هناك سبب عام يجعلنا نتوقع وجود اختلافات في بعض المتغيرات، أو «الثوابت»، الأساسية للفيزياء، وهو يسمى انكسار التناظر. إليك مثالاً بسيطا على هذا الأمر من أشهر أيقونات العلم الحديث اللولب المزدوج، ذلك الشكل الحلزوني لجزيء الحمض النووي، الذي اشتهر من خلال كتاب جيمس واطسون الشهير الذي حقق أعلى المبيعات.⁵ يحتوي الحمض النووي الموجود في خلاياك على البصمة الوراثية، الجينوم، الذي يمنحك هويتك المتفردة. جميع جزيئات الحمض النووي - ليس فقط لدى البشر بل في جميع أشكال الحياة المعروفة أيضًا - موجودة على هذا الشكل اللولبي بشكل أكثر تحديدا، كلها على شكل اللولب الملتف إلى اليمين أحيانًا ما تلتف السلالم الحلزونية لبعض القلاع القديمة جهة اليسار أثناء صعودك عليها، وأحيانًا إلى اليمين لكن جزيء الحمض النووي يتجه دوما إلى اليمين.

لا يوجد سبب جوهري يمنع الحياة من استخدام الحمض النووي الملتف جهة اليسار. سيكون متماثلاً من الناحية الكيميائية ومستقراً، ولن يخرق أيًا من قوانين الفيزياء؛ سبب هذا هو أن قوانين الكهرومغناطيسية - المسؤولة عن بناء الجزيئات - لا تكترث إطلاقًا للفارق بين اليمين واليسار للتعبير عن الأمر بشكل أكثر دقة يقول الفيزيائيون إن الكهرومغناطيسية لها تناظر معكوس. بالطبع سيسود الحياة اضطراب عظيم لو استخدم الشكل الملتف جهة اليمين وذلك الملتف جهة اليسار في الوقت ذاته، لكن لا يوجد سبب يجعل من الشكل الملتف جهة اليمين هو الشكل الصحيح. أفضل تخمين هو انه منذ وقت طويل بينما كانت الحياة تتشكل (بصورة ما) من الجماد كسر حادث جزيئي عشوائي التناظر، وفور وقوع الاختيار بشكل عشوائي على أحد الشكلين، تجمد الوضع على هذا الحال. كان لا بد أن يتجمد حتى تستطيع الحياة بكل أشكالها استخدام معيار مشترك، ومع ذلك هناك احتمال قدره 50 بالمائة أن الأمر كان يمكن أن يسير على نحو معكوس.⁶

شأن الحمض النووي لا تفصح نظم فيزيائية كثيرة عن التناظرات الأساسية للقوى المشكلة لها. ليس من العسير العثور على أمثلة عند النظر إلى الأرض من أعلى نصفها الشمالي نجد أنها تدور حول الشمس عكس اتجاه عقارب الساعة، لكن قوانين نيوتن للحركة والجاذبية لا تكترث إطلاقًا بأن يكون الدوران مع أو عكس اتجاه عقارب الساعة؛ إذ إنها متناظرة. وإذا دارت الأرض في الاتجاه المعاكس فلن تضار قوانين الفيزياء في شيء. إلا أن بعض الأنظمة الفيزيائية الأخرى تحترم بالفعل التناظر الكامن، على الأقل بشكل تقريبي. على سبيل المثال، الشمس دائرية الشكل تقريبًا، وهو ما يعكس حقيقة أن قوة الجاذبية لا تفرق بين أحد اتجاهات الفضاء واتجاه آخر؛ بالتعبير عن الأمر بدقة، قوة الجاذبية متناظرة تحت تأثير الدوران. يعتمد احترام النظام الفيزيائي للتناظرات الأساسية في قوانين الفيزياء أو كسرها على مسألة الاستقرار؛ إذ قد يكون التناظر المنكسر هو الحالة الأكثر استقرارًا. يوضح الشكل 1-8 هذا الأمر: تخيل أنك تمسك بقلم له سن حاد في وضع عمودي بحيث يلمس طرف السن السطح الأفقي. حين تترك القلم سيسقط على السطح الأفقي. لا يوجد أي معنى عميق في الاتجاه النهائي الذي يتبناه القلم؛ فهو عشوائي بالكامل. وإذا أجريت التجربة ألف مرة فستحصل على ألف اتجاه مختلف لسقوط القلم، موزعة بشكل تقريبي حول المركز سبب ذلك هو أن مجال الجاذبية الرأسي للأرض لا يكترث بالاتجاهات الأفقية؛ فأي اتجاه مثل غيره بشكل أكثر دقة، إن مجال الجاذبية متناظر عند الدوران حول المحور الرأسي، والمحدد من واقع الموضع العمودي الأولي للقلم. لكن الحالة النهائية للقلم، على السطح الأفقي، تكسر هذا التناظر الدوراني باختيار اتجاه أفقي «معين». إن الحالة المتوافقة مع التناظر الأساسي لقوانين الفيزياء (القلم في الوضع العمودي) غير مستقرة، لذا يكسر القلم هذا التناظر وينقلب (في الوضع الأفقي) إلى حالة مستقرة لكن لا تجسد التناظر. وبهذا يتخلى القلم عن التناظر في مقابل الاستقرار. لا يزال التناظر موجودًا في القوانين الأساسية، لكن لا يمكن تبينه من حالة واحدة فقط من خلال دراسة مجموعة كبيرة من الحالات المتنوعة (آلاف الأقلام) الموزعة بتساو في جميع الاتجاهات الأفقية المتاحة يمكن تجسيد التناظر الدوراني الكامن. يطلق على مبادلة التناظر بالاستقرار هذه انكسار التناظر التلقائي؛ لأن النظام يختار بنفسه (بشكل اعتباطي) كيفية كسر التناظر؛ أي إن هذا ليس مفروضًا عليه من جانب مؤثر خارجي.

يمكن استعادة التناظر والبساطة مع درجات الحرارة الشديدة

الآن نأتي لنقطة حاسمة كثيرًا ما يمكن استعادة حالات التناظر المكسورة (بمعنى إظهار التناظر) من خلال رفع درجة الحرارة. فكر في جزيئات الحمض النووي. في درجة حرارة أعلى من 100 درجة مئوية يتهدد استقرارها بفعل الحرارة، وتبدأ في الانصهار. وإذا أوصلت درجة الحرارة لمائتي درجة مئوية فسيتحلل الحمض النووي بالكامل، وستختفي بنية اللولب المزدوج تمامًا. ستتطاير مكوناته بشكل عشوائي، ويختفي أي مظهر لبنيته الملتفة جهة اليمين تمامًا. تظهر المكونات المتطايرة المتجولة بفوضوية التناظر الكهرومغناطيسي الأساسي بكل وضوح، وذلك بصورة لم يظهرها جزيء الحمض النووي المجمع. إن انكسار التناظر يذوب حرفيًا مع رفع درجة الحرارة.

القاعدة العامة تسري كالتالي:

تظهر النظم مرتفعة الحرارة تناظرًا أكبر من النظم منخفضة الحرارة. وحين تنخفض درجة الحرارة ينكسر التناظر. أولاً أود توضيحها بمثال قريب من فيزياء المدارس الثانوية؛ لأنه كلاسيكي بعض الشيء: كان بيير كوري، زوج الكيميائية الشهيرة ماري كوري، أول من عبر عن هذا الأمر، وهو يخص المغناطيس. كان معروفًا لوقت طويل أن المجال المغناطيسي، لنقل، لقطعة حديد ممغنطة يضعف مع تسخينها. وعند الوصول لدرجة حرارة معينة يطلق عليها حرارة كوري - يختفي المجال المغناطيسي خارج قطعة الحديد تمامًا (تبلغ درجة الحرارة هذه 770 درجة مئوية). من السهل فهم السبب؛ تملك ذرات الحديد مجالاتها المغناطيسية بفضل إلكتروناتها سريعة الحركة، ولأسباب تتعلق بمبدأ استبعاد باولي تحب الذرات أن تصطف مجالاتها بشكل متواز كي تشكل نطاقات مغناطيسية ميكروسكوبية. في قطعة المغناطيس تصطف النطاقات أيضًا بشكل متواز، ومن ثم تتحد مجالاتها المغناطيسية بصورة منظمة. لكن مع رفع درجة الحرارة تبدأ المجالات المغناطيسية الدقيقة في التخبط محاولة التحرر من الترتيب المغناطيسي الصارم. مع ارتفاع درجة الحرارة وزيادة حركة الإلكترونات الجنونية تميل كفة الصراع لمصلحة التحرر. وفي النهاية نصل لنقطة حرجة تهيمن فيها الفوضى وتصير كل المجالات المغناطيسية الصغيرة مستقلة بعضها عن بعض. في ظل هذه الظروف يكون اتجاهها عشوائياً؛ فلا تصطف بشكل منظم في أي اتجاه. لذا، رغم أن الحديد الساخن مكون من ذرات ممغنطة، فإن المجال المغناطيسي الإجمالي له يساوي صفرًا. وإذا برد الحديد «ببطء» مرورًا بدرجة حرارة كوري يمكن استعادة المغناطيسية. وقتها تهتدي النطاقات بأي مجال مغناطيسي خارجي قد يكون موجودًا، كمجال الأرض المغناطيسي، وتصطف في هذا الاتجاه. لكن إذا بردت بسرعة تتجمد النطاقات في اتجاهاتها العشوائية. وداخل كل نطاق يكون للمغناطيسية اتجاه ثابت، لكن قطعة المغناطيس ككل، رغم أنها مصنوعة من مادة ممغنطة، ليس لها مغناطيسية كلية.

يلعب التناظر دورًا واضحًا في هذه القصة؛ فقوانين الكهرومغناطيسية تتسم بالتناظر عند الدوران (أي لا تكترث بالاتجاه في الفضاء). وتتوافق الحالة المغناطيسية لقطعة الحديد الساخنة مع هذا التناظر؛ إذ لا تشير إلى اتجاه محدد لأن صافي قوة المجال المغناطيسي لها يساوي صفرًا. لكن تحت درجة حرارة كوري تستقر المجالات المغناطيسية؛ لأن كل مكون مغناطيسي صغير يثبت على اتجاه معين أثناء عمل ذلك يكسر كل واحد منها التناظر الدوراني لقوانين الكهرومغناطيسية، الذي يتحكم في سلوك النظام. لكن إذا بردت قطعة الحديد بسرعة، مجمدة النطاقات ذات الاتجاهات العشوائية، فسيظل وقتها التناظر الدوراني موجودًا على المستوى العام؛ لأن قطعة الحديد ليست ممغنطة بانتظام في أي اتجاه محدد.

لا يمكن أن تعرف بالنظر هل قطعة الحديد ممغنطة أم لا، لكن هناك مثالاً آخر يكون فيه انكسار التناظر واضحًا بمجرد النظر، وذلك حين يتجمد الماء على صورة جليد. يتحول الماء من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة مع هبوط درجة حرارته إلى الصفر المئوي. مجددًا، ينكسر هنا التناظر الدوراني؛ فالماء السائل يبدو بنفس الشكل من جميع الاتجاهات، في حين بلورات الجليد تكون أشكالا هندسية منتظمة ذات اتجاهات محددة. يشير الفيزيائيون إلى التغير المباغت من هذا النوع باسم «التحول الطوري» Phase Transition.

 من الطرق الجيدة للتفكير في التناظر النظر إليه من ناحيتي البنية والتعقيد، فكلما زاد التناظر في النظام كان أكثر بساطة وأقل تركيبًا؛ قارن مثلاً شكل الدائرة المنتظم بأي شكل متعدد الأضلاع غير منتظم. يعمل رفع حرارة النظام على تقليل تركيبه والتخلص من التعقيد؛ فكر إلى أي مدى يتسم كوب الماء بالبساطة في مقابل قدح مليء بمكعبات الثلج. أو تخيل وضع كوكب الأرض في فرن كوني ورفع الحرارة. في البداية ستذوب الأنهار والجبال الجليدية، ثم ستحترق الغابات وتغلي المحيطات وفي النهاية تنصهر الجبال. ومع الحرارة الكافية سيتبخر الكوكب بأكمله. إن الفرن العملاق المليء بالبخار أبسط - وبه تناظر أعلى - من البنية المعقدة لكوكب الأرض. المبدأ العام كما يلي: الحرارة = بساطة، البرودة = غنى.

هوامش

(5) James Watson, The Double Helix (New York: Touchstone, 2001).

(6) This example can be likened to the rule of the road. In some countries people drive on the right; in others they drive on the left. Which one is chosen is just a matter of historical accident? It doesn’t make any difference so long as everybody uses the same rule.

(7) If you did the experiment very precisely, the selection of the direction could be traced back to chaotic molecular jiggles.