حقول هيغز إلى الأبد

حاولت أن أكتب المقال من البساطة الموجودة في بداية المقال مروراً بالخطبة إلى السر الموجود في النهاية، كل واحد على حسب قدرته واهتمامه.

بعد إعلان علماء مسرع الجسيمات LHC عن اكتشاف جسيم هيغز، الجسيم الذي يحبون أن يطلقوا عليه اسم "جسيم الرب"، والضجيج الإعلامي الذي أحاط بالاكتشاف، حان الوقت لنتساءل عن سبب كل هذه الضجة، ما هو المهم جدًا في هذا الاكتشاف ولماذا التصق به لقب جسيم الإله؟ أدعوك للغوص معي في أعماق المغفرة، دون تنازلات، نحو الرؤى التي تمكنا من تعلمها في هذه الأثناء عن سر الخلق والواقع من حولنا. حاولت أن أكتب المقال من البساطة الموجودة في بداية المقال مروراً بالخطبة إلى السر الموجود في النهاية، كل واحد على حسب القدرة والفائدة.

وأعلن العلماء أساساً أنهم اكتشفوا باحتمال كبير 99.99995% "جسيماً جديداً يتصرف بطريقة تتفق مع التنبؤات الخاصة بنشاط جسيم هيغز". بمعنى آخر، على الأرجح أننا اكتشفنا جسيم هيغز، وهو الجسيم الذي تم التنبؤ بوجوده نظريًا منذ 43 عامًا. الفرحة كبيرة بشكل خاص لسببين، هذا الاكتشاف هو خطوة أخرى نحو نظرية ستحاول تحقيق رؤية أينشتاين - رؤية توحيد القوى تحت نظرية واحدة تشرح كل شيء - "نظرية المجال الموحد". ما زلنا بعيدين عن تحقيق مثل هذه "نظرية كل شيء"، لكن النظرية التي تنبأت بجسيم هيغز هي محطة أخرى في الطريق إلى الهدف والآن هناك تأكيد إضافي على أنها حقيقية وأننا نسير على الطريق الصحيح.

السبب الثاني هو أن جسيم هيغز مرتبط بالآلية المسؤولة عن كتل الجسيمات الأولية التي يتكون منها كوننا. تسمى هذه الآلية التي تعطي الكتل للجسيمات آلية هيغز وهي تتنبأ بوجود جسيم هيغز. والآن بعد أن وجدنا أن التنبؤ صحيح وأن الجسيم موجود، فإن احتمال أن تكون آلية هيغز آلية حقيقية وصحيحة قد تعزز. ولذلك يمكننا أن نقول بثقة أكبر كيف تمت إضافة خاصية الكتلة إلى الجسيمات التي تشكلنا. بسبب العلاقة بين جسيم هيغز والآلية التي تعطي الكتلة لجميع الجسيمات في الكون (وربما أيضا بسبب الصعوبة التجريبية في اكتشافها)، سمي جسيم هيغز "جسيم الله". تخيل كونًا آخر لا توجد فيه آلية هيغز، ونتيجة لذلك لن يكون لجسيم الإلكترون كتلة على الإطلاق، ولن تتحرك الإلكترونات إلا بسرعة الضوء وفي خطوط مستقيمة فقط ولن تتشكل أي أختام كما نعرفها وبالتأكيد الحياة كما نعرفها لن تتطور. إن وجود كتل للجسيمات الأولية أمر بالغ الأهمية لتصميم الكون، وبالتالي فإن جسيم هيجز باعتباره يمثل الآلية بأكملها تلقى هذا اللقب الطنان. ويمكن للمرء أن يرى في اسم جسيم الإله أيضًا تلميحًا لهدف بحثنا الفيزيائي - فالبحث الذي يمكن تسميته بالبحث عن التماثل الإلهي واكتشاف جسيم هيجز هو خطوة أخرى في هذا الاتجاه.

وهناك قصة أخرى تزعم أن هذا اللقب تم إنشاؤه لأنه كان من الصعب جدًا على المجربين العثور على جسيم هيغز وفي كل مرة كانوا يغضبون ويسألون "! أين هذا الجسيم اللعين" وهذا اللقب يختصر إلى جسيم الرب (في العبرية هذا لن ينجح، "أين باسم الله هذا الجسيم؟") ...

إن الفضوليين من القراء والشجعان الذين لا يخشون الغوص في أعماق الواقع والرؤى التي تنتظرنا هناك لا بد أن يتساءلوا 'فما هذا البحث عن التناظر الإلهي وما هذه الآلية التي بفضلها تمتلك الجزيئات كتلا' ؟ وكيف يمكن حتى توحيد القوى التي تبدو مختلفة جدًا في قوة واحدة؟

النظرية الموحدة الكبرى

نحن نعرف أربع قوى أساسية في الطبيعة، الجاذبية - قوة الجاذبية، القوة الكهرومغناطيسية - قوة الجذب والتنافر بين الشحنات الكهربائية والمغناطيسية الموجبة والسالبة، وقوتين نوويتين أخريين تعملان على مسافات قصيرة جداً، مسافات على الترتيب من النوى الذرية (10-15 متر أو 0.000000000000001 متر) وتسمى هاتان القوتان بأسماء أصلية للغاية - القوة النووية القوية والقوة النووية الضعيفة.

القوة النووية الشديدة، من بين أمور أخرى، تجعل الذرة تمتلك نواة على الإطلاق. فهو يتسبب في التصاق الجزيئات النووية ببعضها البعض ولا يسمح لها بالهروب. تتسبب القوة النووية الضعيفة في تغيير الجسيمات لإحدى خصائصها وبالتالي تصبح جسيمات أخرى. ومن نتائج هذه القوة الاضمحلال الإشعاعي الذي يتسبب في تفكك نواة الذرة الثقيلة إلى ذرات أخف وإصدار جزيئات. إذا أردنا أن نحاول توحيد هذه القوى الأربع، فنحن بحاجة إلى تطوير نظرية توضح كيف بدأ الكون بقوة واحدة وكيف تشعبت هذه القوة إلى القوى الأربع المختلفة التي نراها حولنا اليوم.

في القرن التاسع عشر، نجح عالم فيزياء يُدعى جيمس ماكسويل في توحيد قوتين مختلفتين ظاهريًا، القوة الكهربائية والقوة المغناطيسية. وقام بتطوير أربع معادلات تصف القوى والعلاقات المتبادلة بينها، وبينت كيف تنشأ هاتان القوتان من نفس الشحنات (الشحنة الموجبة والسالبة). وتنبأت معادلاته أيضًا بوجود موجات تنتقل بسرعة الضوء تمامًا والتي تنشأ عند تسارع هذه الشحنات. هكذا فهمنا كيف تتشكل موجات الضوء فعليًا. ولهذا السبب يتحدث الفيزيائيون اليوم عن قوة كهرومغناطيسية واحدة، وتسمى موجات الضوء بالموجات الكهرومغناطيسية. لتطوير هذه المعادلات، استخدم ماكسويل مفهومًا يسمى المجال، وهو مفهوم اخترعه أستاذه الفيزيائي مايكل فارداي. المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي هما تأثير الشحنة على بيئتها وبمجرد مرور شحنة أخرى عبر هذا المجال تشعر بها وبالتالي تشعر بوجود قوة كهربائية أو مغناطيسية تؤثر عليها. عندما يتم تسريع الشحنة داخل مثل هذا المجال الكهرومغناطيسي، فإنها تسبب موجة في المجال، هذه هي الموجة الكهرومغناطيسية، موجة الضوء (يمكنك التفكير في الشحنة المتسارعة التي تمر عبر المجال الكهرومغناطيسي تمامًا مثل اليد التي تتحرك ذهابًا وإيابًا في الماء وخلق موجات مائية حوله). لاحظ أنه على الرغم من أننا لا نرى المجال إلا أنه كيان فيزيائي موجود وحقيقي له خصائص فيزيائية مثل الطاقة. إننا نعرف وجود المجال بفضل تفاعلاته مع الشحنات الأخرى وبفضل الاضطرابات التي تحدثها الشحنات فيه. وهذه العلاقات المتبادلة هي على سبيل المثال القوة الكهرومغناطيسية والاضطراب في المجال هو موجة الضوء.

بالمناسبة، كان لدى فريدي إجابة جيدة حتى اليوم لأولئك الذين يتساءلون عما يمكن فعله باكتشاف جسيم هيغز. درس المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي كانت تعتبر آنذاك ظواهر غريبة وعجيبة. وفي أحد الأيام جاء رئيس الوزراء البريطاني لزيارته في المختبر. أظهر له فارداي جميع أنواع العروض الرائعة للكهرباء حتى قال له رئيس الوزراء أخيرًا - "كل ما أريته لي جميل جدًا، ولكن ماذا يمكننا أن نفعل به؟" رد فارداي على ذلك قائلاً: "لا تقلق، يومًا ما ستتمكن من فرض ضريبة على ذلك أيضًا". لقد كان محقا.

وبعد فاراداي وماكسويل جاء أينشتاين في بداية القرن العشرين. افتتح أينشتاين عصر الفيزياء الحديثة، وانتهى من توحيد القوة الكهرومغناطيسية، واكتشف أن موجات الضوء يمكن وصفها بأنها جسيمات سماها الفوتونات، وغير تصورنا تمامًا للمكان الذي نعيش فيه، وما هو المكان والزمان، وما هي قوة الجاذبية. وبدأت دراسة الكون كله - علم الكونيات. وبعد كل هذه النجاحات حاول تطوير نظرية المجال الموحد، وهي النظرية التي من شأنها توحيد جميع القوى في الطبيعة. وقد حاول القيام بذلك دون جدوى حتى وفاته في عام 20. وسبب عدم تمكنه من القيام بذلك هو أنه حاول توحيد اثنتين فقط من القوى، القوة الكهرومغناطيسية وقوة الجاذبية. لقد تجاهل القوتين النوويتين اللتين كانتا جديدتين للغاية واستندتا إلى نظرية الكم (نظرية تصف سلوك الجسيمات الأولية) التي ساعد أينشتاين في تطويرها، لكنه لم يقبلها.

فقط بعد أن طور علماء الفيزياء مثل بول ديرك وريتشارد فاينمان نظرية جديدة نجحت في توحيد نظرية الكم مع جزء من النسبية، وهي نظرية تسمى نظرية المجال الكمي والتي تمكنوا بمساعدتها من تفسير نشاط القوة الكهرومغناطيسية والاثنتين القوات النووية، كان من الممكن محاولة توحيد القوات. في عام 1970، نشر الفيزيائيون شيلدون جلاشو وعبد السلام وستيفن وينبر نظرية كجزء من نظرية المجال الكمي التي تقترح كيفية توحيد اثنتين من القوى الأربع، القوة الكهرومغناطيسية والقوة النووية الضعيفة، ولذلك يطلق على هذه النظرية اسم القوة الكهربائية الضعيفة. التوحيد، وتنبأت النظرية بوجود أربعة جسيمات جديدة لم تكن معروفة في ذلك الوقت. هل الاتحاد الكهربي الضعيف صحيح؟ هل تمكنا من فهم سر آخر للخلق؟ وفي عام 1983، تمكن الفيزيائيون التجريبيون من العثور على ثلاثة من هذه الجسيمات الأربعة المتوقعة، وبالتالي عززوا ثقتنا في صحة النظرية بالفعل. أما الجسيم الرابع المتبقي للاكتشاف فهو نفس جسيم هيغز الذي عثر عليه بالأمس. والآن تم العثور على جميع الجسيمات التي تنبأت بها نظرية الاتحاد الكهروضوئي، ويبدو أننا بالفعل نجحنا في المضي قدماً نحو رؤية أينشتاين!

لدى الفيزيائي عبد السلام قصة حياة مثيرة للاهتمام. ينتمي إلى عائلة فقيرة من باكستان، لكن رغم الضائقة المالية والخوف من النقص، لم يتخل عن فضوله وعجبه واتبع قلبه لدراسة الفيزياء النظرية. وهو أيضًا مسلم متدين كثيرًا ما يقتبس من القرآن الدعوة إلى "استكشاف الطبيعة والتأمل... وجعل المشروع العلمي جزءًا لا يتجزأ من حياة المجتمع". اتضح أنه إذا أردت، يمكنك أيضًا تفسير القرآن بطريقة إيجابية.

بحثا عن التماثل الإلهي

نظرية المجال الكمي هي النظرية الفيزيائية الأكثر نجاحا التي قمنا بتطويرها حتى الآن، فهي تمكنت من التنبؤ بنتائج التجارب بدقة مذهلة لا تقل عن ستة أرقام بعد العلامة العشرية. فهو يقوم على مزيج من مفهوم المجال والثورة والأفكار التي قدمها أينشتاين للفيزياء. إن أهم فكرة علمنا إياها أينشتاين هي أهمية التناظر. التماثل يعني أن هناك تماثلًا، فالأشياء تبدو متشابهة حتى عندما حاولنا تغييرها. على سبيل المثال، الكرة متناظرة دورانيًا، بغض النظر عن الطريقة التي تحاول تدويرها بها، عندما تنظر إليها، ستبدو دائمًا كما هي (بافتراض عدم وجود صور ويني ذا بوه مرسومة عليها، على سبيل المثال...) . تتمتع الكرة بتماثل مثالي، ولكن هناك العديد من أنواع التماثل الأخرى وليست جميعها مثالية. على سبيل المثال، في صورة ندفة الثلج هناك تناظر سداسي. هذا هو التماثل للدوران بزاوية 60 درجة. في كل مرة نحاول فيها تغيير الصورة التي نراها وتدوير البلورة بزوايا مرتبطة بستين درجة، سنجد أننا نحصل بشكل متكرر على صورة تشبه الصورة الأصلية تمامًا. لكن هذا ليس تناظرًا مثاليًا، فإذا قمنا بتدوير البلورة بزوايا لا ترتبط بستين درجة، فسيتم تدمير التناظر ولن تبدو الصورة كما هي تمامًا.

نحن نقدر التماثل باعتباره شيئًا جميلًا، على سبيل المثال رأينا في التجارب أنه كلما كان وجه الإنسان أكثر تناسقًا من حيث الجانبين الأيسر والأيمن، كلما اعتبرناه أكثر جمالًا. يمكننا أيضًا أن نتحدث عن المزيد من التماثلات المجردة مثل التماثلات الرياضية وسنقدرها أيضًا كشيء جميل. على سبيل المثال فكرة توحيد القوى، إذا كانت هناك قوة واحدة فقط توحد القوى الأربع، فهناك تماثل هنا، يجب أن تظهر جميع القوى الأخرى متشابهة، بحيث نرى قوة واحدة فقط. القوى الأربع هي نوع من الدورات المختلفة لنفس القوة الموحدة. وقياسا على الأمثلة السابقة يمكن القول أنه إذا كان التماثل بين القوى تاما، فإنه بغض النظر في أي اتجاه نوجه القوة الموحدة - نحو قوة الجاذبية أو القوة الكهرومغناطيسية أو اتجاه القوى الأخرى، فإننا سوف نرى دائمًا نفس القوة الموحدة دون أي اختلاف (وفقًا للفرضية، هذا هو الوضع بعد الانفجار الكبير مباشرة).

فإذا كان التناظر أقل من الكمال فيمكننا التفريق في دورات معينة بين بعض القوى ولن نتمكن من التفريق بين القوى الأخرى (وهذا الوضع يتوافق مع الكون الذي بردت قليلا بعد الانفجار الأعظم ونتيجة لذلك بعض القوى) انفصلت القوى عن القوة الموحدة، لكن القوى الأخرى ظلت متماثلة مع بعضها البعض، وبالتالي لا يمكن التفريق بينها). كلما كسرنا هذا التماثل، كلما أصبحت القوى مختلفة. ولأننا نرى اختلافات كبيرة بين القوى في الوقت الحاضر، فإننا نفهم أن التماثل بينهما قد انكسر. ولا تزال هناك بقايا من التماثل بين القوى، ولكن خصائصها تباعدت وتباعدت عن بعضها البعض حتى نلاحظ أربع قوى تبدو مختلفة عن بعضها البعض. ولذلك، فإن نظرية التوحيد الكبرى يجب أن تحتوي على جزأين، جزء يوضح كيف تتحد جميع القوى في تماثل واحد كامل، وجزء ثان كيف ينكسر هذا التماثل ونحصل على القوى كما نعرفها اليوم. يتمكن الاتحاد الكهروضعيف من فعل ذلك بالقوة الكهرومغناطيسية والقوة النووية الضعيفة. ويوضح كيف يمكن وصف هاتين القوتين بتناظر واحد وكيف يتم كسر هذا التناظر بحيث تعمل القوة النووية الضعيفة فقط على مسافات قصيرة، بينما تؤثر القوة الكهرومغناطيسية على أي مدى مسافة. ويحدث كسر هذا التناظر بسبب آلية هيغز التي تعطي كتلة لجسيمات معينة دون غيرها.

من الممكن أن ينكسر التماثل إلى حد أننا نميز بين الظواهر المختلفة، ولكن سيظل هناك نوع من التماثل فيها، ستظل هناك سمة لا تتغير بين كل هذه الظواهر المختلفة. ZA أن هناك سمة مشتركة وراء كل الظواهر التي تبدو مختلفة وبالتالي توحدها، على سبيل المثال الظواهر المختلفة التي لها نفس الطاقة. أدرك أينشتاين أننا إذا بحثنا عن مثل هذه التماثلات يمكننا توحيد الظواهر التي تبدو مختلفة وإيجاد قانون طبيعي واحد لتفسيرها. على سبيل المثال، في مثال توحيد القوى، إذا لم يكن هناك سوى بقايا التماثل بين القوى التي نراها اليوم، فلا يزال هناك اتصال بينها، هناك بعض الخصائص المشتركة وراء كل القوى، وواحدة يمكن العثور على قانون واحد من قوانين الطبيعة يصف كيف تربط هذه الخاصية جميع القوى وكيف أنه من الممكن بمساعدة هذا التناظر المشترك أن تدور بين القوى المختلفة ما هو الشيء المشترك بين جميع القوى؟ لقد بدأت جميعها من نفس القوة الموحدة، لذلك من الممكن كتابة قانون للطبيعة يصف القوة الموحدة وكيف تنشأ جميع القوى منها. فعندما ندير القوة الموحدة في اتجاه معين نحصل على قوة كهرومغناطيسية، وعندما نديرها في اتجاه آخر نحصل على قوة الجاذبية وهكذا. لاحظ أنه في مثل هذه الحالة يمكن التمييز بين القوى المختلفة، لكن القوى لا تقف بمفردها، فهي مجرد دورانات للقوة الموحدة. أصبحا متساويين، سندور قوة ونصل إلى قوة أخرى، سندورها ونصل إلى قوة ثالثة وفي دوران آخر سنصل إلى قوة رابعة. لا يوجد فرق جوهري بينهم، فكلهم متشابهون ويمثلون جوانب مختلفة لنفس القوة الموحدة التي تنكسر في كل مرة بطريقة مختلفة.

هناك تماثل جميل هنا بين جميع القوى. إنه جميل لأنه من الممكن بمساعدته توحيد الأشياء التي بدت مختلفة في البداية في مصدر واحد يشرح كل شيء. التماثلات المجردة جميلة أيضًا بسبب توحيد الظواهر المختلفة في مصدر واحد مشترك. يمثل التماثل الكمال، ويبدو غير مثالي عندما تكون هناك أشياء كثيرة متناثرة دون أي اتصال بينها مثل النظام الذي بالكاد يعمل حيث ترتبط الأشياء رقعة بعد رقعة ويلزم إصلاحات كثيرة حتى لا ينهار النظام (فكر في أي نظام بيروقراطي) أو الجيش كمثال على مثل هذه الحالة). بالمقارنة مع الوضع المتماثل حيث يتحد كل شيء بمساعدة قانون واحد يشرح كيف ترتبط جميع التفاصيل في النظام ببعضها البعض وتؤثر على بعضها البعض في نوع من الرقص الدقيق والكمال. فالتناغم والتماثل بين الأجزاء المختلفة يأتي من مصدرها المشترك الذي يربط بينها.

ولهذا السبب حاول الفلاسفة منذ القدم توحيد الظواهر الطبيعية المختلفة في مصدر واحد، وبحثوا عن التماثل في الطبيعة من حولها. رأى العديد من فلاسفة اليونان القدماء أن أشكال الدائرة والكرة أشكال مثالية بسبب تماثلها التام بل وعبدوها. وفي وقت لاحق، انتقلت العديد من الأديان من وصف العالم بآلهة متعددة إلى وصف العالم بإله مركزي واحد، وذلك بسبب نفس التطلع إلى اتحاد مثالي متناسق. وتقدمت الفكرة وتطورت، واليوم عندما ندرس الطبيعة ونكتشف قوانين الطبيعة التي تحكم الكون، فإننا نبحث عن التماثلات التي من شأنها أن توحد كل الظواهر الطبيعية تحت قانون واحد أو تحت نظرية واحدة تفسر كل شيء. وامتداداً لاسم "الجسيم الإلهي" يمكننا أن نقول إننا نبحث عن التماثل الإلهي، التماثل الذي سيوحد الظواهر المتعددة في نظرية واحدة كاملة تشرح ما هو الواقع الذي نعيش فيه والذي منه نحيا ويمكننا أيضًا أن نفهم مكاننا في نسيج الواقع. هذا هدف طموح ورائع وعلى الرغم من أننا لا نزال في بداية الطريق، إلا أن هناك بالفعل الكثير من التقدم في فهم الواقع من حولنا ومدى اختلافه عما كنا نعتقده وما اعتدنا عليه في يومنا هذا. - إلى الحياة اليومية. ويعكس هذا الهدف مقولة شهيرة لأينشتاين: "أريد أن أعرف كيف خلق الله هذا العالم. أنا لست مهتما بهذه الظاهرة أو تلك، في نطاق هذا العنصر أو ذاك. أريد أن أعرف ما فكر به الخالق. والباقي تفاصيل."

ألبرت أينشتاين لم يعجبه اسم النسبية، وهو الاسم الذي أطلقته الصحافة على نظريته، بل فضل أن يطلق عليها ما يشبه نظرية الأجسام الثابتة لأنه كان يبحث عن قوانين ثابتة في الطبيعة مخفية خلف التماثلات. العلاقة بالنسبية هي أنه عندما تكون هناك أشياء متماثلة فإنها تكون نسبية ومتساوية مع بعضها البعض. في اتحاد القوى على سبيل المثال، تكون القوى نسبية، فهي مجرد دورات مختلفة أو وجهات نظر مختلفة للقوة الموحدة. وبالمثل، فإن سرعات الأجسام نسبية بالنسبة للراصد الذي يقيسها، ونتيجة لذلك يمكن توحيدها تحت قانون طبيعي واحد يفسر حركة جميع الأجسام بسرعات متساوية. لقد فعل أينشتاين ذلك بالضبط في النظرية النسبية الخاصة ونتيجة لذلك تم اكتشاف المزيد والمزيد من التماثلات له، وتمكن من توحيد العديد من الظواهر التي تبدو للوهلة الأولى مختلفة. فقد اكتشف على سبيل المثال أن هناك نوعاً من الاتحاد بين المكان والزمان وكذلك بين مفهوم الكتلة ومفهوم الطاقة.

عندما نحاول بمساعدة الفيزياء التحقق من ماهية قوانين الطبيعة، علينا استخدام لغة رياضية، فقد اتضح أن الرياضيات، وليس الكلمات، هي التي تتمكن من وصف قوانين الطبيعة والتنبؤ بها بدقة. وعندما كتب أينشتاين الرياضيات المناسبة لكل هذه التناظرات وقوانين الطبيعة المستمدة منها، تفاجأ بتلقي الصيغة الأكثر شهرة في الفيزياء: E=MC2 والتي تعني أن الكتلة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالطاقة ومن الممكن أن تتحول الكتلة إلى طاقة والطاقة إلى كتلة (وفقًا للصيغة، الكتلة الصغيرة هي كمية هائلة من الطاقة في الشمس وفي القنابل، وذرة جزء صغير من الكتلة تصبح كمية كبيرة من الطاقة)! ويقال أنه بعد أن توصل أينشتاين إلى هذه الصيغة أصيب بنوع من الانهيار العصبي من شدة الإثارة وبقي في غرفته عدة أيام.

وأغرب توحيد ينشأ من النظرية النسبية هو توحيد الزمكان وله عواقب بعيدة المدى على طبيعة الواقع الذي نعيش فيه. ويبدو أن الزمن هو بعد آخر مشابه للأبعاد الثلاثة الأخرى للمكان، ونتيجة لذلك فإن جميع الأحداث التي تبدو لنا منفصلة زمنيا موجودة في الواقع في وقت واحد على طول البعد الزمني. في الواقع لا يوجد انفصال في ماضينا وحاضرنا ومستقبلنا. كوننا رباعي الأبعاد هو كون متجمد، لا يوجد أي تغيير فيه وكل الأحداث تحدث في نفس الوقت! (للمزيد انظر أينشتاين - الرجل الذي بدأ بإخراجنا من المصفوفة (الجزء الأول)). كانت هذه هي المرة الأولى التي أظهرت فيها النظرية الفيزيائية أن الواقع مختلف تمامًا عما نختبره في حياتنا اليومية. حاول أن تصف كيف يبدو العيش في عالم حيث عندما تنظر إلى الوراء في اتجاه معين ترى الماضي وعندما تنظر إلى الأمام ترى المستقبل. قد يبدو الأمر وهميًا وخياليًا، لكن وفقًا للنظرية النسبية، هذه هي الحالة الحقيقية لكوننا. نحن لا نستطيع رؤية البعد الرابع، البعد الزمني، وبالتالي لا نرى العالم كما هو. ومن هذا المنطلق تبتعد النظريات الفيزيائية أكثر فأكثر عن الحياة اليومية في محاولة لمعرفة أين نعيش وما هي قوانين الطبيعة التي تحكم الواقع من حولنا، والأبحاث الفيزيائية تؤكد في كل مرة من جديد الجملة - الواقع يفوق كل الخيال!

نظرية المجال الكمي والتوحيد الكهروضعيف

في النظرية النسبية، أظهر أينشتاين للفيزيائيين طريقة البحث عن التماثلات وقوانين الطبيعة التي توحد الظواهر التي تبدو متباينة. لقد حاول الاستمرار في البحث عن تماثلات أكبر من شأنها أن تستمر في توحيد جميع القوى تحت نظرية كل شيء، لكنه لم يتمكن من الوفاء بهذه المهمة. بعد الثورة الهائلة التي أحدثها في الفيزياء، بقينا أمام نظريتين فيزيائيتين عظيمتين تشرحان جوانب مختلفة من الطبيعة. النظرية النسبية التي تشرح قوة الجاذبية وتصف ما يحدث عند السرعات العالية ومن ناحية أخرى هناك نظرية الكم التي تصف سلوك الجسيمات الأولية على مسافات صغيرة جدا. يعمل هذان التعاليم بشكل جيد للغاية وقد صمدا أمام العديد من الاختبارات، لكنهما لا يتفقان مع بعضهما البعض وعندما تحاول توحيدهما تواجه مشاكل لم تتمكن من حلها حتى يومنا هذا. من الواضح أن نظرية كل شيء يجب أن تنجح وتوحد هذين التعاليم، وهذا هو التحدي الأكبر للفيزياء في الوقت الحاضر.

لكنهم تمكنوا من إحراز تقدم بسيط وتوحيد جزء من النسبية (الجزء الذي يسمى النسبية الخاصة) مع نظرية الكم. تسمى هذه النظرية بنظرية المجال الكمي وتحتوي على عناصر من النسبية مع عناصر من نظرية الكم. الاتحاد الكهروضعيف، الذي تنبأ بوجود جسيم هيغز، هو في الواقع جزء من نظرية المجال الكمي، لذلك إذا كنت تريد أن تفهم ما هو جسيم الإله وكيف نتحرك نحو التناظر الإلهي، فأنت بحاجة إلى فهم ما هو المجال الكمي النظرية هي.

تواصل نظرية المجال الكمي طريق أينشتاين نحو نظرية كل شيء من خلال وصف الظواهر الطبيعية بمساعدة التماثلات المجردة، وتنجح في التنبؤ بنتائج التجارب بطريقة مبهرة للغاية. في هذه النظرية، يتم وصف التماثلات، بمساعدة التماثلات وبمساعدة كسرها يحاولون تفسير كل شيء، سلوك الجسيمات، ووجود القوى والشحنات والكتل. كما يوحي الاسم، وفقًا لنظرية المجال الكمي، فإن الشيء الأساسي الموجود ليس الجسيمات ولا الموجات، بل الحقول. وهذا امتداد للمفهوم الميداني الذي ابتكره فارداي. كل قوة لها مجال ينتجها، ولجزيئات المادة مجال ينتجها (يسمى حقل المادة). يكون المجال في منطقة معينة من المكان (والزمن) وهو الذي يحدد كيفية تصرف الجسيم الذي يمر عبره (مثل كرة البحر التي ترتفع وتهبط بسبب أمواج الماء).

ولأن المجال ثابت وموحد ويحتل منطقة معينة، فيمكن استخدامه لفرض التماثل على الجسيمات التي تمر عبر تلك المنطقة. لنفترض أن هناك قانونًا معينًا في الطبيعة، فبدلاً من أن يعمل على كل جسيم على حدة، من الممكن توحيد منطقة بأكملها بمساعدة مجال مناسب بحيث يتصرف كل جسيم يمر عبرها وفقًا لهذا القانون. بمعنى آخر، تفرض الحقول قانونًا معينًا للطبيعة والتناظر في منطقة بأكملها في المكان والزمان. على سبيل المثال، يمكنك التفكير في مياه البحر كحقل، وبمجرد حدوث موجة تسونامي، سيشعر كل شيء في البحر بموجة تسونامي الهائلة. سيرتفع مستوى الماء في البحر إلى ارتفاع معين أثناء التسونامي وسيجبر كل شيء آخر في البحر على الارتفاع معه إلى نفس الارتفاع. كل الأشياء في البحر سوف تتصرف فجأة بشكل متماثل وترتفع إلى نفس الارتفاع. هكذا تصرفت مياه البحر أثناء التسونامي كحقل يفرض التناظر على منطقة بأكملها في المكان والزمان.

لاحظ أن مفهوم المجال يتوافق مع صورة العالم التي تظهرها لنا النظرية النسبية، فنحن نعيش في أربعة أبعاد لا معنى فيها للحديث عن تغير الزمن وحركة الجسيمات، كل شيء قد حدث بالفعل و كل شيء سيتغير دفعة واحدة (ما يسمى بالكون المقفل)، وبالتالي فإن الشيء الأساسي لا يمكن أن يكون جسيمًا يبدو أنه يتغير مع الزمن، بل مجالًا موحدًا في الزمكان رباعي الأبعاد.

والسؤال الذي يطرح نفسه على الفور، كيف ننتقل من المجالات الثابتة في الأبعاد الأربعة إلى جزيئات المادة الديناميكية والقوى التي تعمل على جزيئات المادة كما نعرفها؟

الجواب هو أنه وفقا لنظرية الكم، التي تشرح سلوك الجسيمات الأولية، لا توجد أشياء مستمرة في الطبيعة، كل شيء منفصل. ننظر إلى الماء مثلاً، يبدو لنا التدفق مستمراً بدون فراغات، لكن إذا كبرنا الصورة ونظرنا إلى تدفق الماء بالمجهر، نرى أنه في الواقع منفصل ومكون من جزيئات ماء صغيرة وهناك مساحة بين الجزيئات. وبطريقة مماثلة، تُظهر نظرية المجال الكمي أن المجال هو أيضًا شيء منفصل ومتقطع. كيف تساعدنا هذه الفكرة في الحصول على الجسيمات؟

بدأ أينشتاين فكرة نظرية الكم هذه عندما أظهر أن الطاقة هي أيضًا كمية منفصلة وليست مستمرة. عندما نقود السيارة يبدو لنا أن الطاقة هي كمية مستمرة، يمكنك الضغط على دواسة البنزين، وستحصل السيارة على المزيد من الطاقة وتزداد السرعة. يبدو أن الطاقة والسرعة التي نضيفها إلى السيارة مستمرة. وأظهر أينشتاين أن الأمر ليس كذلك، وعندما نكبر الصورة وننظر إلى الجزيئات التي تشكل المادة، نرى أن الطاقة منفصلة أيضًا. هناك جسيم طاقة يعطي ويزيل الطاقة بين الجزيئات الأخرى. هذا الجسيم لا يمكن أن يكون إلا بكميات محددة من الطاقة، والأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أن جسيم الطاقة هذا هو بالضبط ما نسميه الضوء. ZA أن الضوء الذي نراه مستمرًا يتكون في الواقع من جزيئات طاقة أطلق عليها اسم الفوتونات. هذه الفكرة مهمة للغاية لدرجة أن اسم نظرية الكم يأتي من كلمة الكوانتا التي تشير إلى كمية محددة ومنفصلة. الفوتون على سبيل المثال هو كم من الطاقة.

تعمل نظرية الكم على تكميم كل شيء، وتحول شيئًا مستمرًا إلى شيء يتكون من جسيمات منفصلة ذات طاقة منفصلة. هناك آلية رياضية للقيام بذلك وبمجرد تطبيقها على أي مجال، يتم الحصول على جزيئات منفصلة من هذا المجال. نبدأ من حقل له طاقة معينة ونبين أن هذه الطاقة تأتي في أجزاء منفصلة نسميها الجسيمات. إذا كان جزء الطاقة في الجسيم كبيرًا بدرجة كافية، وفقًا لصيغة أينشتاين، فإنه سيظهر ككتلة. وهكذا وصلنا إلى حقل متقطع يتكون من جزيئات. تجدر الإشارة إلى أن المجال يسبق الجسيمات وأن الجسيمات المتكونة في المجال تتصرف وفقًا لتماثلات وطاقة المجال.

تتوافق كل قوة مع مجالها الخاص، وبالتالي فإن كل قوة تتوافق مع جزيئاتها الخاصة التي يتم إنشاؤها من هذا المجال. على سبيل المثال، عندما تكون هناك شحنتان كهرومغناطيسيتان (على سبيل المثال موجبة وسالبة) فإنهما ينتجان حولهما مجال كهرومغناطيسي ذو تماثل مناسب وفيه توجد جسيمات تنقل القوة الكهرومغناطيسية بين الشحنات. ونطلق على هذه الجسيمات اسم الجسيمات الحاملة للقوة (مقارنة بجزيئات المادة) ويتم امتصاصها بواسطة الشحنات وبالتالي تشعر الشحنات بالقوة المؤثرة عليها. يمكن أن نستنتج أنه وفقا لنظرية المجال الكمي فإن القوى تنتقل بين الشحنات بمساعدة الجسيمات الحاملة للقوة.

أحد الفيزيائيين الذين طوروا نظرية المجال الكمي وشرحوا بها ما هي القوة الكهرومغناطيسية وتنبأوا بوجود الكواركات يدعى ريتشارد فاينمان. لقد كان عالما لامعا ورجلا مثيرا للاهتمام. مثل أينشتاين، كان يكره الشكليات، ويعرف كيف يلقي محاضرة جيدة وكان ذكيًا ومضحكًا ومتواضعًا. كان يحب المغامرات العلمية وفي الحياة العادية. في مرحلة معينة، على سبيل المثال، قرر قضاء ستة أشهر في البرازيل. قام بالتدريس في الجامعة هناك، وتعلم اللغة البرتغالية بسرعة كبيرة وتعلم العزف على الطبول البرازيلية التقليدية. بالطبع بفضل معرفته الجديدة انضم وأدى مع فرقة في كرنفال ريو. وكان لديه أيضًا إجابة جيدة لسؤال لماذا يجب دراسة الطبيعة على الإطلاق، "الفيزياء مثل الجنس. من المؤكد أنها يمكن أن تسفر عن بعض النتائج العملية، ولكن هذا ليس سبب قيامنا بذلك".

وبعد ذلك، عندما عاد إلى الولايات المتحدة، تمكن من حل لغز يتعلق بالتحلل الإشعاعي والقوة النووية الضعيفة. وقال إنه في ذلك الوقت كانت الشرطة المحلية تعرف من هو بالفعل. وتبين أنه كان يذهب مرات عديدة إلى مطعم الحي في الساعات الأولى من الليل. وفي هذه العملية، كان يستمر في التفكير في المسائل التي لم يتم حلها، وفي بعض الأحيان عندما تكون الحسابات معقدة، كان يتوقف ويقف ساكنًا للتركيز على العملية الحسابية، وفي بعض الأحيان كان يلوح بيديه وهو يشرح لنفسه ما يجب فعله بالحساب. كانت الشرطة ترى رجلاً غريبًا في منتصف الليل يتوقف في منتصف الشارع ويلوح بيديه. كانوا بالطبع يأتون ليسألوه من هو وماذا كان يفعل هنا. فقط بعد عدة مرات عندما أوضح لهم فاينمان أنه يعيش هنا ويذهب إلى مطعم الحي، سمحوا له بذلك. كم هو جميل أن نسمع عن هؤلاء الأشخاص الذين يحبون ما يفعلونه بشغف كبير دون الفصل المصطنع بين العمل وأوقات الفراغ!

فكما أن هناك مجالًا ينتج جسيمات حاملة للقوة، هناك حقل ينتج جسيمات المادة (مثل الجسيمات التي تتكون منها الذرة). وبمساعدة كل هذه المجالات والعملية الخماسية الخاصة بها يمكننا تفسير جميع الجسيمات المعروفة اليوم وسلوكها وحتى التنبؤ بالجسيمات غير المعروفة، كما حدث مع الجسيمات الثلاثة التي تحمل القوة الضعيفة ومع جسيم هيجز. وهكذا نصل إلى النموذج القياسي الذي يجمع كل هذه الجسيمات، جزيئات المادة والجسيمات التي تحمل القوة.

تماثلات المعايرة وآلية هيغز

وكما فهم أينشتاين، فإن التماثلات هي الأساس، وقوانين الطبيعة التي تفرض التماثل يمكن أن تنتج العديد من الظواهر. لذلك، من أجل شرح الجسيمات والقوى المختلفة في نظرية المجال الكمي، يجب أن يكون للحقول تماثلات مختلفة، على وجه الخصوص، ما نبحث عنه عندما تظل طاقة المجال متناظرة. ZA ما هي الإجراءات التي يمكن القيام بها في الميدان وما زالت الطاقة لن تتغير. هذه هي الطريقة التي يمكنك من خلالها العثور على معادلات الحركة التي تصف سلوك الجسيمات المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، اكتشف الفيزيائيون أنه من الممكن (تقريبًا) الوصول إلى جميع القوى الأساسية في الطبيعة بمساعدة كسر معين لتماثلات الطاقة هذه. إذا بدأت من تناظر معين وقمت بتشويهه قليلاً، بحيث لا يزال هناك تناظر لكنه جزئي، تظهر قوة تحاول استعادة التناظر المثالي الأصلي وستكون هذه بالضبط إحدى القوى الأساسية في الطبيعة. والفكرة هي أن التماثل مشوه بحيث يكون التماثل مختلفًا قليلاً عند كل نقطة. وهذا الاعتماد على التناظر على الموضع والزمن يشوهه، على سبيل المثال انظر إلى الصورة التالية.

يتم تصوير الساعات المستديرة من خلال مرآة منحنية. (لم يتم نسخ الصورة لأسباب تتعلق بحقوق الطبع والنشر، نرحب بمشاهدتها من خلال الرابط الذي يفتح في صفحة جديدة)

يصور المصور ديفيد جدارًا مليئًا بالساعات من خلال مرآة منحنية. ونتيجة لذلك، فإن جميع الساعات التي تتمتع بتناسق دائري جميل تبدو غير مستديرة وغير متماثلة بعد الآن. تم تشويه التماثل الأصلي للساعات، ويبدو أن جميع الدوائر ملطخة للأسفل. يحدث التشوه بسبب المرآة المنحنية، ويعتمد شكل الساعة المنعكسة على تشويه المرآة الموجود عند كل نقطة في المرآة، فكل نقطة تنتشر وتحرك شكل الساعة بطريقة مختلفة. ZA أن تماثل شكل الساعة ينكسر لأنه يعتمد على التشوه الموجود في كل نقطة في المرآة. وبنفس الطريقة من الممكن تشويه تماثل طاقة المجالات بحيث يعتمد على كل نقطة ثم إعادة التماثل الأصلي يجب إضافة مجال جديد (مع جسيمات جديدة) ويتوافق هذا المجال إلى أحد المجالات الثلاثة للقوى الأساسية في الطبيعة، القوة الكهرومغناطيسية، أو القوة النووية القوية، أو القوة النووية الضعيفة. هناك تماثل مناسب لكل من هذه القوى بحيث عندما تشوهها بالاعتماد على المكان والزمان تحصل على مجال القوة وجزيئات القوة المقابلة لها. تسمى هذه الطريقة تناظر المعايرة (نعيد معايرة التناظر الملتوي ونحصل على مجال القوة).

تعمل هذه الطريقة بشكل رائع مع هذه القوى الثلاث، ولكن كانت هناك مشكلة. بسبب التماثل الأولي (على الرغم من أنه مشوه)، فإن جميع جسيمات القوة المضافة هي جسيمات عديمة الكتلة. لكن القوة النووية الضعيفة تتطلب أن يكون لديها جسيمات حاملة للقوة ذات كتلة كبيرة. كلما زادت كتلة الجسيم كلما زاد ثقله والتفاعلات التي يقوم بها لن تكون إلا مع الجسيمات القريبة منه، وهذا الوضع يتوافق مع القوة الضعيفة لأنها تعمل على مسافات قصيرة جداً. ولذلك كان من الضروري فهم كيفية كسر التماثل بشكل أكبر بحيث يتم كسر التماثل أيضًا بين الجسيمات الحاملة للقوة وتكون لجزيئات القوة النووية الضعيفة كتلة بينما تظل جزيئات القوة للقوى الأخرى بلا كتلة.

اقترح بيتر هيجز وفيزيائيان آخران طريقة للقيام بذلك. تسمى الآلية آلية هيغز. ويبدأ من التماثل المشوه ليصل إلى القوة المطلوبة ومن ثم يكسرها، وهو ما يسمى بكسر التماثل التلقائي. تمامًا كما لا يحب أحد العمل بجد، وإذا كان علينا إنفاق الكثير من الطاقة، فسنحاول تقصير العملية والذهاب إلى الراحة، فهذه هي الطريقة التي تتصرف بها الجزيئات أيضًا. نحن نعرف كيف نظهر أن الجسيمات ستتحرك في أدنى حالة طاقة يمكن أن يجدها مجالها (أو بعبارة أخرى، في أدنى حالة طاقة يمكن أن يجدها مجالها). في بعض الأحيان لا يوجد خيار، وأدنى حالة طاقة هي في حد ذاتها حالة بها الكثير من الطاقة. سيكون الجسيم في هذه الحالة ولكن أي تغيير بسيط في الحالة سيؤدي إلى انتقال الجسيم إلى حالة جديدة ذات طاقة أقل. بعد الانفجار الكبير، عندما كان للكون طاقة ودرجة حرارة عالية، كانت هذه هي حالة المجالات المختلفة. كانت جميع مجالات القوة نشطة للغاية، ولم يكن هناك فرق بينها وكانت متماثلة تمامًا. لذلك، بعد الانفجار الأعظم مباشرة لم تكن هناك سوى قوة موحدة.

بعد تبريد معين، يمكن أن تنخفض الحقول على الفور إلى حالة طاقة أقل بكثير (لكنها لا تزال ليست صفرًا). بعد هذا الانخفاض حدث كسر تلقائي للتماثل، وبالتالي اكتسبت الجسيمات كتلة وبدأت القوى في الانفصال. يتخلل التماثل الذي بدأناه منه ويحدد أيضًا عدد حالات الطاقة الدنيا الموجودة في الحقل. بسبب التناظر، يمتلك الحقل عدة حالات منخفضة الطاقة يمكن أن يهبط إليها، وكل هذه الحالات متماثلة مع بعضها البعض (Za له نفس الطاقة المنخفضة تمامًا). حدث كسر التماثل بمجرد انخفاض المجال إلى حالة معينة من الطاقة المنخفضة وليس إلى حالة أخرى. على الرغم من أن المجال لديه العديد من حالات الطاقة المنخفضة للاختيار من بينها، إلا أنه ينحدر فقط إلى واحدة منها. يمكن القول أن المجال اختار حالة واحدة فقط من جميع الحالات، وبالتالي ينكسر تماثل كل هذه الحالات (فجأة اخترنا واحدة منها فقط. انظر الرسم البياني).

إذن ماذا لدينا هنا؟ لقد بدأنا من بعض التماثل بحيث يمكن إجراء عمليات على طاقة المجالات ويتم الحفاظ عليها، وقمنا بتشويهها للحصول على مجالات قوة مختلفة ثم بمساعدة آلية هيجز كسرنا تماثل الحد الأدنى الممكن من الطاقة تنص على أن المجال لديه. ونتيجة لهذه العملية برمتها، لدينا مجالات القوة وقد كسرت هذه المجالات التماثل واختارت حدًا أدنى معينًا من الطاقة. هذه الطاقة أكبر من الصفر ونتيجة لهذه الطاقة الجديدة تضاف جزيئات جديدة إلى المجال. يمتلك أحد الجسيمات طاقة حول هذا الحد الأدنى من الطاقة، وهذه الطاقة تبدو لنا كالكتلة وبالتالي فإن هذا الجسيم ضخم بالكتلة (في الرسم البياني يمكن وصفه بأنه الجسيم الأحمر في الحالة 2 والذي يتحرك قليلاً لأعلى ولأسفل كما لو كان على أرجوحة حول الحد الأدنى من الطاقة التي اختارها). هذا هو جسيم هيغز. وبصرف النظر عن ذلك، تتشكل جسيمات أخرى عديمة الكتلة (في الرسم البياني يمكن وصفها بأنها جسيم يتحرك حول التل ويمر عبر جميع حالات الحد الأدنى من الانتقام)، ويتم ابتلاعها في مجال القوة الذي بدأنا به وإضافة كتلة إلى الجسيمات الحاملة للقوة في المجال. وهكذا، بعد كسر التماثل التلقائي لحالات الطاقة الدنيا للمجالات، فإن جسيمات القوة لها كتلة.

الفكرة الكاملة لآلية هيغز هي أن الحالات التي يمكن للمجال أن يختار الوصول إلى الحد الأدنى من الطاقة، لا تعطيه طاقة صفرية بل طاقة مختلفة عن الصفر. وعندما يختار المجال إحدى هذه الحالات، فإنه يكسر التماثل بين الحالة المختارة والحالات الأخرى التي تتوافق مع نفس الحد الأدنى من الطاقة. وبسبب هذا الانكسار والطاقة الدنيا التي تكون أكبر من الصفر، يتم الحصول على جسيمات جديدة تغير توازن الكتلة. يمكن تفعيل آلية هيغز في أي مجال. وإذا طبقناها على مجالات القوة الضعيفة سنحصل على أن جسيمات القوة الضعيفة لها كتلة كما أردنا. بالإضافة إلى ذلك، سنحصل أيضًا على جسيم هيغز. إذا أضفنا حقول المادة إلى معادلاتنا، فسنجد أنها أيضًا حصلت على كتلة. وهكذا، بمساعدة كسر التناظر التلقائي هذا، تمكنا من إظهار كيف حصلت جميع جسيمات المادة (الكواركات والإلكترونات وما إلى ذلك) على كتلة وكيف حصلت جسيمات القوة الضعيفة على كتلة أيضًا.

لقد عُرفت آلية هيغز والاقتران الكهربائي الضعيف منذ السبعينيات. في هذا الاتحاد انطلقنا من تماثل مشترك لمجالين بحيث لا تتغير طاقتهما، وقمنا بإجراء تماثل معايرة مناسب للقوة الضعيفة (شوهنا التماثل الأصلي لتظهر القوة الضعيفة) وبالتالي الخروج من الاثنين وظهرت مجالات جسيمين مشحونين بشحنة كهربائية تنقل القوة النووية الضعيفة وجسيمين آخرين بدون شحنة كهربائية. أحدهما هو الجسيم الذي ينقل القوة النووية الضعيفة أيضًا، والجسيم الأخير هو الجسيم الذي ينقل القوة الكهرومغناطيسية. هكذا وحدنا هاتين القوتين. بعد ذلك أجرينا آلية هيغز وتوصلنا إلى أن الجسيمات الثلاثة التي تنقل القوة النووية الضعيفة اكتسبت كتلة، بينما بقي الجسيم الذي ينقل القوة الكهرومغناطيسية بلا كتلة (وبالفعل نعلم أن الجسيم الذي ينقل القوة الكهرومغناطيسية هو نفس الفوتون الذي وصف أينشتاين بأنه جسيم طاقة عديم الكتلة). بالإضافة إلى ذلك، حصلنا أيضًا على جسيم هيغز الذي تم إنشاؤه كمنتج ثانوي من تنشيط آلية هيغز.

مع كامل احترامي للنظرية، فإن التناظرات والمعادلات الجميلة، بدون نتائج تجريبية تدعم النظرية، لا قيمة لها، لأنها في هذه الحالة لا تصف الطبيعة من حولنا. ولهذا السبب قال ريتشارد فاينمان: "لا يهم مدى جمال نظريتك، ولا يهم مدى ذكائك. وإذا لم يتفق مع التجربة فهو مخطئ". هناك دائما القليل من الإثارة عند القيام بتجربة من المفترض أن تقرر ما إذا كانت النظرية صحيحة أم لا، على الرغم من أنه عندما سئل أينشتاين عام 1919 قبل نتائج التجربة التي كان من المفترض أن تختبر النظرية النسبية، هل كان خائفا، فأجاب أينشتاين بأنه ليس كذلك. وعندما سأله الصحفيون ماذا سيحدث إذا أظهرت التجربة أن النظرية النسبية خاطئة؟ فابتسم أينشتاين وأجاب إذن سأرحم الله..

وفي أوائل الثمانينات، تم بناء مسرعات جسيمات جديدة يمكنها الوصول إلى طاقات عالية بما فيه الكفاية وإيجاد الجسيمات الثلاثة التي تحمل القوة النووية الضعيفة. لقد وجدوا بالفعل الثلاثة جميعًا، اثنان منهم لديهما شحنة كهربائية وواحد ليس لديه مثل هذه الشحنة، تمامًا كما تنبأت نظرية التوحيد الكهروضعيف. ولكن ماذا عن جسيم هيغز؟ كما تتنبأ النظرية بوجودها (بسبب آلية هيغز الضرورية للاتحاد الكهروضعيف). وبقدر ما يعتبر اكتشاف جسيمات القوة الضعيفة الثلاثة اكتشافا مثيرا للإعجاب يعزز احتمالات صحة النظرية، إلا أنه إلى أن يعثروا أيضا على جسيم هيغز، فإن سحابة ستخيم على صحة النظرية. للعثور عليه، كان من الضروري بناء مسرع جسيمات أكبر وأكثر إثارة للإعجاب. لقد انتظرنا أكثر من عشرين عامًا حتى انتهوا من بناء مسرع الجسيمات LHC، وعندها فقط يمكن أن يكون من الممكن الوصول إلى طاقات عالية بما يكفي لتكوين جسيم هيغز. وهنا جاء اليوم وتم بالفعل العثور على جسيم هيغز المتوقع!

بحثاً عن التماثل الإلهي، وماذا الآن؟

كيف نمضي قدمًا من الآن فصاعدًا في بحثنا عن نظرية كل شيء؟ ومن المثير للاهتمام أن اكتشاف بوزون هيغز أنهى دور النموذج القياسي ونظرية المجال الكمي في شكلها الحالي. وربما نكون قد وصلنا إلى نهاية قدرتها على الاستمرار في توحيد القوى. وبالفعل، بعد نجاح توحيد القوة الكهروضعيفة، حاول الفيزيائيون اتباع نفس المسار وتوحيد القوة النووية الشديدة مع القوة الكهروضعيفة، لكن هذا التوحيد واجه مشاكل. وأخطر مشكلة التوحيد القوي هي أن أحد تنبؤات النظرية يقول إن جسيم البروتون (الذي يتكون من الكواركات ويشكل نواة الذرة مع النيوترون) يجب أن يضمحل إلى جسيمات أخف. على الرغم من أن الأمر يجب أن يستغرق وقتًا طويلاً جدًا حتى يتحلل، ولكن إذا كان هناك ما يكفي من البروتونات، فيمكنك التحقق من هذا التنبؤ والعثور على بروتون متحلل. حتى الآن لم نتمكن من ملاحظة حتى بروتون واحد قد تعرض للتحلل.

ربما ينبغي لنا أن نستمر في البحث عن مثل هذا التفكك وربما حان الوقت للانتقال إلى نظريات جديدة وجريئة تتجاوز النموذج القياسي. ففي نهاية المطاف، تفاجئنا الطبيعة دائمًا من جديد، ويتبين أن الواقع أصبح مكانًا غريبًا بشكل متزايد. هناك مشاكل أخرى تتعلق بالنموذج القياسي ونظرية المجال الكمي. المشكلة الرئيسية هي أن النظرية فشلت في توحيد قوة الجاذبية مع القوى الأخرى، ولم تفشل في توحيدها فحسب، بل فشلت أيضًا في وصف قوة الجاذبية - الجاذبية. عندما تحاول قياس مجال الجاذبية وإزالة الجسيمات التي تحمل قوة الجاذبية منه، فإنك تصل إلى نتائج غير منطقية وهي اللانهاية. وهذا مؤشر على أن النظرية ليست جيدة بما فيه الكفاية.

هناك نظريتان رئيسيتان تتجاوزان النموذج القياسي وتحاولان توسيع التماثلات لتوحيد جميع قوانين الطبيعة تحت نظرية كل شيء. أحدهما يسمى التناظر الفائق والآخر يسمى نظرية الأوتار. تعتبر نظرية الأوتار حاليًا المرشح الرئيسي لتكون نظرية كل شيء. ورياضياً ينجح في توحيد كل قوى الطبيعة، بما في ذلك الجاذبية وجميع الجسيمات. وهذا يعني بالطبع أنها نظرية أغرب من كل النظريات الفيزيائية التي تم إثباتها حتى الآن، ومن بين أمور أخرى أنها تدعي أننا لا نعيش في ثلاثة أبعاد مكانية وبُعد واحد زماني بل في 11 بعدًا... المشكلة هي أنه من الصعب جدًا التحقق من صحتها. ليس لديها تنبؤات مباشرة يمكن اختبارها حاليًا في مسرعات الجسيمات.

ولم يقتصر دور مسرع الجسيمات LHC فقط على البحث واكتشاف جسيم هيغز. هدفه الأكثر إثارة للاهتمام هو محاولة العثور الآن على دليل على صحة إحدى هذه النظريات. كلنا ننتظر إعلانا من فريق تسريع اكتشاف جزيئات جديدة وغريبة لم يتم رؤيتها حتى الآن. مثل هذه الجسيمات ستكسر النموذج القياسي وتجبرنا على مواصلة توسيع النظريات الموجودة، وربما تناسب إحدى هذه الجسيمات تنبؤات نظرية التناظر الفائق. والاحتمال الأكثر ثورية هو العثور على دليل غير مباشر على وجود أبعاد إضافية تتجاوز الأبعاد الأربعة المعروفة. مثل هذا الدليل سيكون أول اكتشاف تجريبي يؤكد نظرية الأوتار. من المؤكد أن هناك ما نتطلع إليه في السنوات القادمة، ويبدو أن الثورة في الفيزياء هي مسألة وقت فقط.

في بحثنا عن المعنى وفهم الواقع من حولنا، توصلنا إلى نتيجة مفادها أن الواقع يختلف تمامًا عما نعرفه بالواقع اليومي. بدأنا في الكشف بمساعدة التماثلات عن قوانين الطبيعة الأساسية التي خلقت عالمنا وكوننا وتوصلنا إلى رؤى رائعة. يمتلئ الزمكان رباعي الأبعاد بحقول التناظر التي تنشأ منها المادة. إن المادة التي تبدو لنا أنها الشيء الأساسي الموجود ليست سوى ظل لجواهر أكثر أساسية، ويبدو اليوم أن هذا الجوهر الأساسي هو مجال مجرد من الطاقة ولكنه حقيقي. الكتلة التي تبدو لنا شيئًا ملموسًا هي نوع آخر من الطاقة التي يمكننا قياسها وتحويلها إلى أنواع أخرى من الطاقة مثل الحرارة والطاقة الضوئية. و من يعلم؟ ربما نعيش في مساحة ذات 11 بعدًا؟

يا له من عالم غريب نعيش فيه! كل هذه الرؤى تتحدى تصوراتنا المعتادة، مثل ما هي هذه المادة التي صنعنا منها؟ إنه ليس حتى الشيء الأساسي الموجود. هل سنكون قادرين على المرور عبر العالم ووصفه باستخدام الجواهر الأساسية الحقيقية التي يتكون منها؟ إلى أين سيقودنا البحث المستمر عن نظرية كل شيء، عن التماثل الإلهي؟ أنت لا تعرف أبدًا، ما يمكن قوله هو أن النظريات الفيزيائية ستستمر في أن تصبح أكثر غرابة كلما تعمقنا في فهم أين نحن حقًا. نحن نقف على جزيرة صغيرة من الفهم، محاطة ببحر ضخم وربما لا نهاية له من الغموض، ونحن نعمل ببطء وإصرار على توسيع الشاطئ وبناء الجسور منه إلى كل الاتجاهات.

حقول الفراولة إلى الأبد - الخنافس

هذه الأفكار تقزّم حياتنا اليومية، وتعطي منظورًا وإلهامًا. نحن نستثمر الكثير من الوقت والطاقة من أجل لا شيء في المسابقات الوهمية وحروب الأنا والسيطرة على الآخرين، ألا ينبغي لنا بدلاً من ذلك أن نستثمر وقتنا في توسيع الجزيرة وفي توسيع فهم ما هو الواقع الحقيقي الذي نعيش فيه وما هو الواقع؟ الإمكانات الكامنة فينا؟ ألا ينبغي لنا أن نستثمر معظم مواردنا ووقتنا في تطوير هذه الإمكانية وحل لغز الوجود؟