نظرية كل شيء
( 2 )

"The first principle is that you must not fool yourself and you are the easiest person to fool.” Richard Feynman

" إن المبدأ الأول هو ألا تخدع نفسك ،و أنت أسهل إنسان يمكنك خداعه " ريتشارد فينمان.

حتى الآن استعرضنا المقترب الذي تقدم خلاله علم الفيزياء في جهده الحثيث و الموفق في فهم الكون ، حتى هذه المرحلة التي جرى استعراضها لم نتجاوز الفيزياء التقليدية ، نعم هي تقليدية حتى لو اشتملت على رؤى ثورية مثل نظرية ماكسويل في الموجات الكهرومغناطيسية ، و بشكل أخص نظرية أينشتين في الجاذبية التي عرفت بالنسبية العامة ، و التي اعتقد الناس وقتها أنها قمة الإنجازات الفيزيائية التي لن يجتازها أحد . كل تلك النظريات تبقى تقليدية لأنها تتبنى رؤية فيزيائية تقوم على التاريخ الواحد . نعم لا نجادل أن هذه الفيزياء التقليدية نجحت في تفسير سلوك الأجسام الكبيرة ، و أنها كانت الأساس العلمي الذي قامت عليه تكنولوجيا مبهرة غيرت نوعية الحياة على الأرض ، إلا أنها أيضا -كما تابعنا- لا تفسر لنا سلوك الجسيمات الذرية و ما دون الذرية . فقط فيزياء الكوانتم هي التي تفسر لنا سلوك تلك الجسيمات ، و لكنها فيزياء الكوانتم مربكة لأنها تتفارق مع خبرتنا في الحياة اليومية ، هذه الفيزياء تقوم على كل التواريخ الممكنة و التي لكل منها سعة إحتمالية probability amplitude محددة ( سبق أن تحدثنا عنها في مداخلة سابقة ) . كي نفهم الكون بشكل عميق يجب أن يكون لدينا نموذج واحد متماسك لهذا الكون ، وهذا لن يتحقق لو كانت لدينا قوانين تقليدية للفيزياء و أخرى قوانين الكوانتم . لهذا يجب أن يتوفر لدينا بدائل من قوانين الكوانتم ليس فقط لقوانين ماكسويل للموجات الكهرومغناطيسية وقوانين أينشتين للجاذبية بل لكل قوانين الطبيعة ، هذه القوانين قام العلماء بتطويرها بالفعل و تسمى قوانين مجال الكوانتم (quantum field theories).
بداية ووفقا لمشاهدات عديدة توفرت قناعة لدى العلماء بأنه يمكن تقسيم القوى المعروفة إلى 4 أنواع هي .
1- الجاذبية Gravity. هي أضعف القوى ، و لكنها أيضا تؤثر كقوة جذب على كل الأجسام في الكون ، كما أنها أبعد القوى تأثيرآ . و لو جمعنا تلك القوى بين الأجسام الكبيرة ستكون أكبر القوى في الكون.
2- الكهرومغناطيسية Electromagnetism. توجد فقط بين الأجسام ذات الشحنة الكهربائية ،وتعمل كقوة جذب بين الشحنات المتعاكسة ،وقوة تنافر بين الشحنات المتشابهة ، هذه القوى لا تعمل في الأجسام الكبيرة لأنها تكون متعادلة كهربيا ،و لكنها تعمل على مستوى الذرة و الجزيئات ، و الموجات الكهرومغناطيسية هي التي وراء الكيمياء و البيولوجيا .
3- القوة النووية الضعيفة Weak nuclear force.و هي التي تسبب النشاط الإشعاعي ،و تلعب دورآ في تكوين العناصر داخل النجوم و في بداية تكوين الكون ،ولا نصادفها في الحياة اليومية .
4- القوة النووية القوية Strong nuclear force. وهي القوة التي تربط بين البروتونات و النيوترونات داخل النواة ،و أيضا تربط بين الكوارك التي تكون كل من البروتونات و النيوترونات . هذه القوة هي مصدر الطاقة الشمسية ،وهي مثل القوة النووية الضعيفة لا تقابلنا في الحياة اليومية .
أول هذه القوى التي أبتكر العلماء نموذجا لها طبقا لفيزياء الكوانتم هي الكهرومغناطيسية ، و يطلق على نظرية الكوانتم للمجال الكهرومغناطيسي اسم كوانتم الكهروديناميكية (QED) quantum electrodynamics . نعم نحن ندين للعالم الكبير فاراداي بفكرة أن هناك "مجال" لعمل القوى الكهرومغناطيسية ، و لكن مفهوم مجال القوى في فيزياء الكوانتم مختلف تماما كما أنه أعم ليشمل كل القوى و ليس فقط القوى الكهرومغناطيسية .
هنا لا بد أن نتوقف لنغير أفكارنا عن المادة و القوة بشكل أساسي ( هذا لمن يفعل ذلك من قبل ) . وفقا للكوانتم يطلق على جزيئات المادة إسم هو ( فيرميون fermions ) و تنقسم هذه الجزيئات إلى الكوارك quarks و هو 6 أنواع ،و الليبتون Leptons وهي أيضا 6 أنواع و مثال لها الإلكترونات .أما القوة فتنتقل بواسطة حاملات للقوة تطير بحرية من و إلى جزيئات الأجسام ،و بهذا تشكل مجال القوة و تقوم بنقلها و يطلق عليها اسم هو (البوسون bosons) و مثال ذلك الفوتون أو جزيء الضوء ، و البوسون بالتالي هو الذي ينقل القوى الكهرومغناطيسية .
لتفسير مجال القوة .. هناك صورة يقدمها علماء الفيزياء لما يحدث .. يقوم جزيئ المادة -و ليكن الإليكترون على سبيل المثال - بقذف وحدة بوسون ثم يعود الإليكترون لحالته الطبيعية ( أشبه بمدفع يقذف قذيفة ) ، تلتصق وحدة البوسون بجزيئ مادي آخر و تمتص فيه مسببة تغير في حركة جزيء المادة الجديد الذي استقبل البوسون . طبقا ل(QED) تفسر التغيرات في المادة ذات الشحنة داخل المجال الكهرومغناطيسي - أي التي تشعر بالمجال الكهرومغناطيسي – بأن تلك التغيرات هي نتيجة التبادل بين الفوتونات . أكدت التجارب صحة التوقعات ل (QED) ،و لكن كانت هناك مشكلة في الحسابات تغلب عليها "فينمان" بواسطة طريقة بيانية أطلق عليها بيانيات فينمان (Feynman diagram) ، هذه الطريقة أصبحت أداة أساسية في الفيزياء الحديثة ، و تستخدم في كل نظريات مجال الكوانتم و ليس فقط في QED .
ملحوظة : للمزيد من المعلومات عن Feynman diagram يمكن البحث عنها في الشبكة ، فالمادة ذات طبيعة فنية لا يمكن تبسيطها دون الإخلال بالمحتوى .
ظهرت هناك مصاعب أخرى في التقديرات الرياضية تغلب عليها فينمان بتطوير آلية تسمى " إعادة التطبيع " renormalization ، و ذلك بأن تعادل الكميات اللانهائية السالبة تلك الموجبة ،و تبقى كميات محدودة يمكن تقديرها لكل من الكتلة و الشحنة . كان نجاح التطبيع في QED دافعا للبحث عن نظريات لمجال الكوانتم للقوى الثلاث الأخرى . في نفس الوقت بدأ العلماء في التقكير بأن تقسيم القوى إلى 4 أنواع قد يكون مجرد تصور لا أساس له نتيجة النقص في المعلومات ليس إلا ، و بالتالي فمن الأنسب البحث عن نظرية كل شيء التي توحد بين القوى الأربع في قانون واحد يتوافق مع نظرية الكوانتم .
في عام 1967 اقترح العلماء محمد عبد السلام ووينبرج و شيلدون جلاساو كل على حده أن القوة النووية الضعيفة و الكهرومغناطيسية توحدتا في قوة واحدة أطلقلوا عليها اسم هو القوة الكهربائية الضعيفة electroweak force ، و بناء على تقديرهم تنبؤا بوجود جسيمات جديدة سموها ,W-,Z0+W ، و تم بالفعل اكتشاف الجسيم الأخير عام 1973 في المؤسسة الأوروبية للبحوث النووية في جنيف (CERN) European Organization for Nuclear Research و الجسيمان الأولان عام 1983 ، بينما نال الثلاثة جائزة نوبل في الفيزياء عام 1979 .
تنويه . في كتاب االتصميم العظيم أغفل المؤلفان ( شيلدون جلاساو ) ربما على سبيل السهو !
الكوارك .
أما القوة النووية القوية فأمكن صياغتها في نظرية أطلق عليها( QCD ) Quantum chromodynamics ، طبقا QCD تتكون البروتونات و النيوترونات و غيرها من الجسيمات المادية من الكوارك ، هذا الكوارك له خاصية مميزة أطلق عليها العلماء اسم اللون ، رغم أنها تختلف عن الألوان المرئية المألوفة لنا .
يظهر الكوارك من 3 ألوان هي :أحمر- أخضر-أزرق .
وكل كوارك له شريك مضاد-جزيء ، و تسمى مضادالأحمر ، مضاد الأخضر – و مضاد الأزرق .
الفكرة هي أن مجموعات الكوارك التي ليس لها لون نهائي هي وحدها التي يمكن أن توجد بشكل منفصل ،وهذا يمكن تحقيقه بإحدى طريقيتين .
1- تشكيل أزواج من اللون و ضده الذي سيلغيه .
2- تشكيل مجموعة من 3 ألوان مختلفة أو من 3 مضادات ألوان مختلفة . عند تشكيل مجموعة من 3 ألوان مختلفة سيكون الناتج مجموعة متماسكة يطلق عليها إسم "باريون" baryons ،و من أمثلتها البروتون و النيوترون . ومن البروتون و النيوترون تتشكل المادة الأساسية للكون .
هناك صفة أخرى مرتبطة ب QCD يطلق عليها (asymptotic freedom) ، هذه الخاصية تعني أن قوة الربط بين الكوارك تكون ضعيفة عندما تكون المسافة بينهما صغيرة ،و لكنها تزداد عندما تتباعد ،و ذلك أشبه بالرابطة المطاطية . هذه الصفة تشرح لنا لماذا لا نصادف الكوارك المنفصلة في الطبيعة و لا نستطيع إنتاجها في المعمل . رغم هذا فنحن نقبل نموذج الكوارك لأنه قادر على تفسير سلوك البروتون و النيوترون بشكل ممتاز .
منذ نجاح العلماء في توحيد القوى الكهرومغناطسيسية و النووية الضعيفة ، حاول العلماء منذ 1970 في إيجاد طريقة لربط القوة النووية القوية بالنظرية . كانت هناك أكثر من محاولة فاشلة حتى اقترح العلماء ما يسمى النموذج الموحد ،و لكن هذا النموذج لم يوحد القوى النووية بشكل حقيقي بل ترك كلاهما يعمل بشكل منفصل . يبقى أن المشكلة الأكبر أن هذا النموذج لم يشمل قوى الجاذبية ، بل و الأهم أنه لم يمكن خلق نظرية كوانتم خاصة بالجاذبية حتى لو كانت منفصلة عن الآخرين .
و لكن تلك قصة أخرى .