتتنافر وترتبط ببعضها البعض؛ بل تتفاعل من خلال كل الوسائل الدقيقة التي تسمح بها قوانين الطبيعة. وعندما نصل إلى درجات أعلى من الدقة في قياساتنا، نبدأ في الكشف عن هذه التأثيرات الدقيقة، بما في ذلك تعقيدات في بنية المادة يسهل تفويتها عند انخفاض الدقة. يُعد البنية الدقيقة جزءًا حيويًا من ذلك، ولكن معرفة أماكن انهيار أفضل تنبؤاتنا بالبنية الدقيقة قد يكون هو المكان الذي تأتي منه الثورة العظيمة التالية في فيزياء الجسيمات. إن إجراء التجربة الصحيحة هو السبيل الوحيد الذي سنعرف به ذلك.
هذا القسم الأخير من مقال أطول.
إيثان في إجازة هذا الأسبوع. نرجو أن تستمتعوا بـ هذا المقال من أرشيفات Starts With A Bang!
اشترك في نشرة Starts With a Bang
سافر عبر الكون مع الدكتور إيثان سيجل بينما يجيب على أهم الأسئلة على الإطلاق
المصدر: المصدر