النظرية النسبية وعلم الكونيات
السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
إخواني زوار وأعضاء ومشرفي المنتدى الكرام
تحية طيبة إليكم
هذه مجموعة من عروض الباوربوينت عن نظرية النسبية الخاصة:
—– —– —–
لا تنسونا من صالح الدعاء
م. محمد العصيري
من الكواركات إلى الكوازارات رحلة ننطلق بها من باطن المادة لنصل إلى الكون الشاسع ونجومه ومجراته .
لنبدأ رحلتنا من تركيب المادة :
تتألف جميع المواد من مجموعة جزيئات تتركب بدورها من ذرات متماسكة مع بعضها البعض بروابط كهرطيسية أما الذرات فهي كالنظام الشمسي تتألف من نواة يدور حولها إلكترون والنواة عبارة عن بروتونات ونترونات متماسكة مع بعضها البعض هذه البروتونات والنترونات تتألف من ثلاثة كواركات وهنا وصلنا لمحطتنا الأولى الكواركات فالنتحدث قليلاً عن الكواركات :
كان أحد الإلكترونات يسير بسرعة عالية متجهاً لصدم بروتون نتيجة توفر طاقة عالية جداً وذلك في أحد المسرعات والمسمى SLAC وكان يتوقع هذا الإلكترون أن يصطدم بشحنة كروية طرية ولكن للأسف كان توقعه هذه المرة خاطئ فلقد فاجئه البروتون ببنية نقطية صغيرة وقاسية داخله فتبعثر الإلكترون وكان درساً قاسياً له وكان ذلك في أواخر الستينات .
هذه التجربة كانت الدليل الأول على الاقتراح الذي قدمه الفيزيائي موري جيل مان وجورج زويغ عام 1963 ولم يكن هذا الاقتراح سوى أن البروتونات عبارة عن اجتماع جسيمات نقطية هي الكواركات مع العلم أن أصل هذه الكلمة هي جملة غامضة وردت في أحد كتب جيمس جويس ” ثلاثة كواركات للسيد مارك” .
في قصته وليمة تأبين فينغانية .
إن للكواركات حتى الآن ثمانية عشر نوعاً أهمها :
العلوي والسفلي والغريب والفاتن والقعري والذروي ولكل نوع ثلاثة ألوان هي :
احمر وأخضر وأزرق ولكل منها شحنة كهربائية كسرية (1/3or2/3-) .
أما عن الأسماء فهي لا تتعدى عن كونها أسماء مثلية أقترحها فيزيائيو هذا العصر وأما عن الشحنة الكسرية فهي قسرية تفرضها التجربة ويفرضها كون الكوارك جسيم أولي وأما عن اللون فهي خاصة جديدة من خواص الكوارك ولا نقصد باللون أي اللون كم مفهوم طبعاً لا لأن الكواركات أصغر بكثير جداً من طول موجة الضوء المرئي والكوارك عديم اللون بالمعنى العادي لكلمة لون لكن خيال العلماء أصبح أكثر رحابة وأكثر استعانة بالأمور السهلة والمتعامل بها بشكل أكبر ولأن مجموع الثلاثة منها يؤدي إلى الشحنة صفر مثلما تؤدي مجموع الألوان الأساسية إلى اللون الأبيض .إن ارتباط الكوارك سفلي وكواركين علويين بالألوان الثلاثة معاً يشكلون جسيم أبيض هو البروتون ذو الشحنة +1 وذلك حسب الآلية (2/3+2/3-1/3) أما النترون عديم الشحنة فيتألف من كواركين سفليين وأخر علوي (-1/3-1/3+2/3) وهكذا يمكن تشكيل أياً من المركبات ثلاثية الكوارك والمسماة الباريونات (وهناك الباريونات المضادة والمؤلفة من كواركات مضادة ).أما عن ألوان الكوارك المضاد فهي تملك الشحنات اللونية المضادة (أي أحمر مضاد أو أزرق مضاد أو أخضر مضاد ويرمز لذلك بناقص اللون المضاد مثل ناقص أحمر)
إن الشحنات اللونية المتعاكسة ذات الإشارات المتعاكسة تتجاذب فالكوارك الأحمر مثلاً يرتبط بكوارك مضاد لونه ناقص أحمر ليشكلان جسيم يسمى الميزون و أكثر الميزونات شيوعاً هو البيون وهو الذي يرصد عادة في التفاعلات النووية .
ذا بتشكيل مجموعة من ثلاث كواركات نحصل على جسيمات تدعى الباريونات وبتشكيل مجموعة من كواركين نحصل على جسيمات تدعى الميزونات وهاتين المجموعتين تشكل الجسيمات الهادرونية (الهادرونات أي الثقيلة ) ولا توجد مجموعات تتألف من كوارك واحد أي لا يمكن أن نحصل على كوارك حر وسنرى تعليل ذلك بعد قليل .
يتألف الكون ككل من مادة وطاقة تتشكل المادة من حوامل المادة و القوى الرابطة لها أما القوى وحواملها فهي بالترتيب من الأضعف إلى الأقوى :
القوة الثقالية :
القوة الثقالية هي قوة عالمية أي أن كل الجسيمات تشعر بها بما يتناسب مع كتلتها وطاقتها والثقالة هي أضعف القوى عن بعد ولولا أنها تتميز بطول مداها الكبير وكونها تجاذبية دوماً لما شعرنا بها ولكن نتيجة تضافر قيمة هذه القوة في الجسيمات الأفرادية تبلغ قيماً محسوسة كالتجاذب بين الشمس والأرض أما عن القوى الثلاث الباقية فهي إما ذات مدى قصير وإما تجاذبية تارة وتنافرية تارة أخرى مما يؤدي إلى انعدام حصيلتها .
تحمل القوة الثقالية على جسيم نسميه غرافيتون يتميز بأنه لايملك كتلة ولا شحنة وهذا ما يجعل القوة التي يحملها ذات مدى كبير وهذا الجسيم وهمي (نقصد بالجسيم الوهمي ذلك الجسيم الذي يظهر بأثره في وسائل القياس دون أن يظهر في كواشف الجسيمات أي أننا لا نعرف عنه سوى مفعوله الفيزيائي).
القوة النووية الضعيفة :
وهي المسؤولة عن النشاط الإشعاعي الصادر عن بعض النوى (كأشعة ألفا وبيتا وغاما ). لم تفهم القوة النووية الضعيفة جيداً إلا عام 1967حين اقترح محمد عبد السلام و ستيفن واينبرغ النظرية التي توحد الضعيفة مع الكهرجطيسية فيما يعرف بالقوة الكهرضعيفة .
القوة النووية الضعيفة محمولة على جسيمات وهمية هي Z&w لهما كتلة كبيرة نسبياً وبالتالي هذه القوة ذات مدى قصير جداً ولا تتفاعل مع المادة إلا بشكل ضعيف
القوة الكهرطيسية :
والتي هي اجتماع للقوتين الكهربائية والمغناطيسية . أما المعادلات الحاكمة لها فهي معادلات مكسويل .
إن القوة الكهرطيسية حالياً هي من أكثر القوة المدروسة والتي استفدنا من دراستها في توليد الطاقة الكهربائية التي تعد المصدر الأكثر استخداماً وانتشاراً في العالم
تعمل القوة الكهرطيسية بين الجسيمات المشحونة بالكهرباء كالإلكترونات والبروتونات لكنها عديمة الأثر بين الجسيمات اللامشحونة وهي اكبر بكثير من القوة الثقالية .
وهنا يبدأ التمايز داخل القوة الواحدة ففي هذه القوة تقسم الجسيمات والأجسام إلى ثلاثة أنواع حسب شحنتها إلى موجبة وسالبة ومتعادلة والقوة بين شحنتين متشابهتين تنافرية وبين شحنتين مختلفتين تجاذبية ومحصلة التجاذب والتنافر ضمن مجموعة جسيمات أفرادية تتعادلان وتتفانيان تقريباً وتبقى للجسم الكبير (كالأرض مثلاً ) قوة كهرطيسية ضعيفة جداً . أما في سلم الذرات والجزيئات فالقوة الكهرطيسية هي الطاغية وهي المسؤولة عن جذب النواة للإلكترونات وبالتالي خلق الذرات .
القوة الكهرطيسية محمولة على جسيم وهمي هو الفوتون العديم الكتلة والشحنة .
القوة النووية الشديدة
وهي أشد القوى جميعها قدرة على التأثير وهي القوة الأكبر بين جميع القوة وهي والتي تمسك بين الكواركات التي تشكل البروتونات والنترونات وتربط البروتونات والنترونات معاً داخل نواة الذرة .
تحمل هذه القوة على جسيم وهمي يدعى غلوون لا يتفاعل إلا مع نفسه ومع الكوارك
تتميز القوة النووية الشديدة بأنها متناسبة طرداً مع البعد أي قوة الغلوون تزداد مع البعد بعكس جميع القوى وهذا ما يمنع حصولنا على كوارك حر لأننا بحاجة إلى طاقة لا نهائية لكسر غلوون والحصول على الكوارك الحر .
أما حوامل المادة فهي الهادرونات والتي تكلمنا عنها سابقاً والتي تتميز بأنها تتأثر بالقوة النووية الشديدة إضافة لباقي القوى والذي يشكل الكوارك الحجر الأساسي لبنائها أي هو جسيم أولي نعني بمصطلح الأولية في هذا السياق أن أياً من هذه الجسيمات لا يتكون من جسيمات أدنى منه ولكن الأولية كلما نسبية فما معنى أن جسيم أولي ؟
والليبتونات والتي تتميز بتأثرها بالقوة النووية الضعيفة ولا تتأثر بالقوة النووية الشديدة وهذه الليبتونات تضم الإلكترون والنيترينو كجسيمات أولية إضافة لجسيم تاو وميون .
ما النيترينو فتبدأ قصته عام 1931م حين كان العالم باولي يدرس إشعاع بيتا فوجد من خلال طاقة الجسيمات الناتجة طاقة مفقودة لم يستطع تحديدها حتى عام 1933م حين أعاد اكتشاف سر هذه الطاقة العالم أنريكو فيرمي ليطلق عليها اسم النيوترينو
النيوترينو واحد من الجسيمات الأساسية و الأولية التي تشكل الكون ينتمي لمجموعة الليبتونات كما أسلفنا له كتلة سكونية تساوي الصفر ولا يملك أي شحنة كهربائية وهذا ما يجعل النيوترينو لا يتأثر بالقوة الكهرطيسية (بعكس الإلكترون الذي يتأثر بهذه القوة) ينتج النيترينو عندانحلال(انحطاط) بعض الجسيمات مثل النترون والبروتون والميزون وتصدره أيضاً النجوم بغزارة وكثافة عالية وبما أنها لا تأبه إلا نادراً لوجود الجسيمات الأخرى فهي بذلك صعبة الالتقاط وهنا ظهرت أهمية هذه الجسيمات .
إن هذه الكثافة العالية لجسيمات النيوترينو في الكون تجعل منها مرشحاً لأن تكون المادة المظلمة التي تشكل الجزء الأعظم من الكون (المادة المظلمة تشكل 95%من كتلة الكون أي أننا لا نتكلم إلا عن ال5% فقط من الكون وكل هذه النظريات تشرح هذه ال5% فكيف حال الـ95%؟) وتظهر بتأثيرها الثقالي على المجرات والنجوم ولا يمكن أن نعرف عنها سوى مفعولها الثقالي هذا .ولكنها تمسك الكون بكتلتها الهائلة وبالتالي تمتلك سر تحديد نهاية الكون ومصيره سواء كانت هذه النهاية بتمدد الكون واستمرار تمدده حتى تفلت زمام الأمور من القوة الثقالية (في هذه الحالة كتلة المادة المظلمة كاملة لا تكفي لتماسك الكون وضبط توسعه) أو كانت بتمدد الكون لحد معين ثم تقلصه من جديد ليعود كما كانت لحظة ولادته (المادة المظلمة في هذه الحالة كافية لكبح جماح التوسع وقوة الجاذبية تعمل عملها) .
كما يمكن أن تشارك جسيمات النيوترينو بشكل كبير في الحلقة التي توحد القوى الكونية الأربعة (النووية الشديدة والكهرطيسية والنووية الضعيفة والثقالة) في قوة واحدة وفي قالب نظرية موحدة للكون هذه النظرية التي كان يعمل العالم أينشتاين على إيجادها في أواخر حياته لينتقل هذا العمل إلى هدف لكل عالم فيزيائي يبحث عن معادلة تفسر الكون من الانفجار العظيم (Big Bang) حتى نهاية الكون .
لقد أثبتت إحدى التجارب وجود كتلة للنيوترينو هذه الكتلة بالغة الضآلة لا تتجاوز واحد من عشرة ملايين جزء من كتلة البروتون ولعل ضآلة هذه الكتلة أخر اكتشافها لكن هذا لا يؤكد امتلاك النيوترينو للكتلة لوجود تجارب أخرى تثبت أن النيوترينو لا كتلة له فما زال الموضوع مفتوحاً ولم يعطي العلم الجواب النهائي بعد لأن إمكانية تفسير هذا السؤال تجريبياً في هذا الوقت اعتمادا على المسرعات الموجودة غاية في الصعوبة بسبب عدم توفر التكنولوجيا المناسبة و الطاقة العالية.
إن لكل جسيم جسيم مضاد له يتفانى معه ولنبدأ بشرح الجسيمات المضادة .
كما نعلم في القوة الكهرطيسية هناك الشحنة الموجبة ويأتي ضدها الشحنة السالبة ومن هنا بدأ المشوار :
في عام 1928 تنبأ العالم الفيزيائي البريطاني ديراك بوجود المادة المضادة وأن لكل جسيم جسيم مضاد ذا كتلة مساوية لكتلة الجسيم ولكنه يحمل شحنة كهربائية مختلفة الإشارة ويمكن أن تتجمع هذه الجسيمات المضادة لتشكيل ذرات مضادة فأكوان مضادة .
وعندما يصطدم جسيم بجسيمه المضاد يفني كل منهما الآخر وتنطلق أشعة غاما عالية الطاقة (وهذا مبدأ غير مطلق كما سنرى ) فلو تصافح إنسان مع قرينه المضاد فإن الانفجار الحاصل سيكافئ ألف انفجار نووي قوته ميغاطن يكفي الواحد منها لتدمير مدينة ولنتوقف قليلاً عند هذه الأرقام فلو استطعنا الحصول على المادة المضادة وتذليلها لحصلنا على مصدر طاقة رهيب جداً ولكن السؤال أين هي هذه المادة المضادة ؟
بعد أربع سنوات من تنبؤ ديراك أكتشف العالم الأمريكي أندرسون أول جسيم مضاد وهو البوزيترون وهو مضاد الإلكترون أي له كتلة الإلكترون وبشحنة موجبة وبعد ذلك توالت سلسلة اكتشافات الجسيمات المضادة كالبروتون المضاد ثم استطاعت البشرية ولأول مرة الحصول على ذرة مضادة (ذرة الهيدروجين المضاد ) وذلك من خلال تجربة دمج البروتون المضاد مع البوزيترون ولكن العلماء يحاولون البحث عن المادة المضادة في الكون المحيط بنا وللأسف لا يمكن أن توجد نجوم وذرات مضادة قريبة منا (قريبة بمعنى الأبعاد الفلكية) لأنها لو وجدت لكانت تفانت مباشرة مع أي ذرة عادية وهي موجودة بكثافة من حولنا ولانطلقت طاقة وأشعة غاما دلت على هذا التفاعل وحتى الآن لم نرصد مثل هذه الطاقة رغم تطور الأجهزة العاملة على ذلك ولكن على بعد أكبر من مدى أفضل التلسكوبات في العالم لا نعرف إن كانت هنالك مجرات ونجوم مضادة كما لا يوجد ما يثبت ذلك ومن جهة أخرى فإن علم الكون الحديث يزودنا بحجج تؤيد تكون الكون بكامله تقريباً من المادة العادية وذلك نتيجة أن الانفجار الأعظم (الفرضية التي تشرح نشأة الكون وتطوره ) أنتج فائضاً من المادة على المادة المضادة في لحظة الخلق الأولى وذلك نتيجة عدم تناظر صغير في قوانين الفيزياء (يسمى انتهاك قاعدة بقاء الندية ) وهذه الزيادة الصغيرة هي التي بقت بعد أن أفنت المادة المادة المضادة أما ما نقيسه من خلال الأشعة الكونية فهي مادة مضادة اصطناعية أي أنها تولدت بعد الانفجار الأعظم .ولكن يبقى هذا الكلام فرضي لم نستطيع إثبات خطأه حتى الآن .
ولنقف قليلاً عند معنى المضاد فمعنى مضاد هنا ليس فقط الأختلاف بالشحنة ولكن الأختلاف فيما يسمى العدد الكمومي ولكن لا سبيل للتحدث عنه هنا .
لنعود ونرتب أوراقنا :
تقسم جميع الجسيمات في الكون إلى بوزونات ذات السبين الصحيح (0,1,2) وتشكل حوامل القوى مثل الفوتون والغرافيتون والكليون وwوz .
والفرميونات ذات السبين الكسري (1/2) والتي تشكل مادة الكون (الهادرونات والليبتونات )والتي تخضع لمبدأ الاستبعاد لباولي (لا يمكن لجسيمين متماثلين أن يوجدا في حالة واحدة أي لا يمكن أن يكونا في الموضع نفسه والسرعة ذاتها مع احترام مبدأ الارتياب لهايزنبرغ (لا يمكن تحديد سرعة وموضع جسيم معاً) .
أما السبين فهو يعبر عن مظهر الجسيم عندما ننظر إليه من مناحي مختلفة يمكن تخيل السبين بأنه طريقة دوران الجسيم حول محوره وهذا افتراض تخيلي وغير واقعي فالجسيم الذي سبينه صفر يشبه نقطة من أية زاوية نظرنا إليه والجسيم الذي سبينه واحد يشبه السهم يختلف مظهره باختلاف منحى النظر ولا يعود إلى مظهره الأول إلا إذا دار دورة كاملة (360درجة) أما الجسيم الذي سبينه 2 فيشبه سهماً ذا رأسين ينطبق على نفسه بعد نصف دورة (180درجة) وهكذا . أما الجسيمات ذات السبين 1/2 فهي تحتاج لاسترداد مظهرها لدورتين كاملتين .
لقد أتت حوامل المادة والطاقة مع ولادة الكون أما للحديث عن ولادة الكون سنستخدم النظرية الأكثر شيوعاً وهي نظرية الأنفجار العظيم دون الدخول بتفصيلاتها :
تعود أصول نظرية الأنفجار العظيم إلى خطأ ارتكبه أينشتاين عام 1917 ووصفه فيما بعد بأنه كان أكبر مطب في حياته حيث ونتيجة للنسبية العامة حصل أينشتاين على حلول لمعادلاته تؤدي إلى أن الكون يتوسع مما دفعه تفادياً للوقوع في مشاكل بسبب نتيجته المعارضة لما هو سائد إلى إضافة حد لموازنة جنوح الكون إلى التوسع لكن عام 1929 أكتشف العالم إدوين هبل أن مجرتنا ليست وحيدة في الفضاء بل يوجد هناك ملايين المجرات وتلك المجرات تندفع مبتعدة عنا بسرعات خيالية مما دفع بأينشتاين إلى إسقاط حده الإضافي وهنا ولدت نظرية الأنفجار العظيم والتي تقول أن الكون كان متجمعاً في موضع واحد يدعى متفرداً كثافته لانهائية وقوانين العلم جميعها متوقفة هنا وكذلك الزمان والمكان .
هذا الحدث الكارثي حصل مابين العشرة حتى العشرين مليار سنة والرقم الأقرب هو 14.5مليار سنة والعلماء يستطيعون التحدث عن الأجزاء الأولى من الثانية الأولى من هذا الأنفجار عند الأنفجار العظيم كانت جميع القوى واحدة وبدأت بالتمايز بعد الأنفجار وبعد مرور واحد من ألف مليون من الثانية الأولى ولدت الكواركات والليبتونات والفوتونات وبعد ثلاث دقائق أخذت النوى بالظهور وبعد ثلاثمئة ألف سنة من حدوث الأنفجار ولدت الذرات وانخفضت درجات الحرارة إلى 3000كلفن مما سمح لذرات الهيدروجين بالظهور وتكونت النجوم والمجرات وأخذ الكون بالتوسع .
تشكل ذرات الهيدروجين باجتماعها مع بعضها ومع غبار كوني ما يعرف بالسديم الذي هو عبارة عن سحابة من الغاز والغبارو بتأثير من قوة الثقالة تتقلص السحابة وتزداد درجة الحرارة والضغط حتى تقترب الذرات من بعضها لمسافات معينة تظهر عندها أثر القوة النووية الشديدة حيث يندمج الهيدروجين مع بعضه ليكون الهليوم ويشع باقي الكتلة طاقة حسب معادلة أينشتاين وتعد هذه اللحظة لحظة توازن القوة الثقالية التي تدفع بذرات الهيدروجين للداخل والحرارة العالية والضغط المعاكس (القوة النووية الداخلية ) التي تدفع بالطاقة للخارج لحظة ولادة النجم وينتقل بعدها النجم لحياته الطبيعية والتي يستهلك خلالها غذائه النووي ويقدر عمر النجوم من خلال مدى إشعاعها أي اللون التي تظهر فيه فنجم مثل شمسنا يقترب لونها من البرتقالي يقدر عمرها بعمر الشباب أما العمر فيحدد بكتلة الهيدروجين وكلما كبرت هذه الكتلة كان عمر النجم أصغر وبانتهاء التفاعلات النووية في باطن النجم تبدأ مرحلة جديدة هي مرحلة موت النجوم حيث تتحول النجوم إلى عمالقة حمراء نتيجة القوى الشديدة داخل النجوم وبعد ذلك تظهر المفارقة فأمامنا عدة حالات بعد العملاق الأحمر لموت النجوم :
الحالة الأولى نجم كشمسنا أو أصغر أوأكبر بـ1.4 كتلة النجم تضغط الذرات بحيث تتلاشى مدارات الإلكترونات منها ليتحول النجم إلى قزم أبيض صغير هادئ مهمل في مكان ما في الكون أما مادته النجمية فهي عبارة عن نوى تسبح في بحر من الإلكترونات من دون مدارات وتقدر كثافة هذا النجم بحوالي 5000.000غ/سم المكعب (ملعقة شاي من القزم الأبيض كتلتها حوالي 5طن) لا يشع القزم الأبيض فشمسنا مثلاً ستبتلع كوكب الزهرة والأرض وعطارد والمريخ وتصل لحدود كوكب المشتري وذلك في مرحلة العملاق الأحمر وتعود بعد فترة كونية للتقلص متحولة لقزم أبيض أما تسمية قزم أبيض فهي بسبب صغر حجم النجم ودرجة حرارته السطحية التي تتراوح بين 50.000و100.000درجة سلسيوس .
الحالة الثانية فهي النجوم أكبر من نجمنا الشمس بـ1.4 وأصغر بـ3مرات كتلة شمسنا هذه الكتلة لا تكتفي بضغط الذرات لتتلاشى مداراتها وإنما تستمر بالضغط حتى تندمج البروتونات مع الإلكترونات لتكوين النيترونات وهكذا تصبح مكونات النجم نيترونات فقط ونحصل على النجم النيتروني العالي الإشعاع وذو جاذبية عالية جداً و الكثافة العالية جداً التي تصل حتى (10قوة14)غ/سم المكعب كما يمتاز هذا النجم النيتروني بنصف قطر يصل حتى ثلاثين كيلو مترات فقط لكن له لف ذاتي كبير مما يسبب أشعاعات عالية يطلق عليها (النباضات ) وللمقارنة تزن ملعقة شاي من النجم النتروني ملايين الأطنان تم أول رصد لأول نجم نيتروني عام 1967 بعد أن اكتشفت جوسلين بل مع هيويش أجساماً أطلقوا عليهل النباضات تشع نبضات منتظمة من الأمواج الراديوية اعتقدوا في البداية أنها رسائل من سكان مجرات أخرى لكن أحلامهم وأمنياتهم توقفت عندما ألقى العلم كلمته فكانت هذه النباضات نجوم نيترونية وكانت أول أثبات لصحة التنبؤات .
بازدياد كثافة النجم النتروني لأكثر من 10 قوة 14 ينهار النجم النتروني داخلياً و ينقص نصف قطره ونحصل على ما يسمى النجم الكواركي
كانت هذه مفاجأة جديدة للعلماء قلبت مفاهيم العلم وجاء أول دليل رصدي ليؤكد صحة التوقعات (أول نجم كواركي هو Rxj1856) هذه التوقعات أعتمدت على معادلات تشندرا سيخار ويتميز النجم الكواركي عن النجم النتروني بسرعة دوران عالية جداً وتنبض بشدة أكبر وذات نصف قطر أصغر .
الحالة الثالثة والتي هي الحالة التي نحن بصدد دراستها مرحلة الثقوب السوداء فالنجوم الأكبر من ثلاثة أضعاف كتلة الشمس تتحول بعد مرحلة العملاق الأحمر لثقوب سوداء ولكن قبل الحديث عن الثقوب السوداء لابد أن نشير أن بعض النجوم التي تفوق كتلتها 12 مرة كتلة الشمس تنفجر متحولة لمستعرات أعظميه (سوبر نوفا تطلق الطاقة بكميات هائلة في الكون كما تطلق مع طاقتها الهائلة المواد الثقيلة والتي جاء الحديد في الأرض عن طريقها وبعد ذلك يتحول النجم المتبقي من السوبر نوفا إلى نجم نيتروني (إذا كانت كتلة النجم بين 15 و30 كتلة شمس ) أو ثقب أسود (30 فما فوق مرة كتلة شمس ).
نعود للثقب الأسود فالثقب الأسود هو حيز من الفضاء يحيط بجسم تداعى وانكمش إلى أبعاد صغيرة لدرجة أصبح معها الجذب الثقالي كبيراً لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع أن يهرب من قبضته .
إن مصطلح الثقب الأسود مصطلح جديد قال به العالم ويلر عام 1969 لكن فكرة الثقب الأسود فكرة قديمة جداً بدأت منذ الصراع العنيف الذي شهدته ساحة الفيزياء بين كون الضوء موجة أو جسيم ونحن نعلم الآن أن الضوء له الوجهين كليهما فهو موجة وبنفس الوقت جسيم ؟ وفي عام 1783نشر العام ميتشل مقالة تتعلق بنجم كبير وله كثافة عالية ويتمتع بحقل جاذبية شديد لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات سيكون هذا النجم غير مرئي لكنه يؤثر ثقالياً بالأجسام القريبة منه وبقيت هذه الفكرة منسية حتى جاء العالم العظيم أينشتاين بنسبيته العامة التي أوضحت مفهوم الثقالة وفتحت المجال للبرهان على الوجود الرياضي لمثل هذه الأجسام وهنا جاء دور العالم الهندي تشندرا سيخار الذي برهن اعتمادا على النسبية العامة وجود الثقوب السوداء وآلية عملها وكيف ولدت( جميع حدود موت النجوم أصبحت تدعى حد تشندرا سيخار) وأثبت أن النجم يستطيع أن يحافظ على نصف قطر ثابت اعتماداً على مبدأ الارتياب والثقالة وبالحساب وجد أن النجم الأثقل من الشمس بمرة ونصف (حد تشندرا سيخار) يعجز عندما يبرد (بعد مرحلة العملاق الأحمر ) عن تحمل ثقالته الذاتية وبالتالي يتحول لنوع جديد ولم يستطع تشندرا متابعة أفكاره بسبب استنكار رجال العلم في ذلك الوقت حول هذه الأفكار فتوقفت أعمال تشندرا حتى عام 1939 حيث عاد العالم أوبنهايمر لطرح هذه الفكرة من جديد وامتد بها ليقول أن الحقل الثقالي للنجم يغير مسارات الأشعة الضوئية في الزمكان وبالتالي فالضوء يتأثر بجاذبية النجم فالنجم ذو الجاذبية الكبيرة جداً ممكن أن يقيد حركة الضوء ويمنعه من متابعة رحلته وجاءت الحرب العالمية الثانية لتوقف أعمال أوبنهايمر وفي نهاية القرن العشرين وبسبب القفزة الفضائية الكبيرة عاد العلماء لطرح هذه الأفكار ودراستها وهنا ولدت فكرة الثقوب السوداء هذه الثقوب التي تملك حقلاً ثقالياً كبيراً ضمن حجم صغير نسبياً .
وجاءت أعمال العالم الكبير ستيفن هوكنغ لتكشف الستار عن الثقوب السوداء ودعمت هذه الأفكار الأرصاد الحديثة والمتطورة وخاصة ما أتى به مقراب هابل الفضائي الذي سبب قفزة علمية في دراسة علم الفلك وبين أمور كثيرة كانت خافية علينا .يتميز الثقب الأسود بوجد إطار به يسمى أفق الحدث وهو الحيز المكاني الذي لا يسمح للضوء من الإفلات بعد اختراقه ولأفق الحدث دور هام ورئيسي في دراسة الثقب الأسود وتحديد هويته والكشف عنه فالثقب الأسود لا يصدر أية أشعة أو أية جسيمات بل يمتصها بداخله ولكن أفق الحدث هو الذي يصدر الإشعاعات التي تدل على وجود الثقب الأسود فهو يحتوي على حقل جاذبية ذي قوة هائلة تؤثر على مسافات بعيدة عن الثقب الأسود وبالتالي يمكن لهذا الحقل الضخم حسب نظرية الكم الحديثة أن تولد جسيمات مادية وتبث إشعاعات حرارية وهي ما ترصدها المراصد وتعد أهم دليل على وجود الثقوب السوداء وأهم هذه الأشعة هي الأشعة السينية الهائلة المنطلقة بجوار الثقب الأسود نتيجة تعرض الغازات لقوى المد الثقالي الهائل فتنضغط تلك الغازات مطلقة هذه الأشعة لكن ما كشف عملياً عن وجود الثقوب السوداء هو في استمرار الثقب في تسليط قوة ثقالية هائلة على الأجرام القريبة منه وهذا ما شاهده الفلكيين حيث كشفوا أنه في المجموعة النجمية التي تدعىالدجاجة (سيغنوس) هناك نجم واحد يدور حول رفيق غير مرئي يصدر أشعة سينية غزيرة والمادة تمتص من النجم المرئي باتجاه نجم غير مرئي ومن خلال الرصد تمت حساب كتلة النجم غير المرئي ووجد أنها تساوي ستة أضعاف كتلة الشمس وبالتالي فالاحتمال الأكبر أن النجم الغير المرئي هو ثقب أسود وهذا مثال واحد من عدة أمثلة فالنسبية العامة تأكد وجود العديد من الثقوب السوداء في الكون للحفاظ على التوازن الكوني من الانهيار .
لقد طرح العالم هوكنغ فكرة تبخر الثقب الأسود وتحولها إلى ثقوب سوداء مصغرة أول أختفاءها تماماً حيث اعتمد هوكنغ على مبدأ هايزنبرغ في الريبة الذي ينص أن هناك احتمالاً ضئيلاً لكنه غير معدوم بأن يعاكس شعاع ضوئي قوة الجذب الثقالي الهائلة وأن يهرب من قبضة هذه القوة مما يخلق هذا الضياع المستمر للطاقة ثقباً أسود مصغر قد يكون البروتون وحتى الألكترون أو قد تصل كتلته للصفر ويختفي كلياً .
ماذا يحدث في داخل الثقب ؟
إن هذا السؤال يحمل خلفه آلاف الافتراضات والنظريات ومنها والتي تعتمد على نظرية أينشتاين النسبية والتي تقول بأن في داخل الثقوب السوداء وخلال زمن غاية في الصغر تفتح مجالات كالأنفاق تصل الثقب الأسود مع كون ثاني فهو طريق يصل بين كونين تسمى هذه الأنفاق بالأنفاق الدودية فإذا استطاع أي إنسان أن ينفذ منها ولن يستطيع لأن أفق الحدث يكون بانتظاره يمر من كوننا لكون ثاني وما الثقب الأسود هنا إلا نافذة بين كونين تأخذ المادة من كون لتضعه في كون ثاني!؟ .تبقى هذه فرضية ولكنها فرضية جميلة تطلق العنان لكتاب الخيال العلمي ليبحروا بخيالهم لأكوان وحضارات أخرى .
عن قوانين الفيزياء متناظرة زمنياً فإذا كانت هناك أجسام تدعى ثقوب سوداء يمكن للأشياء السقوط فيها بلا عودة فإنه يجب أن تكون هناك أجسام تخرج منها الأشياء لكن لا يسقط فيها شئ تدعى مثل هذه الأجسام الثقوب البيضاء حيث تشع الطاقة و المادة في الفضاء دون أن تأخذ شيء ولكن هذه الفرضية مازالت موضع بحث فهي لم تبرهن رياضياً بشكل كامل ولم ترتقي لمستوى الثقوب السوداء من البراهين
وهناك أفكار تلوح في الأفق تؤكد على أن في قلب كل كوازر ثقب أسود أما الكوازارات فتبدأ قصتها عام 1963 على يد العالم الفلكي شمدت وكان أول كوازار هو (3C273والتي تعني المنبع رقم 273 في الكراس الثالث من تصنيف كمبردج للمنابع الراديوية ) حيث لاحظ شميدت الانزياح الكبير نحو الأحمر( انزياح لخطوط طيف الأجرام السماوية ناجم عن مفعول دوبلر بسبب حركة ابتعاد الجرم عنا ) يترافق بأمواج راديوية غزيرة يطلقها هذا المنبع فأطلق عليه مصدر راديوي شبه نجمي (Quasi Stellar Radio Sources) وأختصاراًQUASAR تتحرك الكوازارات بسرع عالياً جداً مبتعدتاً عنا بمسافات كبيرة ولكن بعد أطلاق مرصد هابل وجد أن هناك كوازارات كبيرة جداً دفعت للقول عنها بأنها نواة مجرات فتية ونشطة وتحول الكوازار من مصادر راديوية شبه نجمية إلى أشياء شبه نجمية (Quasi Stellar Objects) تصل سرع الكوازارات حتى 80% من سرعة الضوء وهي تقع على حدود الكون أي تبعد عنا حتى 14 مليار سنة ضوئية أما كيف يمكن للكوازار أن يطلق هذه الكميات من الطاقة فتقول أحد الفرضيات أن ثقب أسود هائل الكتلة (بحدود 100 مليون شمس ) يجذب المادة من حوله التي تتهاوى بمسارات حلزونية تدفع الثقب بالتدويم باتجاهها مما يتيح توليد حقل مغناطيسي ويدفع بالجسيمات العالية الطاقة جداً أن تصدر الأشعة السينية الغزيرة إضافة لذلك يشكل هذا الثقب و بسبب امتصاصه للنجوم والغبار الكوني قرص يسخن بالأحتكاك ويتوهج معطياً كوازار .
كما يمكن أن تكون الكوازارات نهاية ثقوب سوداء تبخرت وأعادت ما ابتلعته كما يمكن أيضاً أن تكون الكوازارات ثقوب بيضاء فما زالت الأسئلة التي تطرحها الكوازارات أكبر مما أجاب عنه العلم .
وقد وصلنا إلى محطتنا الأخيرة وصلنا إلى أبعد شيء في الكون وهي الكوازارات لكن مازال هناك العديد من الأسئلة التي تنتظر الإجابة وحتى في رحلتنا هذه وجدنا من إشارات الأستفهام وإشارات التعجب أكثر بكثير مما وجدنا من إجابات فكلما إزدادت معرفتنا يزداد جهلنا وتزداد الأسئلة المطروحة لأن العلم لا نهاية له …
قائد الرحلة
محمد العصيري
هو فرضية تقول بان الكون بعد نشأته قد مر بمرحلة تم فيها توسع متطرد او متسارع فى الكون و اول نموذج يحمل هذه الخاصية التضخمية قد افترضه الكسى ستاروبنسكى لتفادى الشذوذ التماثلى
conformal anomaly فى النظرية التجاذبية الكمية وهذه النظرية التضخمية رغم تعقيداتها تختلف عن تلك المستخدمة فى علم الكوزمولوجى , وبدلا من ان يقوم الكسى بحل مسألة التجانس و ايسوتروبى (وحدة الخواص) فقد افترض منذ البداية ان الكون متجانس وايسوتروبيى والسبب هو ان الغاية التى من اجلها واضع الكسى نموذجه التضخمى تختلف عن تلك الغاية فى النموذج التضخم الكونى فى علم الكوزمولجى
وهكذا كان نموذج الكسى هو اول نموذج تنبأ بالامواج التثاقلية ذات الطيف المستوى
Gravitational waves with flat spectrum
والاهم من ذلك ان اول اَلية لانتاج اضرابات اديباتيكية على الممتد المترى (المترك) فى الطيف المستوى وهى الالية المسئولة عن تفسير انتاج المجرات والتى تم العثور عليها بمشاهدات اشعاع الخلفية متباين الخواص. هذه الالية قد اقتراحها كل من مخائلوف و شيبيسوف فى سياق نموذج الكسى ستاروبسكى هذا.
وهناك واحد من ابسط نماذج التضخم الكونى قد وضعه الين قوث والان هذا النموذج يطلق عليه اسم التضخم الكونى القديم وهذا النموذج يعتمد على نظرية التبريد الفائق فى مرحلة الانتقال الطورى الكونى Cosmological phase transition وهى مرحالة ينتقل فيها الكون من طور الى طور اخر
وعلى الرغم من ان هذا السناريو للتضخم الكونى لم يكتب له النجاح الا انه لعب دور كبير جدا فى تطوير نموذج تضخُمى للكون فى علم الكوزمولوجى لانه اعطى وصفا فيزيائيا واضحا لكيفية استخدام التضخم الكونى فى حل معضلات الكوزمولوجى
على قرار هذا السناريو الذى وضعه الن قوث فان التضخم الكونى كان عبارة عن تمدد متسارع بصورة متطردة ( تمدد كونى بدالة اسية) فى الحالة الفراغية الكاذبة فائقة البرودة.
يقصد بالحالة الفراغية الكاذبة بانها حالة ورائية خالية من المجالات والجسيمات ولكن لها كثافة طاقة عالية جدا (تخيل معى كون ممتلئ بهذا العدم (اللاشئ) الثقيل جدا)
وعندما يتمدد الكون فان الفضاء الخالى لا يتأثر ويظل خاليا ولا تتغير كثافة طاقته لذا فان الكون الذى له كثافة طاقة ثابته فانه يتمدد بتسارع متطرد (تمدد بدالة اسية متذائدة) اما فى الفراغ الكاذب يكون التمدد مضمحلا بمعنى اخر يتمدد الكون ذو الكثافة الطاقية الثابتة بدالة اسية بينما يضمحل الفراغ الكاذب
وهكذا فان هذا التمدد الكونى نسبة لذيادته المتسارعة ينتج عنه كون كبير جدا ومستويا جدا ويبدأ الفراغ الكاذب فى الاضمحلال وبعد عملية الانتقال الطورى تظهر فقاعات (تشبه فقاعات رغوة الصابون) وتتصادم هذه الفقاعات مع بعضها البعض مما يتسبب فى ذيادة درجة حرارة الكون
المصدر
http://hazemsakeek.com/up/download.php?id=617
__________________
اضغط هنا
_______________
المصدر
www.hazemsakeek.com/vb/
إن وجود ثقوب سوداء صغيرة أو دقيقة تشكلت خلال المراحل الأولى من عمر الكون أمر ممكن نظرياً. ويمكن أيضاً لهذه العفاريت الصغيرة أن تفقد طاقة وبالتالي أن تكون قابلة للكشف. لكن كافة التجارب الرصدية باءت بالفشل حتى الآن. ومع ذلك فإن الفيزيائيين متفائلون: طالما أنهم فكروا في وجود هذه الثقوب، فلم لا توجد فعلاً؟
المسألة باختصار
كان يمكن لثقوب سوداء صغيرة الحجم، بمقدار نواة ذرة إنما أثقل من جبل، أن تكون قد وجدت خلال المراحل الأولى من عمر الكون. وكان ستيفن هوكنغ قد بين في الستينات أن مثل هذه الثقوب السوداء إن كانت قد وجدت فإنها يمكن أن تتبخر مطلقة طاقة قابلة للرصد. لكن البحث عنها باء بالفشل حتى الآن، غير أن هناك طرقاً لم يتم اختبارها بعد. فالعلماء يحاولون الكشف عن هذه الثقوب حالياً من خلال الكشف عن جسيمات مضادة للمادة وأشعة غاما، وحتى أنهم يأملون بتخليق هذه الثقوب السوداء من جديد داخل مسرعات الجسيمات المستقبلية
إن الثقوب السوداء موجودة في كل مكان. وهي موجودة في قلب المجرات كما هو الحال في قلب مجرتنا درب التبانة حيث يقبع ثقب أسود هائل كما يقدر العلماء تساوي كتلته 2,6 مليون مرة كتلة الشمس
الرابط:
http://www.herosh.com/download/20845…_____.pdf.html
اخوكم / محمد ابوزيد
.. في مطلع القرن الماضي قدّم العالم الألماني ألبرت اينشتاين نظرية النسبية بفرعيها الخاصة (1905م) والعامة (1915م) والتي ناقشت موضوعات الزمان والمكان والطاقة والكتلة والجاذبية وغيرها..
حيث قدّمت النسبية العامة General Relativity تصورا مبتكرا لمفهوم الجاذبية يختلف عن تصور نيوتن ،فنيوتن يرى أن الجاذبية قوة مؤثرة لحظية بين الكتل وأن هذه الكتل لا أثر لها على الزمان والمكان اللذين تتواجد فيهما في حين يرى اينشتاين أن الزمان و المكان متشابكان في نسيج ذي أربعة أبعاد سُمي الزمكان space-time والكتل فيه تحني هذا النسيج كما لو أن شخصا ثقيلا جلس على منتصف ترامبولين
والجاذبية ما هي الا حركة الكتلة تبعا لخطوط انحناء الزمكان ،فالكتلة تخبر الزمكان كيف ينحني و إنحناء الزمكان يخبر الكتلة كيف تتحرك..
لو كانت الأرض ثابتة لانتهى الأمر عند هذا التصور لكن أرضنا تدور ودورانها يلوي twist خطوط انحناء زمكانها بعض الشيء بما يعرف بتأثير سحب الإطار frame-dragging effect فيلوي هذه الخطوط كالدوامة وكأنما الزمكان سائل لزج..
.. هذه الدوامة الناتجة من التواء الزمكان المحني تصنع مجال جذبي أطلق عليه الجذبومغناطيسية أو المغناطيسية الجذبية gravitomagnetismيظهر بين الكواكب والنجوم عندما تدور وهو يشابه المجال الكهرومغناطيسي لشحنة كهربائية باستبدال الشحنة الكهربائية بالكتلة المجذوبة فتصبح المغناطيسية الكهربائية electromagnetism هي المجال الجذبي او الجذبومغناطيسية .
نحن لا نحس بهذا المجال الجذبي لكننا نعايشه كل يوم لأنه موجود فطبقا لنظرية النسبية العامة أي نجم او كوكب او ثقب اسود او أي شيء له كتلة تدور تسحب الزمكان المرافق لها صانعة هذا المجال الجذبي.
على الارض نواجه مجال جاذبية ضعيف يجعل من معادلات اينشتاين في النسبية العامة تتحول بشكل رائع الى معادلات جيمس ماكسويل في الكهرومغناطيسية ، لكن من الصعوبة قياس هذا المجال الجذبي على الأرض نظرا لضآلته لذلك فكّر العلماء في قياسه في الفضاء فدوران جسم هائل كالأرض في الفضاء يشبه سلوك شحنة كهربائية متحركة في حقل مغناطيسي عند ماكسويل .
إن المجال الجذبي مرتبط ارتباطا وثيقا بتحرك الزمكان فإثبات تحرك هذا الأخير هو المدخل لقياس المجال الجذبي لذلك في عام 1960م اقترحleonard Schiff – من جامعة استانفورد – أن تحرك الزمكان المحلي للأرض يمكن إدراكه باستخدام الجيروسكوبات gyroscopes . فالجيرسكوب المتهادي مع مدار الأرض بقصوره الذاتي الطبيعي يبقى ثابتا في الزمكان لكن إذا تحرك الزمكان ( نتيجة المجال الجذبي) فالجيرسكوب سيتحرك معه.
لكن هذا الجيروسكوب المفترض سيكون تحت تأثيرين :
الاول :يسمّى تأثير الجيوديسي Geodetic effect وهو كمية حني الأرض لزمكانها الذي توجد فيه ،وهو هنا سيشمل تقوس الزمكان إلى جانب مدار الجيرسكوبات فمتجة تدويم الجيروسكوب يكوّن زاوية قائمة على مستوى حركته في زمكان مستوي لكن انحناء زمكان الأرض يؤثر على متجه تدويم الجيروسكوب وهذا الاختلاف بين الوضع العمودي والمنحني يمثل التأثير الجيوديسي.
أما التأثير الثاني : تأثير سحب الإطار frame-dragging effect وهو كمية سحب الأرض لزمكانها المحلي حولها نتيجة لدورانها ويكون متعامدا مع التأثير الجيوديسي وهو السبب في وجود المجال الجذبي أو gravitomagnetism.
إن الاقتراح الذي تقدم به Schiff كان النواة لتجربة البحث عن مجال الجاذبية والمسماة Gravity Probe-B وتختصر GP-B تبنتها كل من جامعة استانفورد وناسا وتم إطلاق جهاز التجربة إلى الفضاء على ظهر قمر صناعي في 20 ابريل عام 2022م ، وقد تأخر تنفيذ لتجربة كل هذه الفترة للحصول على تقنيات فريدة مناسبة.
يتكون جهاز التجربة من أربعة جيروسكوبات بقطر 1.5 بوصة مصنوعة من الكوارتز المصهور ومكسوة بطبقة رقيقة من النيوبيوم niobiumتدور عشرة ألف دورة في الدقيقة موضوعة داخل وعاء من الهليوم فائق السيولةsuper fluid للمحافظة على درجة الحرارة ثابتةإلى جانب تلسكوب مجاور لوعاء الهليوم.
يستقر هذا الجهاز في مدار الأرض على ارتفاع 400 ميل فوق سطح الأرض .
تقوم آلية التجربة على:-
1/ التلسكوب ومحور تدويم الجيروسكوبات سيصطفون مشيرين إلى نجم بعيد (IM pegasi) كنقطة مرجعية ثابتة.
2/ طوال سنة في المدار التلسكوب سيبقى ثابتا على ذلك النجم البعيد في حيت تدويم الجيروسكوبات في فراغ القمر الصناعي سيتحسس أي تغير في الزمكان المحلي للأرض.
3/ وظيفة التلسكوب هو قياس أي تغير في محور تدويم الجيروسكوبات خلال فترة التجربة تحت التأثير الجيوديسي أو سحب الإطار.
4/ على حسابات Francis Everitt – رئيس فريق التجربة من جامعة استانفورد – على ارتفاع 400 ميل التأثير الجيوديسي يكون 6.6 ملي ثانية قوسية arcseconds لكل سنة أما تأثير سحب الإطار سيكون 39 ملي ثانية قوسية لكل سنة احتاج هذا دقة لقياس التجربة تصل إلى .0005 ثانية قوسية لكل سنة وتماثل قياس سمك ورقة من على بعد 100 ميل؟!! إذا علمت أن الثانية القوسية الواحدة لكل سنة تساوي واحد على 3600جزء من الدرجة لكل سنة !!!.
§ 20 ابريل 2022 م انطلاق القمر الصناعي حاملا جهاز التجربة من قاعدة Vandenberg الجوية.
§ 27 أغسطس 2022م دخول GP-B مرحلة التجربة (جمع البيانات لمدة 50اسبوع).
§ 15 أغسطس 2022 م انتهت مرحلة جمع المعلومات والانتقال إلى التحديد النهائي.
§ 26 سبتمبر 2022 م مرحلة التحديد بالهليوم المسال انتهت والانتظار لانتهاء الهليوم.
§ أكتوبر 2022 م بدأت ثلاث مراحل لتحليل البيانات ( على الأرض).
§ فبراير 2022 م مرحلة تحليل البيانات انتهت .
§ سبتمبر 2022 م إدراك خطأ في التحليل خصوصا حركة البوصلة الجيروسكوبية .
§ ديسمبر 2022 م إكمال المرحلة الثالثة من تحليل البيانات ( بعد تصحيح الخطأ).
§ 14 ابريل 2022 م الإعلان عن أفضل النتائج حيث صرّح Francis Everitt ” بيانات GP-B تؤكد بوضوح أن نبوءات اينشتاين حول تأثير الجيوديسي ذات دقة 1% وأن تأثير سحب الإطار أصغر 170 مرة من تأثير الجيوديسي وما زال علماء ستانفورد يحللون البيانات”
§ من المتوقع أن يستمر تحليل البيانات حتى تعلن النتائج النهائية في أغسطس 2022 م .
.. إذا تم اكتشاف المجال الجذبي ( وهذا المتوقع) فاينشتاين كان محقا من جديد ، وإذا لم يجدوا ذلك ؟ سيكون عيب في نظرية اينشتاين وسيبشر بثورة جديدة في الفيزياء؟!!!
لكن ماذا نعمل مع المجال الجذبي أو gravitomagnetism إن وجدناه؟
نفس السؤال طـُرح عدة مرات في القرن التاسع عشر عندما ماكسويل و فارادي والآخرون اكتشفوا الكهرومغناطيسية أي استعمال يمكن أن يكون؟
اليوم نحن محاطون بمنافع بحثهم المصابيح..الحاسبات.. الأدوات الكهربائية المنزلية والقائمة تطول …
هل سيكون مجال الجذب ذا فائدة؟
أم هو معلم آخر على طريق مسعانا لفهم الحياة ؟!! المستقبل سيخبرنا بذلك !!!
والدرجة الثانية موضحا سلسلة فوريير وطريقة فصل المتغيرات
واشتقاق معادلة الحرارة
جميعا على الرابط:
http://www-solar.mcs.st-and.ac.uk/~a…3/PDE/PDE.html
__________________
المصدر
www.hazemsakeek.com/vb/
هل تتغير مع الزمن الكيفية التي تعمل بها الطبيعة داخليا؟
بعض الكميات لا تتغير أبدا، ويسميها الفيزيائيون «ثوابت الطبيعة». ومثل هذه الكميات الفيزيائية الثابتة، كسرعة الضوء (c) وثابت الثقالة لنيوتن (G) وكتلة الإلكترون (m)، يفترض ثباتها في كل زمان ومكان في الكون. فهي بمنزلة سقالات البناء scaffolding التي تقام حولها نظريات الفيزياء، وتحدد بنية الكون الذي نعيش فيه. ولقد تقدم علم الفيزياء بفضل النجاح المطرد في إحراز قياسات أكثر دقة لقيم هذه الثوابت.
وعلى الرغم من ذلك فالملاحظ أن أحدا لم يوفق بعد في التنبؤ بأي من هذه الثوابت أو تفسيرها. فالفيزيائيون لا يعرفون سببا لاتخاذ هذه الثوابت قيما عددية معينة؛ حيث نجد في النظام الدولي للوحدات SI units أن مقدار c هو792458 299 و G هو 6.673×10^-11 وme هو 9.10938188×10^-31، وهي أعداد لا تتبع نمطا يمكن إدراكه أو تمييزه. والخيط الوحيد الذي يربط بين هذه القيم هو أنه إذا كان عدد منها مختلفا ولو قليلا لما أمكن وجود بنى ذرية معقدة، كما هي الحال في الكائنات الحية. وكانت الرغبة في تفسير الثوابت الفيزيائية إحدى القوى الدافعة وراء الجهود المبذولة لتطوير نظرية موحدة وكاملة لوصف الطبيعة أو «نظرية كل شيء»(1). وقد أمّل الفيزيائيون أن توضح مثل هذه النظرية أن أيّا من ثوابت الطبيعة يمكن أن تكون له فقط قيمة واحدة ممكنة منطقيا. وهذا من شأنه أن يكشف عن ترتيب أساسي لما يبدو في الطبيعة من عشوائية.
إن حالة الثوابت الفيزيائية صارت في السنوات الأخيرة أكثر تشويشا. فقد وجد الباحثون أن أفضل نظرية مرشحة لكل شيء، وهي نظرية الأوتار المسماة «النظرية M» تكون متسقة ذاتيا فقط إذا كان للكون أكثر من أربعة أبعاد للفضاء (المكان) والزمان، فتزيد إلى سبعة أو أكثر. ويقضي أحد التضمينات بأن الثوابت التي نرصدها يمكن في الواقع ألا تكون حقا ثوابت أساسية. إنها توجد في الفضاء ذي الأوج البعدي، ونحن لا نرى سوى «ظلالها» الثلاثية الأبعاد فقط.
في غضون ذلك بدأ الفيزيائيون يدركون أيضا أن قيم العديد من الثوابت الفيزيائية ربما تكون مجرد نتيجة ظرف عرضي في فترة مبكرة من التاريخ الكوني خلال أحداث عشوائية وسيرورات الجسيمات الأولية. والواقع أن نظرية الأوتار تسمح بوجود عدد هائل (10500) من «العوالم» الممكنة لها مجموعات من القوانين والثوابت المتساوقة ذاتيا والمختلفة فيما بينها(2). وحتى الآن، ليس لدى الباحثين أيّ فكرة عن سبب اختيارنا لهذه التوافقية. والدراسة المستمرة يمكن أن تختزل عدد العوالم الممكنة إلى عالم واحد لكن يجب علينا أن نظل مهيَّئين لتقبل احتمالية مثيرة للأعصاب مؤداها أن كوننا المعروف ليس إلا واحدا من أكوان عديدة ـ أي إنه جزء من كون مضاعف متعدد الأجزاء (العوالم) multiverse ـ وأن الأجزاء المختلفة من الكون المتعدد تبدي حلولا مختلفة للنظرية. وليست قوانين الطبيعة التي نرصدها إلا مجرد نسخة واحدة من منظومات عديدة للقوانين الداخلية المحلية
لا يمكن إذًا أن يكون هناك تفسير إضافي للعديد من ثوابتنا العددية إلا كونها تشكل توافقا نادرا يسمح بتطور الوعي. ويمكن أن يكون عالمنا المشاهَد واحدة من واحات عديدة منعزلة محاطة بفضاء لانهائي غير مأهول ـ أي مكان سريالي(3) تتحكم فيه قوى الطبيعة المختلفة، ويستحيل فيه وجود جسيمات مثل الإلكترونات أو بنى مثل ذرات الكربون أو جزيئات الدناDNA. وإذا حاوَلْتَ المغامرة بدخول ذلك العالم الخارجي، فإنك سوف تُوقِف كَينونَتك.
وهكذا نجد أن نظرية الأوتار تعطي باليد اليمنى وتأخذ باليسرى، إذ إنه تم استنباطها جزئيا لتفسير القيم الاختيارية arbitrary للثوابت الفيزيائية، في حين تحتوي معادلاتها الأساسية على بضعة وسطاء (معامِلات) اختيارية، وحتى الآن لم تستطع نظرية الأوتار أن تقدم تفسيرا لقيم الثوابت المقيسة (المرصودة).
مسطرة يمكنك أن تثق بها
يمكن أن تكون كلمة «ثابت» في حقيقة الأمر تسمية مغلوطة، فالثوابت التي نعرفها يمكن أن تتغير في كل من الزمان والمكان. ولو تغيرت الأبعاد الإضافية للمكان في الحجم، فإن «الثوابت» في عالمنا الثلاثي الأبعاد سوف تتغير معها. وإذا ما نظرنا بعيدا بصورة كافية في الفضاء، فربما نبدأ باكتشاف مناطق تكون «الثوابت» فيها استقرت واتخذت قيما مختلفة. ولقد خَمّن الباحثون منذ ثلاثينات القرن العشرين أن الثوابت يمكن أن تكون غير ثابتة. وتُسبِغ نظرية الأوتار على هذه الفكرة معقولية نظرية وتجعلها الأكثر أهمية من كل ما عداها بالنسبة للملاحظين الذين يبحثون في الانحرافات عن الثّبات.
وتدعو مثل هذه التجارب إلى التحدي. وتكمن المشكلة الأولى في أن الجهاز المختبري ذاته يمكن أن يكون حسّاسا لما يحدث في الثوابت من تغيرات. إن حجم جميع الذرات يمكن أن يتزايد، لكن إذا ما تزايد بالمثل طول المسطرة التي تستخدمها لقياس الأبعاد، فإنك لن تستطيع أبدا أن تقرر الصواب. فالتجريبيون يفترضون بصورة روتينية ثبات وحدات القياس المرجعية لما يستخدمونه من مساطر وموازين وساعات ولكنهم لا يستطيعون ذلك عند اختبار الثوابت الطبيعية. بل يجب عليهم أن يركزوا انتباههم على الثوابت التي ليس لها وحدات ـ وإنما هي أعداد صرفة ـ بحيث يكون لها نفس القيم دون النظر إلى نظام الوحدات. مثال ذلك : النسبة بين كتلتين، كنسبة كتلة الپروتون إلى كتلة الإلكترون.
وهناك إحدى النسب ذات الأهمّية الخاصة، التي تجمع بين سرعة الضوء (c) والشحنة الكهربائية للإلكترون (e) وثابت پلانك (h) وما يعرف بسماحية الفراغ vacuum permittivity . وهذه الكمية الشهيرة: a = e2/2E0hc والتي تسمى «ثابت البنية الدقيقة» تم إدخالها أول مرة في عام 1916على يد رائد تطبيقات نظرية الميكانيك الكمومي في حقل الكهرمغنطيسية. ويكمم هذا الثابت الخاصيتين: النسبوية (c) والكمومية (h) للتآثرات الكهرمغنطيسية (e) بين جسيمات مشحونة في فضاء مخلى.وقد أسفرت قياسات الثابت a عن المقدار 137.03599976/1 أو 137/1 تقريبا، وأضفت قيمة الثابت a إلى العدد 137 أهمية أسطورية بين الفيزيائيين (عادة ما يستخدمونه لفتح الأقفال التوافقية لحقائب أوراقهم.)
إذا اختلفت قيمة الثابت a، فجميع أنواع القسمات الحيوية للعالم من حولنا سوف تتغير. فإن كانت أقل فإن كثافة المادة الذرية الصلبة سوف تنخفض (متناسبة مع a3) وسوف تتكسر الروابط الجزيئية عند درجات حرارة أدنى (متناسبة مع a2)، وعدد العناصر المستقرة في الجدول الدوري يمكن أن يزيد (متناسبا معi1/a). أما إذا كانت قيمة الثابت a أكبر من اللازم فإن الأنوية الذرية الصغيرة لا يمكن أن توجد لأن التنافر الكهربائي لپروتوناتها سوف يغلب القوة النووية الشديدة التي تربط هذه الپروتونات معا. وقيمة كبيرة في حدود 0.1 سوف تنسف الكربون إلى أجزاء.
إن التفاعلات النووية في النجوم حساسة للثابت a بصورةٍ خاصة. ويلزم لحدوث الاندماج أن تُنتج ثقالة النجم درجات حرارة عالية بما يكفي لدفع الأنوية نحو بعضها بقوة على الرغم من ميلها إلى التنابذ عن بعضها بعضا. وإذا زادت قيمة a على 0.1 فإن الاندماج سيكون مستحيلا (ما لم يُضبط التوازن بعوامل أخرى مثل النسبة بين كتلتي الإلكترون والپروتون). ومجرد حدوث انزياح قدره 4 في المئة في قيمة الثابت a من شأنه أن يغير مستويات الطاقة في نواة الكربون إلى حد إيقاف إنتاج هذا العنصر بوساطة النجوم.
التكاثر النووي
والمشكلة التجريبية الثانية، الأكثر صعوبة، مؤداها أن قياس التغيرات الحادثة في الثوابت يتطلب أجهزة عالية الدقة تبقى مستقرة مدة طويلة كافية لتسجيل أي تغيرات. فحتى الساعات الذرية لا يمكنها أن تكشف حدوث انحرافات في قيمة ثابت البنية الدقيقة إلا على مدى أيام، أو سنوات على الأكثر. فإذا تغيرت قيمة الثابت aبأكثر من أربعة أجزاء في 1015 على مدى ثلاث سنوات، فإن أفضل الساعات ستسجلها. لكن لم يتم إحراز أي شيء في هذا الشأن. وقد يبدو هذا الأمر تأكيدا مثيرا على حدوث الثبات، لكن سنوات ثلاثا ليست سوى لحظة في عمر الكون. ومن الممكن أن تحدث تغيرات بطيئة ولكن جوهرية أثناء التاريخ الكوني الطويل دون أن يُلتفت إليها.
ولحسن الحظ، وجد الفيزيائيون اختبارات أخرى. فخلال سبعينات القرن العشرين، لاحظ علماء من لجنة الطاقة الذرية الفرنسية شيئا غريبا يتعلق بالتركيب النظائري لخام من منجم يورانيوم في «أوكلو»Oklo بالغابون في غرب أفريقيا، يشبه نواتج فضلات مفاعل نووي. لابد أن «أوكلو» كان منذ نحو بليوني عام، موقعا لمفاعل طبيعي(4).
بدأ و[من جامعة پرنستون] في عام 1962 بتطبيق مبادئ مماثلة على النيازك(6): ذلك أن نسب الوفرة الناشئة عن التحلل الإشعاعي لمختلف النظائر في هذه الصخور القديمة تعتمد على الثابت a. ويعتبر تحلل بيتا، أي تحول الرينيوم rheniumإلى أوزميوم osmium، التقييد الأكثر حساسية. وطبقا لأبحاث حديثة أجراها [من جامعة مينيسوتا] و[من جامعة فيكتوريا في كولومبيا البريطانية] وزملاؤهما، فإن قيمة a كانت حين تكونت الصخور، في حدود جزأين من 106 من قيمتها الحالية. وهذه النتيجة أقل دقة من نتائج «أوكلو» ولكنها أقدم كثيرا، إذ تعود إلى نشأة المجموعة الشمسية قبل 4.6 بليون سنة.
ويجب على الباحثين لسبر التغيرات الممكنة عبر فترات زمنية أطول من ذلك أن يهتموا بمراقبة السماوات. فالضوء يستغرق بلايين السنين حتى يصل من مصادر فلكية بعيدة إلى مراصدنا لأنه يحمل صورة لحظية (لقطة) للقوانين والثوابت الفيزيائية حينما بدأ رحلته أو عندما لاقى مادة أثناء الرحلة.
إقتباس:
نظرة إجمالية /ثوابت علم الفيزياء
تزخر معادلات الفيزياء بكميات مثل سرعة الضوء. ويفترض الفيزيائيون بصورة روتينية أن هذه الكميات ثابتة: أي إنها تأخذ نفس القيم دائما في كل مكان وزمان.
■ على مدى السنوات الست الماضية تساءل المؤلفان ومعاونوهما عن صحة ذلك الفرض. وحاولوا من مقارنة أرصاد الكوازارات(7) بالقياسات المرجعية المختبرية ـ أن يبرهنوا على أن العناصر الكيميائية التي وُجدت في الماضي البعيد امتصت الضوء بطريقة مختلفة عمّا تفعله العناصر نفسها اليوم. ويمكن تفسير هذا الاختلاف استنادا إلى تغير في أحد الثوابت، هو المعروف بثابت البنية الدقيقة، ببضعة أجزاء لكل مليون جزء.
■ هذا التغيّر، إذا ما تم تأكيده، على الرغم من أنه يبدو ضئيلا، سوف يكون إنجازا ثوريا، لأنه سوف يعني أن الثوابت التي تم رصدها ليست عالمية شاملة، ويمكن أن تكون إشارة إلى أبعاد إضافية للمكان (الفضاء).
دخل علم الفلك إلى قصة الثوابت فور اكتشاف الكوازارات عام 1965 . كانت الفكرة بسيطة؛ فقد تم تعرّف الكوازارات المكتشفة توّا باعتبارها مصادر ضوئية لامعة تتوضع عند مسافة هائلة من الأرض. و نظرا لأن مسار الضوء من الكوازار إلى الأرض طويل جدا، فإنه لامناص من تقاطعه مع الضواحي الغازية للمجرّات الفتية. يمتص ذلك الغاز ضوء الكوازار عند ترددات معينة، طابعًا بذلك «باركود» barcode من خطوط متقاربة على الطيف المسجل للكوازار
وكلما امتص الغاز الضوء قفزت الإلكترونات داخل الذرة من مستوى طاقة أقل إلى مستوى طاقة أعلى. وتحدَّد مستويات الطاقة هذه بمدى إحكام قبضة النواة الذرية على الإلكترونات، الذي يعتمد على شدة القوة الكهرمغنطيسية بينهما، ومن ثم فهو يتوقف على ثابت البنية الدقيقة. إذا كانت قيمة الثابت مختلفة حين حدث امتصاص للضوء، أو في تلك المنطقة المحددة من الكون، التي حصلت فيها، فإن الطاقة اللازمة لرفع الإلكترون ستختلف عن الطاقة اللازمة حاليا في التجارب المختبرية، ومن ثم سوف تختلف الأطوال الموجية للانتقالات المرئية في الأطياف. وتعتمد الطريقة التي تتغير بها الأطوال الموجية بصورة حاسمة على التشكيل المداري للإلكترونات. وتتقلص بعض الأطوال الموجية بالنسبة لتغير معين في قيمة a في حين تزداد أخرى. ويصعب محاكاة النمط المعقَّد للتأثيرات باستخدام أخطاء معايرة البيانات مما يمنح الاختبار قوة مدهشة.
الضوء وثابت البنية الدقيقة
قبل أن نبدأ عملنا منذ سبع سنوات، كانت هناك مشكلتان تحدان من محاولات إجراء القياسات، أولاهما: لم يكن باحثو المختبر قد قاسوا الأطوال الموجية للعديد من الخطوط الطيفية ذات الصلة بدقة كافية. ومما يبعث على السخرية أن العلماء اعتادوا أن يعرفوا عن أطياف الكوازارات التي تبعد عنّا بلايين السنين الضوئية أكثر مما يعرفونه عن أطياف العينات هنا على الأرض. ولقد احتجنا إلى قياسات مختبرية عالية الدقة لمقارنتها بأطياف الكوازار، لذا أقنعنا العلماء التجريبيين بأن يولوها عناية واهتماما. فقام بالقياسات الأولية و[من الكلية الإمبراطورية بلندن] وتلتهما مجموعات بقيادة [من مرصد لوند بالسويد] و[من المعهد الوطني للمعايرة والتقانة في ميريلاند].
أما المشكلة الثانية فقد تمثلت في أن الأرصاد السابقة استخدمت مايسمى «خطوط الامتصاص الثنائية للقلويات»(8) ـ وهي أزواج من خطوط امتصاص ناشئة عن الغاز نفسه، مثل الكربون أو السيليكون. قارن العلماء المسافات البينية لهذه الخطوط في أطياف كوازار بالقياسات المختبرية. لكن هذه الطريقة لم تنجح في الاستفادة من ظاهرة مهمة مؤداها أن التغير في قيمة الثابت a لا يؤدي فقط إلى مجرد تغيير المسافة الفاصلة بين مستويات طاقة الذرة بالنسبة لأدنى مستوى طاقة(9) أو الحالة الأساسية «الأرضية» وإنما يغيّر أيضا موضع الحالة الأرضية ذاتها. وفي الواقع فإن هذا التأثير الثاني أقوى كثيرا من الأول. وبناء على ذلك، فإن أعلى دقة أنجزها الراصدون كانت نحو جزء واحد من 104 فقط.
البحث عن تغيرات في ضوء الكوازارات
عندما تنار سحابة غازية بعيدة بضوء كوازار، فإنها توفر للفلكيين فرصة لسبر عملية امتصاص الضوء، ومن ثم اختبار قيمة ثابت البنية الدقيقة في بدايات التاريخ الكوني.
1 يبدأ الضوء المنبعث من كوازار رحلته إلى الأرض منذ بلايين السنين بطيف بسيط أملس.
2 يمر الضوء المنبعث في أثناء رحلته خلال سحابة غازية أو أكثر، فيحجب الغاز أطوالا موجية معينة لتنشأ سلسلة من الخطوط السوداء في الطيف. ولإجراء قياسات على ثابت البنية الدقيقة يركز الفلكيون اهتمامهم على الامتصاص بالفلزات (المعادن).
3 حينما يصل الضوء إلى الأرض، تكون الأطوال الموجية للخطوط قد انزاحت بسبب التمدد الكوني. ويدل مقدار الإزاحة على بُعد السحابة، ومن ثم على عمرها.
4 يمكن مقارنة المسافات الفاصلة بين الخطوط الطيفية بالقيم المقاسة في المختبر. وظهور فروق يعني أنه كان لثابت البنية الدقيقة قيمة مختلفة.
يبين طيف كوازار، مأخوذ بمقراب كبير جدا في المرصد الجنوبي الأوروبي، خطوط الامتصاص الناتجة من سحب غازية بيننا وبين الكوازار (موضحة بأسهم في اليمين). وتبين مواضع الخطوط (الموضحة بأسهم في أقصى اليمين) أن الضوء مر خلال سحب غازية منذ نحو 7.5 بليون سنة.
توصل أحدنا بالاشتراك مع[من جامعة نيوساوث ويلز في أستراليا] في عام 1999 إلى طريقة تأخذ كلا التأثيرين في الاعتبار. وكانت النتيجة اختراقا هائلا حيث تضاعفت الحساسية عشر مرات. وتسمح هذه الطريقة، إضافة إلى ذلك، بالمقارنة بين عناصر مختلفة (على سبيل المثال، المغنيزيوم والحديد) مما يتيح الفرصة لمزيد من التدقيق المتبادل cross cheeking. وقد تطلب تطبيق هذه الفكرة القيام بحسابات عددية معقدة للبرهنة بدقة على كيفية اعتماد الأطوال الموجيّة المرصودة على a بالنسبة لمختلف أنواع الذرات. ولقد تمكنا بالجمع بين هذه المقاربة الجديدة المعروفة باسم «طريقة تعدد الخطوط الطيفية المضاعفة»(10) وبين استخدام المقاريب والمكاشيف الحديثة من اختبار ثبات a بدقة غير مسبوقة.
تغيير الآراء
عندما باشرنا العمل في هذا المشروع توقعنا أن نُثْبت أن قيمة ثابت البنية الدقيقة منذ عهد بعيد كانت هي نفس القيمة الحالية، وأن إسهامنا سيكون ببساطة توفير دقة أعلى. لكن الذي أدهشنا أن النتائج الأولى في عام 1999 أظهرت فروقا صغيرة ولكنها معنوية من الناحية الإحصائية. وأكدت نتائج إضافية هذا الاكتشاف. وقد وجدنا استنادا إلى حصيلة 128 خط امتصاص في طيف كوازاري أن متوسط الزيادة في قيمة الثابت a قريب من ستة أجزاء في المليون طوال الفترة التي راوحت بين ستة بلايين و12 بليون سنة.
إن الادعاءات غير العادية تتطلب برهانا غير عادي، ومن ثم فقد تحولت أفكارنا العاجلة إلى مسائل محتملة خاصة بالنتائج أو طرق التحليل. ويمكن تصنيف هذه الارتيابات إلى نوعين: منهجية وعشوائية. أمّا الارتيابات العشوائية فإنها أسهل فهما، فهي بكل ما في الكلمة من معنى ـ اعتباطية. وتختلف الارتيابات العشوائية من قياس لآخر، لكن حاصل متوسطها يقترب من الصفر بالنسبة لعينة كبيرة. أما الارتيابات المنهجية التى ليس لها متوسط إجمالي فإنه يصعب التعامل معها لأنها متوطنة في علم الفلك؛ ويمكن خفضها إلى الحد الأدنى إذا قام علماء المختبر التجريبيون بتعديل تركيبة أجهزتهم وتبديل ترتيبها. لكن الفلكيين لا يستطيعون تغيير الكون، لذا فإنهم مجبرون على قبول الاعتقاد بأن جميع طرقهم لتجميع النتائج تتضمن انحيازا bias تتعذر إزالته. فعلى سبيل المثال، إن أي مسح للمجرات سوف يتمثل بدرجة أكبر بالمجرات البراقة لأن رؤيتها أسهل. كما أن تعرّف هذه الانحيازات ومعادلتها يبقى تحديا ثابتا.
كان أول ما بحثنا عنه هو تشوه مقياس الطول الموجي الذي قيست عليه الخطوط الطيفية للكوازار. ويمكن إدخال مثل هذا التشوه، على سبيل المثال، أثناء معالجة بيانات الكوازار من حالتها الخام عند المقراب إلى طيف معايَر. وعلى الرغم من أن التمدد أو الانضغاط الخطي البسيط لمقياس الطول الموجي لا يستطيع أن يحاكي بدقة التغير في الثابت a، فإن محاكاة دقيقة يمكن أن تكون كافية لتفسير نتائجنا. ولاختبار مشكلات من هذا النوع، استعضنا عن بيانات المعايرة ببيانات الكوازار وقمنا بتحليلها، متظاهرين بأنها كانت نتائج الكوازار. وقد استَبعدت هذه التجربة أخطاء التشوُّه البسيطة بثقة عالية.
وطوال سنتين أو أكثر استطعنا أن نُعد الانحيازات المحتملة، الواحد تلو الآخر، فقط لاستبعادها بعد بحث تفصيلي بسبب ضآلة التأثير. ولقد تعرَّفنا حتى الآن مصدرا واحدا فقط للانحياز يمثل أهمية محتملة، ويتعلق بخطوط الامتصاص الناتجة من عنصر المغنيزيوم. فكل نظير من النظائر الثلاثة المستقرة للمغنيزيوم يمتص ضوءا ذا طول موجي مختلف، لكن الأطوال الموجية الثلاثة قريبة من بعضها. وبصورة عامة، يسجل التحليل الطيفي للكوازار الخطوط الثلاثة مندمجة في خط واحد. ويستدل الباحثون استنادا إلى قياسات الوفرة النسبية للنظائر الثلاثة مختبريا على إسهام كلٍّ منها. وإذا اختلفت نسب الوفرة هذه في الكون الفتي بصورة جوهرية ـ مثلما يحتمل أن يكون قد حدث إذا كانت النجوم التي نثرت المغنيزيوم في داخل مجراتها أثقل، في المتوسط، من نظائرها اليوم ـ فإن تلك الفروق يمكن أن تحاكي التغير في الثابت a.
لكن دراسة منشورة هذا العام (2005) توضح أن النتائج لا يمكن تفسيرها بهذه السهولة. فقد اكتشف و[من جامعة سوينبيرن للتقانة في أستراليا] و في [من جامعة كمبريدج] أن مواءمة نسب الوفرة للنظائر كي تحاكي التغير في قيمة الثابت a، تؤدي أيضا إلى إنتاج النيتروجين بإفراط في الكون الممعن في القدم ـ مما يتناقض مباشرة مع الملاحظات الرصدية. وإذا ثبت ذلك، يجب علينا أن نتصدى للقول الأرجح، بأن قيمة الثابت a كانت متغيرة حقا.
وسرعان ما تحقق المجتمع العلمي من أهمية المغزى الهائل المحتمل لنتائجنا، وتحمس علماء أطياف الكوازار في جميع أنحاء العالم للمضي في إثره، وأجروا على الفور قياساتهم الخاصة. ففي عام 2022 دَرَست فرق عمل يقودها [من معهد إيوف الفيزيائي التقاني في مدينة سانت بطرسبورغ بروسيا] و[من جامعة هامبورغ في ألمانيا] ثلاث مجموعات كوازار جديدة. وتم تحليل 23 مجموعة أخرى عام 2022 على أيدي و[من مركز التبادل الجامعي للفلك والفيزياء الفلكية في الهند] و
[من معهد الفيزياء الفلكية] و[من LERMA في پاريس]. ولم تجد أي من هذه المجموعات تغيرا في قيمة الثابت a. وبرر هذا موضحا أن أي تغير يجب أن يكون أقل من جزء في المليون طوال الفترة من ستة إلى عشرة بلايين سنة.
كيف يمكن أن يؤدي تحليل مماثل تماما إلى مثل هذا التناقض الجذريّ لمجرد استخدام بيانات مختلفة؟ إن الإجابة غير معروفة حتى الآن. فالبيانات التي توصلت إليها هذه المجموعات ذات نوعية ممتازة، ولكن عيناتهم أصغر كثيرا من عيناتنا ولا تعود في تاريخ الكون إلى القدم نفسه. ولم يُقوِّم تحليل جميع الأخطاء التجريبية والمنهجية بصورة كاملة؛ ولأنه استند إلى صيغة مبسطة لطريقة تعدد الخطوط الطيفية المضاعفة، فربما يكون قد أدخل أخطاء جديدة من عنده.
انتقد أحد علماء الفيزياء الفلكية المشهورين، وهو [من جامعة پرنستون]، طريقة تعدد الخطوط الطيفية المضاعفة ذاتها، لكن المشكلات التي تعرَّفها كانت من نوع الارتيابات العشوائية التي تتلاشى في عينة كبيرة. كما أنه وزملاءه، إضافة إلى فريق عمل يقوده [من مختبرLawrence Berkeley الوطني] فضلوا النظر إلى خطوط الإصدار على النظر إلى خطوط الامتصاص. وتُعتبر هذه المقاربة حتى الآن أقل دقة بدرجة كبيرة، ولكنها قد تُسلم إلى نتائج مفيدة في المستقبل.
إصلاح القوانين
إذا ثبت أن اكتشافاتنا صحيحة، فإن نتائجها ستكون هائلة، على الرغم من أنه لم يَجْر تحريها إلا بصورة جزئية. وحتى عهد قريب جدا كانت جميع الجهود المبذولة لتقييم ما يحدث للكون عندما يتغير ثابت البنية الدقيقة عبارة عن محاولات غير مُرضية. فهي لم تتوصل إلى أكثر من افتراض أن الثابت a صار متغيرا في نفس الصيغ التي تم استنتاجها بفرض أنه ثابت. وهذا عرف مشكوك في نتيجته. إذا تغيرت قيمة الثابت a فإن تأثيراتها يجب أن تُبقي على انحفاظ الطاقة وكمية الاندفاع (الزخم) وأن تؤثر في الحقل التثاقلي في الكون. وقد كان [من الجامعة العبرية في القدس] أول من قام في عام 1982 بتعميم قوانين الكهرمغنطيسية بصرامة لمعالجة ثوابت متغيرة. وارتقت النظرية بالثابت a من مجرد عدد إلى ما يسمى بالحقل السلّمي(11) ـ جوهر الطبيعة التحريكي؛ لكن نظريته لم تتضمن الثقالة. ومنذ أربع سنوات قام أحدنا ، بالاشتراك مع و [من الكلية الإمبراطورية بلندن] بتعميم النظرية لتفي بذلك.
أحيانا تتغير وأحيانا لا
تغري هذه النظرية بتنبؤات بسيطة. إذ يمكن إهمال تأثير تغيرات في قيمة الثابت a في حدود أجزاء قليلة لكل مليون في تمدد الكون. ذلك لأن الكهرمغنطيسية أضعف كثيرا من الثقالة على المقياس الكوني. لكن على الرغم من أن التغيرات في ثابت البنية الدقيقة لا تؤثر بشكل عام في تمدد الكون، فإن التمدد يؤثر في قيمة الثابت a. إن ما يُحدِث التغيراتِ في قيمة الثابت a هو عدم التوازن بين طاقة الحقل الكهربائي وطاقة الحقل المغنطيسي. فخلال عشرات الآلاف من السنين الأولى من عمر الكون ساد الإشعاع على الجسيمات المشحونة وبقي الحقلان الكهربائي والمغنطيسي في حالة اتزان. ومع زيادة تمدد الكون رَقَّت منطقة الإشعاع وأصبحت المادة هي المكون السائد للكون. وأصبحت الطاقتان الكهربائية والمغنطيسية غير متساويتين، وبدأ الثابت a بالزيادة ببطء شديد متناميا بشكل يتناسب مع لوغاريتم الزمن. ومنذ نحو ستة بلايين سنة سادت الطاقة المظلمة وتسارع التمدد، وتعذَّر بذلك على جميع التأثيرات الفيزيائية أن تنتشر خلال الفضاء، فعاد مقدار الثابت a مرة أخرى مقدارا ثابتا تقريبا.
يتَّسق هذا النمط المتنبأ به مع ملاحظاتنا (أرصادنا). فالخطوط الطيفية للكوازارات تمثل فترة سيادة المادة في التاريخ الكوني، عندما كان الثابت a يتزايد. في حين توافق النتائج المختبرية ونتائج «أوكلو» فترة سيادة الطاقة المظلمة التى كان مقدار الثابت a خلالها ثابتا. وتعتبر الدراسة المستمرة لتأثير التغير في a في العناصر المشعة في النيازك ذات أهمية خاصة لأنها تسبر الانتقال بين هاتين الفترتين.
ألفا هي مجرد البداية
لا تقتصر أية نظرية جديرة بالاعتبار فقط على استخراج الملاحظات، وإنما يجب أن تقدم تنبؤات جديدة. وتقترح النظرية المذكورة آنفا أن تغيير ثابت البنية الدقيقة يجعل الأشياء تسقط بطريقة مختلفة. لقد تنبأ بأن الأجسام تسقط في الفراغ بنفس المعدل مهما كان محتواها ـ وهي الفكرة المسماة «مبدأ التكافؤ الضعيف»(12) الذي بُرهِن عليه بوضوح عندما قام ملاح الفضاء في أپولّو 15 بإسقاط ريشة طائر ومطرقة ورآهما يرتطمان بالتراب القمري في الوقت نفسه. أما إذا تغيرت قيمة a فإن ذلك المبدأ لا يتحقق تماما. فالتغيرات تولد قوة تؤثر في جميع الجسيمات المشحونة. ويزداد الإحساس بهذه القوة كلما زادت الپروتونات الموجودة في نواة الذرة. فإذا كانت أرصادنا للكوازارات صحيحة فإن تسارعات المواد المختلفة تختلف بنحو جزء في 1014ـ وهي من الضآلة بحيث تستعصي على الرؤية في المختبر بمعامل يبلغ نحو 100، ولكنها كبيرة بما يكفي لوضوحها في بعثات مستقبلية مثل الاختبار الفضائي لمبدأ التكافؤ (STEP)(13)
يعتقد وفقا للمخطط الكبير للأشياء، أن الكون المشاهد جزء صغير من كون متعدد العوالم. ويمكن أن تختلف قيمة ثابت البنية الدقيقة a في مناطق أخرى عن قيمتها عندنا. ويستطيع ملاحو الفضاء مبدئيا أن يغامروا بدخول هذه العوالم، ولكنهم سوف يواجهون مشهدا سرياليا، حيث سيجدون أن قوانين الفيزياء التي تجعل وجودهم ممكنا قد سحبت من تحت أقدامهم
هناك تطور أخير غير متوقع في هذه القصة. فلقد أهملت الدراسات السابقة للثابت a أن تأخذ بالاعتبار بحث خاصية حيوية هي «تجمع الكون الكبير»(14). إن مجرة درب التبانة، ككل المجرات، أكثف مليون مرة تقريبا من المتوسط الكوني، لذا فإنها لا تتمدد بالتوازي مع الكون. لقد أوضحت حسابات و[من كمبريدج] في عام 2022 أن قيمة a قد تتصرف داخل المجرة بطريقة مختلفة عن سلوكها في داخل المناطق الأكثر فراغا (خلاء) من الفضاء. وما إن تتكاثف مجرة فتية وتتراخى لتصل إلى حالة توازن تثاقلي حتى يتوقف الثابت a تقريبا عن التغير داخلها، لكنه يستمر في التغير خارجها. لذا فالتجارب الأرضية التي تسبر ثبات a تعاني انحيازا انتقائيا. ونحن بحاجة إلى المزيد من دراسة هذا التأثير لنعرف كيف يؤثر في اختبارات مبدأ التكافؤ الضعيف. ولم تشاهد حتى الآن تغيرات مكانية في قيمة a. وقد أوضح حديثا ـ استنادا إلى انتظام إشعاع الخلفية الكوني للموجات الميكروية ـ أن الثابت a لا يتغير بأكثر من جزء واحد من 108 بين مناطق يفصلها عن بعضها في السماء مقدار عشر درجات.
إلى أين إذًا أوصلت فورةُ النشاط هذه العلمَ فيما يخص الثابت a؟ إننا ننتظر بيانات وتحليلات جديدة لتأكيد أو دحض القول بأن الثابت a يتغير على المستوى المزعوم. ويركز الباحثون على هذا الثابت أكثر من التركيز على غيره من ثوابت الطبيعة لأن تأثيراته ـ ببساطة ـ قابلة للإدراك بسهولة. وإذا كان الثابت a قابلا للتغير، فإن الثوابت الأخرى يجب أن تتغير أيضا، جاعلة الطرق التفصيلية لأداء الطبيعة عملها أكثر تقلبا مما خطر على بال العلماء.
إن الثوابت لغز غامض خَتَّال. فكل معادلة فيزيائية مليئة بها، وهي تبدو عادية ومباشرة لدرجة يميل الناس معها إلى أن ينسوا أن قيمها غير قابلة للتعليل. وأصل هذه الثوابت شديد الارتباط بعدد من القضايا الرئيسية في العلم الحديث بدءا من توحيد الفيزياء ووصولا إلى تمدد الكون. ويمكن أن تكون هذه الثوابت الظل السطحي لبنية أضخم وأكثر تعقيدا من الكون الثلاثي الأبعاد الذي نشاهده حولنا. وتحديد ما إذا كانت الثوابت ثابتة حقا ليس إلا الخطوة الأولى على طريق مؤدية إلى إدراك أعمق وأوسع لذلك الأفق النهائي.
المؤلفان
John D.Barrow – John K.Webb
بدآ بالعمل معا في عام 1996 لاختبار ثوابت الطبيعة، عندما قضى إجازة تفرغ علمي مع في جامعة سسكس بإنجلترا. كان يقوم بتحري إمكانات نظرية جديدة للثوابت المتغيرة، وكان مستغرقا في أرصاد الكوازارات. وسرعان ما أغرى مشروعهما فيزيائيين وفلكيين آخرين، خاصة
[من جامعة نيو ساوث ويلز بأستراليا] و [من جامعة كمبريدج] و[من الكلية الإمبراطورية بلندن]. يعمل الآن أستاذا في كمبريدج وزميلا للجمعية الملكية في حين يعمل أستاذا في جامعة نيو ساوث ويلز، وكلاهما معروف بجهوده في تبسيط العلوم. ألف 17 كتابا عاما وعرضت مسرحيته «النهايات» Infinities في إيطاليا، وتكلم في مواقع متنوعة بما فيها مهرجان أفلام ڤينيسيا و10 داوننغ ستريت والڤاتيكان. أما فيحاضر دوليا بصورة منتظمة وعمل في أكثر من عشرة برامج تلفزيونية وإذاعية.
(1) theory of everything
(2) [انظر: “The String Theory Landscape,” by Raphael Bousso – Joseph Polchinski; Scientific American, September 2022].
(3) السّرياليّة: فوق الواقع،التعبير عن أنشطة العقل الباطن بصورٍ غير منتظمة وغير مترابطة. (التحرير)
(4) [انظر: by George A.”Natural Fission Reactor,” Cowan;Scientific American,July 1976].
(5) samarium nucleus
(6) Meteorites
(7) الكوازارQuasar : جرم شبه نجمي، يبدو في أفضل المراصد، كمنبع ضوئي نقطي نشيط جدا، كأيّ نجم، لكنه يقع على حافة الكون. وهو، بخلاف النجوم، يصدر موجات راديوية، ومن هنا أتت التّسمية؛ وقد تم اكتشافه عام 1965. ويبدو أن هناك العديد من الكوازارات في الكون. ورغم أن حجمه أصغر من حجم مجموعتنا الشمسية، فإن الطاقة المتدفقة منه أكبر بآلاف المرات من الطاقة الناتجة من كامل درب التبانة. ويعتقد معظم الفلكيين بوجود ثقب أسود (كتلته أكبر بمقدار 108 من كتلة شمسنا) في مركز كل جرم شبه نجمي. (التحرير)
(8) Alkali-doublet absorption lines
(9) Lowest-energy level
(10) The many-multiplet method
(11) scalar field
(12) The weak equivalence principle
(13) Space-based test of the equivalence principle
(14)The lumpiness of the universe
المصدر: مجلة العلوم
