الكون الكمي كله موجود داخل ذرة واحدة

إنّ البحث عّما هو أساسي حقًا في بنية كوننا يستدعي سبر الكون على نطاقات أصغر وأكبر على حدٍ سواء. بواسطة النظر لداخل الذرة، نجد النواة الذرية، والبروتونات، والنيوترونات المكونة لها، والكواركات والجلونات بداخلها أيضًا، بالإضافة إلى العديد من الظواهر المذهلة الأخرى.

ومن خلال البحث في العالم دونَ الذريّ، تم الكشف عن اللبنات الأساسية لبنية الكون والقواعد التي تؤمن ذلك الترابط لتكوين واقعنا الكونيّ.

إذا أردت أن تكتشف أسرار الكون بنفسك، كل ما عليك فعله هو استجواب الكون حتى يكشف لك الإجابات بطريقةٍ يمكنك فهمها. عندما تتفاعل أي كمية من الطاقة -بغض النظر عن خصائصها، بما في ذلك ما إذا كانت جسيمات أو جسيمات مضادة، ضخمة أو عديمة الكتلة، فرميونات (هي نوع من الجسيمات الأساسية التي تتبع قوانين الإحصاء الفيرمي، وهو نظرية احتمالات تم تطويرها بواسطة العالم الرياضي بيير دي فيرما في القرن السابع عشر التي تحظر وجود أكثر من جسيمة واحدة في حالة كمية محددة في نفس الوقت) أو بوزونات، وما إلى ذلك- فإن نتيجة هذا التفاعُل تمكننا من فهم القوانين والقواعد الأساسيّة التي يسير وفقها النظام.

إذا كنا نعرف كل النتائج المحتملة لأي تفاعل، بما في ذلك الاحتمالات النسبية، فعندها فقط سندّعي أن لدينا فهمًا لما يحدث. ولأننا كميّون بهذه الطريقة على وجهِ التحديد، فلا نسأل فقط “ماذا يحدث” ولكن أيضًا “الكمية” و”التكرار”، هو ما يجعل الفيزياء علمًا قويًا على ما هو عليه الآن.

وبشكل مدهش يمكننا إرجاع كل ما نعرفه عن الكون بطريقةٍ ما، إلى أكثر الكائنات التي نعرفها تواضعًا: الذرة.

تُعتبر الذرة أصغر وحدة نعرفها من المادة التي لا تزل تحتفظ بالخصائص التي تنطبقُ على المستوى المجهري، بما في ذلك الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة. ومع ذلك، فإن الذرة هي في الأساس كيان كمي، له مستويات طاقة، خصائص، وقوانين حفظ خاصة به، فحتى الذرة البسيطة تحتوي على القوى الأساسية الأربع المعروفة (النووية القوية، النووية الضعيفة، الكهرومغناطيسية، الجاذبية) بطريقة واضحة جدًا، نلاحظُ فيها كل الفيزياء، حتى داخل ذرة واحدة.

إليك ما يمكن للذرة إخبارنا به عن الكون:

يوجد على الأرض تقريبًا 90 عنصر ينشأ بشكلٍ طبيعيّ، تتكون هذه العناصر بشكلٍ أساسي من الذرات التي تحوي نواة ذرية تكون مصنوعة من البروتونات والنيترونات ويحيط بها حزامٌ من الالكتروناتِ المساوية لعدد البروتونات.

لكّل عنصرٍ من هذه العناصر مجموعة من الخصائص التي تميزهُ مثل:

• الصلابة
• اللون
• نُقط الانصهار والغليان.
• الكثافة (كمية الكتلة التي تشغل حجمًا معينًا).
• الناقلية الكهربائية (مدى سهولة نقل إلكتروناتها عند تطبيق جهد كهربائي).
• الكهروسلبية (مدى قوة تمسك النواة الذرية بالإلكترونات عندما ترتبط بذرات أخرى)،
• طاقة التأين (كمية الطاقة اللازمة لقذف الإلكترون).
• وأشياء أخرى عديدة.

الأمر اللافت للنظر في الذرات هو أنّ المحدد الأساسي لنوع الذرة وبالتالي خصائص هذه الذرة هو: عدد البروتونات في النواة.

نظرًا لتنوع الذرات الموجودة والقواعد الكمومية التي تحكم الإلكترونات التي تدور حول النواة، فليس من المبالغة على الإطلاق الادعاء بأن كل شيء موجود يتكون بشكل أو بآخر، من الذرات.

ستُشكل كل ذرة، بعددها الفريد من البروتونات الموجود في النواة، مجموعةً فريدة من الروابط مع الذرات الأخرى، مما يتيح مجموعة غير محدودة من الاحتمالات لأنواع الجزيئات والأيونات والأملاح والهياكل الأكبر التي يمكن تكوينها.

ستمارسُ الجسيمات دونَ الذرية التي تشكل الذرات قِوىً على بعضها البعض عبر التفاعل الكهرومغناطيسي، مما يؤدي إلى تشكيل هياكل مجهرية نلاحظها ليس فقط على الأرض، وإنما في كلِ أنحاءِ الكون.

ومع ذلك، فإن الذرات جميعها، في مضمونها، تمتلك خاصية الكتلة المشتركة مع بعضها البعض.

كلما زادَ عدد البروتونات والنيوترونات في نواةِ الذرة، زادت كتلةُ تلك الذرة. على الرغم من كونها كموميه، إذ لا يزيد قطر الذرة الفردية عن أنجستروم واحد، إلا أنه لا يوجد حد لمدى قوة الجاذبية.

إن أي جسم له طاقة -بما في ذلك الطاقة التي تعطي الجسيمات كتلتها- سوف يؤدي إلى انحناء نسيج الزمكان وفقًا للنظرية النسبية العامة لأينشتاين. بغضّ النظر عن مدى صِغَر الكتلة، أو مدى صِغَر مقاييس المسافة التي نعمل بها، فإن انحناء الفضاء الناجم عن أي عدد من الذرات، سواء كان 1057 (كما هو الحال في النجم)، 1028 (كما هو الحال في الإنسان)، أو واحدة فقط (كما هو الحال في ذرة الهيليوم)، ستحدث تمامًا كما تتنبأ قواعد النسبية العامة.

الذرات نفسها تتكون أيضًا من أنواع متعددة ومختلفة من الجسيمات المشحونة كهربائيًا. تمتلكُ البروتونات شحنة كهربائيّة موجبة أما النيوترونات محايدة كهربائيًا؛ الإلكترونات لها شحنة مُساوية ومُعاكسة للبروتون. ترتبط جميعُ البروتونات والنيوترونات معًا في نواة ذريّة يبلغ قطرها فمتومتر (حوالي 10 أُس -15 مترًا)، في حين تدور الإلكترونات في سَحابة أكبر حجمًا بنحو 100,000 مرة (حوالي 10 أُس -10 مترًا). يحتل كل إلكترون مستوى طاقة فريدًا خاصًا به، ولا يمكنُ للإلكترونات الانتقال إلّا بين حالاتِ الطاقة المنفصلة تِلك؛ لا يسمح بأي انتقالاتٍ أخرى.

لكن هذهِ القيود المحددة تنطبقُ فقط على الذراتِ الفردية، والمعزولة، وغير المرتبطة، وهذه ليست المجموعة الوحيدة من الشروط التي تنطبق على الذرات في جميع أنحاء الكون.

عندما تقترب الذرة من ذرة أخرى (أو مجموعة من الذرات)، يمكنُ لتلكَ الذراتِ المختلفة أن تتفاعل.

فعلى المستوى الكمي، يمكنُ لتلك الذرات أن تتداخل، مما يسمح للذرات بالارتباط معًا لتكوين جزيئات، وأيونات، وأملاح، مع امتلاك هذه البُنى المترابطة أشكال وتكوينات فريدة فيمَا يتعلق بالسُحب الإلكترونية. في المقابل، تأخذ هذه الجزيئات أيضًا مجموعات فريدة من مستويات الطاقة، التي تمتص وتصدر الفوتونات (جسيمات الضوء) عبر أطوال موجية معينة.

هذا الانتقال للإلكترون داخلَ ذرة أو مجموعة ذرات يُعتَبر فريد: خاص بذرّة أو بمجموعة من الذرات المتعددة. عندما يتم رصد مجموعة خطوط الطيف من ذرة أو جزيء -سواء كانت خطوط انبعاث أو امتصاص- فإنها تدل بشكل مباشر على نوع الذرة أو الجزيء الذي يتم رصده.

إنّ الانتقالات الداخلية المسموح بها للإلكترونات داخل هذا النظام الدقيق تُعطي مجموعة فريدة من مستويات الطاقة، وتكشِف انتقالات تلك الإلكترونات بشكل قاطع نوع وتكوين الذرة (أو مجموعة الذرات) التي ندرسها.

في أجزاءِ الكون، تخضع الذرات والجزيئات لنفسِ القواعد: قوانين الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية والكمية، التي تحكم كل جسيم مشحون في الكون. حتى داخل النواة ةِ الذرية نفسها، التي تتكون داخليًا من كواركات (مشحونة) وجلونات (غير مشحونة)، فإن القِوَى الكهرومغناطيسية بينَ هذه الجُسيمات المشحونة مهمة للغاية.

يفسر هذا الهيكل الداخلي سبب كون العزم المغناطيسي للبروتون أكبرُ بثلاث مرات تقريبًا من العزمِ المغناطيسي للإلكترون (ولكن يعاكسه بالإشارة)، في حين أنّ النيوترون لديهِ عزم مغناطيسيّ أكبر مرتين تقريبًا من العزم المغناطيسي للإلكترون، ولكن بنفس الإشارة.

في حين أنّ القوة الكهربائية لها مجال طويل جدًا -وهو نفس النطاق اللانهائي مثل الجاذبية- فإن حقيقة أنّ المادة الذرية محايدة كهربائيًا كليًّا أدّت دورًا مهمًا للغاية في فهم كيفية تصرف الكون الذي ندرسه.

القوة الكهرومغناطيسية كبيرة بشكل خيالي، حيث سيتنافر بروتونان بقوة أكبر ب 1036 مرة من جاذبيتهما!

ولكن نظرًا لوجود عدد كبير جدًا من الذراتِ التي تشكل الأجسام المجهرية المألوفة، ولأن الذرات نفسها محايدة كهربائيًا عمومًا، فإننا نلاحظُ تلكَ التأثيرات الكهرومغناطيسية فقط عبرَ:

• شيء له شحنة صافية، مثل الالكتروسكوب.
• عند تدفق الشحنات من مكانٍ إلى آخر، كما يَحدث خلال ضربة البرق.
• أو عند انفصال الشحنات، مما يؤدي إلى توليد جهد كهربائي، كما هو الحال في البطارية.

أحد أبسط الأمثلة وأكثرها مُتعة يأتي من فركِ بالون منتفخ على قميصك، ثم محاولة لصق البالون إما على شعرك أو على الحائط. ينجح هذا فقط بسبب نقل أو إعادة توزيع عدد صغير من الإلكترونات مما يمكن أن يساعد في التغلب التام لتأثيرات الشحنة الكهربائية الصافية على قوة الجاذبية؛ إن قِوَى فان دير فالس هي قِوَى بين الجزيئات المتجاورة، حتى الأجسام التي تظل محايدة عمومًا يمكن أن تمارس قِوَى كهرومغناطيسية يمكنها التغلب على قوة الجاذبية عبرَ مسافات قصيرة.

على كلَا المستويين الكلاسيكي والكمي، تُعبّر الذرة عن كمية هائلة من المعلومات حول التفاعلات الكهرومغناطيسية في الكون، في حين أنّ النسبية العامة “الكلاسيكية” (غير الكمية) كافية تمامًا لتفسير كل تفاعل ذري ودون ذري تمت ملاحظته على الإطلاق.

ومع ذلك، إذا تعمقنا أكثر بداخل الذرة، وصولًا إلى داخل البروتونات والنيوترونات، فيمكننا البدء في اكتشاف طبيعة وخصائص القِوَى الأساسية المتبقية: القِوَى النووية القوية والضعيفة.

خلال رحلتنا وصولًا إلى مقياس الفيمتومتر (10 أُس -15 مترًا)، سنبدأ أولًا في ملاحظة تأثيرات القوة النووية القوية. ويظهر ذلكَ أولًا بين النَّوى المختلفة: البروتونات والنيوترونات التي تشكل كل نواة. عمومًا، هناك قوة كهربائية إما أن تتنافر (نظرًا لأن كلًا من البروتونين لهما شحنات كهربائية متشابهة) أو تكون صفرًا (نظرًا لأن النيوترونات ليس لها شحنة صافية) بين الانوية المختلفة.

لكن على مسافاتٍ قصيرةٍ جدًا، هناكَ قوة أقوى من القوة الكهرومغناطيسية: القوة النووية القوية، التي تحدث بين الكواركات عبر تبادل الجلونات (الجلوونات هي جسيمات صغيرة ذات طاقة عالية تحمل القوة النووية القوية وتوسط التفاعلات بين الجسيمات النووية). يمكن تبادل الهياكل المرتبطة بأزواج الكواركات والكواركات المضادة -المعروفة باسم الميزونات- بين البروتونات والنيوترونات المختلفة، وربطها معًا لتكوين نواة، والتغلب على القوة الكهرومغناطيسية التنافرية، إذا كان التكوين صحيحًا.

يوجد في أعماق النوى الذرية مظهر مختلف للقوة النووية القوية: فالكواركات الفردية في الداخل تتبادل الجلونات بشكل مستمر. بالإضافة إلى شحنات الجاذبية (الكتلة، ) والشحنات الكهرومغناطيسية (الكهربائية) التي تمتلكها المادة، هناك أيضًا نوع من الشحنة الخاصة بالكواركات والجلونات: الشحنة اللونية (الشحنة اللونية هي خاصية في الفيزياء النووية والجسيمات الأساسية تتحكم في التفاعلات النووية وتفاعلات القِوَى النووية الضعيفة، حيثُ تمتلك الجسيمات النووية شحنة لونية إما موجبة، أو سالبة، أو محايدة) فبدلًا من أن تكون دائمًا إيجابية وشادّة (مثل الجاذبية) ط أو سلبية وإيجابية حيثُ تتنافر الشحنات المتشابِهة وتتجاذب المُتعاكسة (مثل الكهرومغناطيسية)، هناك ثلاثةُ ألوانٍ مستقلة: أحمر، أخضر، وأزرق، وثلاثة ألوان مضادة.

التوليفة الوحيدة المسموح بها هيَ “عديمة اللون”، حيثُ يتم دمج الألوان الثلاثة (أو الألوان المضادة) مجتمعة، أو يُسمح بتركيبة لون-لون مضاد تكون عديمة اللون.

إنَ تبادل الغلوونات، خاصة عندما تتباعد الكواركات (وتصبح القوة أشد)، هو ما يربط هذه البروتونات والنيوترونات معًا.

بارتفاع الطاقة اللازمة لتحطيم شيئ ما لجسيمات دون الذرية، يزيد عدد الكواركات (والكواركات المضادة) والغلوونات بشكل فعلي: يبدو الأمر كما لو أن الجزء الداخلي من البروتون مملوء ببحر من الجسيمات، وكلما تم تحطيم الجزيئات بقوة أكبر، كلما أصبحت “أكثر”. عندما نتجه إلى أعمق جزء فينا وأكثرهُ نشاطًا على الإطلاق، فإننا لا نرى أي حدود لكثافة هذهِ الجسيمات دونَ الذرية داخل كل نواة ذرية.

لكن لن تستمر كل ذرة إلى الأبد في هذا الشكل المستقر. العديد من الذرات تكون غير مستقرة أمام التحلل الإشعاعي، مما يعني أنها في النهاية سوف تطلق جسيمًا (أو مجموعة من الجسيمات)، مما يؤدي إلى تغيير نوع الذرة بشكلٍ أساسي.

النوع الأكثر شيوعًا من التحلل الإشعاعي هو التحلل ألفا، حيثُ تقوم ذرة غير مستقرة بقذف نواة هيليوم تحتوي على بروتونين ونيوترونين، بالاعتماد على القوة النووية القوية. لكن النوع الثاني الأكثر شيوعًا هو التحلل بيتا، حيثُ تقذف الذرة إلكترونًا ونيوتريون مضادًا للإلكترون، ويتحول إحدى النيوترونات الموجود في النواة إلى بروتون خلال هذه العملية.

وهذا يتطلب قوة جديدة أخرى: القوة النووية الضعيفة. تعتمد هذه القوة على نوعٍ جديد تمامًا من الشحنات: الشحنة الضعيفة، التي هي في حد ذاتها مزيج من الشحنة الضعيفة الفائقة واللف النظائري الضعيف.

لقد ثبت أن قياس الشحنة الضعيفة أمر بالغ الصعوبة؛ نظرًا لأن القوة الضعيفة أصغر بملايين المرات من القوة القوية أو القوة الكهرومغناطيسية حيث تبلغ مقاييس صغيرة للغاية 0.1% من قطر البروتون.

هذا كله يعني أنه يمكن التحقق من القِوَى الأساسية الأربع ببساطة عبر النظر إلى الذرة.

وهذا يعني أيضًا شيئًا رائعًا: أنه إذا كان هناك أي جسيم في الكون، حتى ولو كان جسيمًا لم يتم اكتشافه بعد، وكون هذا الجسيم يتفاعل من خلال واحدة من هذه القوى الأساسية الأربع، فإنه سيتفاعل أيضًا مع الذرات.

لقد اكتشفنا عددًا كبيرًا من الجسيمات، بما في ذلك جميع أنواع النيوترينوات والنيوترينوات المضادة، من خلال تفاعلها مع الجسيمات الموجودة داخل الذرة. وبما أننا متكونين من نفس الشيء فهو يشكل أيضًا أعظم نافذة لنا على حقيقة المادة الطبيعية.

تلك القصة الرائعة، عن الكون الموجود والذي يمكن اكتشافه داخل الذرة، ليست فقط قصة حول اكتشاف البشرية لبنيةِ الكون على نطاق أصغر المقاييس على الإطلاق، إنها الآن قصة -بالتعاون مع عالمة فيزياء الجسيمات لورا مانينتي والرسامة فرانشيسكا كوسانتي- يمكن للجميع أن يستمتع بها، بما في ذلك الأطفال من جميع الأعمار.

كلما نظرنا إلى داخل اللبنات الأساسية للمادة، كلما فهمنا طبيعة الكون نفسهُ بشكل أفضل. بدءًا من كيفية ارتباط هذه الكمات المختلفة معًا لتشكيل الكون الذي نلاحظه ونقيسه، وصولاً إلى القواعد الأساسية التي يتبّعها كل جسيم وجسيم مضاد، وهو مالا يمكننا التعرف عليه إلا من خلال اخذ الأجوبة من الكون.

هذا هو مفتاح العلم: إذا كنتَ تريد أن تعرفَ شيئاً عن كيفية عمل الكون، عليكَ أن تستكشف الكون بطريقة تجبره على إخبارك المزيد والمزيد عن نفسه.

وطالما أن العلوم والتكنولوجيا التي نقوم بانشائها قادرة على التعمق في أي أمر أكثر وأكثر، فسيكون من المؤسف أن نتخلى عن البحث ببساطة لعدم ضمان اكتشاف جديد غير مألوف، الضمان الوحيد الذي يمكن أن نجزم به هو: الفشل بالبحث المتعمق يعني بالضرورة عدم العثور على أي شيء ذو قيمة.