ما الذي صنعناه في النهاية؟ ما هي اللبنات الأساسية للكون؟

اعتقد القدماء أننا مكونون من أربعة "عناصر" - الماء، والأرض، والنار، والهواء؛ والتي نعلم الآن أنها ليست عناصر. يوجد حاليًا حوالي 118 عنصرًا. تتكون جميع العناصر من ذرات كان يُعتقد سابقًا أنها غير قابلة للتجزئة. بحلول أوائل القرن العشرين، وبعد اكتشافات جيه جيه طومسون وراذرفورد، أصبح معروفًا أن الذرات تتكون من نوى (مكونة من بروتونات ونيوترونات) في المركز وإلكترونات تدور حولها. بحلول سبعينيات القرن العشرين، أصبح معروفًا أن البروتونات والنيوترونات ليست أساسية أيضًا، بل تتكون من "كواركات علوية" و"كواركات سفلية"، مما يجعل "الإلكترونات" و"الكواركات العلوية" و"الكواركات السفلية" المكونات الأساسية الثلاثة لكل شيء في الكون . مع التطورات الرائدة في فيزياء الكم، اكتشفنا أن الجسيمات هي في الواقع مشتقات، أي حزم أو تجمعات من الطاقة في الحقول، مما يعني أن الجسيمات ليست أساسية. ما هو أساسي هو الحقل الذي يقوم عليه وجودها. يمكننا الآن القول إن حقول الكم هي اللبنات الأساسية لكل شيء في الكون (بما في ذلك الأنظمة البيولوجية المتقدمة مثلنا). فنحن جميعًا مكونون من حقول كم. خصائص الجسيمات، مثل الشحنة الكهربائية والكتلة، هي وصف لكيفية تفاعل حقولها مع حقول أخرى. على سبيل المثال، خاصية الشحنة الكهربائية للإلكترون هي وصف لكيفية تفاعل حقل الإلكترون مع الحقل الكهرومغناطيسي. وخاصية كتلته هي وصف لكيفية تفاعله مع حقل هيغز.

منذ القدم، تساءل الناس عن مكوناتنا، ومكونات الكون ، وما هي اللبنات الأساسية للطبيعة، وما هي القوانين الطبيعية التي تحكم كل شيء في الكون . النموذج القياسي للعلم هو النظرية التي تجيب على هذه الأسئلة. ويُقال إنه أنجح نظرية علمية بُنيت على مر القرون الماضية، نظرية واحدة تفسر معظم ظواهر الكون.

عرف العلماء منذ القدم أننا مكونون من عناصر، وكل عنصر بدوره يتكون من ذرات. في البداية، كان يُعتقد أن الذرات غير قابلة للتجزئة. إلا أنه في عام ١٨٩٧، اكتشف جيه جيه طومسون الإلكترونات باستخدام التفريغ الكهربائي عبر أنبوب أشعة الكاثود. وبعد ذلك بوقت قصير، في عام ١٩٠٨، أثبت خليفته رذرفورد، من خلال تجربته الشهيرة باستخدام رقاقة الذهب، أن الذرة تحتوي على نواة صغيرة موجبة الشحنة في المركز، تدور حولها إلكترونات سالبة الشحنة في مدارات . لاحقًا، تبين أن النوى تتكون من بروتونات ونيوترونات.

في سبعينيات القرن العشرين، اكتُشف أن النيوترونات والبروتونات ليست غير قابلة للانقسام، وبالتالي ليست أساسية، بل يتكون كل بروتون ونيوترون من ثلاثة جسيمات أصغر تُسمى الكواركات، وهي نوعان: "كواركات علوية" و"كواركات سفلية" (الكواركات العلوية والسفلية مجرد كواركات مختلفة، ولا يشير مصطلحا "علوي" و"سفلي" إلى أي علاقة بالاتجاه أو الزمن). يتكون البروتون من كواركين علويين وكوارك سفلي واحد، بينما يتكون النيوترون من كواركين سفليين وكوارك علوي واحد. وهكذا، تُعتبر الإلكترونات والكواركات العلوية والسفلية من أهم الجسيمات الأساسية التي تُشكل اللبنات الأساسية لكل شيء في الكون . مع ذلك، ومع التقدم العلمي، شهد هذا الفهم تغييرات، إذ وُجد أن الحقول هي الجسيمات الأساسية وليست الجسيمات.

الجسيمات ليست أساسية. ما هو أساسي هو المجال الذي يقوم عليه وجودها. نحن جميعاً مكونون من مجالات كمومية.

بحسب الفهم العلمي الحالي، يتكون كل شيء في الكون من كيانات مجردة غير مرئية تُسمى "الحقول"، والتي تُمثل اللبنات الأساسية للطبيعة. الحقل هو شيء ينتشر في أرجاء الكون، ويأخذ قيمة محددة في كل نقطة من الفضاء، وهي قيمة قابلة للتغير مع الزمن. يشبه الحقل تموجات السوائل التي تتأرجح في الكون ، فمثلاً، تنتشر الحقول المغناطيسية والكهربائية في أرجاء الكون . ورغم أننا لا نستطيع رؤية الحقول الكهربائية أو المغناطيسية، إلا أنها حقيقية ومادية، كما يتضح من القوة التي نشعر بها عند تقريب مغناطيسين. ووفقًا لميكانيكا الكم، يُعتقد أن الحقول متصلة، على عكس الطاقة التي تكون دائمًا مُجزأة إلى كتل منفصلة.

نظرية الحقل الكمومي هي فكرة دمج ميكانيكا الكم مع الحقول. وفقًا لهذه النظرية، تتجمع موجات الإلكترونات (أي تموجات هذه الموجات) في حزم صغيرة من الطاقة. هذه الحزم هي ما نسميه الإلكترونات. وبالتالي، فإن الإلكترونات ليست جسيمات أساسية، بل هي موجات لنفس الحقل الأساسي. وبالمثل، تُنتج تموجات حقلي الكواركات "كواركات علوية" و"كواركات سفلية". وينطبق الأمر نفسه على كل جسيم آخر في الكون . الحقول هي أساس كل شيء. ما نعتبره جسيمات هو في الواقع موجات من الحقول متجمعة في حزم صغيرة من الطاقة. اللبنات الأساسية لكوننا هي هذه المواد الشبيهة بالسوائل التي نسميها الحقول. الجسيمات ليست سوى مشتقات من هذه الحقول. في الفراغ التام، حتى عند إزالة الجسيمات بالكامل، تظل الحقول موجودة.

تُعدّ ثلاثة من أهمّ الحقول الكمومية الأساسية في الطبيعة هي "الإلكترون" و"الكوارك العلوي" و"الكوارك السفلي". يوجد حقل رابع يُسمى النيوترينو، إلا أنه لا يُشكّلنا، بل يلعب دورًا هامًا في أماكن أخرى من الكون . النيوترينوات موجودة في كل مكان، فهي تتدفق عبر كل شيء في كل مكان دون أن تتفاعل معه.

حقول المادة : تُشكّل الحقول الكمومية الأساسية الأربعة وجسيماتها المرتبطة بها (وهي: الإلكترون، والكوارك العلوي، والكوارك السفلي، والنيوترينو) أساس الكون . ولأسباب غير معروفة، تتكاثر هذه الجسيمات الأساسية الأربعة مرتين. يُنتج الإلكترون الميون والتاو (وهما أثقل من الإلكترون بمئتي ضعف وثلاثة آلاف ضعف على التوالي)؛ وتُنتج الكواركات العلوية الكوارك الغريب والكوارك السفلي؛ وتُنتج الكواركات السفلية الكوارك الساحر والكوارك العلوي؛ بينما يُنتج النيوترينو نيوترينو الميون ونيوترينو التاو.

وبالتالي، هناك 12 مجالاً تؤدي إلى ظهور الجسيمات، ونسميها مجالات المادة.

فيما يلي قائمة بـ 12 مجالًا ماديًا تشكل 12 جسيمًا في الكون.

مجالات القوى : تتفاعل مجالات المادة الاثني عشر فيما بينها عبر أربع قوى مختلفة: الجاذبية ، والكهرومغناطيسية ، والقوى النووية القوية (التي تعمل فقط على نطاق صغير في النواة، وتُبقي الكواركات متماسكة داخل البروتونات والنيوترونات)، والقوى النووية الضعيفة (التي تعمل فقط على نطاق صغير في النواة، وهي المسؤولة عن التحلل الإشعاعي وبدء الاندماج النووي). ترتبط كل قوة من هذه القوى بمجال معين؛ فالقوة الكهرومغناطيسية مرتبطة بمجال الغلوونات ، والمجالات المرتبطة بالقوى النووية القوية والضعيفة هي مجال بوزونات W وZ، أما المجال المرتبط بالجاذبية فهو الزمكان نفسه.

فيما يلي قائمة بمجالات القوة الأربعة المرتبطة بأربع قوى.    

الكون مليء بهذه المجالات الستة عشر (اثنا عشر مجالًا ماديًا بالإضافة إلى أربعة مجالات مرتبطة بأربع قوى). تتفاعل هذه المجالات معًا بتناغم. على سبيل المثال، عندما يبدأ مجال الإلكترون (أحد المجالات المادية) بالاهتزاز صعودًا وهبوطًا (لوجود إلكترون فيه)، فإنه يُحفز أحد المجالات الأخرى، كالمجال الكهرومغناطيسي مثلًا، والذي بدوره سيتذبذب ويهتز. سينبعث ضوءٌ يتذبذب قليلًا. عند نقطة معينة، سيبدأ هذا الضوء بالتفاعل مع مجال الكواركات، الذي سيتذبذب ويهتز بدوره. الصورة النهائية التي نراها هي رقصة متناغمة بين كل هذه المجالات، متشابكة فيما بينها.

مجال هيجز

في ستينيات القرن العشرين، تنبأ بيتر هيغز بوجود مجال آخر. وبحلول سبعينيات القرن نفسه، أصبح هذا المجال جزءًا لا يتجزأ من فهمنا للكون . ولكن لم تكن هناك أدلة تجريبية (أي أنه إذا أحدثنا تموجًا في مجال هيغز، فسنرى جسيمًا مرتبطًا به) حتى عام 2012، عندما أعلن باحثو سيرن في مصادم الهادرونات الكبير عن اكتشافه. وقد تصرف الجسيم تمامًا كما تنبأ به النموذج. يتميز جسيم هيغز بعمر قصير جدًا، يبلغ حوالي 10⁻²² ^ثانية.

كان هذا هو اللبنة الأساسية الأخيرة للكون . وكان هذا الاكتشاف مهماً لأن هذا المجال مسؤول عما نسميه الكتلة في الكون.

خصائص الجسيمات (مثل الشحنة الكهربائية والكتلة) هي بيانات حول كيفية تفاعل مجالاتها مع المجالات الأخرى.  

إن تفاعل الحقول الموجودة في الكون هو ما يُنتج خصائص مثل الكتلة والشحنة وغيرها من خصائص الجسيمات المختلفة التي نراها. فعلى سبيل المثال، تُعبّر خاصية الشحنة الكهربائية للإلكترون عن كيفية تفاعل حقل الإلكترون مع الحقل الكهرومغناطيسي. وبالمثل، تُعبّر خاصية كتلته عن كيفية تفاعله مع حقل هيغز.

كان فهم مجال هيغز ضروريًا لفهم معنى الكتلة في الكون . كما شكّل اكتشاف مجال هيغز تأكيدًا للنموذج القياسي الذي كان سائدًا منذ سبعينيات القرن الماضي.

تعد مجالات الكم وفيزياء الجسيمات من مجالات الدراسة الديناميكية. منذ اكتشاف مجال هيجز، حدثت العديد من التطورات التي لها تأثير على النموذج القياسي. يستمر البحث عن إجابات لقيود النموذج القياسي.

النموذج القياسي للجسيمات الأولية: 12 فرميون أساسي و 5 بوزونات أساسية.

*** 

مصادر:  

المؤسسة الملكية ٢٠١٧. الحقول الكمومية: اللبنات الأساسية الحقيقية للكون – مع ديفيد تونغ. متاح على الإنترنت على الرابط التالي: https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg

***

الجسيمات الأساسية – نظرة سريعة  

***