الفكرة الكبيرة: هل نحن على وشك اكتشاف قوة جديدة للطبيعة؟ | الفيزياء

متتعامل الفيزياء الحديثة مع بعض الحدود المتطرفة المذهلة حقًا. يكشف علم الكونيات أن الأرض هي نقطة صغيرة وسط كون يمكن رؤيته ويبلغ عرضه 93 مليار سنة ضوئية. وفي الوقت نفسه، تستكشف مصادمات الجسيمات اليوم عالمًا صغيرًا أصغر بمليارات المرات من أصغر ذرة.

هذين النقيضين، أكبر وأصغر المسافات التي يسبرها العلم، يفصل بينهما 47 مرة. هذا واحد وبعده 47 صفرًا، وهو رقم ضخم جدًا لدرجة أنه لا يستحق محاولة فهمه. ومع ذلك، على الرغم من استكشاف هذه المسافات والظواهر المختلفة جذريًا، فإن علم الكونيات وفيزياء الجسيمات مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. إن مراقبة حركات النجوم والمجرات يمكن أن تكشف عن تأثير الجسيمات التي لم يتم اكتشافها بعد، في حين أن دراسة الجسيمات الأساسية في المختبر يمكن أن تخبرنا عن ولادة الكون وتطوره.

ومن المثير للاهتمام أن كلا التخصصين يتصارعان مع نتائج غير مفسرة يمكن أن تشير إلى وجود قوة جديدة في الطبيعة. إذا تم تأكيد مثل هذه القوة الجديدة، فإن الآثار المترتبة على فهمنا للكون وتاريخه وتركيبه ستكون عميقة.

هناك أربع قوى نعرفها بالفعل. تتحكم الجاذبية في أعظم المقاييس، حيث تنظم الكواكب في مداراتها وتشكل تطور الكون ككل. تؤدي القوة الكهرومغناطيسية إلى ظهور مجموعة واسعة من الظواهر، بدءًا من المجال المغناطيسي للأرض وحتى موجات الراديو والضوء المرئي والأشعة السينية، بينما تجمع أيضًا الذرات والجزيئات، وبالتالي العالم المادي معًا. وفي أعماق النواة الذرية، تظهر قوتان أخريان: “القوة القوية”، التي تربط النوى الذرية، و”القوة الضعيفة”، التي تسبب، من بين أمور أخرى، التحلل الإشعاعي وتمكن التفاعلات النووية التي تزود الشمس والأرض بالطاقة. النجوم.

لقد أدت دراسة هذه القوى إلى تحويل فهمنا للطبيعة وولدت تقنيات ثورية جديدة. لقد أتاح لنا العمل على الكهرومغناطيسية في القرن التاسع عشر الدينامو الكهربائي والبث الإذاعي، وأدى اكتشاف القوى القوية والضعيفة في ثلاثينيات القرن العشرين إلى إنتاج الطاقة النووية والقنابل الذرية، بينما مكّننا فهم الجاذبية من وضع رواد فضاء على سطح القمر والهبوط على سطحه. تطوير أقمار صناعية لنظام تحديد المواقع (GPS) يمكنها إخبارنا بموقعنا في أي مكان على الأرض على مسافة بضعة أمتار. إن الكشف عن قوة خامسة سيكون بمثابة جائزة جحيمية.

تراكمت التلميحات التي تشير إلى أن الفيزيائيين قد يكونون على وشك تحقيق مثل هذا الاختراق على مدى العقد الماضي. تأتي الشريحة الأولى من الأدلة من تجارب فيزياء الجسيمات هنا على الأرض، والتي يبدو أن نتائجها تتعارض مع أفضل نظرياتنا الحالية للجسيمات الأساسية، وهي النموذج القياسي.

على الرغم من اسمه غير الملهم إلى حد ما، فإن النموذج القياسي هو واحد من أعظم الإنجازات الفكرية للبشرية، وأقرب ما توصلنا إليه من نظرية لكل شيء، وقد اجتاز كل اختبار تجريبي تم إجراؤه عليه بنجاح. حتى الآن على الأقل.

ومع ذلك، فقد رصدت تجربة بابار في كاليفورنيا، وتجربة بيل في اليابان، وتجربة LHCb في سيرن، جسيمات أساسية غريبة تُعرف باسم “الكواركات الجميلة” تتصرف بطرق تتعارض مع توقعات النموذج القياسي. وفي الوقت نفسه، خارج شيكاغو مباشرةً، كانت تجربة Muon g–2 التي أجراها فيرميلاب منشغلة بدراسة نوع آخر من الجسيمات الأساسية يُسمى الميون، ووجدت أنه يصدر مجالًا مغناطيسيًا أقوى قليلًا من المتوقع.

تتضمن التفسيرات الأكثر إثارة لهذه الحالات الشاذة قوى طبيعية غير معروفة حتى الآن، والتي تغير بمهارة الطريقة التي تتحول بها كواركات الجمال إلى جسيمات أخرى أو تعبث بمغناطيسية الميون. مثل هذه القوة الجديدة يمكن أن تساعد في فتح بنية أعمق في قاعدة الواقع، مما يفسر سبب وجود الجسيمات الأساسية في الطبيعة التي لدينا. وهناك احتمال محير آخر وهو أنه يمكن أن يكون بمثابة رابط إلى “الكون المظلم” غير المرئي، والمكون من مادة مظلمة غير مرئية.

ومع ذلك، فإن الصورة العامة في الوقت الحالي لا تزال غامضة بشكل محبط. منذ أكثر من عام بقليل، سكبت النتائج الجديدة من LHCb الماء البارد على احتمالات تحقيق اختراق كبير، بعد العثور على تحيزات ضائعة في بعض القياسات السابقة. في هذه الأثناء، كان المنظرون يناقشون مدى المغناطيسية التي يجب أن يكون عليها الميون، مما يترك الباب مفتوحًا أمام احتمال أن يكون هذا الشذوذ ناتجًا عن مشكلة حسابية.

ولعل الدليل الأكثر إقناعا على وجود قوة جديدة تعمل في الكون يأتي من الطرف الآخر من المقياس الكوني. على مدى السنوات القليلة الماضية، كان علم الكونيات ممزقًا بما أصبح يعرف باسم “أزمة هابل” – وهو خلاف كبير حول مدى سرعة توسع الكون.

وفقا للقصة الكونية المقبولة، فإن الكون كما نعرفه بدأ مع الانفجار الكبير قبل حوالي 13.8 مليار سنة، وهو يتوسع منذ ذلك الحين، مع تباعد المجرات عن بعضها البعض مع تمدد الفضاء بينها. لدى علماء الكون طريقتان لمعرفة مدى سرعة تمدد الفضاء. يتضمن أحدهما دراسة مجموعة من المجرات البعيدة من خلال التلسكوبات، ثم تحديد العلاقة بين بعدها ومدى السرعة التي تبدو وكأنها تندفع بعيدًا عنا. أما الآخر فيستغل خرائط دقيقة للغاية للضوء الباهت المنبعث من الكرة النارية الناتجة عن الانفجار الأعظم – والمعروفة باسم “الخلفية الكونية الميكروية” – لاستنتاج خصائص الكون الوليد. ثم تقوم بتطبيق النظرية الكونية الحالية لتحريك الساعة للأمام و يتنبأ مدى السرعة التي ينبغي أن يتوسع بها الكون اليوم.

وحقيقة أن هاتين الطريقتين تعطيان إجابات مختلفة هي أقوى دليل لدينا على أن الكون يحتوي على أكثر مما تخيلنا حتى الآن. الاحتمالات كثيرة. يتضمن الاقتراح الشائع شكلاً من أشكال الطاقة التي دفعت الكون إلى التوسع بسرعة أكبر مما كان يعتقد بعد وقت قصير من الانفجار الأعظم. ويتضمن البعض الآخر “قوى مظلمة” تعمل في العالم الخفي للمادة المظلمة. حتى أن البعض اقترح أن الجاذبية نفسها تتصرف بشكل مختلف على المساحات الشاسعة بين المجرات.

ومن غير الواضح كيف ستنتهي قصة هذه الحالات الشاذة. لكن وفرة الأدلة الناشئة تشير إلى أن الفيزياء ربما تكون على حافة شيء كبير. إن اكتشاف قوة جديدة من شأنه أن يمثل بداية عصر جديد من الاستكشاف، وربما يقدم فهمًا أعمق لبنات البناء الأساسية للطبيعة، أو يفتح الباب أمام عالم مظلم واسع وغير معروف، والذي، على الرغم من كونه غير مرئي، يحتوي على 95 عالمًا مظلمًا. % من كل ما هو موجود. إن تحقيق مثل هذه الإنجازات يكون دائمًا صعبًا، ولكن اتباع مسار الطبيعة قد يؤدي قريبًا إلى رؤية جديدة عميقة للكون.

هاري كليف هو مؤلف كتاب شذوذات الفضاء: الشذوذات الغامضة التي تتحدى فهمنا للكون (بيكادور).

قراءة متعمقة:

الثقوب البيضاء: داخل الأفق لكارلو روفيلي (ألين لين، 14.99 جنيهًا إسترلينيًا)

نهاية كل شيء: (من الناحية الفيزيائية الفلكية) بقلم كاتي ماك (Penguin، 10.99 جنيهًا إسترلينيًا)

الفيل في الكون: بحثنا لمدة مائة عام عن المادة المظلمة بقلم جوفيرت شيلينغ (بيلناب، 24.95 جنيهًا إسترلينيًا)