المادة والمادة المضادة – المادة ونقيضها

عن مجموعة من العلماء الذين يفكون سر المادة المضادة في معهد وايزمان

إليكم القصة التي تبدأ بأربعة مسارات بحثية منفصلة، ​​والتي التقت بشكل غير متوقع عند نقطة واحدة في مركز Submicron التابع لمعهد وايزمان للعلوم. إنها قصة عن الحياة والموت، الأشياء وعكسها، العناد والموهبة، الدراما والفيزياء. لكن قبل كل شيء، إنها قصة عن الجهد المتواصل الذي يبذله البشر لفهم العالم، أو على الأقل توسيع معرفتنا بالعالم، على حساب تقليص الجزء الذي يبقى مجهولا.

يبدأ المسار الأول في عام 1937، حيث نشر إيتوري مايورنا، عالم الفيزياء النظرية الصقلي البالغ من العمر 31 عامًا، مقالًا قام فيه بتطوير معادلات عالم فيزياء نظرية آخر، وهو الإنجليزي بول ديراك. وكان ديراك، الذي كان يكبر ماجورنا بأربع سنوات فقط، قد حصل بالفعل على جائزة نوبل في الفيزياء في ذلك الوقت، والتي مُنحت له بعد أن نجح -عام 1928- في إثبات أن نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين كانت متسقة مع نظرية الكم. بالمناسبة، تنبأ بوجود "جسيم مضاد" مطابق للإلكترون من جميع النواحي، لكنه يحمل شحنة كهربائية معاكسة - أي موجبة. تمت ملاحظة هذا "الجسيم المضاد"، المسمى "البوزيترون"، بالإضافة إلى جسيمات مضادة أخرى، مما فتح نافذة على رؤى مدهشة حول بنية المادة في الكون.

وفي مقال نشره عام 1937، طور ميورنا معادلات ديراك، وبين أنه من الممكن أن تكون هناك جسيمات أساسية (غير مشحونة) هي جسيمات مضادة خاصة بها. الجسيم الذي أظهر وجوده المحتمل في المقال كان يسمى "فيرميون ماجورنا" (تعبير "فرميون" يعني أنه جسيم مادة، وليس جسيمًا يحمل القوة مثل الفوتون. هذه النقطة تهدف إلى لعب دور الدور الرئيسي لاحقًا في القصة).

لم تكن ميورنا شخصًا بسيطًا ولم تكن تتمتع بصحة جيدة. نشر أول مقال علمي له عندما كان طالباً جامعياً. كان معلمه العلمي إنريكو فيرمي، الذي عرّف ميورنا فيما بعد بأنه "عبقري على طريقة نيوتن". لكن حتى فيرمي واجه صعوبة في إقناع ميورنا بنشر أعمال اعتبرها مهمة. قبل وقت قصير من نشر المقال عن الجسيم النظري الذي يحمل اسمه، انسحب ميورنا إلى نفسه، ونأى بنفسه عن أصدقائه، وكرس نفسه لنظام غذائي خاص (كان يعاني من التهاب المعدة)، ونادرا ما ظهر علنا. وبعد حوالي عام من نشر المقال، في 26 مارس 1938، استقل عبارة في ميناء باليرمو في صقلية. في اليوم التالي، عندما رست العبارة في نابولي - لم تنزل ميورنا. وافترض كثيرون أنه انتحر خلال الرحلة القصيرة، لكن مع مرور السنين أثيرت الشكوك، بل وانتشرت شائعات بأنه حبس نفسه في أحد الأديرة. وساهم اختفائه في تطوير أسطورة تحيط بالجسيم النظري الغريب (جسيمه المضاد)، الذي تنبأ بوجوده، والذي لم يثبت وجوده حتى الآن.

جزيئات مقلدة

أما المسار الثاني فيبدأ عام 1982، عندما ادعى عالم الفيزياء الأمريكي روبرت ليفلين، الذي حاول تفسير الظواهر الكمومية "الغريبة" التي تحدث في أشباه الموصلات، أنه في ظل ظروف معينة، يتم إنشاء نوع من هياكل الإلكترونات في التيار الكهربائي التي تعمل بشكل منفصل ". "الجسيمات المحاكية"، كل منها يحمل شحنة كهربائية أصغر من شحنته "الأساسية" لإلكترون واحد (الشحنة الكهربائية للإلكترون - التي قاسها لأول مرة روبرت ميليكين عام 1909 - هي أصغر شحنة كهربائية حرة لوحظت في الطبيعة).

ووفقا لحسابات ليفلين، يتم إنشاء "الجسيمات المحاكية" في نظام يحدث فيه تأثير هول الكمي (يحدث تأثير هول عندما يتم وضع الإلكترونات على سطح ما تحت تأثير مجال مغناطيسي قوي)، وسيكون لها شحنة كهربائية يساوي جزءًا فرديًا (ثلث، وخمس، وسبعة، وهكذا)) من الشحنة الكهربائية للإلكترون.

وقد تم إثبات هذه النظرية لأول مرة في تجربة أجراها البروفيسور موتي هايبلوم وأعضاء مجموعته في معهد وايزمان للعلوم عام 1997 (وهو الأمر الذي لعب دوراً مهماً في قرار منح جائزة روبرت ليفلين وهورست ستورمر ودانيال تسوي) جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1998). لكن التجارب المصممة لدراسة ظواهر كمومية أخرى أشارت إلى احتمال وجود جسيمات محاكاة من نوع مختلف تماما: تلك التي تكون شحنتها الكهربائية مساوية لجزء زوجي من شحنة الإلكترون (نصف، ربع، ثمن، وما إلى ذلك). كما أثبت البروفيسور هايبلوم وأعضاء مجموعته البحثية وجود هذه الجسيمات المحاكية، وتمكنوا من قياس شحنتها الكهربائية. تم إجراء التجربة على بلورات أشباه الموصلات ذات أعلى مستوى من النقاء في العالم، والتي أنشأها الدكتور فلاديمير أومانسكي في معهد أبحاث دون الميكرون في معهد وايزمان للعلوم.

مفاتيح الكم

وتنقسم الجزيئات المحاكية إلى مجموعتين رئيسيتين: المجموعة الحزينة، والمجموعة غير الفكاهية. وتتميز الجسيمات غير الأبيلية، التي تمثل شحنتها الكهربائية جزءًا زوجيًا من شحنة الإلكترون، بأن تبادل المواضع بينها ينقل النظام من حالة كمومية إلى أخرى - وفقًا لطوبولوجيا المسار الذي تسير فيه الجسيمات المحاكية يتحرك. والأكثر من ذلك: أن الحالة التي سيصل إليها النظام بعد التبادل تعتمد على ترتيب التبادلات (أي أن إجراء نفس التبادلات بترتيب مختلف سيؤدي إلى حالة كمومية مختلفة للنظام). وهذه الميزة غير موجودة في عالم الجسيمات الخيالية والحقيقية (مثل الإلكترون والفوتون والبروتون وغيرها).

معنى هذا الاختلاف هو أنه في الأنظمة غير الأبيلية، لا يمكن للاضطرابات المحلية أن تؤثر على الحالة الكمومية للنظام (والتي تتغير فقط بسبب تبادل مواقع الجسيمات المحاكاة). ولذلك، فإن الجسيمات المحاكاة غير القابلة للاستئصال تكون أكثر مقاومة للتأثيرات البيئية. من هذا يمكن أن نستنتج أن الكمبيوتر (النظري) المستقبلي، الذي سيعتمد على محاكاة جسيمات غير أبيلية، سيكون محصنًا ضد التدخل ("الضوضاء") وسيقوم بإجراء "حساب كمي طوبولوجي".

وفي هذه المرحلة، بدأت هذه الأبحاث النظرية والتجريدية تثير اهتمام العلماء في جميع أنحاء العالم، وكذلك الكيانات التجارية البارزة، مثل شركة "مايكروسوفت" العالمية، التي بدأت باستثمار مبالغ كبيرة في الأبحاث.

الصغير جميل
المسار الثالث يبدأ عام 2007، وهو يأتي من إدراك أن هناك حدًا لدرجة الدقة والنحو في التفاصيل التي يمكن للنحات الفنان، مهما كانت موهبته، أن يعبر عنها في الحجر الذي ينحته تمثالًا. يتم تحديد هذا الحد المادي من خلال أبعاد الأداة الأكثر دقة التي يستخدمها الفنان. أولئك الذين يرغبون في تصميم تفاصيل أصغر لا يمكنهم القيام بذلك إلا إذا قاموا، بدلاً من النحت في الحجر، بجمع الحجارة الصغيرة، ثم بناء أو تجميع النحت منها "من الأسفل إلى الأعلى". في هذه الطريقة، يكون حجم أصغر التفاصيل محدودًا بحجم وحدات البناء.

أخذت الدكتورة هاداس ستريكمان من معهد وايزمان للعلوم هذه الفكرة إلى المختبر، حيث بدأت في زراعة بلورات مفردة صغيرة من زرنيخ الإنديوم شبه الموصل. وبعد عدة سنوات من الجهد، تمكنت من تنمية أسلاك نانوية ذات بنية بلورية مثالية (أكد ذلك الدكتور رونيت بوبوفيتز)، وهي رفيعة جدًا لدرجة أنه من الناحية العملية، تتحرك الإلكترونات المتدفقة عبرها في مسارات تدفق أحادية البعد. .

مواقف
تم إطلاق المسار الرابع في عام 2001، عندما اقترح الدكتور أليكسي كيتاييف، الذي كان سابقًا باحثًا زائرًا في معهد وايزمان للعلوم، طريقة من شأنها أن تجعل من الممكن استخدام محاكاة الجسيمات غير الأبيلية غير المشحونة، والتي لها خصائص ميورنا. الجسيمات، لإنشاء ذكريات الكم الطوبولوجية. من المهم أن نفهم: هذا ليس فيرميون ماجورنا، وهو جسيم مادة في حد ذاته، ولكنه محاكاة لجسيمات معقدة، وهي في الواقع نوع من "الحالات" التي هي أيضًا "حالات مضادة" خاصة بها.

مرت بضع سنوات أخرى حتى عام 2010، قام البروفيسور يوفال أورج وشركاؤه البحثيون، البروفيسور فيليكس فان أوفين من جامعة برلين الحرة والبروفيسور جيل رافائيل من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، بتطوير نظرية أظهرت كيف فمن الممكن إنشاء حالات كمومية توجد فيها جسيمات مقلدة (معقدة) تتميز بخصائص جسيمات ميورنا. واقترحوا تطبيق النظرية بطريقة تتضمن عدة مكونات بسيطة نسبيًا، ولا تتطلب تفاعلات قوية ومعقدة بين الإلكترونات. تعتمد هذه الطريقة على أسلاك نانوية أحادية البعد من أشباه الموصلات، توضع بالقرب من الموصلات الفائقة، وعلى تنشيط مجال مغناطيسي ضعيف على طول الأسلاك النانوية.

المسارات تتلاقى
هنا تقاربت المسارات. واقترح البروفيسور يوفال أورغ والطالب البحثي يوناتان موست استخدام الأسلاك أحادية البعد التي زرعها الدكتور هاداس ستريكمان، ووضعها بالقرب من الموصلات الفائقة. وهكذا سيتم في نهايات الخيوط إنشاء جسيمات مقلدة ومعقدة تتميز بخصائص جسيمات الميورنا. أي أنهم سيكونون مضادين (أو مناهضين للدولة) لأنفسهم. قام البروفيسور موتي هايبلوم، وباحث ما بعد الدكتوراه الدكتور أنينديا داس، وطالب البحث يوفال رونان، بتصميم وبناء المجموعة التجريبية المعقدة، وفي غضون بضعة أشهر تمكنوا من توصيف الحالات الكمومية التي تتوافق مع توقعات دول ماجورنا.

وقبل ذلك بوقت قصير، أعلن الفيزيائي الهولندي ليو كوبنهوفن، من جامعة دلفت، عن نتيجة مماثلة. يقول البروفيسور هايبلوم والبروفيسور أورغ: "إذا كانت هذه النتائج تشير إلى وجود حالات ماجورنا، فإنها تقدم لنا خطوة أخرى في الرحلة الطويلة للبحث في مبادئ الحوسبة الكمومية".

سؤال مفتوح
ولكن أين هي جزيئات ميورنا؟ إن الحالات الكمومية التي تمت ملاحظتها في معهد وايزمان وجامعة دلفت تثير بالفعل إثارة كبيرة، ولكن عند محاكاتها، وهي جسيمات معقدة، فهي ليست جسيمات ماجورنا "الحقيقية"، والتي من المفترض أن تكون فرميونات، أي جسيمات المادة في حد ذاتها. .

إذا كان الأمر كذلك، فهل توجد جسيمات ميورنا الحقيقية في الطبيعة؟ ويأمل الفيزيائيون أن تكون الإجابة على هذا السؤال إيجابية. أحد المرشحين الطبيعيين لدور جسيمات ماجورانا هو النيوترينو. يفتح هذا الاحتمال الباب أمام حل أحد أكبر الأسئلة المفتوحة في الفيزياء: بافتراض أن المادة والمادة المضادة خلقتا بكميات متساوية في الانفجار الكبير، لماذا نرى المادة فقط في الكون الذي نعرفه؟ أين ذهبت المادة المضادة؟

ويقول العلماء إنه إذا كان النيوترينو جسيم ماجورنا (أي أنه جسيم مضاد خاص به)، فقد يكون ذلك مرتبطا بوجود قوة ما (لم يتم ملاحظتها حتى الآن)، والتي تفرق بين المادة والمادة المضادة، وهو المسؤول عن اختفاء المادة المضادة من الكون