هل تسمع عن الكواركات والقوة الشديدة والنيوترونات وتضيع قليلاً؟ فيما يلي نظرة عامة على النظرية المقبولة في فيزياء الجسيمات
في كل مجال هناك نظرية أساسية مقبولة. في البيولوجيا الجزيئية ستجد المثال المركزي، الذي يفسر الانتقال من النيوكليوتيدات إلى البروتينات، وفي الكيمياء سوف تكتشف الجدول الدوري وميكانيكا الكم، وفي فيزياء الجسيمات الأولية سوف تتعرض للنموذج القياسي.
النموذج القياسي هو الإطار النظري الذي يوضح الجسيمات الموجودة في الكون والتفاعلات بينها، أو بمعنى آخر القوى المؤثرة بينها.
حبيبات
يتضمن النموذج القياسي عددًا معينًا من الجسيمات، وكل جسيم مقترن بجسيم مضاد. عندما يلتقي الجسيم بالجسيم المضاد له، يتعرض كلاهما للفناء ويتحول كل صمام إلى طاقة. الجسيمات المضادة هي نفسها جميع الجسيمات، لكن شحناتها مختلفة. على سبيل المثال، يُطلق على الجسيم المضاد للإلكترون اسم البوزيترون (عادةً ما تسمى الجسيمات المضادة ببساطة بشيء مضاد، على سبيل المثال، يُطلق على الجسيم المضاد للبروتون اسم البروتون المضاد). وله نفس كتلة الإلكترون، لكن شحنته الكهربائية موجبة. تم التنبؤ بوجود المادة المضادة نظرياً في عام 1928، وفي عام 1932 تم اكتشاف البوزيترون في الأشعة الكونية، واليوم يقوم الفيزيائيون في مختبرات CERN بإنتاج ذرات الهيدروجين المضاد. فقط للمعرفة العامة، المادة المضادة هي أغلى مادة في العالم. غرام من المادة المضادة يكلف عدة آلاف تريليون دولار!
وفقا للنموذج القياسي، يمكن تقسيم الجزيئات إلى عدة مجموعات. القسم الأول يميز بين البوزونات والفرميونات. البوزونات هي جسيمات ذات دوران كامل (0,1,2...)، والفرميونات لها دوران مساوٍ للنصف ومضاعفاته (1/2,3/2...)، حيث الدوران هو خاصية أولية الجسيمات، زخمها الزاوي الداخلي. هناك اختلاف آخر بين الفرميونات والبوزونات يتجلى في امتثال الفرميونات لمبدأ الاستبعاد لباولي، والذي ينص على أن جسيمين لهما نفس الخصائص لا يمكن أن يكونا في نفس الحالة الكمومية. البوزونات، من ناحية أخرى، لا تخضع لهذا الحظر.
حان الوقت للقاء اللاعبين الرئيسيين. لقد ذكرنا التقسيم إلى فرميونات وبوزونات، والآن سنشرح أي الجسيمات تنتمي إلى أي مجموعة. البوزونات هي الجسيمات التي تحمل القوى. تتضمن هذه المجموعة الجسيمات التالية (العمود الموجود على الجانب الأيمن من الصورة): الفوتون يحمل القوة الكهربائية، والغلوونات تحمل القوة القوية، وZ وW تحمل القوة الضعيفة والعديد من جسيمات هيغز الإضافية (غير موضحة في الشكل). الصورة)، والتي ينبغي أن تفسر سبب امتلاك الجسيمات للكتلة. باستثناء هيغز، تم اكتشاف جميع الجسيمات المذكورة حتى الآن في التجربة.
تنقسم الفرميونات إلى مجموعتين، الكواركات واللبتونات، حيث تحتوي كل مجموعة على ستة جسيمات، والتي تنقسم إلى ثلاث "نكهات" أو أجيال. كل جيل يختلف عن الجيل السابق في الكتلة. تضم مجموعة الكواركات ستة جسيمات (الجزء العلوي الأيسر من الصورة)، أسماؤها (مترجمة بالعبرية) هي: أعلى، أسفل، سحري، غريب، علوي وسفلي (يتمتع الفيزيائيون بروح الدعابة المثيرة للاهتمام...). تمتلك الكواركات شحنة كهربائية تبلغ 2/3+ أو 1/3- من شحنة الإلكترون.
ربما تسأل نفسك كيف يمكن أن يكون هناك جسيم بشحنة ليست مضاعفًا صحيحًا لشحنة الإلكترون، بعد كل شيء لقد تعلمنا دائمًا أن شحنة الإلكترون هي الوحدة الأولية للشحنة في الطبيعة. حسنًا، الكواركات دائمًا ما تكون في هياكل يكون مجموع شحنتها الكهربائية مضاعفًا لشحنة الإلكترون. الاسم العام للجسيمات المكونة من الكواركات هو الهادرونات. وتنقسم الهادرونات إلى باريونات وميزونات، حيث الباريونات عبارة عن جسيمات مكونة من ثلاثة كواركات، تشبه البروتونات والنيوترونات، والميزونات عبارة عن جسيمات مكونة من كوارك وكوارك مضاد. البروتون، على سبيل المثال، يتكون من ثلاثة كواركات: أعلى، أعلى، وأسفل. وفي العام الماضي، تم اكتشاف المزيد من الجسيمات الغريبة، المكونة من أربعة وخمسة كواركات.
تتضمن مجموعة اللبتون أيضًا ستة جسيمات: الإلكترون ونيوترينوه، والميون ونيوترينوه، والتاو ونيوترينوه. ولا تتأثر اللبتونات بالقوة النووية الشديدة. يتشابه الميون والتاو في خصائصهما وشحنتهما الكهربائية مع الإلكترون، لكنهما أكبر حجمًا. فيما يتعلق بصمام النيوترينوات، تنقسم الآراء قليلاً. وحتى وقت قريب، كان يُعتقد أنها عديمة الكتلة. ومع ذلك، تشير الاكتشافات الحديثة إلى أن كتلتها صغيرة.
القوات
ويتضمن النموذج القياسي حاليا ثلاث قوى أساسية في الطبيعة، وهي القوة الكهرومغناطيسية، والقوة النووية الضعيفة، والقوة النووية الشديدة. توصف القوى في النموذج القياسي بأنها تبادل لجسيمات البوزون.
ربما تكون القوة الكهرومغناطيسية هي القوة الأكثر شيوعًا. الجسيم الحامل لها هو الفوتون عديم الكتلة. مداها لا نهائي (تذكر قانون كولوم؟ F = kq1q2/r2) ويضعف مع مربع المسافة بين الجسيمين المعنيين.
القوة التالية هي القوة النووية الضعيفة. هذه هي القوة المسؤولة، من بين أمور أخرى، عن الاضمحلال الإشعاعي. الجسيمات الحاملة لها هي W و Z.
القوة الأساسية الثالثة هي القوة النووية الشديدة، والمعروفة باسم "القوة الملونة". النموذج الذي يصفه يعلق على كل جسيم يشعر بالقوة (هذه الكواركات) "لون" أحمر أو أزرق أو أخضر (من المهم أن نفهم أن هذا اللون لا علاقة له بمفهوم اللون الذي نعرفه. هذا نموذج غرضه شرح سلوك الجزيئات). وتوصف طريقة عمل القوة بأنها تبادل لجزيئات الغلوون، حيث يقوم كل كوارك بإصدار غلوون يحمل اللون ومضاد اللون، وأثناء انبعاث الغلوون يغير الكوارك لونه. هذه هي الطريقة التي يغيرون بها الألوان باستمرار. الألوان نفسها تتنافر، بينما الألوان المختلفة تجذب بعضها البعض.
إحدى الظواهر المتعلقة بالقوة الشديدة هي الحبس، والذي بموجبه لا يمكن في الطبيعة ملاحظة الجسيمات المشحونة الملونة، أي أنه لا يمكن اكتشاف الكواركات إلا في الهياكل "عديمة اللون". يمكن أن يكون الهيكل عديم اللون عبارة عن ثلاثة كواركات (أحمر + أزرق + أخضر = أبيض) أو كوارك وكوارك مضاد (لون + لون مضاد = عديم اللون).
وتتساءل ماذا عن اعتماد القوة القوية على المسافة؟ حسنًا، على عكس القوة الكهرومغناطيسية، على سبيل المثال، التي تتناقص قوتها مع زيادة المسافة، فإن قوة القوة الشديدة تتناقص كلما اقتربت الجسيمات المعنية. أعترف بذلك، يبدو غريبا بعض الشيء. وهذا يعني أنه عندما تكون الجسيمات قريبة جدًا جدًا، فإن القوة بينهما تميل إلى الصفر، وتتصرف تقريبًا مثل الجسيمات الحرة! وهذه هي في الأساس الحرية المقاربة، والتي تنص على أن قوة القوة الشديدة بين جسيمين، المسافة بينهما تميل إلى الصفر، وتميل أيضًا إلى الصفر، ويتصرفان كجسيمات متحررة من تأثير القوة.
لتلخيص…
النموذج القياسي هو النظرية الحالية في مجال الجسيمات الأولية. لقد اجتاز العديد من الاختبارات التجريبية وتمكن من تقديم تنبؤات جيدة ودقيقة. واليوم يعتبر النموذج القياسي مكتملًا تقريبًا من حيث الاكتشافات التجريبية. الجزء المفقود من اللغز هو جسيم هيغز بوزون، والذي يجب أن يفسر سبب امتلاك الجسيمات للكتلة.
سؤال آخر لم يتم حله هو عدم التماثل بين المادة والمادة المضادة. على الرغم من أنه من حيث المبدأ كان ينبغي أن يتصرفا بنفس الطريقة تمامًا، وفي الانفجار الأعظم كان يجب أن تنشأ كميات متساوية من كليهما، إلا أن هذا لم يحدث، وكشفت الملاحظات في التجارب عن انتهاك لهذا التناظر. هناك دليل قاطع على عدم التماثل بين المادة والمادة المضادة، وهو وجودنا ذاته. خمن كيف بالضبط؟ تلميح: فكر في عملية التأين المذكورة سابقًا.
على الرغم من النجاحات العديدة التي حققها النموذج القياسي، إلا أن العديد من الأبحاث جارية، سواء بين المنظرين أو المجربين، عن فيزياء "ما وراء النموذج القياسي". هذه نظريات جديدة تريد استبدال النموذج القياسي أو توسيعه. سنذكر بعض الأسماء بإيجاز، حيث أن أي نظرية من هذا القبيل يمكن أن تملأ مقالات لا تعد ولا تحصى. أحد المرشحين هو التناظر الفائق، الذي يتنبأ بوجود جسيم فائق التناظر مقابل لكل جسيم في النموذج القياسي. نظرية أخرى هي نظرية الأوتار، والتي ترى أن جميع الجسيمات في عالمنا هي اهتزازات لأوتار صغيرة.
ولاختبار هذه النظريات والنموذج القياسي، يتم إجراء تجارب مختلفة حول العالم. من أبرز هذه التجارب التجارب التي سيتم إجراؤها في مسرّع LHC في CERN، والذي سيبدأ تشغيله في عام 2007. وسيكون أكبر وأقوى معجل في العالم، بطاقة تبلغ 14 تريليون وحدة (أكثر من أي مسرع على الإطلاق). ). في تجارب مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، سيبحث الفيزيائيون عن هيغز بعيد المنال، وجسيمات غريبة فائقة التناظر، وربما ثقوب سوداء صغيرة. بالتأكيد، سيكون الأمر مثيرًا للاهتمام.
معنى كل هذا
لا بد أن العديد من القراء يشعرون بالغرابة بعض الشيء تجاه النظريات الغريبة والأسماء المسلية. حاول أن تتذكر أن الغرض من النظريات هو شرح سلوك الجسيمات والتنبؤ به. في حالة "قوة اللون" على سبيل المثال، يتمكن النموذج من شرح سلوك القوة بمصطلحات بسيطة وواضحة مثل اللون. لا شك أن النظرية نفسها أعمق بكثير، ومن المؤكد أنها تتضمن الكثير من الرياضيات والتنبؤات الدقيقة، ولكن هناك جمال كبير في تفسير سلوك القوة بهذه الطريقة الخلابة والبسيطة. كما ترون، في كثير من الأحيان يكون الواقع أغرب من أي خيال.
خذ كل ما قيل في المقالة بحذر وابحث عن الموضوع قليلاً بنفسك، إذا كنت مهتمًا. روابط جميلة مرفقة وهذا ليس سوى غيض من فيض من مجال مثير للاهتمام ومثير للاهتمام، والذي يستمر في التطور. كان الغرض من المقال تقديم شرح مختصر وعام لما يحدث في مجال فيزياء الجسيمات الأولية وإثارة اهتمام القراء.
يمكن توجيه الأسئلة والمراجع إلى مواقع الويب والإجابات إلى بريدي الإلكتروني slartibartfastush@hotmail.com
تعليقات 3
متشكك
المقال من عام 2004.
هل المقال قديم أم أن هناك خطأ؟
تتناول هذه المقالة المسرّع الذي سيبدأ العمل في عام 2007...