النموذج القياسي للفيزياء : الجزء الثاني

نستكمل هنا موضوعنا الذي بدأناه بالمقال:

هو إيه بقي النموذج القياسي للفيزياء إلي بيقولوا عليه ده؟

 وصلنا في الجزء الأول إلي أن النموذج القياسي للفيزياء هو مجموعة من المعادلات والنظريات بتحكم ثلاثة من قوي الطبيعة المعروفة ، وهي القوي الكهرومغناطيسية والنووية القوية والنووية الضعيفة. طيب بينتج عن ده إيه؟ يعني إيه طبيعة هذه القوي وبتشتغل إزاي أصلاً؟

علشان نعرف الإجابة علي السؤال ده لازم نعدي في مرحلتين. المرحلة الأولي نعرف حاجة إسمها "المجال" أو

Field

ماتقفلش الصفحة!
ماتقفلش الصفحة!

الموضوع مش صعب والله بس ركز معايا ، لما العلماء بتوع القرون الماضية إكتشفوا قوي الجاذبية والكهرومغناطيسية كان عندهم مشكلة كبيرة هي ما سماها نيوتن بمشكلة "التأثير عن بعد"

Action at a distance

يعني إيه؟ أنا وإنت عارفين إن الكرة الأرضية مثلاً إلي إحنا قاعدين عليها دلوقتي بتشدنا علي سطحها بقوة الجاذبية ولولا هذه القوة كان زماننا طايرين في الفضاء وماكانش حيبيقي فيه حياة علي الأرض أصلاً. بس السؤال إلي بيطرح نفسه إيه هي القوة دي بقي؟ يعني شكلها إيه؟ إيه بالظبط هذه اليد الخفية إلي إحنا مش شايفينها إلي طالعة من الأرض وماسكة فيك مانعاك من الطيران؟ وليه إحنا مش شايفين هذه القوة الخفية وكيف تؤثر علينا عبر المسافات؟ هي دي مشكلة التأثير عن بعد.

نيوتن كان مدرك أهمية هذه المشكلة ولكنه كان عارف إن فهمها أكبر من إمكانياته أيامها ولذلك قال في كتابه الشهير "المباديء الرياضية للفلسفة الطبيعية" أنه

Hypothesis non-fingo

"هيپوثيسيس نان فينجو "

وهي جملة لاتينية معناها "لن أفترض أي شيء" أو بالبلدي كدة "أنا مش عارف بس هي كدة." وترك الإجابة علي هذا السؤال لأجيال المستقبل.

ونفس التساؤل بالنسبة لتأثير الجاذبية عن بعد ينطبق علي الكهربية والمغناطيسية. سيادتك مثلاً لما تقرب إبرة معدنية من مغناطيس تلاقيها طارت من إيدك ولزقت في المغناطيس. طيب هي إيه القوة الخفية دي إلي خرجت من المغناطيس وشدت الإبرة؟ والقوة دي أصلاً عرفت إزاي إن فيه إبرة علشان تطلع تشدها‫؟ "هايپوثيسيس نان فينجو" برضه سيادتك. وما ينطبق علي هاتان القوتان ينطبق أيضاً علي القوتين النوويتين إلي شرحناهم في المقال السابق.

جه بقي في القرن التاسع عشر عمنا مايكل فاراداي العالم الإنجليزي الأشهر وحل المشكلة جزئياً بإفتراض أن هناك حاجة إسمها "مجال القوة" أو إختصاراً "المجال" ، وهو زي ماتقول كدة حاجة بتملا الكون كله وإحنا مش شايفينها لكن دائماً موجودة. بمعني لو رجعنا لمثال الجاذبية ، نقدر نقول إن الكرة الأرضية منذ بدء الخليقة "بتشع" مجال خفي مالي كل الفراغ حواليها إلي مالانهاية ، ولما حاجة بتدخل المجال ده بتتفاعل معاه و"بتحس" بقوة الجذب. ونفس الكلام ينطبق علي القوي الأخري. يعني المجالات دي عاملة زي محيط لانهائي من قوي خفية موجود دائماً ولما أنا وإنت ننزل فيه بنشعر بيه وبنتفاعل معاه وأمواجه عمالة تزق وتشد فينا مع إننا مش شايفين حاجة.

نظريات ماكسويل ويانج ميلز (الموضحة في المقال الأخر) إلي بتشكل الأساس الرياضي للنموذج القياسي هي في الواقع نظريات مجالية

Field theories

ومعادلاتها بتحكم حركة هذه المجالات الخفية ، يعني بتحكم حركة امواج البحر.

طيب ماشي وبعدين ، زي ما ذكرنا في المقال السابق إحنا مضطرين نضيف علي هذه النظريات قواعد ميكانيكا الكم وينشأ عن تلاحم نظريات المجال مع ميكانيكا الكم نظريات جديدة إسمها

Quantum field theories

أو نظريات المجال الكمية. شفنا أمثله ليها في المقال السابق إلي هم

QED

QCD

Electroweak model

نتيجة إلتحام النظريات المجالية بميكانيكا الكم بيحصل حاجة غريبة جداً ، فجأة نكتشف إن كل مجال من هذه المجالات لما نبص عليه علي مستوي ضئيل جداً نلاقيه مكون من حبيبات صغيرة جداً جداً جداً مالية الفراغ كله (ملحوظة للمتخصص: أنا مدرك تماماً إنني مبسط الأمور قوي) هذه الحبيبات تتصرف كما لو كانت جسيمات صغيرة عمالة تخبط في بعضها. دي عاملة زي إيه؟ عاملة زي ما تعتبر مياه المحيط مجال من المجالات وسيادتك بتعوم فيه والأمواج عمالة توديك وتجيبك ، لكن لو بصيت علي مستوي ضئيل جداً جداً تكتشف إن مياه البحر في الواقع مكونة من حبيبات صغيرة إلي هي جزيئات المية والملح وخلافه وإنك مش عايم في مجال لكنك عايم في وسط بليارات البليارات من الجسيمات طايرة يمين وشمال وعمالة تخبط فيك وفي بعضها.

يعني الكهرومغناطيسية مكونة من حبيبات صغيرة؟ أيون ، دي الحبيبات إلي بنسميها الفوتون

Photon

والقوي النووية القوية مكونة من حبيبات برضه؟

أيون برضه دي بنسميها الجلوون

Gluon

لأنها زي الصمغ (Glue) بتلزق الكواركات في بعضها.

والقوة النووية الضعيفة؟ حبيباتها إسمها إيه؟ دول بقي إتضح إنهم تلاتة ، وسموهم بأسماء مش رومانسية خالص ، سموهم جسيمات الدبليو موجب وسالب وجسيم الزيد صفر:

W+, W-, Z0

دي حاجة تلخبط يا جدع. يعني قصدك تقول إن بدل الواحد ما يتخيل مجال خفي بيطلع من المغناطيس ويشد الإبرة ، يتخيل عدد ضخم جداً من حبيبات الفوتون بيطلع من المغناطيس ويشد الإبرة؟

أم م م م م م م

أيوة حاجة زي كدة. بص أنا علي فكرة مبسط الأمور قوي علشان نعرف نتخيل صورة في دماغنا ، لكن الواقع إن التخيل هنا صعب جداً ومن المستحيل إنك تحط صورة دقيقة لهذه التفاعلات. ليه مستحيل يا عم؟ أقولك ليه. لأننا مش متعودين علي قواعد ميكانيكا الكم إلي هي أساس كل ده ، إحنا متعودين علي قواعد ميكانيكا نيوتن إلي بنشوفها في حياتنا كل يوم. لكن ميكانيكا الكم ليها قواعد لا تنطبق علي الحاجات إلي بنشوفها في حياتنا اليومية. صحيح المعادلات صحيحة والتجارب بتثبت المعادلات ، لكن التخيل بيبقي صعب جداً ، ولذلك التصورات إلي كتبتها في هذه المقالة لهي تصورات تقريبية جداً جداً جداً.

كويس ، أدينا عرفنا إن المجالات التلاتة بتوع النموذج القياسي هم في الواقع جسيمات وحبيبات. طيب والجاذبية؟ القوة الرابعة؟ وضعها إيه؟ زي ما ذكرت في المقال الأول الجاذبية لسة مانعرفش علاقتها بميكانيكا الكم إيه ، ولذلك إحنا بنفترض إنها هي كمان عبارة عن جسيمات وحبيبات ، لكن هذه الجسيمات لم نكتشفها حتي الأن معملياً لأننا ماعندناش تجارب تسمح بقياسات "كَمِية" للجاذبية. مع ذلك فهي ليها إسم ، بيسموها الجراڤيتون

Graviton

حلو قوي. وصلنا لمربط الفرس: المجالات مكونة من جسيمات. حط فوقيهم بقي الجسيمات التانية إلي موجودة في الطبيعة وأنا وإنت درسناها في ثانوي زي الإلكترون والكواركات وإنت يبقي عندك صورة كاملة لقوي الطبيعة وتفاعلاتها مع بعض ومع المادة. ويبقي النموذج القياسي من أوله لأخره ليس إلا النظرية الرياضية إلي بتحكم خواص وعلاقات هذه الجسيمات مع بعضها. ونقدر نلخص النموذج القياسي كما في هذه الصورة:
(مصدر الصورة: http://quantum.goetheanum.org/The-Standard-Model-of-Fundamental-Particles-and-Interactions.6482.0.html)

ومن الملاحظ إن الصورة دي فيها جسيمات ما إتكلمناش عنها زي النيوترينو بأنواعه الثلاثة والميون والتاو. هذه الجسيمات الغريبة مش معتادة لينا ومادرسناهاش في ثانوي لأنها مش داخلة في تركيب الذرة. وفيه جسيمات أخري مش ظاهرة في الصورة لأنها حالة خاصة مثل الهيجز والجراڤيتون.

ما علينا.

كدة نبقي وصلنا لنهاية القصة وملخصها كالأتي: أنا ، وإنت ، وهو ، وهي ، والترابيزة ، والكرسي ، والحيطة ، وكوكب الأرض ، والشمس والكون كله لسنا إلا محيط عميق من عدد كبير جداً من هذه الجسيمات طايرة يمين وشمال وبتتفاعل مع بعضها. أدي كل الحكاية ، سهله مش كدة؟ :-)