نظرية النموذج المعياري.. غوص الفيزياء في أعماق المواد المركبة للكون

إيمان الشريف

كانت لوحة الموناليزا تتوسط حائطا عريضا قاتم اللون خلا من أي زخرفة أو نقش في غرفة خاصة ضمن جناح “دينون” داخل متحف اللوفر الشهير الواقع في العاصمة الفرنسية باريس، حيث يتجمهر عدد من الزائرين مشهرين كاميراتهم ليلتقطوا صورة تذكارية لأحد أشهر المعالم البشرية على الإطلاق. لم تكن المسافة الفاصلة بين اللوحة وبين النزلاء بسيطة، فثمة حائط زجاجي سميك يكف أيدي المتطفلين من المساس بهذه التحفة الفنية الخلابة التي حار كثيرون في فهم سرّ شهرتها الغامض.

ولعلّ غموض اللوحة في حد ذاته هو أحد أسباب شهرتها، ولا يتسنى لأحد الجزم بالحقيقة التي كان يسعى وراءها راسمها الإيطالي “ليناردو دا فينتشي”، فقد اعتاد على أن يضع ألغازا وخبايا في أعماله الفنية التي ما زالت تشغل كثيرا من المهتمين.

ويذهب البعض إلى استخدام تقنية تجزئة اللوحة في إطار ثانوي لمراقبة بعض التفاصيل التي قد تتوارى خلف المشهد الكامل للرسمة، فعلى سبيل المثال أقبلت شركة “لومينر للتكنولوجيا” (Luminere Technology) المتخصصة في رقمنة الأعمال الفنية عام 2004 على إجراء مسحات ضوئية على اللوحة الشهيرة نحو 13 مرّة. وفي عام 2010 أجرى العالم في تاريخ الفن الإيطالي “سيلفانو فينسيتي” دراساته على هذه المسوحات، مما دفعه إلى التوصل لبعض الاكتشافات المثيرة، إذ وجد أنّ ثمّة بعض الرموز الغامضة؛ منها العدد (72) ويقع مباشرة فوق كتف السيدة الأيسر، وأنّ ثمّة حرفي (L) و(S) يوجدان في عيني الموناليزا كليهما، لكنهما على مستوى دقيق لا يكاد يُرى بالعين المجرّدة.1

إنّ ذلك يطرح عددا من الأسئلة حول تلك التفاصيل المثيرة التي تصنع الصور الكبرى الاعتيادية، والرهان يقع على قدرة العقل البشري على التعامل معها، أو قدرته في الوصول إليها قبل أي شيء. وحديثنا هنا ما زال حبيس نطاق ما قد بدا لعين الرائي. ولو أننا وجهنا بوصلة البحث نحو جوهر الخلق الدقيق، فإن الصعوبة والإعجاز يتجاوزان بكثير ما قد خبأته لوحة الموناليزا.

خريطة الجسيمات الأولية.. أسرار تركيب المادة في الكون

وعلى امتداد عقود طويلة من البحث الدؤوب، وبمساهمات لا غنى عنها من قبل علماء كثر، استطاعت البشرية اليوم أن ترسم خريطة تعريفية بشتى الجسيمات الأولية التي تتركب منها المادة في الكون، وهو ما يُعرف بنظرية “النموذج المعياري” -أو العياري- (Standard Model).

ويرى علماء الفيزياء النظرية وعلماء الذرة بأنّ هذا النموذج المعياري قادر على تفسير تكوّن عناصر المواد من جسيمات، بالإضافة إلى الجسيمات الحاملة لقوى الكون الثلاث (القوة الكهرومغناطيسية، والقوة النووية القوية، والضعيفة).

كل شيء في الكون مركب من جسيمات أولية بما فيها الخلية الحية في أجسامنا

وعلى الرغم من أن كل ما يبدو في هذا النموذج نظريا صائبا إلى أقصى حد ممكن، تبقى عدة ظواهر طبيعية في الكون لا يمكن تفسيرها بعد، وما زالت في طور البحث. وأهمها فشل إقحام القوة الكونية الرابعة (قوة الجاذبية) ضمن النموذج لعدم الوصول إلى الجسيم المسؤول عن تأثير هذه القوة، وهو ما يُطلق عليه افتراضا جسيم “الغرافيتون”.

نظرية الانفجار العظيم.. انتصار بعد صراع علمي طويل

مرّ على تاريخ البشرية حقب عدّة لم تكد تخلو من أعظم التساؤلات الفلسفية والعلمية التي تتعلق بشأن خلق الكون وبدايته، والكيفية التي ظهر بها إلى الوجود، وبقي الأمر محلّ جدال طويل الأمد تتجاذب أطرافه جماعات وطوائف عدّة في القارة العجوز. وقد انتقل ذلك النزاع الفلسفي إلى المجالس العلمية حتى تشكّلت نظريتان رئيسيتان لم يُحسم أمرهما إلا في منتصف القرن الماضي، مع انتصار كاسح لنظرية الانفجار العظيم التي يتبناها جزءٌ كبير من المجتمع العلمي اليوم. في حين كانت نظرية الحالة الثابتة للكون المندثرة تلقى قبولا أقل، وهي تقول إنّ الكون كان مثل ما هو، وما زال، وسيبقى على حاله إلى الأبد.

بعيد الانفجار الأعظم، تشكلت الجسيمات الأولية كالكواركات والتي تشكلت منها المادة على شكل ذرات

ولسنا هنا بصدد الحديث عن الصراع الطويل بين النظريتين، ولا عن الأدلة العلمية التي رجّحت كفة نظرية الانفجار العظيم، إلا أنّه من الممكن المرور سريعا على ثلاثة اكتشافات أساسية مهّدت السبيل إلى حسم هذا النزاع، وهي: اكتشاف “إدوين هابل” لتوسع الكون في بداية القرن الماضي، ثمّ اكتشاف صورة الإشعاع الميكروي للخلفية الكونية، وآخرها الاكتشاف الذي توصل إليه العالم البريطاني “فريد هويل” في كيفية ظهور العناصر الثقيلة في الكون.

وقد جاء خلق الكون قبل تشكل الأرض بكثير، فضلا عن قدوم الإنسان نفسه، فقبل نحو 13.8 مليار سنة -وفق تقدير المختصين- حدث الانفجار العظيم الذي جاءت منه كلّ طاقة في الكون هي موجودة الآن، وهو ما يؤيده بشدة قانون حفظ الطاقة الذي يقول إن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم.

وبطبيعة الحال فمعادلة “أينشتاين” الشهيرة، أنّ الطاقة تساوي حاصل ضرب الكتلة بسرعة الضوء مرفوعة للقوى الثانية، تشير بوضوح إلى أن العلاقة بين المادة والطاقة هي علاقة تبادلية، أي أن المادة من الممكن أن تتحول إلى الطاقة، والعكس صحيح.

مما يعني بأنّ كلّ المادة في هذا الكون من مخلوقات حية وكواكب ونجوم وثقوب سوداء وغيرها، هي نتاج ذلك الانفجار العظيم الذي حدث، والأمر يبدو جنونيا إذا ما نظرنا إلى الكون برمته وبكل ما يحويه من مادة، فيتبادر إلى عقل المرء سؤاله عن شدّة ذلك الانفجار العظيم الذي انبثق منه كلّ شيء هو موجود اليوم.

نشأة المذهب الذري عند الإغريق.. تيار يصطدم بالمعلم الكبير

عُنيَ فلاسفة ما قبل عهد سقراط بعدة مواضيع فلسفية جدلية فيما يتعلق بطبيعة الكون ونشأته في القرن الخامس قبل الميلاد، وشهدت تلك الحقبة ظهور “التيار الذرّي” (Atomism) الذي كان رائده الفيلسوف الإغريقي “ليوكيبوس” وتلميذه الشهير “ديموقريطوس”، وهما من أشارا لأوّل مرة بأن جميع المادة التي خُلق منها الكون قابلة الانقسام جزءا فجزءا، إلى أن تصل إلى حد يستحيل فيه الانقسام، فتكون المادة في أبسط تركيب فيزيائي لها، وفي هذا الحد تظهر العناصر الأولية أو الأساسية للمادة.3

“ديموقريطوس”أول من عرّف الذرة وأنها الجزء الذي لا يتجزأ من المادة

إنها أشبه بعملية تقطيع تفاحة كاملة إلى نصفين، ثمّ يُقسّم النصفان إلى أنصاف أخرى، وتستمر عملية التقسيم إلى أن نصل إلى ما لا يمكن تقسيمه، وهو العناصر/الجزيئات التي أطلق عليها “ديموقريطوس” الذرّات. كما يطلق عليها باليونانية “أتوموس” وتعني “غير قابل للتجزئة”.

ولم يكن الفيلسوف “أرسطو” أو “أرسطوطاليس” أحد أولئك المعجبين بهذا النموذج الدخيل لتجزئة المواد المركبة للكون، بل إنه بدا متهكما وساخرا منه، وبحكم شهرته الطاغية وتأثيره الشديد، وكونه “المعلم الكبير” كما يحلو لطلبته تسميته، فقد استطاع “أرسطو” أن يمرر فلسفته وأفكاره المغلوطة لقرابة 2000 سنة.

“جون دالتون”.. إعادة إحياء النموذج الميت في العصر الحديث

في عام 1800 استطاع الكيميائي البريطاني “جون دالتون” إحياء نموذج “ديموقريطوس” للذرة الذي بقي منسيا طيلة تلك المدة، وذلك بإجراء عدة تجارب في مختبره الخاص. لقد درس “دالتون” استجابة بعض الغازات عند التعرض للضغط، مما دفعه إلى الاعتقاد بأنّ ثمة جسيمات متناهية الصغر تبقى في حركة مستمرة في الغازات، وهي الذرات. وقد غطت دراسته خصائص المركبات التي تكوّنها هذه الذرات، وعلى أثره استنتج بأن جميع المركبات المتشابهة تحتوي على ذات الذرات بنسب متساوية، والعكس صحيح بالنسبة للمركبات غير المتشابهة.

كان دالتون أول من وضع تصورا لشكل الذرة كأصغر جزء في المادة

جعل “دالتون” الذرة أصغر وحدة بناء لأي عنصر كيميائي، مانحا إياها ثقلا وكيانا فيزيائيا، فقد كان تصوره عن الذرات أنها صلبة جامدة، ولتبسيط طرحه المبتكر، فقد شبّه الذرات بكرات خشبية دائرية الشكل ذات ثقوب محددة، ثمّ بواسطة روابط (خطافات) تستطيع هذه الذرات الاتحاد بذرات أخرى بعدد لا نهائي من الأنماط. لقد كان تصور “دالتون” بدائيا للغاية عن الذرة قياسا على ما تبعه من اكتشافات، إلا أنها كانت الشرارة الأولى فحسب.

وبعد نحو 100 عام أقدم العالم البريطاني السير “جوزيف تومسون” على اكتشاف الإلكترون، وهو أول جسيم دون ذري -أي أصغر من الذرة نفسها- يُكتشف، وهو ما أربك الحسابات في بادئ الأمر، إلا أنه دفعه في نهاية المطاف إلى تبني نموذج جديد للذرة، فبدلا من أن تكون جسما صلبا جامدا، أشار “تومسون” إلى أنّ ثمة مجموعة من الإلكترونات سالبة الشحنة تسبح في محيط ذرة ذي شحنات موجبة.

رقاقة الذهب.. تجربة فتحت الأبواب على نواة الذرة

لم يصمد نموذج “تومسون” كثيرا مع بزوغ نجم العالم النيوزلندي “إرنست رذرفورد” بعد إجرائه تجربة رقاقة الذهب الشهيرة، وقد نتج عنها اكتشاف نواة الذرة في عام 1911. لاحظ “رذرفورد” بأنّ الموجات الموجبة لا تنتشر في جميع الذرة، بل إنّها تتمركز في حيّز ضيق في المنتصف، حيث تقع النواة، وعلى ذلك ظهر اكتشاف الجسيم دون الذري البروتون، ويعادل تماما شحنة الإلكترون، إلا أنّه موجب الشحنة.

تجربة رذرفورد التي كشفت لأول مرة عن مكونات الذرة الحقيقية

ثمّ استغرق الأمر بعض الوقت حينما اكتشف العالم البريطاني السير “جيمس تشاوديك” الجسيم دون الذري الآخر في نواة الذرة وهو النيوترون، في عام 1932. ويعود سبب تأخر اكتشافه في كون النيوترون عديم الشحنة كهربائيا، أي أنه ليس موجبا ولا سالبا، وهو ما يجعل من الصعب كشفه أو التحكم به.

لقد كان اكتشاف النيوترون هو الحلقة الثالثة المفقودة في تشكيل العصر الكلاسيكي للنموذج المعياري، وجنبا إلى جنب الإلكترون والبروتون، فإنّ هذه الجسيمات الثلاثة دون الذرية كان يُنظر إليها حتى تلك اللحظة بأنها تمثل التركيب الأدنى لكل مادة مرئية في الكون، مطلقين عليها “الجسيمات الأولية” (Elementary Particles).

ورغم أن ما يحمله هذا التصور عن حقيقة تركيب المواد على مستوى ما دون الذري خاطئ، فإنه بشكل أو بآخر قد مهّد الطريق لظهور الحقبة الثانية من تاريخ تأسيس النموذج المعياري، وتمتد ما بين عامي 1930-1960.

تقسيم الجسيمات.. ملامح الحقبة الثانية من النموذج المعياري

كان اكتشاف الذرّة ونواتها بمثابة وضع اللبنات الأولى للنموذج المعياري كما هو في شكله الحالي، وتكمن أبرز الانتصارات العلمية في هذه الحقبة في ثلاثة اكتشافات جاءت نتاجا لعدد من التجارب المخبرية والحسابات الرياضية المعقدة، ابتداءً بجسيم الميزون (النُصَيفَن)، وجسيم البوزيترون، وأخيرا جسيم النيترينو. وتعد فيزياء الجسيمات هي الفرع الأساسي المهتم باكتشاف ودراسة خصائص الجسيمات ما دون الذرية، وعلى وجه التحديد “نظرية الحقل الكمومي” (Quantum Filed Theory).

لقد اهتدى علماء الجسيمات والباحثون إلى تقسيم الجسيمات الأولية بشكل أساسي إلى قسمين:

يتكون النموذج المعياري من جسيمات أولية تشكل أصل المادة في الكون

القسم الأول الجسيمات الأولية المسؤولة عن تكوين المادة في الكون، ويُطلق عليها الفرميونات، وتنقسم هي الأخرى إلى الكواركات (التي تشكل البروتونات والنيترونات) وإلى الليبتونات (وتضم الإلكترونات)، ويبلغ عددها 12 جسيما أوليا، مع وجود جسيمات مضادة لها بنفس عددها.

وأما القسم الآخر فهو جسيمات أولية تعمل على حمل القوى الكونية الأساسية بواقع ثلاث من أصل أربع قوى كونية، ويُطلق عليها البوزونات، وتمتلك كلّ قوة جسيمات أولية تتولى عملية حمل ونقل تأثير هذه القوى عبر الكون، كما أنّ لكل منها خصائصها الفريدة، وهي على النحو الآتي:

– جسيم غلوون، وهو المسؤول عن حمل تأثير القوة النووية القوية، وتُعد الغلوونات بمثابة اللاصقات بين الكواركات بداخل الجسيمات دون الذرية مثل البروتونات والنيترونات، وهي بلا كتلة وبلا شحنة كهربائية.

– جسيمات البوزونات الواويّة والعينيّة، وهي مسؤولة عن حمل تأثير القوة النووية الضعيفة أو الاضمحلال الإشعاعي للجسيمات دون الذرية.

– جسيم الفوتون، وهو المسؤول عن نقل تأثير القوة الكهرومغناطيسية، وهو قطعا بلا كتلة كما أثبتت أولى التجارب، والجدير بالقول إن مجال القوة الكهرومغناطيسية يُعد لا نهائيا، بسبب قدرة الفوتونات على التنقل في الكون، على عكس القوة النووية القوية والضعيفة ذواتي المجال المحدود للغاية.

– جسيم الغرافيتون، وهو المسؤول عن نقل تأثير قوة الجاذبية، وما زال غير مكتشفا إلى اليوم، وهو ما يشكل نقطة حرجة بالنسبة لعلماء الفيزياء النظرية، فكل جهودهم تنصب على توحيد القوى الأساسية الأربع للكون -بما فيها قوة الجاذبية- في إطار النموذج المعياري.4

بوزون “هيغز”.. آخر المنضمين إلى بانوراما النموذج المعياري

يُعد بوزون “هيغز” آخر المنضمين إلى بانوراما النموذج المعياري التي تحوي على 17 جسيما أوليا، وتأتي قصة انضمامه ضمن الملاحم العلمية المدهشة، إذ أنه بعد نحو 6 عقود من التنبؤ بوجوده بواسطة العالم الأسكتلندي “بيتر هيغز” في ستينيات القرن الماضي، أعلن مختبر “سيرن” العالمي عن اكتشافه في عام 2012 بعد إجراء عملية إيجاد (تخليق) الجسيم ضمن مصادم الهادرونات الكبير للجسيمات.

لقد تنبأ “هيغز” في ورقة بحثية طرحها لدى جامعة إدنبرة البريطانية، أنّ الآلية وراء اكتساب الجسيمات الأولية هي كتلة تكمن في وجود مجال يُعرف بـ”مجال هيغز”، وشرح بأنّ الجسيم الأولي في أثناء وجوده في هذا المجال يبذل مقاومة ومجهودا معيّنا، وهذه المقاومة تظهر في الجسيم على هيئة كتلة. وعلى سبيل المثال، يبذل البروتون مجهودا أكبر من الإلكترون في “مجال هيغز”، لذا نجد بأنّ كتلة البروتون أكبر بنحو 1840 مرّة من كتلة الإلكترون.

وأردف “هيغز” في ورقته بأنه لا بد من وجود جسيم أولي جديد مرتبط بـ”مجال هيغز”، وأن ينتمي إلى قسم البوزونات بكتلة عالية للغاية، ثمّ أطلق عليه اسمه المعروف اليوم “بوزون هيغز”.5

ربما لم يصل العلماء إلى صورة الكون في أبسط صوره وأدقها بعد، بسبب التحديات المتعددة من عراقيل تجريبية ومبهمات فيزيائية وصعوبات حسابية، وتبقى نظرية النموذج المعياري على مستوى عال من التقدير، لكونها الصورة الأدق والأصح حتى هذه اللحظة، لقدرتها على تفسير جميع المعطيات الموجودة، وكذلك القدرة على التنبؤ بالمتغيرات المستقبلية. إنّ النموذج المعياري أشبه بقطع “الليغو” التي تشكّل المادة في الكون بأبسط تركيب لها، قبل أن تتشكل وتصبح تراكيبا عملاقة أكثر تعقيدا.

المصادر:

[1] محررو الموقع (التاريخ غير معروف). مونا ليزا. تم الاسترداد من: https://polarisdiagram.com/mona-lisa-en/

[2]كاكو، ميتشو (2006). عوالم موازية: رحلة من خلال خلق الكون وأبعاده العليا ومستقبله. أنكور، نيويورك. ص46

[3] بولمان، بيرنارد (1998). الذرة في تاريخ الفكر البشري. أوكسفورد يونيفرسيتي برس، أوكسفورد. ص31

[4] مان، آدم (2019). ما هي الجسيمات الأولية؟. تم الاسترداد من: https://www.livescience.com/65427-fundamental-elementary-particles.html

[5] ماي، أندرو (2022). ما هو بوزون هيغز؟. تم الاسترداد من: https://www.livescience.com/higgs-boson-particle