🎓 ☃️ 🥧 اسأل إيثان رقم 13: من أين أتى الأمر؟ 👎🏿 🤠 🌰

عندما ترى نسختك من المادة المضادة التي تتجه نحوك ، فكر جيدًا قبل معانقتها.
- ج. ريتشارد جوت الثالث

ربما لم تفكر في حقيقة أن كل الأرض وكل شيء موجود عليها قد تم إنشاؤها من المادة. يبدو بديهيًا ولا يمكن أن يكون غير ذلك. ومع ذلك ، فإن قوانين الطبيعة لم تخبرنا بعد عن سبب ترتيب الكون على هذا النحو.

يسأل القارئ:

هل صحيح أنه في فجر الكون ، تم إنشاء المادة والمادة المضادة بكميات متساوية؟ وإذا لم يكن الأمر كذلك ، فهل من المعروف لماذا نشأ عدم المساواة هذا؟
وإذا كان عددهم متماثلاً ، فلماذا تكون المادة المضادة صغيرة جدًا؟ هل هناك آلية لشرح انتشار المادة على المادة المضادة في الجزء المرئي من الكون؟

فكر في الأمر.

هذا جزء من الكون. مئات المليارات من النجوم وأنظمة النجوم موجودة فقط في مجرتنا. مئات المليارات من المجرات موجودة في الجزء المرئي من الكون. من بين كل ذلك ، درسنا فقط نظام النجوم الخاص بنا ، والذي لم يكن مفاجئًا ، أنه تم إنشاؤه من المادة ، وليس المادة المضادة.

ولكن ، على ما يبدو ، فإن بقية الكون مصنوع أيضًا من المادة. بتعبير أدق ، المادة الموجودة في الكون ممتلئة ، وإذا كان هناك جزء مصنوع من مادة مضادة في مكان ما ، فسوف نشهد كارثة هائلة عندما تلتقي المادة والمادة المضادة.

على سبيل المثال ، الفضاء بين النجوم في المجرات مليء بالمادة ، حتى لو لم تكن هناك نجوم. الكون شاسع وكثافة المادة منخفضة. يمكن حسابها - إذا ألقينا جزيءًا واحدًا من المادة المضادة (على سبيل المثال ، مضاد بروتون) في الفضاء ، فكم ستطول قبل لقائه بجسيم من المادة والإبادة. في المتوسط ، ستستمر 300 سنة في الفضاء بين النجوم في مجرتنا - وهو لا شيء مقارنة بعمر المجرة. يشير هذا القيد إلى أنه من بين المواد لا يمكن أن يكون هناك جزيئات المادة المضادة إلا بمقدار ترتيب جسيم واحد لكل 10 ¹⁵ .

على نطاق أوسع ، قمنا برسم خرائط للمجرات ومجموعاتها ، ونظرنا حولها في أطوال موجية مختلفة ، بما في ذلك الضوء المرئي ، وموجات الأشعة تحت الحمراء ، والموجات الدقيقة ، والراديو ، والأشعة فوق البنفسجية ، والأشعة السينية ، وأشعة جاما. على وجه التحديد ، تعد الأشعة السينية وأشعة غاما مهمة جدًا للملاحظات ، لأنه عند القضاء على المادة والمادة المضادة ، فإنها تنبعث منها إشعاعات مميزة عالية الطاقة ، والتي يمكننا اكتشافها.

بعد دراسة 55 عنقودًا من المجرات ، على مسافات تتراوح بين عدة ملايين من السنين الضوئية إلى ثلاثة مليارات ، رأينا أنه على المقاييس الكونية 99.999٪ + من جميع المواد هي مادة عادية ، وليست مادة مضادة.

ومع ذلك هذا غير متوقع. ربما سمعت شيئًا عن الصيغة E = mc ²، وتعلم أنها تدعي أنه لا توجد فقط طاقة في الكتلة ، ولكن يمكن أيضًا إنشاء جسيم بطاقة كافية في متناول اليد. لكن هذا ليس كل شيء.

كما أنشأنا في التجارب المعملية على الأرض ، فإن الطريقة الوحيدة لإنشاء المادة هي أخذ ضعف الطاقة كما تقول الصيغة E = mc ² ، وإنشاء نفس الكمية من المادة والمادة المضادة. والعكس بالعكس ، لا يمكننا تدمير المادة إلا عن طريق اصطدامها بالمضاد ، ونتيجة لذلك يتم إطلاق الطاقة النقية. وتقول جميع قوانين الفيزياء أن هذا صحيح في أي وقت لأي طاقات.

ومع ذلك ، فإن كوننا أمامنا.

إذا بدأنا مع الانفجار العظيم ، فعند نهاية التضخم ، مع كل الشروط الأولية اللازمة وقوانين الفيزياء المعروفة ، سيكون لدينا مثل هذه الحالة:

, , , .
, , , , , .
, .

ولكن ، إذا انخفضت الطاقة ، يصبح من الصعب على الجسيمات عالية الطاقة إنتاج أزواج جديدة من المادة / المادة المضادة (ب) ، ونتيجة لذلك ينخفض عدد التفاعلات التي تحول المادة والمادة المضادة إلى إشعاع. ولكن مع انخفاض الكثافة ، يصبح من الصعب على أزواج المادة / المادة المضادة العثور على بعضها البعض (أ) ، ونتيجة لذلك لن ينخفض عدد هذه الاجتماعات إلى الصفر. ستكون هناك دائمًا بقايا من المادة والمادة المضادة.

وهنا تبدأ أشياء غريبة. وفقًا لجميع الحسابات ، استنادًا إلى قوانين الفيزياء المعروفة وتجاربنا ، يجب أن يكون هناك 10 ²⁰ جزيءًا من الإشعاع لكل جسيم من المادة أو المادة المضادة. لكن في عالمنا لا يوجد سوى مليار منها ، 10 ⁹ قطع ، لكل جسيم من المادة. وتكون المادة المضادة عمومًا صغيرة جدًا.

إذن من أين أتت المادة الفائضة؟ لماذا ظهرت المادة الزائدة ، ولكن ليس المادة المضادة؟ وعندما؟ وكيف؟

بصراحة ، هذا هو أحد أكبر أسرار الفيزياء التي لم يتم حلها. ولكن إذا لم نكن نعرف كل شيء ، فهذا لا يعني أنه ليس لدينا أي أدلة على الإطلاق. على سبيل المثال ، منذ الستينيات من المعروف أنه من خلال استيفاء الشروط الثلاثة التالية:

عدم التوازن
رقم الباريون غير الحفظ
انتهاك C- و CP- الثبات

يمكن إنشاء مادة أكثر من المادة المضادة (أو العكس). علاوة على ذلك ، فإن عدم التماثل في هذه الحالة أمر لا مفر منه. ولحسن الحظ ، من السهل تلبية اثنين من هذه المعايير.

يحدث "نقص التوازن" عندما لا تؤثر بعض الأحداث في جزء من النظام على الجزء الآخر ، حيث لا يتوفر لدى المعلومات الوقت للوصول إليها. الكون المتوسع هو مثال ممتاز لنظام لا يوجد فيه ، بالتعريف ، أي توازن ، والوصف أعلاه لمظهر وإبادة المادة والمادة المضادة أثناء توسع الكون وتبريده هو مثال ممتاز لعملية لا توازن.

هناك أيضًا العديد من الأمثلة على الفرق بين المادة والمادة المضادة ، وكسر التماثلات المختلفة. واحد منهم هو تناظر اقتران الشحنة ، أو تناظر C. إذا قمت باستبدال جميع الجسيمات بمضادات جسيمات ، وتم الحفاظ على التناظر C ، فإن النظام سيتصرف تمامًا. الآخر هو تناظر التكافؤ ، تناظر ف. إذا تم الحفاظ عليه ، فيجب أن يتصرف النظام الحقيقي وانعكاس المرآة بشكل متطابق.

يتحلل الجسيم غير المستقر مثل الميون الدوار بطريقة محددة - عن طريق بعث إلكترون في اتجاه معين وفقًا للدوران. إذا عكست هذا في المرآة (P) ، فسيصدر الإلكترون في الاتجاه المعاكس ، وهو ما لا يحدث في الحياة. إذا قمت باستبدال الميون بمضاد للميون (C) ، فسوف ينبعث بوزيترون في الاتجاه الأصلي - وهذا لا يحدث أيضًا. لكن إذا استبدلنا الميون الدوار بنسخة طبق الأصل من مضاد الميون الدوار (C و P ، CP) ، فإننا نأمل أن يحدث انحلاله بشكل موثوق مثل انحلال الميون في العالم الحقيقي (غير المرآة). ولكن هذا لا يحدث. هناك أمثلة أخرى على انتهاك التماثلات C و CP في أنظمة k-meson أو B-meson.

لذلك ، نحتاج فقط إلى الحصول على تفاعلات لا تحافظ على رقم الباريون بكميات كافية ، وبعبارة أخرى ، ننشئ الباريونات حيث لم تكن موجودة (ولكن كان هناك شيء آخر). لسوء الحظ ، نحن بحاجة إلى فيزياء هنا ليست في النموذج القياسي.

ولكن هناك الكثير من هذه الآليات:

نظريات التوحيد الكبرى التي تحتوي على جزيئات مقياس الأمعاء
نظريات مع مقاييس جديدة تحتوي على آليات Affleck-Dyne
امتدادات للنموذج القياسي بما في ذلك النيوترينو المعقم الثقيل
نظرية اللبتونات الزائدة في الكون الصغير (leptogenesis)
فيزياء كهربائية جديدة يمكنها تحسين التباين بين المادة والمادة المضادة

سأقول لك بالتفصيل مثال واحد فقط.

تخيل كونًا شابًا حارًا وكثيفًا. بالإضافة إلى الإشعاع وجزيئات المادة والمادة المضادة المدرجة في النموذج القياسي ، يوجد جسيم آخر (وجسيم مضاد) ، Q (ومضاد Q). Q ثقيل جدًا ، أثقل من البروتون ، لديه شحنة موجبة +1 (مثل البروتون) ويظهر بكثرة في الكون الصغير ، مع أنصافه ، المضادة لـ Q ، التي لها نفس الكتلة والشحنة المعاكسة.

نظرًا لعدم استقرارها ، عندما يبرد الكون ، سيتوقف إنشاؤها. سيجد معظمهم بعضهم البعض ويبيدون ، والباقي سوف يتحلل.

لكل شكل من أشكال تسوس Q ، يجب أن يحدث تسوس مناسب لمضاد Q. إذا تحلل Q في بروتون ونيوترينو ، فيجب أن يتحلل مضاد Q إلى مضاد بروتون ومضاد نيوترينو. إذا تحلل Q في antineutron و positron ، فيجب أن يتحلل Q إلى نيوترون وإلكترون.

هذه ليست جسيمات حقيقية ، يتم إعطاؤها كمثال. ولكن في نظريات مختلفة ، توجد جسيمات مثل بوزونات X و Y في الأمعاء الدقيقة و leptoquarks في بعض امتدادات النموذج القياسي التي تعمل بقواعد متشابهة جدًا.

في حالة عدم انتهاك تناظر CP ، فسوف يتحلل بنفس الطريقة التي يتعارض بها.

في حين أن كل هذا ممل ، فإن هذه العملية لن تخلق تجاوزات في الكتلة. ولكن إذا سمحنا بانتهاك تناظر CP ، فإن الفرق بين الجسيمات والجسيمات المضادة يمكن أن يكون في عدد التحلل. ما النسبة المئوية من Q تتحلل إلى البروتونات والنيوترينوات ، مقارنة مع النسبة المئوية من التحلل ضد Q في مضادات البروتونات ومضادات النيوترينو. قد نحصل على شيء مشابه للصورة التالية ، وهو مشابه لما نلاحظه في الأنظمة مع Kaons و B-mesons. لاحظ الفرق بين تسوس Q وضد Q.

لنفترض أن كوننا مليء بالمادة والمادة المضادة بنسب متساوية ، والإشعاع ، والذي نتجاهله. افترض أيضًا أن هناك مجموعة من Q و Anti-Q بكميات متساوية تنفصل وفقًا لانتهاكات تناظر CP الموصوفة أعلاه.

ماذا تبقى؟

بحر من البروتونات ، النيوترينوات ، مضادات النيوترينوات ، البوزيترونات ، مضادات البروتونات ، مضادات النيوترينوات ، النيوترونات والإلكترونات. نعم. ولكن سيكون هناك المزيد من البروتونات والنيوترينوات أكثر من البروتونات المضادة والنيوترينوات ، وسيكون هناك عدد أقل من النيوترونات والبوزيترونات من النيوترونات والإلكترونات. إذا تجاهلنا اللبتونات (النيوترينوات ، الإلكترونات والجسيمات المضادة لها) ، فهذا ما سيتركه لنا البحر المتحلل من الجزيئات Q والمضادة لها.

وبعد اجتماع جميع أزواج المادة والمادة المضادة ، سيظل هناك فائض من المادة مقارنةً بالمادة المضادة.

حدث تباين لمثل هذا التطور للأحداث بشكل لا لبس فيه وأدى إلى حقيقة أن لدينا كميات مختلفة من المادة والمادة المضادة ، وأن كثافة المادة (ولكن ليس المادة المضادة) هي نفسها في كل مكان ننظر إليه. على الرغم من حقيقة أن هذه واحدة من أكبر المشكلات التي لم يتم حلها في الفيزياء ، إلا أننا نعرف الكثير عنها ، وهذا يستحق إعادة الرواية.

اسأل إيثان رقم 13: من أين أتى الأمر؟

More articles: