أعظم عشرة اكتشافات في الفيزياء وعلم الفلك

الاكتشافات العشرة التي تدفعنا إلى الإجابة على الأسئلة الكبيرة

الفضول هو الوقود الذي يحرك عجلات الفيزياء، والفيزياء لا تكتفي بأسئلة تافهة، بل تحاول تفسير أسئلة جوهرية: ما هي اللبنات الأساسية للمادة؟ كيف تم بناء الكون؟ كيف جميعا لم تبدأ؟ وكيف سينتهي؟ هناك محاولة متواضعة للإجابة على هذه الأسئلة في الاكتشافات الخمسة التي تختم هذه القائمة. ومن جانبه، يثير العالم أسئلة إضافية ويحاول فهم العمليات نفسها، وتطوير النظريات، واختبارها تجريبيًا، بنفس القدر من الأهمية. تتناول الاكتشافات الخمسة الأولى مثل هذه الأسئلة، وتكمل معًا صورة معقدة للفيزياء وعلم الفلك، حيث تتشابك التجربة والنظرية. الاكتشافات العشرة المعروضة أدناه هي في رأيي نقاط مهمة من حيث الوقت والفهم، وكل منها يفتح نافذة على عالم رائع ومتنوع من المعرفة والشجاعة والأهم من ذلك كله - الفضول.

1. قوانين نيوتن
سنبدأ رحلتنا نحو الاكتشافات العظيمة في الفيزياء مع جاليليو جاليلي، أحد أعظم العلماء على الإطلاق. ورغم أن جاليليو لم يكن أول من انتقد وجهة نظر أرسطو القائلة بأن الجسم لا يتحرك إلا بشرط تأثير قوة عليه، إلا أنه كان أول من فهم بعمق مفهوم الثبات (القصور الذاتي) وصياغته في الصورة المعروف اليوم بقانون نيوتن الأول: يحافظ الجسم على سرعته وفي اتجاه حركته ما لم تؤثر عليه قوة خارجية.

يحدد قانون نيوتن الثاني، وهو القانون الأساسي للميكانيكا، مفهوم الكتلة. وزعم نيوتن أن هذه الخاصية، التي ينفرد بها كل جسم، تحدد قدرته على مقاومة التغير في السرعة تحت تأثير قوة خارجية. ووفقا للقانون الثالث، قانون الفعل ورد الفعل، فإن تأثير القوة على جسم آخر سوف يكون دائما مصحوبا بقوة معاكسة في الاتجاه ومتساوية في المقدار. لا توفر قوانين نيوتن، التي نُشرت عام 1687، فهمًا بديهيًا للكميات الفيزيائية الأساسية فحسب، بل تشكل أيضًا أداة تعليمية من الدرجة الأولى، علاوة على أنها تسمح لأول مرة بإجراء حسابات ميكانيكية دقيقة.

ومن المناسب أن يختتم هذا الفصل بجملة لإسحاق نيوتن، وهي في رأيي جوهر العلم: "أرى نفسي طفلاً يلعب على الشاطئ، وأستمتع، تارة بحجر أملس، وتارة أخرى بحجر أكثر ملاسة". صدفة جميلة، بينما يمتد أمام عيني محيط الحقيقة الهائل ويخفي أسراره". كما سيكون جاليليو ونيوتن نجمي الاكتشاف الثاني الذي سيتناول نظرية الجاذبية، لكن هذه المرة لن ينضم إليهما سوى ألبرت أينشتاين.

2. النسبية العامة
كان جاليليو أول من فهم "مبدأ التكافؤ"، والذي بموجبه تكون كتلة الجاذبية، التي تسبب التجاذب بين جسمين، هي نفس كتلة القصور الذاتي، التي حددها قانون نيوتن الثاني. ربما كانت التجربة الشهيرة التي أسقط فيها جاليليو جسمين من برج بيزا، أحدهما أثقل من الآخر، ووصل كلاهما إلى الأرض معًا، مجرد تجربة فكرية، لأن جاليليو أدرك أن مقاومة الهواء ستمنعه ​​من إجراء التجربة بشكل صحيح. ومع ذلك، فإن هذه الفكرة هي التعبير الأول عن مبدأ التكافؤ، وأهميته من حيث أنه يخالف المنهج الأرسطي القائل بأن الجسم الثقيل يسقط بشكل أسرع.

برج الجرس المائل في بيزا، والذي، بحسب القصة، قام غاليليو غاليلي (1642-1564) بإلقاء أجساد مختلفة من قمته لإثبات مبدأ التكافؤ. من ويكيبيديا

دعونا نقفز ثلاثمائة سنة إلى الأمام. في عام 1907، أثناء جلوسه في مكتب براءات الاختراع في برن، خطرت ببال أينشتاين فكرة وصفها لاحقًا بأنها "أسعد فكرة في حياتي". "الشخص الذي يسقط من سطح مبنى لا يشعر بوزنه"، استنتج أينشتاين من مبدأ التكافؤ، وبمساعدة فكرة أخرى تسمى مبدأ ماخ، والتي بموجبها يكون كل جسم في الكون في حالة حرة سقوطها بالنسبة للأجسام الأخرى، وفي غضون ثماني سنوات تمكن أينشتاين من صياغة النظرية النسبية العامة. فمن ناحية، تقول هذه النظرية أن الزمكان يحدد كيفية تحرك الكتلة، بينما الكتلة تحدد كيفية انحناء الزمكان، ومن ناحية أخرى، محض هراء...

ولا تتجلى الاختلافات الكبيرة بين جاذبية نيوتن والنظرية النسبية العامة إلا في حالة الجاذبية القوية، مثل الثقوب السوداء، تلك الأجسام التي حتى الضوء لا يستطيع الهروب من مجال جاذبيتها، والتي لا يمكن تفسير وجودها إلا من خلال نظرية أينشتاين. ومع ذلك، عندما تكون هناك حاجة إلى دقة عالية، فحتى في ظل ظروف الجاذبية الضعيفة، يجب أن تؤخذ العلاقة العامة في الاعتبار، ولهذا السبب يتم أخذها في الاعتبار عند تخطيط مسارات المركبات الفضائية وحتى في نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). من هنا ننتقل إلى قوة أساسية أخرى، مثل الجاذبية، لديها نطاق لا نهائي من العمل - القوة الكهرومغناطيسية.

3. معادلات ماكسويل
ترتبط معظم اختراعات المائتي عام الماضية بطريقة أو بأخرى بالكهرباء والمغناطيسية. والعالم الذي قدم الأساس التجريبي لهذه الاختراعات أكثر من أي شخص آخر هو بلا شك البريطاني مايكل فاراداي. فاراداي، الذي كان يفتقر إلى التعليم الرسمي، اكتسب المعرفة من خلال قراءة الكتب التي كان يجمعها لكسب لقمة عيشه. بعد قبوله في منصب مساعد علمي، تمكن فاراداي، في عدد لا يحصى من التجارب، من تسجيل عدد كبير من الاكتشافات في الكيمياء والفيزياء. ومن بين هذه القوانين، يستحق الذكر بشكل خاص القانون الذي يحمل اسمه، والذي بموجبه يؤدي المجال المغناطيسي المتغير إلى توليد جهد كهربائي. وبناء على هذا الاكتشاف، قام فاراداي ببناء أول دينامو في عام 1831.

كان لدى جيمس ماكسويل القدرة على رؤية الصورة الشاملة. عندما لاحظ التماثل بين الكهرباء والمغناطيسية، قرر ماكسويل أن يكون بمثابة "رئيس التحرير"، وأن يجمع الكهرباء والمغناطيسية في مجموعة واحدة من المعادلات. في البداية، افترض، قياسًا على قانون فاراداي، أن المجال الكهربائي المتغير من شأنه أن يخلق مجالًا مغناطيسيًا، وفي الخطوة التالية كان قادرًا على تركيز كل المعرفة الكهرومغناطيسية المتراكمة في أربع معادلات فقط. بالإضافة إلى قانون فاراداي، تحتوي المعادلات على قانون غاوس الكهربائي، وقانون غاوس المغناطيسي وقانون أمبير مع تمديد ماكسويل. ويعد الإشعاع الكهرومغناطيسي أحد حلول هذه المعادلات، وقد تمكن ماكسويل -الذي أدرك بنفسه أن الضوء هو نوع من هذا الإشعاع- من حساب سرعة الضوء من معادلاته لأول مرة. ومن باب الفضول يمكن الإشارة إلى أن التلفزيون الملون يرجع وجوده إلى ماكسويل، بدءاً من البث التلفزيوني كإشعاع كهرومغناطيسي، مروراً بالمحولات والمكونات الكهربائية الأخرى الموجودة بداخله، وانتهاءً بمبدأ دمج الألوان بثلاثة ألوان أساسية، والتي اكتشف.

حدث تطور نظري آخر في مجال الكهرباء والمغناطيسية فقط مع إدخال نظرية الكم. وفقًا لنظرية الكم، الضوء عبارة عن موجة تتصرف أحيانًا مثل الجسيم، ومن ناحية أخرى، تتكون المادة من جسيمات تتصرف أحيانًا مثل الموجات. حول نظرية الكم وآثارها في الاكتشاف القادم.

4. نظرية الكم
في آرائه، كان ماكس بلانك شخصًا محافظًا. في عام 1900، عندما ادعى أن الضوء يتكون من كمات من الطاقة (فوتونات) وبالتالي شرح صيغة إشعاع الجسم الأسود، كان آخر شيء أراده هو إحداث ثورة فيزيائية. وبعد خمس سنوات، عارض بلانك تفسير أينشتاين الكمي للتأثير الكهروضوئي، لأنه أراد "إنقاذ معادلات ماكسويل"، التي تصف الضوء كموجة. لكن بلانك أحدث ثورة، ودخل التاريخ باعتباره أبًا لنظرية الكم، التي تعد اليوم النموذج الفيزيائي الأكثر فائدة؛ لدرجة أنه من غير الممكن إجراء حساب مجهري دقيق لا يأخذه في الاعتبار.

لقد ساهم الكثيرون في نظرية الكم، وقام الكثيرون بتفسيرها، ولا يمكن سردها جميعها هنا. ومع ذلك، سنحاول تقديم جوهر نظرية الكم، أو بمعنى آخر - سنتحدث عن معادلة شرودنغر. في عام 1926، أعجب إروين شرودنغر (شرودنغر) بأطروحة الدكتوراه التي قدمها لويس دي برولي، وخاصة بحقيقة أنه قدم الجسيمات على شكل موجات. واقترح شرودنغر وصف بعض الأنظمة الكمومية بمساعدة الدالة الموجية، وهو الحل. من المعادلة التي تحمل اسمه.يمكن تقديم وظيفة الموجة كتراكب (تداخل) للحالات، وهذه الطريقة في التسجيل تتيح ببساطة العثور على القيم المسموح بها التي سيتم الحصول عليها في التجربة وحساب احتمالات قياس هذه القيم. ويمكن القول أنه اقترح طريقة حل بسيطة لبعض المشاكل الكمومية، على الرغم من أنه في الممارسة العملية عادة ما يتعين على المرء أن يستقر على حل. وينبغي التأكيد على أنه من الجانب الفلسفي، نظرية الكم هي احتمالية وحتمية على حد سواء حيث أن احتمالات تلقي قياسات معينة يتم حسابها بشكل حتمي.

إروين شرودنغر يصوغ المعادلة الأساسية لنظرية الكم
إروين شرودنغر يصوغ المعادلة الأساسية لنظرية الكم
أحد المجالات التي تلقت تحسينًا متجددًا مع إدخال نظرية الكم هو مجال الديناميكا الحرارية، وقد أدى الجمع الناجح بينهما إلى تطوير مواد جديدة وفهم أفضل لخصائصها. في لحظة حاسمة في تطور الديناميكا الحرارية في الاكتشاف التالي.

5. القانون الثاني للديناميكا الحرارية
ترتبط الثورة الصناعية التي بدأت في نهاية القرن الثامن عشر ارتباطًا وثيقًا بمجال الديناميكا الحرارية وتطورها. القانون الثاني للديناميكا الحرارية، والذي يمكن صياغته بثلاث طرق، هو الذي يحدد حدود استخدام الطاقة الحرارية، وإلى حد ما يضع تحفظا على القدرة الصناعية. وفقا للنسخة الأولى فإن كفاءة المحرك الحراري محدودة، ولن تتجاوز أبدا كفاءة المحرك المعتمد على دورة كارنو. تنص النسخة الثانية على أنه لغرض التبريد يجب استثمار الطاقة، وتدعي النسخة الثالثة، وهي الأكثر انتشارًا، أن إنتروبيا النظام المغلق لن تنخفض أبدًا.

نحن مدينون بفهم مفهوم الإنتروبيا، أي درجة اضطراب النظام، للودفيغ بولتزمان، الذي عرفه باستخدام عدد الترتيبات الممكنة للجزيئات، وبالتالي وضع أحد أسس الميكانيكا الإحصائية، التي توفر التحليل الفيزيائي. شرح للديناميكا الحرارية. أما الأهمية الفلسفية للقانون الثاني فهي أنه يعطي اتجاها محددا لضغط الزمن، ويميز بين الماضي والمستقبل. ويمكن القول عن بولتزمان نفسه أنه كان متقدمًا على عصره، وأن أفكاره لم تكن مقبولة دائمًا، وأن المناقشات التي لا تنتهي أضعفت روحه. ويبدو أيضًا أنه كان يعاني من الهوس الاكتئابي، وأثناء إجازته في إيطاليا عام 1906، فقد وعيه. وبعد سنوات، أصبح مفهوم الإنتروبيا مصدر إلهام لمجال رياضي جديد يسمى نظرية المعلومات.

لودفيج بولتزمان، الذي عرف مفهوم الإنتروبيا
لودفيج بولتزمان، الذي عرف مفهوم الإنتروبيا
إنجاز آخر لبولتزمان كان في صياغة معادلة تحمل اسمه الآن، تصف التغير في كثافة الجسيمات مع مرور الوقت، تحت تأثير العوامل الخارجية. تُستخدم هذه المعادلة على نطاق واسع في فهم العمليات التي تحدث في المجرات، وفي فهم العمليات التي حدثت في الكون الفتي بعد الانفجار الأعظم. وهذان الموضوعان سيشغلاننا في الاكتشافات التالية.

6. اكتشاف المجرات
جرت مناقشتان فلكيتان كبيرتان في القرن العشرين. تناول أحدهما بنية الكون والآخر تناول بدايته. كان الجدل حول وجود مجرات أخرى غير مجرة ​​درب التبانة، والذي يسمى أيضًا "النقاش الكبير"، نقاشًا عامًا حقيقيًا في تقليد عصر النهضة، وقد حدث في 20 أبريل 26، في متحف سميثسونيان في واشنطن. ومن الجدير بالذكر أنه قبل أكثر من 1920 عامًا، افترض الفيلسوف الشهير إيمانويل كانط أن مجرة ​​درب التبانة ليست الكون بأكمله، ولكن هناك "عوالم جزرية" أخرى، والتي تسمى اليوم بالمجرات. وفي المناظرة الكبرى نفسها، اتخذ هيبر كيرتس (كيرتس) نفس موقف كانط، وجادل بأن سديم المرأة المسلسلة هو مجرة ​​​​في حد ذاتها خارج مجرة ​​درب التبانة. وقد بنى ادعائه على ملاحظات مفادها أن عدد أحداث المستعرات في هذا السديم، والذي يضيء النجم خلاله لفترة قصيرة، يمكن مقارنته بعدد أحداث المستعرات في جميع الاتجاهات الأخرى. من ناحية أخرى، اعتمد هيرلو شابلي على التقرير الذي يفيد بأن سديم المرأة المسلسلة قد لوحظ وهو يدور، وبالتالي لا يمكن أن يكون بعيدًا عنا كثيرًا، أي أنه موجود داخل مجرة ​​درب التبانة.

تم اتخاذ القرار بعد بضع سنوات، عندما لاحظ إدوين هابل (هابل) سديم المرأة المسلسلة وأثبت بما لا يدع مجالاً للشك أنها مجرة ​​منفصلة وبعيدة عنا. واليوم يقدر عدد المجرات في الكون بمئات المليارات. وكان حل لغز بنية الكون أيضًا بمثابة الإشارة لفتح نقاش فلكي آخر طويل الأمد حول أصل الكون. الاكتشاف القادم سوف يتعامل مع الانفجار الكبير.

7. الانفجار الكبير
لم يتم حل الجدل بين الكون الساكن والكون المتوسع الناشئ من نقطة واحدة إلا في الستينيات. سنقدم هنا ثلاثة أدلة رئيسية لنموذج الانفجار الكبير، أو بعبارة أخرى - الانفجار الكبير في ثلاثة أنظمة. في الفصل الأول سنعود إلى إدوين هابل، وهذه المرة سنتحدث عن القانون الذي يحمل اسمه. اكتشف هابل أنه كلما ابتعدت المجرة عنا، كلما ابتعدت عنها بشكل أسرع. قلب قانون هابل الموازين لصالح الكون المتوسع، لكن يبقى السؤال مفتوحًا حول ما إذا كان ينشأ من نقطة واحدة أم أن مادة جديدة تنشأ فيه باستمرار.

تم اكتشاف الدليل الثاني بالكامل عن طريق الصدفة، مما أدى إلى ترجيح كفة الميزان لصالح الانفجار الكبير. في عام 1964، تم قياس الإشعاع الراديوي الخواص، والذي تبين فيما بعد أنه مطابق تمامًا لإشعاع الخلفية الكونية، والذي لا يمكن أن يأتي إلا من كون حار وصغير. أصل هذه الفوتونات يعود إلى كون فتي عمره حوالي 400 ألف سنة، حيث انخفضت درجة الحرارة بدرجة كافية ووصلت إلى 3000 درجة كلفن، لتتمكن الإلكترونات من تكوين الذرات الأولى مع النوى. قبل ذلك، كانت الفوتونات تصطدم باستمرار بالإلكترونات والنوى، وكان الكون منيعًا للإشعاع.

الهوائي الذي استخدمه أرنو بنزياس وروبرت ويلسون عام 1964، أثناء الاكتشاف العرضي لإشعاع الخلفية الكونية، والذي تنبأ به نموذج الانفجار الكبير
الهوائي الذي استخدمه أرنو بنزياس وروبرت ويلسون عام 1964، أثناء الاكتشاف العرضي لإشعاع الخلفية الكونية، والذي تنبأ به نموذج الانفجار الكبير
أما الفصل الثالث والأخير فيأخذنا إلى الوراء في الزمن، إلى الدقائق الثلاث الأولى من عمر الكون. وتبين أن انتشار العناصر الضوئية اليوم يتوافق تمامًا مع التنبؤ بالانفجار الكبير. في الدقائق الثلاث الأولى كانت درجة الحرارة مرتفعة بما يكفي للاندماج النووي، وفي هذه الفترة القصيرة من الزمن، على سبيل المثال، تم إنشاء معظم الهيليوم الموجود في الكون، والذي يشكل ربع كتلة المادة المقاسة.

ومن الجدير بالذكر أن الفهم بأن الأرض ليست مكانًا خاصًا في الكون، والذي يُطلق عليه أيضًا "المبدأ الكوبرنيكي"، هو ما سمح بتطور النظريات الكونية اليوم. المزيد عن كوبرنيكوس في الاكتشاف القادم، حيث سيتعين علينا مرة أخرى تصحيح مفهوم خاطئ عند أرسطو.

8. الأرض تدور حول الشمس
لم يكن نيكولاس كوبرنيكوس أول من ادعى أن الأرض تدور حول الشمس. وقد سبقه علماء هنود ويونانيون، عاشوا قبله بآلاف السنين. ويستحق اليوناني أرسطرخوس، الذي ولد في جزيرة ساموس، وعاش في القرن الثالث قبل الميلاد، إشارة خاصة. وبخلاف الكتاب الذي لم يبق والذي طور فيه أرسطرخوس نموذج مركزية الشمس، لدينا كتاب آخر له قام فيه بمحاولات شجاعة لقياس حجم القمر والشمس والمسافات بينهما. لم يتم ذكر فكرة مركزية الشمس في هذا الكتاب، ووفقًا لأدلة من ذلك الوقت، لم يتم قبول محاولته لتجميد منهج مركزية الأرض الأرسطي، وتم نسيان تعاليمه.

نموذج مركزية الشمس لكوبرنيكوس، كما يظهر في كتابه De Revolutionibus Orbium Coelestium
نموذج مركزية الشمس لكوبرنيكوس، كما يظهر في كتابه De Revolutionibus Orbium Coelestium
الملاحظات التي تم إجراؤها على مر السنين لم تدعم نموذج مركزية الأرض، ومن أجل الحفاظ عليه أضافوا مع مرور الوقت إلى حركة الشمس والكواكب حول الأرض حركة دائرية أخرى بنصف قطر أصغر بكثير. هذه الدوائر، التي تشكل من وجهة نظر تاريخية خطيئة على خطيئة، تسمى أفلاك التدوير. كوبرنيكوس، الذي تجرأ على نشر كتابه العظيم عن طريقة مركزية الشمس فقط وهو على فراش الموت، افترض أن الكواكب تدور حول الشمس في دوائر، وبالتالي كان عليه أيضا أن يضيف أفلاك التدوير إلى صورته للنظام الشمسي.

وفي وقت لاحق من القرن السادس عشر، أجرى تايكو براهي قياسات دقيقة فيما يتعلق بحركة الكواكب، لكنه لم يفسرها بشكل صحيح. وكان يعتقد أن الشمس تدور حول الأرض بينما الكواكب الأخرى تدور حول الشمس. لقد كان يوهانس كيبلر أول من فهم الحركة الإهليلجية للكواكب حول الشمس، وهذا الفهم هو أحد القوانين الثلاثة الشهيرة التي تحمل اسمه، وتلخص معرفتنا بأنظمة الكواكب.

اليوم، نحن نعرف جيدًا ليس فقط نظامنا الشمسي، ولكن لدينا معلومات حول أنظمة الكواكب الأخرى. وسيتناول الاكتشاف القادم أيضًا نموذجًا شبه كوكبي، لكنه سيكون نموذجًا مختلفًا تمامًا، أصغر بعشرات المراتب من نظامنا الشمسي - الذرة.

9. هيكل الذرة
في العقد الأول من القرن العشرين، ساد نموذج الذرة الذي وضعه جوزيف طومسون، مكتشف الإلكترون، والذي بموجبه تتكون الذرة من إلكترونات سالبة الشحنة منتشرة داخل كرة مشحونة بشحنة كهربائية موجبة موحدة. ومن غير المعروف أنه حتى في ذلك الوقت كان هناك نموذج آخر أقل قبولا، وهو من بنات أفكار الياباني ناجاوكا، الذي ادعى أن الإلكترونات الموجودة في الذرة تدور حول نواة موجبة وضخمة.

في عام 1911، قرر إرنست رذرفورد، الحائز على جائزة نوبل مؤخرًا، استخدام معرفته بجسيمات ألفا وإجراء تجربة في مختبره ستُسجل لاحقًا في التاريخ. قام بقصف أوراق الذهب بجسيمات ألفا وفحص زوايا التشتت. ولدهشته، اكتشف مساعدوه أن جسيمات ألفا تتناثر بزوايا كبيرة، بل وتعود في بعض الأحيان إلى الخلف. "يبدو الأمر كما لو كنت تطلق قذيفة على قطعة من الورق، وسوف ترتد وتضربك"، كما قال رذرفورد نفسه. أكدت تجربة رذرفورد النموذج الكوكبي للذرة، ولكن واجهت مشكلة واحدة - وهي أن مثل هذه الذرة كانت غير مستقرة. هنا جاء نيلز بور لمساعدته، وبينما قام بدمج المبادئ الجديدة لنظرية الكم، قام بتقييد المسارات المسموح بها للإلكترونات التي تتحرك حول النواة. اكتشف بور فيما بعد أن افتراض أن الإلكترونات التي تنتقل من مدار إلى آخر تبعث أو تمتص فوتونات يفسر ترددات انبعاث ذرة الهيدروجين التي تم قياسها في تجارب سابقة. ونشر النتيجة عام 1913، وبذلك افتتح فرع الفيزياء الذرية الحديثة المبني على نظرية الكم.

واصل رذرفورد نفسه التحقيق في بنية الذرة، وفي عام 1920 توصل إلى استنتاج مفاده أن النواة لا تحتوي فقط على البروتونات، التي لها شحنة موجبة، ولكن أيضًا الجسيمات المحايدة، والتي سُميت بعد فترة وجيزة بالنيوترونات، وتم اكتشافها في تجربة. بعد سنوات. تم اكتشاف العديد من الجسيمات ذات الحجم دون الذري خلال القرن العشرين. أما الاكتشاف العاشر والأخير فسوف يتناول هذا الموضوع.

10. النموذج القياسي
تم وضع أول قطعة في تجميع الجسيمات الأولية، وهي اللبنات الأساسية للمادة والإشعاع، في عام 1897 مع اكتشاف الإلكترون، أما القطعة الأخيرة، في الوقت الحالي، فقد تم وضعها في عام 2000، عندما تم وضع جسيم يسمى تاو - تم اكتشاف النيوترينو . تعتبر نظرية الجسيمات الأولية، والمعروفة ببساطة باسم "النموذج القياسي"، النموذج الأكثر دقة في العلوم، وقد ساهم فيها العديد من علماء الفيزياء، سواء في الجانب النظري أو في الجانب التجريبي. إن حقيقة أن صياغتها الرياضية، المبنية على التماثل، بسيطة للغاية لدرجة أنه من الممكن كتابة التوراة بأكملها في خمسة أسطر، أمر مثير للإعجاب.

ووفقا للنموذج القياسي، فإن أصل القوة (التفاعل) بين جسيمين هو التبادل المستمر للجسيمات الحاملة للقوة بينهما. في الستينيات، توصل عدد من علماء الفيزياء إلى تنبؤ مهم، وضع النظرية بأكملها على المحك. ووفقا لهم، هناك ثلاثة جسيمات تحمل الطاقة في الطبيعة، تشبه الفوتون، وهي مسؤولة معه عن عمل القوة الكهروضعيفة، وهو نوع من الاتحاد بين القوة الكهرومغناطيسية والقوة النووية الضعيفة (التي مسؤولة عن إشعاع بيتا). وزعموا أن هذه الجسيمات، المسماة W plus وW ناقص وZ صفر، لها كتلة عالية، وبالتالي لم يتم اكتشافها بعد في مسرعات الجسيمات. وكانت هذه الإشارة لبدء السباق بين المجموعات البحثية المختلفة في العالم لاكتشاف الجزيئات الجديدة. وصل السباق إلى ذروته في ديسمبر 1982، ولم يتم تحديده إلا من خلال الصورة النهائية. عثرت مجموعة الكشف UA1 (في CERN بالقرب من جنيف) بقيادة الإيطالي كارلو روبيا، على ستة جسيمات W، وبالتالي كانت متقدمة على المنافسة ببضعة أيام.

الجزء المركزي من كاشف UA1، حيث تم اكتشاف جسيمات W لأول مرة في ديسمبر 1982، وجسيم Z - بعد نصف عام
المصدر: سيرن
الجزء المركزي من كاشف UA1، حيث تم اكتشاف جسيمات W لأول مرة في ديسمبر 1982، وجسيم Z - بعد نصف عام
المصدر: سيرن
اليوم نحن على مفترق طرق مرة أخرى. وقد أظهرت التجارب التي أجريت في السنوات الأخيرة أن كتلة جسيمات النيوترينو أكبر من الصفر، وهو ما يتعارض مع توقعات النموذج القياسي. هل يمكن أن يكون النموذج القياسي جزءًا من تجميع أكبر وأكثر دقة؟ هذا السؤال المهم، وغيره الكثير، بما في ذلك تلك التي لم تُطرح بعد، سوف يشغلنا لسنوات عديدة قادمة، ويرشدنا إلى المعرفة والفهم.

أرييه ميلاميد كاتس على وشك إنهاء دراسة الدكتوراه في قسم فيزياء الجسيمات في معهد وايزمان. يحاول في أوقات فراغه تتبع قصص علمية خاصة والكشف عن تفاصيل مجهولة