مصارعة الجسيمات دون الذرية

يا عشاق الفيزياء، هل أنتم مستعدون للمصارعة؟!

بالتأكيد قد جئتم إلى المكان الصحيح.

في النص الآتي، سوف يكون لديكم مقعد بجوار الحلبة لواحدة من أهم النزالات في التاريخ العلمي.

حيث سيقوم أربعة من الخصوم دون ذريين بالقتال من أجل لقب أروع جسيم دون ذري في الألفية.

سيكون هذا القتال أروع من «النزال في الغابة» (نزال محمد علي وجورج فورمان) وأكثر أثارةً من «النزال المثير في مانيلا» (نزال محمد علي وجو فرايزر)، سوف نقدم لكم أيها السيدات والسادة، مصارعة الجسيمات الدون ذرية.

لن تكون هناك إسالة دماء، أو عرق، أو غيرها من السوائل الجسدية في هذا النزال العقلي.

إنها حرب كلمات وأفكار ودهاء، مرتكزة على العلم.

وسيكون هناك فائز واحد، واحد فقط، من هؤلاء المتنافسين الأربعة.

نقدم لكم:

في الركن الأزرق، المُساند من قبل (CERN – المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية) الواقعة بالقرب من جنيف، في سويسرا. ويزن حوالي 938.27231 (ميجا إلكترون فولت – MeV) وهو البروتون.

في الركن الأحمر، المدعوم من قبل (SLAC – مختبر المُسرّع الدولي) في ميلنو بارك – كاليفورنيا، بالولايات المتحدة. ويزن حوالي – حسنًا، لاشيء في الحقيقة – وهو الفوتون.

في الزاوية البنفسجية، المُساند من قِبل مختبر حقل الطاقة المغناطيسية الدولي، في تالاهاسي، بولاية فلوريدا، الولايات المتحدة. ويزن حوالي 0.51099906 (ميجا إلكترون فولت – MeV) وهو الإلكترون.

وأخيرًا، في الزاوية الخضراء، مدعوم من قِبل مؤسسة المادة الكمومية، بجامعة جون هوبكنز في بالتيمور – ماريلاند، الولايات المتحدة. ويزن حوالي 939.56563 (ميجا إلكترون فولت – MeV) وهو النيوترون.

هذا النزاع الفيزيائي الخالد سوف يقام على أربع جولات، حيث سيقوم كل متحدٍّ – بمساعدة قليلة من الجهة المدعوم منها – بشرح لماذا هو، وهو فقط، يستحق أن يأخذ لقب أروع جسيّم دون ذري.

حسنًا، إلكترون فولت مقابل إلكترون فولت، أي جُسّيم منهما ستكون له اللكمة الأقوى؟ أقرؤوا النقاط التي يستحقون عليها المكافئة، وحاولوا أن تخرجوا لنا باستنتاج، من هو الأروع؟

الجولة الأولى: البروتون

كونوا حذرين من هذا الجسّيم دون الذري الذائع الصيّت، يُستعمل في الطب وكذلك لإنتاج (النيوترينو – neutrinos)، (البروتون المضاد – antiprotons)، وبالطبع: بوزون هيغز (جسّيم الإله – God particle).

تنحوا جانبًا يا أصحاب الوزن الخفيف. البروتون قد وصل، وأنا واثق أنني الأفضل.

ربما سمعتم بي سابقًا، هل سبق أن رأيتم نموذجًا للذرة؟ نعم هناك في الوسط يوجد البروتون.

نعم، هناك أيضًا النيوترونات في النواة. ولكنهم محظوظون فقط لوجودهم هناك، أليس كذلك؟ أنظروا إلى العدد الذري لأي عنصر وستروّن ما هي الجسيمات التي تُحسب حقًا.

البروتونات هم الأفضل، والعلماء يعرفون ذلك. فبعد كل شيء، اسمي يأتي من الكلمة الأغريقية التي تعني «الأول». هل سمعتم عن الإلكترونات؟ أنهم يقاتلون فقط ليكونوا في مدارنا.

ماذا بعد؟ تلك الهادرونات، الموجودة في (مصادم الهادرونات العملاق – LHC) في (CERN – المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية)؟ هم بروتونات، بالطبع.

لا يعجبني أن أتباهى، ولكن هل تعرفون شيئًا عن (بوزون هيجز – Higgs boson) أو جُسيّم الإله، القطعة الأخيرة التي لم يتم اكتشافها في علم الفيزياء الجزيئية المعاصر؟ هذا الجسيّم الذي حاول العلماء لخمسة عقود أن يكتشفوه، هل تعلمون من الذي اكتشفه؟

البروتونات اكتشفته. عندما قام العلماء بمصادمتنا (أي: البروتونات) بواسطة مصادم الهادرونات العملاق، أنتج اصطدامنا الكثير من هذه البوزونات التي لم يستطع العلماء إلا أن يروّها.

ولهذا قاموا ببناء مُسرّع «مصادم» جسيمات عملاق يمتد عبر دولتين، لمسافة 17 ميلًا من أجلنا فقط.

ماذا نفهم من ذلك؟ البروتونات تحدث ضجة.

حسنًا، ربما أنا لا أدور حول مصادم الجسيمات بسرعة الضوء، لكنني اقترب منها. ومن يريد أن يصل لتلك السرعة؟ أنا جسيّم ملموس، أنا لدي كتلة.

بعكسكم أيها الفوتونات والإلكترونات، أنا لست مجرد جسيّم بسيط يشبه النقطة، أنا لست فارغًا في داخلي، أنا مملوءٌ في داخلي بالكواركات والغولونات.

القوة التي تجمعهم سويةً هي القوة النووية الشديدة والتي – بالمناسبة – أقوى بـ 140 مرة من القوة الكهرومغناطيسية (آسف لأنني لست آسفًا أيتها الإلكترونات).

على عكس البعض منكم، أنا أستطيع الدفاع عن نفسي، ادفعني وسأدفعك بالمقابل. محولًا الطاقة إلى غولونات جديدة وجسيمات افتراضية. فأنا لست مجرد إلكترون أخرق، أدور بالسرعة التي تريدونها.

أنا خلّاق ومتعدد المواهب، «بوزونات هيغز» ليست هي الجسيمات الوحيدة التي أستطيع تكوينها. هل تحتاج إلى نيوترونات، نيوترينات، مضادات بروتون، أو نظائر نادرة؟ البروتونات تستطيع أن تكون أيًا من هذه الجسيمات، فقط وجهنا إلى الاتجاه الصحيح.

قد تعتقد أنني يمكن أن أتعب من كوني مميزًا. قد تعتقد أنه – مثل بعض النيوترونات – أتلاشى في النهاية، أستسلم وأتفكك. ولكنني صلب كالصخر. فعلى حدّ علم العلماء، أنا لن أتفتت أبدًا. وإذا فعلت، سأبقى لفترة أطول من أي كوكب، نجم ومجرة حولنا.

باختصار، البروتونات هي تجمعات للكواركات والغولونات، مرتبطة معًا بقوة كبيرة، ربما للأبد. ستجدهم في أي شيء مبني من الذرات، وهم لاعبون أساسيون في الأبحاث الطبية والأساسية. في الملخص، البروتونات هم الأفضل.

الجولة الثانية: الفوتون

أخف من الفراشة، أسرع من النحلة، لا يوجد جسيم آخر يستطيع أن ينافسني!

أسافر بسرعة 186000 ميلًا في الثانية (حوالي 300000 كيلومتر في الثانية) أسرع منك، على ما أعتقد.

أنا من دون كتلة، في الحقيقة وزنك هو ما يعيقك.

أنا أتصرف خلال (أتو ثانية – Attosecond): جزء صغير جدًا من الثانية = 10-18 من الثانية، بينما تبقيك الجاذبية طريحًا.

أنا في كل مكان، وفي لا مكان. لا يوجد مكان تستطيع أن توجد أنت فيه، ولا أستطيع الذهاب إليه. أنا مصدر ثنائية المادة والموجة.

أنا كل الألوان، أسلط الضوء.

لايمكن أن تختبئ مني.

من الكبير إلى المتناهي في الصغر، ألا تعلمون أنني أظهرها كلها؟

سأريكم ما هو الموضوع:

البناء الضوئي وتركيب الحمض النووي.

بواسطة (أشعة أكس – X-Ray) يمكنكم أن تروا ما بالداخل، أشتت الذرات عندما أنزلق عليها.

أنا متماسك، أنا شفاف، اعترفوا.. أنا الملك، أليس هذا واضحًا؟

ذرةٌ من نار، سريعة الحركة، تنقل بياناتكم، الاتصالات، الواي فاي، أقفز في سماء الليل، 13 بليون ميل أطيرها لأصل للمركبة (فوياجر – Voyager).

تروني في أفلام الخيال العلمي أدمر الكواكب (اقتباسًا من سلسلة أفلام حرب النجوم) وفي العالم الحقيقي أُنبِت العشب في حديقتكم.

أتيت من الشمس في نصف (هيلا واط – hellawatt) «يبلغ إنتاج الطاقة الشمسية حوالي 0.4 × 1027 واط، وهو ما يُشار إليه بشكل غير رسمي باسم (هيلا)».

مادتكم هي لاشيء، حان الوقت للانطلاق بسرعة.

أي جسيم هو الأفضل؟ لاتوجد منافسة.

الجولة الثالثة: الإلكترون

من الممكن أن يبدو مثل عمل السحرة، لكن أن يكون لديك رفٌ كامل من جوائز نوبل يتطلب مهارةً وإبداعًا وعظمة موروثة.

لا يحتاج أن أقول أن الإلكترون هو أعظم جسيّم، ولكن دعوني أشرح لكم لماذا يعتقد هؤلاء الحائرون غير ذلك.

فعلى الرغم من أن عظمتنا مبنية على العلم 100%، فنحن نرى بعض الذين يأخذهم الارتباك ليقوموا بالتشكيك بأن هناك بعض الخرافات ساهمت في بناء هذه العظمة.

أول خدعنا السحرية: إذا كنت تقرأ هذه المقالة على الحاسوب أو الهاتف النقال، على الرحب والسعة.

إذا كنت تريد أن ترسل هذا المقال إلى صديق أو شخص مقرب – وأتمنى أن تفعل ذلك – خذ راحتك باستخدام (البريد الإلكتروني – email).

من أين جاء حرف (e) باعتقادك؟ على أية حال، من دوني، ستحرك أصابعك على شاشة لمس أو تنقر على لوحة المفاتيح لتفعل ماذا؟ لتوليد النيوترونات، البروتونات أو الفوتونات؟ لا أعتقد ذلك.

بالتأكيد، الإنترنت يستعمل الفوتونات لنقل المعلومات، لكنه يحصل على المعلومات من الإلكترونات، وتقوم بتحويل المعلومات إلى الإلكترونات قبل وصولها إلى وجهتها.

وإذا كنت جالسًا – على الرحب والسعة – لأنه من دون الروابط الإلكترونية، سوف تقع حالًا من خلال الكرسي إلى الأرض، ثم من خلال الأرض، وهكذا.. إلى ما لا نهاية.

في الحقيقة، لكوني مهمًا جدًا في الحياة اليومية، فقد كنت أول جسيّم أساسي تم اكتشافه من قِبل العلماء، وقام باكتشافي العالِم (J.J. Thomson) عام 1897م، وقد حازَ جائزة نوبل لهذا الاكتشاف.

وفي العام 1911م، نحن الإلكترونات انضممنا معًا على شكل أزواج في درجات حرارة منخفضة لننفذ رقصة (الموصليّة الفائقة – superconductivity) لأجل العالِم (هيك كامرلينج أونز).

لقد اندفعنا بسرعة فائقة خلال ذلك الزئبق.. الآن ترانا، الآن لا! جائزة نوبل أخرى.

استغرق العلماء 46 عامًا لفهم هذه الرقصة، هذا كله بفضل فهمنا العميق واستخدامنا الذكي لميكانيكا الكم.

ثم في عام 1986م، في طبقة رقيقة من ذرات النحاس والأوكسجين، قمنا بتنفيذ رقصة الموصلية الفائقة في درجات حرارة أعلى بكثير من المعتاد، عند درجة حرارة -135 مئوية بدلًا من درجة الحرارة التي احتاج العلماء الوصول لها من قبل للوصول للموصلية الفائقة عند -243 درجة مئوية تقريبًا).

ثم ضممنا جائزة نوبل أخرى لهذا الاكتشاف. وعلى الرغم من استخدام المهندسين للموصلية الفائقة على درجات حرارة عالية في بناء مغانط جديدة وتكنولوجيات أخرى، إلا أنهم لم يدركوا حتى الآن كيف فعلناها!

هذه هي الحقيقة. نحن الإلكترونات سحرة عباقرة، دائمًا نأتي بخدعٍ جديدة لندهش بها الحضور.

ولكن نحن أيضًا أصحاب رؤية فذة، دائمًا نقدم تكنولوجيات جديدة لفائدة البشرية.

جسيماتكم الدون ذرية الأخرى ليست مدهشة ولا خلاقة، فهم بمثابة عرض سيرك ممل، بينما تُضاء أسماؤنا في مسارح برودواي (سلسلة مسارح شهيرة في الولايات المتحدة الأمريكية).

هذه الأيام، أفضل العروض تأتي عندما أنضم إلى عدد كدريليون (الرقم 1,000,000,000,000,000) من رفقائي الإلكترونات، ثم – أبرا كدابرا – نخترع مجموعة من السلوكيات الخاصة بنا، أو العلاقات الإلكترونية المتبادلة، كما يسميها العلماء.

ولتوضيح الصورة، تخيلوا سربًا للطيور، أو أسماكًا تعوم في مجموعات، أو غيرها من السلوكيات الجماعية الرائعة والقوية التي ما كنت لتراها لو درست الحيوانات بشكل منفرد.

هذه القدرات، بالإضافة إلى أننا – نحن الإلكترونات – لا يمكن التمييز بين الواحد منا والآخر، تعني أننا قادرون على فعل الأشياء المدهشة التي تربك العلماء.

في أحد العروض الحديثة الرائعة، كنا نتنقل في مادة رفيعة جدًا بحيث كنا مقيدين ببُعديّن فقط.

ثم، عندما وضعنا العلماء في حقل مغناطيسي عالي، قمنا – نحن الإلكترونات – بالرقص في دوائر مع قوة الدفق المغناطيسي لخلق جسيمات جديدة والتي – أبرا كدابرا – كان لها ثلث شحنة الإلكترون! ولتبسيط الصورة عليكم، تخيلوا بناء منزل صغير باستخدام كومة من ثلث حجم الطوب (القرميد) العادي.

تأثير هول الكمي الجزئي (fractional quantum Hall effect) ظاهرة تحدث عندما تُحبس الإلكترونات في مواد ثنائية الأبعاد، هي إحدى خدعنا المفضلة.

فقد أعطانا – نحن الإلكترونات – المزيد من جوائز نوبل، وأعاد كتابة كتب الفيزياء لتركز على علم (الطوبولوجيا – topology) والذي يجب أن يبدو مألوفًا لأنه أعطانا جائزة نوبل أخرى في عام 2016م.

هل بدأتم تُحسون بأننا أصبحنا موضة؟

وحيدون كأفراد، مجتمعون كأزواج عالية التوصيل أو نعمل في عدد لا يحصى من التشكيلات المترابطة، نحن الإلكترونات أفضل السحرة وألمع المخترعين من بين كل الجسيمات دون الذرية الأخرى. وهذا ليس بخدعة.

الجولة الرابعة: النيوترون

نحن محايدون، غير متحيزين. نظهِر أسرار العلم بينما نتشتت، نحن نساوي وزن الذهب الذي نكونه.

حقيقةً، لا يوجد هنالك من يشكك بأفضلية وعلو كعب النيوترون.

أقوم بأكبر تضحية باسم العلم – سأتكلم عن هذا لاحقًا – وأنا الأثقل من دون منازع من بين الجسيمات الدون ذرية.

من دون كتلة، الفوتون بوضوح يفتقر للجاذبية. بينما الإلكترون – وأنا آسف لقول هذا – هو خفيف أكثر من اللازم.

وعلى الرغم أن البروتون يفتخر لأنه يمتلك بعض الوزن، فلقد تفوقت عليه على مدى 13.8 مليار سنة.

يجب أن تشكر النجوم النيوترونية الجالبة للحظ – أيها القارئ العزيز – على وفرة الكتلة التي لدينا.

فإذا كانت النيوترونات أخف من البروتونات، إذًا لقمنا بلعب دور الجسيمات المستقرة، ولاضمحلت البروتونات لتتحول إلينا! ولكان الهيدروجين غير مستقر وغير قادرٍ على تزويد النجوم بالوقود، والذي كوّن الكربون الموجود بداخلكم. لذا لو لم نكن أثقل من البروتونات، لما كنتم هنا أبدًا!

لقد تخطيت البداية الصعبة. لأن النيوترونات بمفردها لا يمكنها الصمود لأكثر من 15 دقيقة، بعد ذلك – للأسف – نتحول إلى إلكترون، بروتون، ونيوترينو بواسطة نشاط إشعاعي انحلالي.

فقط واحد من كل سبعة منا صمد خلال (الانفجار العظيم – the big bang) من خلال التصاقه بالبروتونات وتكوينه لذرة هيليوم-4. بالفعل، فمن دون النيوترونات، لكان الهيدروجين هو كل شيء، لأنه الذرة الوحيدة التي تقدر على العيش من دوننا.

نحن النيوترونات نستطيع التجمع بكميات فلكية. فالنجوم النيوترونية مكونة – تقريبًا – منا حصرًا. لماذا يجب أن تلتفتوا لهذا الموضوع؟ لا تنظر أبعد من خاتمك الذهبي: نحن صنعناه، وكل المعادن الثقيلة، من خلال التصادمات العنيفة للنجوم النيوترونية.

نحن جسيمات خالية من الشحنة الكهربائية، قمنا بخداع العلماء أكثر من الفوتونات والإلكترونات والبروتونات.

النيوترونات التي تم إنتاجها من خلال قصف ذرة البيريليوم مع ذرة الهيليوم-4، تم الاشتباه بكونها فوتونات في البداية.

محزن جدًا! ثم قادت التجربة المصححّة بواسطة العالِم (جايمس تشادوك – James Chadwick) في عام 1932م، إلى إدراك أنه قد اكتشف إما النيوترون أو خرقًا لقانون حفظ الطاقة والعزم. ومن دون الحاجة إلى القول، كنت أنا هذا الاكتشاف!

منذ ذاك الحين، نما إبداعنا بسرعة فائقة.

وبفضل بعض الاختراعات المذهلة مثل: مفاعلات الانشطار الفيضي، ومصدر النيوترونات الناتجة من الإنشطار في (مختبر أوك ريدج الوطني – Oak Ridge National Laboratory) سيتمكن العلماء تحريرنا من النواة التي نعيش بداخلها لنكوّن حزم أشعة نيوترونية، التي يمكن أن تساعدهم على رؤية الذرات عندما ترقص والإلكترونات عندما تدور.

في الحقيقة: (أشعة إكس – X-Rays) قد تكون مفيدة في معرفة التركيب الذري للمواد.

ولكن النيوترونات تكتشف حتى الأشياء التي تهرب من أشعة إكس، مثل: ذرات الهيدروجين الصغيرة، حتى تلك التي تختبئ بين الذرات الثقيلة! قدرتنا على الاختراق تعطي العلماء (الرؤية النيوترونية) لرؤية الماء في خلية وقود، الزيت في محرك يعمل، والمشاكل الموجودة في بطارية جهازك الذكي التي تفقد الطاقة بسرعة.

عندما تصطدم أشعة منا بهدفها، نتبعثر مثل الكرات لنكشف بصورة تفصيلية – مدهشة – الذبذبات الجيدة (الفونونات) الموجودة في الداخل.

وبسبب دوراننا، نشعر بالمغناطيسية. لذا عندما يقوم عالِم بوضع مادة داخل حقل مغناطيسي قوي ويقوم بتوجيه حزمة أشعة منا باتجاه المادة، نكشف الأسرار المغناطيسية لهذه المادة.

أيضًا، لدينا القدرة على تكوين وتدمير تلك الجسيمات المجنونة الناشئة التي تتغنى بها الإلكترونات دائمًا.

إذًا، قد وصلت الفكرة: نحن المكون النووي السري القادر على التغلب على تلك البروتونات البغيضة، نحن بمفردنا قادرون على تكوين أجرام سماوية تنتج مناجم ذهب، وعندما نتحرر بواسطة الإنشطار أو التشظي، نقدم للعلماء القدرة الفائقة على النظر للإلكترونات المزعجة، وللذرات كبيرها وصغيرها.

لكن هذه القدرة تأتي بثمن، فكما تم اكتشافنا، نحن نعاني من إهانة تحولنا إلى إلكترونات وبرتونات وضيعة! فكروا بمدى نبل هذا الفعل من قِبلنا بينما تحسمون قراركم بالتصويت لنا، بكل موضوعية، نحن أفضل الجسيمات الدون ذرية.

• ترجمة: العباس محمد صالح
• تدقيق: محمد عبدالحميد أبو قصيصة
• تحرير: يمام اليوسف
• المصدر