لورانس كراوس فيزيائي نظري ، وعالم كونيات ، ومدير مشروع Origins ، ومؤسس مدرسة أبحاث الأرض والفضاء في جامعة ولاية أريزونا. وهو مؤلف الكتب الأكثر مبيعًا مثل The Universe from Nothing و The Physics of Star Trek. ترجمة مقتطف من كتابه المستقبلي ، "أعظم قصة روى حتى الآن: لماذا نحن هنا؟" [أعظم قصة رواها على الإطلاق - حتى الآن: لماذا نحن هنا؟].
قبل اكتشاف جسيم هيجز في عام 2012 ، حلم خبراء فيزياء الجسيمات بنوعين من الكوابيس. الأول هو أنهم لن يجدوا أي شيء في مصادم الهادرون الكبير (LHC). في هذه الحالة ، سيكون آخر معجل رئيسي تم تصميمه لاستكشاف البنية الأساسية للكون. والثاني هو أنهم سيجدون جسيم هيجز الذي تنبأ به الفيزيائي النظري بيتر هيجز في عام 1964 على المصادم LHC ... ولا شيء آخر.
كل اكتشاف لمستوى واحد من الواقع يبين لنا المستويات التالية. لذلك ، كل اكتشاف مهم في العلم يترك لنا عادةً أسئلة أكثر من الإجابات. ولكن بعد ذلك عادة ما يعطينا على الأقل رسم تخطيطي لطريق المستقبل ، مما يساعدنا في البحث عن إجابات للأسئلة الجديدة. أصبح الاكتشاف الناجح لجسيم هيجز وتأكيد وجود خلفية غير مرئية لحقل هيجز (في العالم الكمي ، كل جسيم ، مثل جسيم هيجز ، مرتبطًا بحقل) تأكيدًا ثقيلًا للاكتشافات العلمية الجريئة للقرن العشرين.
لكن كلمات
شيلدون لي غلاشو لم تفقد أهميتها: جسيم هيجز مشابه للصرف الصحي. تخفي كل التفاصيل غير المنتظمة التي لا نريد التحدث عنها. يتفاعل حقل هيجز مع معظم الجسيمات الأولية عندما تتحرك في الفضاء ، وتخلق قوة مقاومة تبطئ حركتها وتعطيها مظهر الكتلة. لذلك ، فإن كتل الجسيمات الأولية التي قمنا بقياسها وجعل عالمنا المألوف ممكنًا هو نوع من الوهم ، وهو حادث تصورنا.
قد تبدو هذه الفكرة أنيقة ، لكنها في الواقع إضافة خاصة إلى النموذج القياسي للفيزياء - تشرح ثلاثًا من القوى الأربع المعروفة ، وكيفية تفاعلها مع المادة. تمت إضافته إلى النظرية لتلبية المتطلبات اللازمة لوصف دقيق لعالمنا. لكن النظرية نفسها لا تتطلب ذلك. يمكن للكون أن يتواجد بسهولة مع جزيئات عديمة الكتلة وتفاعل ضعيف طويل المدى (واحد من أربعة تفاعلات - الباقي سيكون قويًا وقوة كهرومغناطيسية وجاذبية). ببساطة لن نكون نحن وأسئلتنا. علاوة على ذلك ، لم يتم تحديد الفيزياء الدقيقة لنموذج هيجز داخل النموذج القياسي فقط. يمكن أن يكون الجسيم أثقل بـ 20 مرة أو أخف بـ 100 مرة.
فلماذا توجد حتى؟ ولماذا لديها مثل هذه الكتلة؟ (بالنظر إلى أنه عندما يسأل أحد العلماء السؤال "لماذا؟" ، فهو يعني في الواقع "كيف؟"). إذا لم يكن هناك جسيم هيجز ، فلن يكون هناك مثل هذا العالم الذي نلاحظه - ولكن من الواضح أنه لا يمكن تسميته شرح. أم أنه ممكن؟ لفهم أساس فيزياء هيغز يعني فهم كيف ظهرنا نحن أنفسنا. عندما نسأل ، "لماذا نحن هنا؟" ، في الواقع ، نسأل: "لماذا هيجز هنا؟" ولا يمكن للنموذج القياسي الإجابة على هذا السؤال.
هناك بعض التلميحات التي تأتي من مزيج من النظرية والتجربة. بعد فترة وجيزة من إنشاء الهيكل الواضح للنموذج القياسي ، في عام 1974 ، وقبل فترة طويلة من التأكيد التجريبي لتفاصيله في العقد التالي ، لاحظت مجموعتان مختلفتان من علماء الفيزياء في جامعة هارفارد ، حيث عمل كل من شيلدون لي جلاشو
وستيفن واينبرغ ، شيئًا مثيرًا للاهتمام. قام جلاشو ، مع
هوارد جورجي ، بأفضل ما يعرفه: البحث عن أنماط في الجزيئات والتفاعلات الموجودة ، وإمكانيات جديدة باستخدام نظرية المجموعة الرياضية.
في النموذج القياسي ، يتم دمج التفاعلات الضعيفة والكهرومغناطيسية في طاقات عالية في قوة واحدة ، والتي يسميها الفيزيائيون "ضعيف كهربائي". هذا يعني أن نفس الرياضيات تتحكم في التفاعل الضعيف والكهرومغناطيسي ، فكلاهما يطيعان نفس التماثلات ، وهاتان القوتان هما انعكاسان مختلفان لنفس النظرية الموحدة. لكن التماثل "ينكسر تلقائيًا" بسبب تفاعل حقل هيجز مع الجسيمات التي تنقل تفاعلًا ضعيفًا ، ولكن ليس مع الجسيمات التي تحمل كهرومغناطيسي. تؤدي خاصية الطبيعة هذه إلى حقيقة أن هذين التفاعلين يبدوان منفصلين ومختلفين في المقاييس المتاحة لقياساتنا - بينما يعمل التفاعل الضعيف على مسافات قصيرة ، والتفاعل الكهرومغناطيسي على مسافات طويلة.
حاول جورج وجلاشو توسيع هذه الفكرة وربط التفاعل القوي معهم ، ووجدوا أن جميع الجسيمات المعروفة وثلاث تفاعلات بدون جاذبية تتناسب بشكل طبيعي مع بنية واحدة متماثلة بشكل أساسي. لقد استنتجوا أن هذا التناظر يمكن أن ينهار تلقائيًا على بعض مقاييس الطاقة فائقة الارتفاع (وعلى مسافة قصيرة) ، وهو ما يتجاوز قدرات التجارب الحديثة ، ويؤدي إلى تماثلين منفصلين - تفاعلات قوية وتلقائية كهربائية. ونتيجة لذلك ، في الطاقات الأقل وعلى مسافات كبيرة ، يتم تدمير التناظر الكهربائي ، وتقسيم التفاعل الكهربي إلى ضعف ، يعمل على مسافات قصيرة ، وكهرومغناطيسي ، يعمل على المدى الطويل.
أطلقوا بشكل متواضع على هذه النظرية نظرية التوحيد العظيم (TVO).
في نفس الوقت تقريبًا
، لاحظ وينبرغ وجورجي ، إلى جانب
هيلين كوين ، شيئًا مثيرًا للاهتمام ، حيث قاموا بتطوير عمل فرانك ويلتشيك وديفيد غروس وديفيد بوليتزر. إذا أصبح التفاعل القوي على مسافات صغيرة أضعف ، يصبح الكهرومغناطيسي والضعيف أقوى.
لم يكن من الضروري أن يكون هناك سبعة امتدادات في الجبهة لتكون مهتمًا بما إذا كانت قوة ثلاث تفاعلات مختلفة على أي نطاق صغير تتزامن. بعد الحساب ، وجدوا (مع الدقة التي تم قياس التفاعلات بها) أن مثل هذا الاتحاد ممكن ، ولكن فقط على مسافات 15 مرتبة بحجم أصغر من حجم البروتون.
إذا كان TVO هو الذي اقترحه Howard Georgie و Glashow - فهذه كانت أخبار جيدة ، لأنه إذا تم دمج جميع الجسيمات التي نلاحظها في الطبيعة بهذه الطريقة ، فيجب أن تكون هناك جزيئات جديدة (
بوزونات معايرة ) توفر اتصالًا بين الكواركات (التي تحتوي على البروتونات و النيوترونات) والإلكترونات مع النيوترونات. وهذا يعني أن البروتونات يمكن أن تتحلل إلى جزيئات أخف ، والتي يمكن أن نلاحظها من حيث المبدأ. كما كتب جلاشو ، "الماس ليس إلى الأبد".
وحتى ذلك الحين كان من المعروف أن عمر البروتون طويل للغاية. ليس فقط لأننا ما زلنا موجودين بعد 14 مليار سنة من الانفجار الكبير ، ولكن أيضًا لأننا لا نموت بسبب السرطان في مرحلة الطفولة. إذا كان متوسط عمر البروتون أقل من مليار مليار سنة ، فعندئذٍ سوف تتحلل بروتونات كافية في أجسادنا في الطفولة حتى يقتلنا إشعاعها. في ميكانيكا الكم ، كل العمليات احتمالية. إذا كان متوسط البروتون يعيش مليار مليار سنة ، وإذا كان لديك مليار مليار بروتون ، فسوف يتحلل واحد منها في المتوسط كل عام. وفي
أجسامنا أكثر من مليار مليار بروتون.
ومع ذلك ، مع مثل هذا النطاق الصغير بشكل لا يصدق من المسافات ، وبالتالي ، مع مثل هذا النطاق الضخم الضخم ، المرتبط بكسر التناظر العفوي في TVO ، تتلقى بوزونات قياس جديدة كتلًا ضخمة. وهذا من شأنه أن يؤدي إلى حقيقة أن التفاعلات التي تتحكم بها ستحدث على مسافات صغيرة لدرجة أنها ستكون ضعيفة بشكل لا يصدق من وجهة نظر البروتونات والنيوترونات. نتيجة لذلك ، على الرغم من أن البروتونات يمكن أن تتحلل ، في حالتنا ، قبل ذلك ، يمكن أن تعيش ، ربما مليون مليار مليار سنة.
بفضل النتائج التي حصل عليها Glashow مع Georgie ، بالإضافة إلى Georges مع Quinn و Weinberg ، كانت التوقعات بتوليف رائع في الهواء. بعد نجاح النظرية الكهربائية ، كان فيزيائيو الجسيمات طموحين وآمنوا بتوحيد لاحق.
كيف تعرف إذا كانت هذه الأفكار صحيحة؟ كان من المستحيل بناء مسرع قادر على العمل في طاقات أكبر بمليون مليار مرة من الكتلة المتبقية من البروتونات. يجب أن يقارن محيط هذه الآلة مع مدار القمر. وحتى لو كان ذلك ممكنًا ، نتيجة لفشل المبرد الفائق الموصل ، فلن توافق أي حكومة على مثل هذا التقدير [كان من المقرر بناء هذا المصادم ، الذي يُطلق عليه أيضًا Desertron ، في تكساس في التسعينيات ، ولكن بسبب مشاكل الميزانية ، كان المشروع تم إلغاء. كان من المخطط أن يكون محيطها 87.1 كم. تم إنفاق 2 مليار دولار على البناء ، وقدرت التكلفة النهائية بنحو 12 مليار دولار - تقريبًا. ترجم.].
لحسن الحظ ، كانت هناك طريقة أخرى - لاستخدام الاحتمالية التي وصفتها ، مما يحد من عمر البروتون. إذا تنبأت TVO بعمر بروتون يبلغ ألف مليار مليار سنة ، فأنت بحاجة إلى حشو ألف مليار مليار بروتون في كاشف واحد ، ثم في المتوسط سوف يتحلل واحد منها كل عام.
وأين تحصل على الكثير من البروتونات؟ الأمر بسيط: في 3000 طن من الماء.
كل ما كان مطلوبًا لذلك هو وضع خزان ماء في الظلام ، والتأكد من عدم وجود خلفية مشعة في هذا المكان ، وإحاطة الخلايا الضوئية الحساسة القادرة على اكتشاف ومضات الضوء في الكاشف ، ثم الانتظار لمدة عام حتى تومض وميض عندما يتحلل البروتون. يبدو الأمر مخيفًا ، ولكن مع ذلك ، وفقًا لمثل هذا المخطط ، تم الدفع وبناء مصنعين تجريبيين كبيرين على الأقل - أحدهما
عميق تحت الأرض في منجم ملح بالقرب من بحيرة إيري (IMB) ، والآخر
في منجم كاميوكا للزنك في اليابان (Kamiokande). تم استخدام المناجم لقطع الأشعة الكونية ، على خلفية ذلك سيكون من المستحيل ملاحظة تحلل البروتون.
مصادم هادرون كبيربدأت كلتا التجربتين في العمل في 1982-1983. تم نقل العلماء بعيدًا عن طريق TVO لدرجة أنهم كانوا ينتظرون بثقة ظهور الإشارة قريبًا. في هذه الحالة ، سيكون TVO تتويجًا لعقد من التطور الهائل والاكتشافات في فيزياء الجسيمات - ناهيك عن
جائزة نوبل القادمة
لـ Glashow ، وربما أكثر من ذلك.
لسوء الحظ ، في هذه الحالة ، لم تكن الطبيعة لطيفة للغاية. لم تظهر إشارة واحدة في السنة الأولى ولا في السنة الثانية ولا في السنة الثالثة. سرعان ما تم رفض النموذج البسيط والأنيق لـ Glashow و Georgie. لكن حمى TBO استحوذت على العلماء بالفعل ، وكان من الصعب التخلص منها. تم تقديم اقتراحات أخرى بشأن نظريات التوحيد ، والتي من خلالها سيتحلل البروتونات خارج نطاق التجارب الحالية.
في 23 فبراير 1987 ، حدث حدث آخر ، يظهر مرة أخرى قولًا شبه عالمي: كل نافذة جديدة في الكون تفاجئنا. في ذلك اليوم ، اكتشفت مجموعة من علماء الفلك على لوحات فوتوغرافية تراكمت بين عشية وضحاها أقرب نجم متفجر (سوبرنوفا) من كل ما رأيناه خلال 400 عام الماضية. كان هذا النجم ، الذي يقع على بعد 160.000 سنة ضوئية منا ، في
سحابة Magellanic الكبيرة ، وهي مجرة صغيرة ، وقمر صناعي من مجرة درب التبانة ، والتي يمكن رؤيتها في نصف الكرة الجنوبي.
إذا كانت نظرياتنا حول انفجار النجوم صحيحة ، فإن معظم الطاقة التي تنبعث منها يجب أن تأخذ شكل النيوترينو ، على الرغم من حقيقة أن ضوء انفجارها هو ألمع الألعاب النارية الكونية (وينفجرون حول نجم واحد في مجرة واحدة في 100 عام). أظهرت الحسابات التقريبية أن كاشفات المياه IMB و Kamiokande اضطرت للكشف عن حوالي 20 تصادمًا مع النيوترينو. وعندما درس المجربون من هذه الكواشف بيانات ذلك اليوم ، وجدت شركة IBM 8 مرشحين على فاصل زمني مدته 10 ثوانٍ ، وعلى Kamiokand - 11. بالنسبة لفيزياء النيوترينو ، كان مجرد بحر من البيانات. لقد نضجت الفيزياء الفلكية للنيوترينو فجأة. ربما ، 1900 عمل علمي لفيزيائيين مختلفين (بما فيهم أنا) استندت إلى هذه الأحداث الـ 19 ، الذين أدركوا أن هذا الحدث فتح لنا نافذة غير مسبوقة لنا في نوى النجوم المتفجرة ، وفي المختبر ليس فقط للفيزياء الفلكية ، ولكن أيضًا لفيزياء النيوترينو.
مدفوعًا بفكرة أن مكشافات اضمحلال البروتون الكبيرة يمكن أن تصبح في وقت واحد كواشف النيوترينو الفيزيائية الفلكية ، بدأت مجموعات عديدة من العلماء في بناء جيل جديد من هذه الكواشف ذات الغرض المزدوج. أعيد بناء أكبرها في منجم كاميوكا وأطلق عليها اسم سوبر كاميو كاندي - ولسبب وجيه. هذا الخزان الضخم من الماء الذي يزن 50.000 طن ، محاطًا بـ 11800 خلية ضوئية ، عمل في منجم موجود ، وأجريت التجربة بنظافة المختبر. كان هذا ضروريًا ، نظرًا لأنه مع مثل هذا الكاشف الضخم ، كان من الضروري الاهتمام ليس فقط بالأشعة الكونية الخارجية ، ولكن أيضًا بالملوثات المشعة الداخلية التي من شأنها أن تحجب جميع الإشارات المفيدة.
وفي الوقت نفسه ، كان الاهتمام بالنيوترينات الفلكية في ذروته أيضًا. تنبعث الشمس من النيوترينوات نتيجة التفاعلات النووية التي تحدث في قلبها ، وعلى مدى 20 عامًا اكتشف الفيزيائي راي ديفيس النيوترينوهات الشمسية ، لكن الأحداث وقعت ثلاث مرات أقل مما توقعته أفضل نماذج الشمس. تم بناء نوع جديد من كاشف النيوترينو الشمسي يسمى مرصد Sudbury Neutrino (SNO) في منجم Sudbury في كندا.
حتى الآن ، عمل Super Kamiokande بشكل مستمر تقريبًا ، وأحيانًا يخضع لتحسينات مختلفة ، لمدة 20 عامًا. ولم يلاحظ منذ ذلك الحين أي إشارات من تحلل البروتون ولا مستعرات أعظمية جديدة. ومع ذلك ، فإن المراقبة الدقيقة للنيوترينوات ، إلى جانب الملاحظات الإضافية على SNO ، أكدت بشكل لا لبس فيه حقيقة نقص النيوترينو الشمسي الذي اكتشفه Ray Davis. وقد وجد أن العجز لا يوجد بسبب الظواهر الفيزيائية الفلكية التي تحدث في الشمس ، ولكن بسبب خصائص النيوترينوات. أصبح من الواضح أن نوعًا واحدًا على الأقل من أنواع النيوترينوات الثلاثة ليس بلا كتلة. نظرًا لأن النيوتريونات غير مدرجة في النموذج القياسي ، كانت هذه أول ملاحظة مؤكدة بأن بعض الفيزياء الجديدة تعمل خارج النموذج القياسي و هيجز.
تقصف النيوترينوات عالية الطاقة الأرض بانتظام بعد تصادم البروتونات من الأشعة الكونية عالية الطاقة مع الغلاف الجوي وتنتج
دشًا واسعًا للهواء من الجسيمات دون الذرية الثانوية ، حيث توجد هذه النيوترينوات أيضًا. أظهرت ملاحظاتهم أن النوع الثاني من النيوترينو له كتلة أيضًا. وهي أكبر قليلاً من الأولى ، ولكنها أقل بكثير من كتلة الإلكترون. لهذه الملاحظة ، حصلت فرق من SNO و Kamiokande على جائزة نوبل في عام 2015 - قبل أسبوع من بدء كتابة هذا الكتاب. حتى يومنا هذا ، لم يتم شرح هذه التلميحات المغرية للفيزياء الجديدة باستخدام نظرياتنا.
كان غياب اضمحلال البروتون خيبة أمل ، لكنه لم يكن مفاجأة كاملة. منذ اللحظة التي تم فيها اقتراح TVO لأول مرة ، شهد المشهد الفيزيائي تغييرات. أظهرت القياسات الأكثر دقة لقيم التفاعلات غير الجاذبية الثلاثة ، إلى جانب الحسابات الأكثر تعقيدًا للتغيرات في حجمها مع المسافة ، أنه في حالة وجود جزيئات فقط من النموذج القياسي في الطبيعة ، فلن يتم دمج قوى هذه التفاعلات الثلاثة على مقياس واحد. من أجل حدوث التوحيد العظيم ، يجب أن توجد فيزياء جديدة ، تقع على مقياس طاقة يتجاوز كل ما لاحظناه حتى الآن. ووجود جزيئات جديدة لن يغير فقط مقياس الطاقة لدمج التفاعلات الثلاثة ، ولكنه سيزيد أيضًا من مقياس TBO ، وبالتالي يقلل من معدل تحلل البروتون - ويزيد من عمره إلى ما يتجاوز ملايين المليارات من مليارات السنين.
مصادم هادرون كبيربالتوازي مع هذه الأحداث ، استخدم المنظرون بنشاط أدوات رياضية جديدة لدراسة نوع جديد محتمل من التناظر ، بدأوا في تسميته بالتناظر الفائق. يختلف هذا التماثل الأساسي عن غيره المعروف في أنه يربط نوعين مختلفين من الجسيمات - الفرميونات (الجسيمات ذات نصف عدد صحيح تدور) والبوزونات (الجسيمات ذات دوران كامل). والخلاصة هي أنه إذا لوحظ هذا التناظر في الطبيعة ، فيجب أن يكون هناك جسيم جديد واحد على الأقل لكل جسيم معروف في النموذج القياسي. لكل بوزون جديد ، يجب أن يوجد الفرميون. لكل بوريمون ، بوزون.
نظرًا لأننا لا نلاحظ هذه الجسيمات ، فإن هذا التناظر لا يمكن أن يتجلى على مستوى الكون المتاح لنا ، وبالتالي يجب كسره - مما يعني أن الجسيمات الجديدة يجب أن يكون لها كتل كبيرة بما يكفي بحيث لا يمكن العثور عليها في المسرعات الموجودة حتى الآن.
ما هو الشيء الجذاب في التناظر الذي يضاعف فجأة عدد الجسيمات في الطبيعة عندما لا يكون هناك دليل على وجودها؟ بالنسبة للجزء الأكبر ، تم إغواءها من قبل التوحيد العظيم. نظرًا لأنه إذا كان TVO موجودًا على نطاق واسع من 15-16 ترتيبًا من كتل الراحة البروتونية ذات الحجم الأكبر ، فإن حجمه أكبر بـ 13 ترتيبًا من المقاييس التي يتم فيها كسر التماثل الكهربي. السؤال هو كيف ولماذا في القوانين الأساسية للطبيعة توجد فجوة كبيرة في الحجم. على وجه الخصوص ، إذا كان هيجز هو الجسيم الأخير للنموذج القياسي ، فإن السؤال الذي يطرح نفسه: لماذا يكون تماثل هيغز يكسر مقياس الطاقة بمقدار 13 مرة أصغر من مقياس كسر التماثل لبعض المجالات الجديدة التي تكسر التماثل TBO إلى تفاعلات منفصلة؟
والمشكلة أسوأ مما تبدو عليه. ( , ), (, ), , , . ..
.
, , , , , .
1981 , . , . , , , , . , , , .
( , , , ), . , , . , .
, – – , .
, , . «» , .
, , . , . « » . , , , . !
. , , , . , , , . , , . , , , .
. , , . , , , – . , , , – , .
, . 135 , . , , .
-. , , 125 . , .
. , , , , . . . . , , . , , , , .
, , . , .
. – , , , . , , . , , , , , , . , . ?
, . , . , 30- , , , , , , .
, , , . , , , , , , . . .
, . . - , , . , – . , , - , .
, , . . , , . , , . , , -.
. 1984 , 1960- .
, , . , , , . – , .
-, . , , . , , , .
, , -, 30 . , - , , : , , , , , . , - , , .
, , . . , , , , .
. , ? , ? , , .