تخيل أنك تريد معرفة ماهية المادة المحيطة بك على مستوى أساسي. كيف ستعرف الإجابة؟ ربما تفكر في أخذ قطعة من المادة وتقسيمها إلى قطع صغيرة، ثم أخذ واحدة من تلك القطع وتقسيمها إلى قطع أصغر، وهكذا دواليك، حتى لا تستطيع تقسيمها أكثر. عندما تصل إلى الحد الذي لا تستطيع فيه التقسيم، يكون ما وجدته هو أفضل تقدير ممكن للمكونات الأساسية للمادة.

معظم القرن التاسع عشر، اعتقدنا أن الذرات هي المكونات الأساسية للمادة. الذرة كلمة يونانية تعني حرفيًا “غير قابلة للتجزئة”. اليوم، نعلم أن الذرات نفسها يمكن تجزئتها إلى نواة وإلكترونات. ونعلم أن النواة يمكن تجزئتها إلى بروتونات ونيوترونات، ويمكن تقسيمها بدورها إلى كواركات وغلوونات. هل الكواركات، والغلوونات، والإلكترونات، من بين الجسيمات الأخرى التي نعتبرها أساسية اليوم، حقًا غير قابلة للتجزئة؟

هل من الممكن أن تنقسم في يوم من الأيام إلى أجزاء أصغر؟ وكم هو حجمها الحقيقي؟ هل جسيمات النموذج القياسي حقًا نقاط؟ إليك ما نعرفه حتى الآن:

كما ترى في الصورة، من الممكن رؤية الذرات الفردية مرتبة في تركيب جزيئي معين. تُعزى هذه القدرة على التصوير إلى خاصية موجية للضوء. جميع الموجات لها طول موجي. إذا كنت تريد تصوير جسم صغير جدًا، ستحتاج عادةً إلى استخدام ضوء طول موجته أصغر من الجسم المعني. ومع ذلك، إذا كان الجسم أكبر من طول موجة الضوء المستخدم، يمكنك الحصول على صورة.

يُمكننا التحكم في اختيارنا للنظر في جسم معين من خلال اختيار طول موجي يعطينا دقة عالية للجسم دون التسبب في ضرر أو تدمير. تزداد الطاقة مع انخفاض أطوال الموجات، مما يؤدي إلى تأثيرات عالية الطاقة مثل تأين الإلكترونات أو كسر الروابط الذرية أو الجزيئية. سيتوقف طول موجة الضوء على حجم النظام ومستوى التفاصيل (الدقة) المطلوبة.

كيف سنحصل على صور للمادة على أصغر المقاييس الممكنة؟ من المنطقي استخدام الفوتونات، أو كمّات الضوء. لكن الفيزياء لا تهتم إن كنت فوتونًا أم لا، بل بطول موجتك.

يمكننا استخدام الضوء أو جسيمات أخرى مثل الإلكترونات، ما يهم هو طول الموجة. كلما زادت الطاقة، كلما صغر حجم ما يمكنك استكشافه.

تُؤكد ميكانيكا الكم أن المادة، شأنها شأن الضوء، هي في جوهرها موجة وكذلك جسيم. إذا أطلقت إلكترونًا عبر شقٍّ في حاجز، فسيظهر في كومة صغيرة على الجانب الآخر. لكن إذا قطعت شقًا ثانيًا قريبًا جدًا، ستلاحظ نمط تداخل. تصرف الإلكترونات كموجات.

بإمكاننا تحديد أحجام الجسيمات الأساسية مثل الذرات والنوى والكواركات. تجارب مُصادم الجسيمات عالية الطاقة تُظهر أن جسيمات النموذج القياسي أساسية، على الأقل حتى حجم ~10^-19 متر.

ما زال أمامنا الكثير لنتعلمه عن الجسيمات الأولية، والكون. لا يمكننا أن نوقف البحث عن أسرار الطبيعة. الفيزياء هي رحلة اكتشاف مستمرة.

نُشرت هذه المقالة في الأصل في آب/أغسطس من عام 2019. تم تحديثها في شباط/فبراير من عام 2025.
المصدر