أقرأ أيضاً
التاريخ: 2023-02-08
1023
التاريخ: 2023-06-24
1059
التاريخ: 21-3-2021
1579
التاريخ: 17-1-2023
938
|
تبدو القوة النووية الضعيفة ضعيفة بسبب نطاقها المحدود. لكن مقارنة بنطاق قدره نحو 10-31 أمتار الذي فيه تتوحد القوى وتكون التأثيرات المختلفة للفراغ الكمي غير ذات شأن، يصير النطاق البالغ قدره 10-18 أمتار والخاص بالقوة النووية الضعيفة كبيرا إلى درجة لانهائية. من منظور الطاقة، بينما الفوتون عديم الكتلة، فإن البوزونين W وZ الحاملين للقوة الضعيفة لهما كتلة تقترب من المائة إلكترون فولت، وهو النطاق الذي يتحقق فيه التوحيد، لكن هذا يستدعي التساؤل عن الكيفية التي يمكن أن يكتسب بها البوزونان W وZ الكتلة بينما الفوتونات والجلوونات، التي يفترض أن تكون مرتبطة بهما، عديمة الكتلة. يعتقد أن الإجابة تكمن في إحدى خصائص الفراغ، التي تخضع الآن لأولوية البحث في عالم فيزياء الجسيمات عالية الطاقة.
النظرية، التي يرجع الفضل فيها لبيتر هيجز، تقوم على أفكار الموصلية الفائقة التي اقترحها فيليب أندرسون، والتي وفقا لها يعمل الفوتون كما لو أنه صار ضخم الكتلة. الموصلية الفائقة، كما يوحي اسمها، خاصية تفقد بموجبها بعض المواد الصلبة كل مقاومة بها للتيار الكهربي حين تنخفض حرارتها بدرجة كافية. وهذا التغير من العزل النسبي إلى التوصيل الفائق يعد مثالا على التحول الطوري. بيد أن الموصلية الفائقة تحمل ما هو أكثر من مجرد السماح للإلكترونات بالتدفق بحرية، إذ إن هناك أيضا ما يعرف بظاهرة ميسنر، والمتعلقة بسلوك المجالات المغناطيسية داخل الموصل الفائق أو حوله. قد يتخلل المجال المغناطيسي مادة صلبة دافئة، لكن في درجات الحرارة المنخفضة، حيث تصير المادة فائقة التوصيل، يطرد المجال المغناطيسي على نحو مباغت من كل مكان عدا قشرة رقيقة على السطح. وداخل المادة الصلبة، لا يصل المجال المغناطيسي إلا لمسافة محدودة، x، وإذا تذكرنا كيف يرتبط النطاق المحدود للقوة الضعيفة مع كتلة الحامل، البوزون W، إذن داخل الموصل الفائق يشير النطاق القصير للمجال المغناطيسي إلى أن حامله، الفوتون، يبدو وكأنه اكتسب كتلة قدرها ħ/xc، حيث c هي سرعة الضوء.
على نحو مشابه، وبتطبيق المعادلة على القوة الضعيفة، نريد أن يكون مجال W ذو الكتلة M قادرا على اختراق الفراغ الكمي فقط لمسافة قدرها x = ħ/Mc. والمقصود من هذا أن الفراغ الكمي، كما يدرك من جانب القوة الضعيفة، يعمل كموصل فائق.
تعتمد ظاهرة الموصلية الفائقة على وجود مجالات للمادة ذات سمات خاصة. في الموصل الفائق الحقيقي، ينشأ طرد المجال المغناطيسي كنتيجة لعمل الإلكترونات الموجودة داخل المادة بتعاون، منتجة ما يعرف باسم «تيارات الحجب». في حالة القوة الضعيفة يتطلب التشبيه وجود نوع من مجالات المادة «داخل الفراغ». وهذا مختلف تماما عما قابلناه إلى الآن. فإلى الآن نظرنا إلى الفراغ الكمي بوصفه مليئا بالمجالات الافتراضية والتذبذبات المقاربة قيمتها للصفر التي لا يمكنها التجسد إلا إذا توفر لها المزيد من الطاقة. لكن الآن، مع «مجال هيجز»، نحن نتفكر في شيء له وجود حقيقي في الفراغ؛ فالفراغ «الخاوي» الذي ليس به أي مجال هيجز سيكون به من الطاقة «أكثر» مما به لو أن مجال هيجز موجود به. وبعبارة أخرى: أضف مجال هيجز إلى الفراغ وستقل الطاقة الإجمالية.
لهذه النتيجة المفاجئة شبيه في المواد الصلبة، على غرار المغناطيس. ففوق درجة حرارة معينة، تعرف باسم «درجة حرارة كوري»، يتمتع المعدن بطاقة أقل مما يتمتع به وهو ممغنط، لكن حين يبرد إلى ما دون درجة حرارة كوري، يصير المعدن مغناطيسًا. وهكذا في درجة حرارة منخفضة بما يكفي، تعمل «إضافة» المغناطيسية على تقليل طاقة الحالة القاعية، أو «الفراغ». تقضي النظرية المفضلة في فيزياء الجسيمات بأن مجال هيجز يتخلل الفراغ ويمنح الكتلة للجسيمات الأساسية، ليس فقط للبوزونات W وZ، بل أيضا للإلكترونات والكواركات وغيرها من الجسيمات. إذا صح هذا فهو يعني أنه في غياب مجال هيجز لن تكون الجسيمات ساكنة مطلقا بل ستتحرك بسرعة الضوء. ذلك، فالفراغ مليء بمجال هيجز. وبينما تقرأ هذه الصفحة أنت تنظر عبر مجال هيجز؛ فالفوتونات لا تتفاعل معه وتتحرك بسرعة الضوء.
مجال هيجز عجيب بحق. فالجسيمات، كالإلكترونات، التي تتحرك بسرعة تقل عن سرعة الضوء إنما تفعل هذا لأن لها كتلة؛ كتلة اكتسبتها نتيجة تفاعلها مع مجال هيجز الموجود في كل مكان. ومع هذا فهي تواصل الحركة دون مقاومة؛ فقوانين نيوتن تعمل، وتواصل الجسيمات التحرك بسرعة ثابتة ما لم تؤثر عليها قوة خارجية. يمكن حل غموض هذه المعضلة بشكل جزئي إذا أدركنا أن طاقة الجسيم هي التي تحدد سرعته، وبما أن مجال هيجز هو حالة الفراغ ذات الطاقة الأقل، فلا يمكن نقل أي طاقة من مجال هيجز أو إليه، ومن ثم تحافظ الجسيمات على سرعتها. ليس من الممكن تحديد قيمة مطلقة للسرعة نسبة إلى مجال هيجز. باللغة الاصطلاحية: «فراغ هيجز هو فراغ نسبي».
مثلما أن الموصلية الفائقة والمغناطيسية هما أدنى حالات الطاقة فقط عند درجات الحرارة المنخفضة، أيضا يعد الفراغ الذي يتغلغله مجال هيجز أدنى حالات الطاقة فقط عند درجات حرارة «منخفضة» بشكل كاف، حيث تعني «منخفضة» هنا 1017 درجات! ففي درجات الحرارة التي تزيد عن 1017 درجات، تقترح النظريات ألا تشتمل الحالة القاعية للكون على مجال هيجز. خلال أول جزء على تريليون من الثانية عقب الانفجار العظيم كان الكون أشد حرارة من هذا، ومنذ ذلك الوقت وحسب ملأ مجال هيجز الفراغ، مانحا الكتل للجسيمات الأساسية.
ومثلما تنتج التموجات في المجالات الكهرومغناطيسية حزما كمية، أي فوتونات، ينبغي لمجال هيجز أن يتجسد على صورة بوزونات هيجز. وعلى غرار معضلة البيضة أم الدجاجة، يستشعر بوزون هيجز نفسه مجال هيجز الذي يتخلل كل شيء، ومن ثم يصير له كتلة. تقضي نظرية هيجز بأن ذلك البوزون الذي يحمل اسمه له كتلة ضخمة، تصل إلى ألف مرة قدر كتلة ذرة الهيدروجين. يقضي عدم اليقين الكمي بأن تتذبذب بوزونات هيجز بحيث تظهر وتختفي في الفراغ، وتقترح قياسات الدقة الخاصة بكيفية تأثير الفراغ على حركة جسيمات مثل الإلكترونات، وخصائص البوزونات W وZ الحاملة للقوة، أن هذه الجسيمات تتأثر ببوزونات هيجز الافتراضية الأخرى. وعند مقارنة جميع البيانات، يبدو أن بوزون هيجز قد يكون أخف مما ظن سابقا، بحيث يصل على الأرجح إلى 150 مرة قدر كتلة ذرة الهيدروجين. في مختبر سيرن يمكن لحلقة مغناطيسية طولها 27 كيلومترا أن توجه أشعة من البروتونات المسرعة، التي حين يصطدم بعضها ببعض مباشرة يمكنها أن تنتج الظروف المناسبة لإنتاج بوزونات هيجز. وقد استغرق بناء هذا المعجل، المعروف باسم «مصادم الهادرونات الكبير» عشر سنوات، حتى اكتمل في عام 2007. قد يستغرق إجراء التجارب شهورا، وقد يستغرق تحليل النتائج وتنقيحها سنوات. وإذا كان الفراغ مليئا حقا بمجال هيجز، فمن المفترض أن نعرف هذا في القريب العاجل.
|
|
5 علامات تحذيرية قد تدل على "مشكل خطير" في الكبد
|
|
|
|
|
لحماية التراث الوطني.. العتبة العباسية تعلن عن ترميم أكثر من 200 وثيقة خلال عام 2024
|
|
|