علماء الفيزياء يصنعون المادة من حق جديد!
تخيل لو أنا دلوقتي جيت وقلتلك إن في علماء فيزياء قدروا يعملوا حاجة محدش كان متخيل إنها ممكن تحصل، ومحصلتش أبدًا قبل كده في تاريخ اكتشاف علوم فيزياء الكم، الحاجة دي هي إن هما صنعوا مادة حقيقية من طاقة العدم أو اللا شيء.
البحث ده قلب الدنيا في العالم كله بقاله يومين، وعلماء الفيزياء الكمية بيقولوا إن الاكتشاف ده هيقدر يغير من فهمنا لأساسيات خلق الكون نفسه، في لحظة الانفجار الكبير من مليارات السنين.
كوباية شايك الحلوة والنعناع في إيدك، وتعالى بقى معايا النهارده نتكلم مع بعض عن الموضوع المبهر ده ونشوف إيه اللي حصل بالظبط وإزاي.
ما هي نظرية الحقل الكمي؟
شوف يا عم، في بداية اكتشاف ميكانيكا الكم، ومن ساعة ما تم وضع معادلاتها من سنين طويلة جدًا، ودايمًا كانت القوانين الفيزيائية اللي بتكون النظرية دي غريبة، وحتى العلماء اللي اكتشفوها نفسهم مش فاهمينها كويس ولا قادرين يوصلوا لكل حاجة مخبياها.
من ضمن العلماء دول كان في عالم فيزياء اسمه جوليان شواينجر، والعالم ده كان واحد من ضمن المؤسسين لنظرية فيزيائية معينة اسمها نظرية الحقل الكمي.
نظرية الحقل الكمي دي بقى كانت بتقول إن الفضاء اللي إحنا عايشين فيه، بكل الكواكب والنجوم والمجرات اللي جواه، مفيهوش حاجة حقيقية اسمها فراغ أو عدم.
ده عشان حتى في حالة عدم وجود جزيئات وجسيمات المادة، فبتكون موجودة حاجة اسمها الحقول الكمية، والحقول الكمية دي هي حاجة ممتدة بطول وعرض الكون كله، وهي اللي بتدي لأي مادة في الكون كله خصائصها اللي نعرفها.
آلية هيغز
مش بس كده، ده الحقول الكمية دي هي اللي بتتسبب في خلق وإيجاد الجسيمات الذرية نفسها من خلال تفاعلاتها مع بعضها، وإنتاجها لطاقة الذرات نفسها، ولو عايز تفهم إزاي، خليني أشرحلك.
الجسيمات الذرية اللي ليها كتلة زي البروتونات أو الإلكترونات مثلًا، كتلتها بتيجي من تفاعلها مع واحد من ضمن الحقول الكمية اللي بنتكلم عنها دي، اسمه حقل هيجز.
لما بتتفاعل معاه، فهو بيديها الكتلة بتاعتها من خلال إنه بيتبادل معاها جسيم ذري أولي بيسموه جسيم هيجز.
سنة 2012، مفاعل ومعجل سيرن التصادمي الهائل الموجود على حدود سويسرا، أثبت رسميًا وجود الجسيم ده بتجربة فيزيائية ضخمة جدًا قلبت العالم كله وقتها، واتكلمنا عنها قبل كده في العلم بالمعلقة.
اكتشافهم ده هو اللي أكد نظريات وافتراضات العالم البريطاني بيتر هيجز، اللي كان أول واحد قال إن الجسيم ده موجود واتسمى على اسمه، وبعدها فاز بجائزة نوبل مستحقة جدًا عن الاكتشاف العظيم ده.
النظرية الكهرومغناطيسية والحقول الكمية
الفكرة بقى إن حقل هيجز ده هو مجرد واحد بس من الحقول الكمية اللي بتدي للمادة خصائصها، في حقول تانية كتير زي حقل الإلكترونات، وحقل الفوتونات، وحقل الكواركات، وغيرهم كتير مش هنقدر نعدهم.
بس أسهل نظرية بتوصف الحقول الكمية دي بشكل عام وبتختصرها هي نظرية اسمها الـ (Quantum Electromagnetism) أو نظرية الكهرومغناطيسية الكمية، اللي شارك في وضعها العالم جوليان شوايجر.
حسب النظرية دي، فالكون كله بيتكون من حقول كتير متداخلة في بعضها وممتدة بحجم الكون كله اسمها الحقول الكمية، والتفاعل ما بين الحقول الكمية دي هو اللي بيسبب (استثارة أو Excitation) في قلب الفضاء نفسه.
الاستثارة دي بتؤدي فيما بعد لخلق الجسيمات الذرية ووجودها، ولما التفاعل والتداخل ما بين الحقول الكمية ده ينتهي، فالجسيمات دي ببساطة بتختفي تمامًا كأنها مكانتش موجودة!
التقلبات الكمية للجسيمات في ميكانيكا الكم
يعني الحقول الكمية دي هي أصل المادة نفسها، وهي مش مجرد بتتفاعل معاها، بل هي الحاجة اللي بتسبب وجودها من الأساس.
عشان كده الفضاء مفيهوش حاجة اسمها فراغ كامل، عشان مهما كان الحتة اللي بتشوفها في الفضاء قدامك فاضية ومفيهاش حاجة، فعلى المستوى الذري أو الكمي، بتكون موجودة الحقول الكمية دي، وهي اللي بيتكون منها الفراغ نفسه، يعني باختصار لفظة عدم كامل دي مش صحيحة في علم الفيزياء نفسه.
المناطق اللي بنشوفها فاضية في قلب الفضاء دي بتكون عبارة عن مناطق فيها التفاعلات اللي ما بين الحقول دي أقل شوية من مناطق تانية، واللي إحنا لسه شارحينه ده هو اللي بيسموه بلفظة التقلبات الكمية أو الـ (Quantum Fluctuations) في ميكانيكا الكم.
طيب كويس أوي، يعني نقدر نستنتج من كده إن الكون مليان على آخره بجسيمات افتراضية أو Virtual Particles، والجسيمات دي ممكن تظهر فجأة من العدم وتختفي مرة تانية في أي وقت وأي حتة، لو حصل أي تفاعل أو استثارة ما بين الحقول الكمية دي، واللي اكتشف ده هو العالم فيرنر هايزنبرج، وسمى الحقيقة دي باسم مبدأ عدم التأكد.
كيف خُلقت المادة من الفراغ؟
طيب جميل أوي، إيه علاقة ده كله بقى بالموضوع؟!
الفكرة يا صديقي هي إن حسب افتراض علمي نشره جوليان شوايجر في سنة 1951، فهو قال إننا ممكن نخلق المادة نفسها بدون استعمال أي شيء مادي عشان نصنعها منه.
كل اللي هنحتاجه عشان نعمل ده هو حقل كهرومغناطيسي قوي يقدر يخلينا نأثر على الفراغ نفسه عشان نستخرج منه جسيمات المادة الافتراضية دي، ونحولها لجسيمات حقيقية.
يعني لو حبينا نبسط الموضوع أكتر شوية، هقولك إن إحنا في المعتاد الطريقة اللي بنخلق بيها المادة هي إننا بنعمل تصادمات ذرية ما بين الجسيمات بسرعات عالية جدًا، عشان تتحلل لمكوناتها الأساسية الأولية.
بعدين نرصدها لما بتتحلل، وده هو نفسه اللي بيحصل في مفاعلات الجسيمات الكبرى اللي زي معجل سيرن التصادمي الهائل، ومعمل فيرمي لاب وغيرهم.
اقرأ أيضاً:
اكتشاف أجزاء من كوكب آخر مدفونة بباطن الأرض!
أول صورة حقيقية للمادة المظلمة
طاقة الفراغ
بس في طريقة تانية بنعملها لما بنعرض الفراغ نفسه لمجال كهرومغناطيسي شديد القوة، لدرجة فلكية صعب علينا أصلًا نتخيلها عشان نقدر نعملها هنا على الأرض، يعني ممكن تتخيلها بإنك جبت مغناطيس عملاق بحجم شمس كاملة، ومغناطيس تاني شحنته مضادة، وحطيتهم جنب بعض في قلب الفضاء.
لو عملت كده ولاحظت ناتج التجربة، فاللي هتلاحظه هو إن الفراغ اللي ما بينهم هيستثار بشكل مذهل، وهتحصل حاجة غريبة محدش قدر يرصدها بعينه قبل كده.
الحاجة دي هي إنك هتلاقي إن الجسيمات الذرية الوهمية اللي اتكلمنا عنها من شوية وقلنا إنها بتبقى موجودة في قلب الفراغ، بس بتتعادل مع الجسيمات المضادة بتاعتها فعشان كده بتبقى وهمية، الجسيمات دي بقى هتلاقيها بتتنافر مع الجسيمات المضادة بتاعتها، وكل جسيم هيروح في اتجاه عكس التاني.
بسبب ضخامة المساحة اللي ما بين المغناطيسين بالمقاييس الذرية، فالجسيمات الوهمية دي بعد التنافر ده مبيكونش في إمكانية إنها تقرب من بعضها تاني عشان تلغي بعضها وتتحلل، فاللي بيحصل هو حاجة مذهلة فعلًا!
الحقل الكهرومغناطيسي العملاق
اللي بيحصل هو إن الجسيمات دي بتتحول إلى جسيمات حقيقية، وبتسرق طاقة من الحقل الكهرومغناطيسي نفسه عشان تتحول إلى جسيم حقيقي، طبقًا لمبدأ حفظ الطاقة ولمعادلة أينشتاين اللي هي E=MC2.
ده نفسه التأثير اللي افترضه شواينجر سنة 1951، إنك تعرض الفراغ نفسه لحقل كهرومغناطيسي ضخم وقوي جدًا، ومن ده بتقدر تنتج جواه جسيمات ذرية من اللا شيء، كإنك استخرجتهم من قلب الطاقة الصافية للحقول الكمية اللي بيتكون منها الكون نفسه!
طبعًا التأثير ده كان طول عمره صعب جدًا ومستحيل إننا نقدر نختبره في الحقيقة، لإنه كان محتاج طاقة عالية جدًا أكبر من اللي تسمح بيه قدرتنا وعلومنا حاليًا، عشان نولد بيها الحقل الكهرومغناطيسي العملاق ده.
المكان الوحيد اللي حسب افتراضات الفيزياء الكمية كان ممكن نفترض إنه ممكن يحصل فيه، هو حوالين الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية.
تجربة علمية رائدة
بس في بداية سنة 2022، وتحديدًا في شهر يناير، قدر بعض علماء الفيزياء والباحثين في جامعة مانشستر من إنهم يعملوا حاجة العالم كله كان فاكرها مستحيلة تمامًا، الحاجة دي هي إنهم شافوا بعيونهم تأثير شواينجر، وعملوه صناعيًا في ظروف المعمل!
الطريقة اللي عملوا بيها الإنجاز العظيم ده هي إنهم جابوا نوع معين من المادة القوية جدًا، متكونة من ذرات كربون مندمجة مع بعضها في شكل شرايح ثنائية الأبعاد، واسمها الجرافين، وبعدين حفزوها من خلال تعريضها لحقل كهرومغناطيسي شديد القوة في المعمل.
اللي حصل بعد ما عملوا ده إن قدام عيونهم لقوا إن التيار الكهربي المعدي جوه المادة دي عمل فيها ثقوب صغيرة ميكروسكوبية غريبة، ولما درسوا الثقوب دي، كانوا فاكرينها في الأول مجرد تأثير من الطاقة العالية للحقل المغناطيسي، لكن اتضح إنها حاجة أغرب من كده بكتير!
العلماء ينجحون في توليد مادة من اللامادة
اتضح إن الثقوب دي تكونت بسبب إن في جسيمات ذرية مضادة نشأت فجأة من تأثير الطاقة الكهرومغناطيسية، وبدأت تمشي عكس الإلكترونات الطبيعية اللي بيتكون منها التيار الكهربي، وبسبب اتجاهها المعكوس ده، سابت مكانها الثقوب دي، وده كان بيطابق بشكل مذهل نفس التأثير اللي افترضه العالم شواينجر من أكتر من 70 سنة فاتوا!
طول السنين اللي فاتت دي مكانش حد قادر يرصد التأثير ده إطلاقًا، لحد ما جم هما ورصدوه بالصدفة، لما قالوا يشوفوا إيه اللي ممكن يحصل لما يزودوا قوة المعدات والأدوات بتاعتهم للحد الأقصى.
طبعًا خليني أقولك إن نتايج التجربة دي النهارده قالبة المجتمع العلمي والفيزيائي في العالم كله رأسًا على عقب زي ما بيقولوا، ومش بعيد إن اكتشاف زي ده يترشح لجايزة نوبل في الفيزياء.
بداية خلق الكون
الأهم إن كل الفيزيائيين دلوقتي بيعتبروا إن رصد التأثير ده هو دليل حقيقي على إنه ممكن جدًا يكون حصل في بداية خلق الكون، وإن في قوة معينة أثرت على الحقول الكمية اللي كانت موجودة قبل وجود الفضاء نفسه، وهي اللي أجبرتها على تكوين أول جسيمات ذرية اتخلق منها الكون كله!!
القوة دي مجهولة بالنسبة لنا تمامًا، وعمرنا ما هنقدر نعرفها ولا نشوفها، وسواء بقى سميتها قوة إلهية، أو قوة مجهولة وغير معروفة للعلم، فالمهم هو إنها موجودة ومؤثرة، وإنها أغرب من أي حاجة تتخيلها في حياتك.
هي السبب الأساسي في وجودك ووجودي دلوقتي!!
المصادر
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/something-from-nothing/
https://bgr.com/science/scientists-create-matter-from-nothing-in-groundbreaking-experiment/
* تنويه: الأفكار المذكورة في المقال لا تعبر بالضرورة عن رأي الموقع.
*********
لمتابعة قناة اليوتيوب لأكاديمية بالعقل نبدأ، اضغط هنا
لقراءة المزيد من المقالات، اضغط هنا
