كتاب "الفيزياء الدقيقة. القداس والأثير وتوحيد القوى العالمية "

مرحباً بالجميع ، لقد سلمنا اليوم كتابًا إلى فرانك ويلسيك إلى دار الطباعة ، يدرس خلفية أحدث الأفكار المادية حول كتلة الفراغ وطاقته وطبيعة. المؤلف ، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء ، يحدد وجهات النظر الحديثة حول عالمنا المذهل ويتنبأ بعصر ذهبي جديد لعلوم الفيزياء الأساسية. قصة رائعة عن وحدة المادة والطاقة ، عن الجسيمات الأولية وتفاعلاتها - هذه تحفة من أدب العلوم الشعبية الجادة.

ننشر هنا مقتطفًا من كتاب "Fermi Dragons"

منذ البداية كان من الواضح أن قوى أخرى أخرى حكمت العالم النووي. القوى الكلاسيكية للفيزياء النووية هي الجاذبية والكهرومغناطيسية. ومع ذلك ، تعمل القوى البغيضة في النواة: النواة لديها شحنة موجبة مشتركة ، ونفس الشحنات تتنافر. إن قوى الجاذبية التي تعمل على كمية صغيرة من الكتلة في أي نواة مفردة ضعيفة للغاية بحيث لا يمكنها التغلب على النفور الكهربائي. (سنتحدث أكثر عن ضعف الجاذبية في الجزء الثاني من هذا الكتاب.) كانت هناك حاجة لقوة جديدة. تلقت اسم التفاعل القوي. لكي تظل النوى متصلة ببعضها البعض بإحكام ، يجب أن يكون التفاعل القوي أقوى من أي من النوى المعروفة سابقًا.

استغرق الأمر عشرات السنين من الجهد من قبل المجربين وتعقيد النظريين لاكتشاف المعادلات الأساسية التي تصف ما يحدث في النوى الذرية. والمثير للدهشة أن الناس تمكنوا بشكل عام من العثور عليهم.

الصعوبة الواضحة هي أن الحجم الصغير للنواة الذرية يتداخل مع ملاحظة هذه المعادلات في العمل. وهي أصغر بحوالي 100000 مرة من الذرة نفسها. هذا يأخذنا مليون مرة أبعد من تقنية النانو. تنتمي النوى إلى مجال التكنولوجيا الدقيقة. في محاولة للتعامل مع النوى بمساعدة الأدوات الماكروسكوبية ، مثل المقاييس أو الملقاط العادي ، نحصل على نتيجة أسوأ من عملاق يحاول رفع حبة رمل مع زوج من أبراج إيفل. هذه مهمة صعبة. لدراسة العالم النووي ، كان من الضروري تطوير طرق تجريبية جديدة تمامًا وإنشاء أنواع غير عادية من الأدوات. في الفصل التالي ، سنزور منظارًا نانومتريًا مصطنعًا جدًا (المعروف باسم مسرّع ستانفورد ثنائي الميل الخطي (SLAC)) ومحطة تدمير إبداعية (تعرف باسم مصادم إلكترون-بوزيترون الكبير (LEP ؛ في BEPK) ، حيث تم الاكتشافات

الصعوبة الأخرى كانت أن الميكرونوسكوزم ، كما اتضح ، يتبع قوانين مختلفة تمامًا عن كل شيء تمت دراسته سابقًا. قبل الإشادة بالتفاعل القوي ، كان على الفيزيائيين التخلي عن طريقة التفكير الطبيعية لشخص ما واستبدالها بأفكار جديدة غريبة. سوف ندرس هذه الأفكار بمزيد من التفصيل في الفصول القليلة القادمة. إنهم غريبون جدًا لدرجة أنني إذا أعطيتهم كحقائق ، فلن تبدو مقبولة بالنسبة لك * ، ومع ذلك ، لا ينبغي أن يبدو الأمر كذلك. تختلف بعض الأفكار الجديدة تمامًا عن كل شيء معروف من قبل. يمكنهم التناقض - وربما يتناقضون في الواقع! - ما درسته في المدرسة. (يعتمد ذلك على المدرسة التي التحقت بها ومتى.) في هذا الفصل القصير ، سأشرح ما دفعنا إلى الثورة. يعمل هذا الفصل على الجمع بين المفهوم التقليدي للفيزياء النووية ، والذي لا يزال معروضًا في معظم كتب الفيزياء الدراسية التي صادفتها لطلاب المدارس الثانوية والمبتدئين ، مع فهمنا الجديد.

قتال التنين

كان اكتشاف جيمس شادويك للنيوترون في عام 1932 حدثًا تاريخيًا. بعد اكتشاف تشادويك ، بدا الطريق إلى الفهم بسيطًا. يبدو أنه تم اكتشاف اللبنات الأساسية للنوى. هم بروتونات ونيوترونات ، نوعان من الجسيمات التي تزن حوالي نفسها (النيوترون أثقل بنسبة 0.2 ٪) ولديها تفاعلات قوية مماثلة. تتمثل الاختلافات الأكثر وضوحًا بين البروتونات والنيوترونات في أن البروتون لديه شحنة كهربائية إيجابية ، والنيوترون محايد كهربائياً. بالإضافة إلى ذلك ، النيوترون المعزول غير مستقر. تبلغ فترة وجوده حوالي 15 دقيقة ، وبعد ذلك يتحول النيوترون إلى بروتون (وفي نفس الوقت ينشأ أيضًا إلكترون ومضاد للنترينو). بمجرد إضافة البروتونات والنيوترونات معًا ، يمكنك إنشاء نماذج من النواة بشحنات وكتل مختلفة تتوافق تقريبًا مع المعلمات المماثلة للنواة المعروفة.

يبدو أن فهم وتنقيح هذه النماذج لم يكن سوى مسألة قياس القوى المؤثرة على البروتونات والنيوترونات. ستردع هذه القوى النوى من الانحلال. ستصبح المعادلات التي تصف هذه القوى نظرية للتفاعل القوي. من خلال حل معادلات هذه النظرية ، يمكننا اختبارها والتنبؤ بها. وهكذا ، سنكتب فصلاً مقتضباً جديداً يسمى "الفيزياء النووية" ، ستكون فكرته الرئيسية "القوة النووية" ، موصوفة بمعادلة بسيطة وأنيقة.

ألهم برنامج العمل هذا المجربين بدراسة تصادمات البروتونات مع البروتونات الأخرى (النيوترونات أو النوى الأخرى). نسمي مثل هذه التجارب ، حيث تصطدم الجسيمات مع الآخرين ودراسة ما حدث ، تجربة مبعثرة. الفكرة هي أنه من خلال دراسة انحراف البروتونات والنيوترونات ، أو ، كما نقول ، التشتت ، يمكنك تحديد القوى التي تعمل عليها.

فشلت هذه الاستراتيجية البسيطة فشلاً ذريعاً. أولاً ، كانت السلطة معقدة للغاية. وقد وجد أنه يعتمد بشكل معقد ليس فقط على المسافة بين الجسيمات ، ولكن أيضًا على سرعاتها واتجاهات دورانها. سرعان ما أصبح واضحًا أننا لن نتمكن من العثور على قانون بسيط وجميل لهذه القوة ، يستحق مكانًا جنبًا إلى جنب مع قانون الجاذبية لنيوتن أو قانون كولوم للكهرباء.

ثانياً ، ما هو أسوأ من ذلك أن "السلطة" لم تكن قوة. عندما يصطدم بروتونان نشيطان ، لا يحدث انحراف فقط. غالبًا ما يتم تكوين أكثر من جسيمين نتيجة لذلك ، والتي ليست بالضرورة بروتونات. في الواقع ، في سياق تجارب التشتت عالية الطاقة التي قام بها علماء الفيزياء ، تم اكتشاف العديد من الأنواع الجديدة من الجسيمات. الجسيمات الجديدة ، التي تم العثور على العشرات منها ، غير مستقرة ، لذلك عادة لا نلاحظها في الطبيعة. ومع ذلك ، عندما تم دراستها بالتفصيل ، اتضح أن خصائصها الأخرى ، خاصة التفاعلات القوية والحجم ، تشبه المعلمات المماثلة للبروتونات والنيوترونات.

بعد هذه الاكتشافات ، أصبح من غير الطبيعي التفكير في البروتونات والنيوترونات بمفردها أو التفكير في أن المشكلة الرئيسية هي تحديد القوى التي تحدد تفاعلها. وبدلاً من ذلك ، أصبحت "الفيزياء النووية" بالمعنى التقليدي جزءًا من موضوع أكبر ، بما في ذلك الجسيمات الجديدة والعمليات المعقدة بشكل واضح لخلقها واضمحلالها. لوصف "حديقة الحيوان" الجديدة للجسيمات الأولية ، تم اختراع هذا النوع الجديد من التنانين ، واسم "هادرون".

هيدرا

اقترحت الخبرة في الكيمياء إمكانية شرح كل هذه الصعوبات. ربما البروتونات والنيوترونات وغيرها من الهادرونات ليست جسيمات أولية. ربما تتكون من كائنات أبسط مع خصائص أبسط.

في الواقع ، إذا أجريت نفس التجارب على الذرات والجزيئات مثل البروتونات والنيوترونات ، ودراسة ما تبقى بعد اصطدامها ، فستحصل أيضًا على نتائج معقدة. يمكنك إعادة ترتيب الجزيئات وتفكيكها للحصول على أنواعها الجديدة (أو الذرات والأيونات والجذور المتحمسة) ، بعبارة أخرى ، تنفيذ تفاعلات كيميائية. لا يطيع قانون التفاعل البسيط إلا الإلكترونات والأنوية. الذرات والجزيئات ، التي تتكون من العديد من الإلكترونات والأنوية ، لا تخضع لها. هل يمكن أن يكون هناك نمط مماثل للبروتونات والنيوترونات وأقاربهم المكتشفة مؤخرًا؟ هل يمكن تفسير تعقيدها الظاهري بحقيقة أنها تتكون من وحدات بناء أصغر تخضع لقوانين أبسط بكثير؟

يمكن أن يكون كسر شيء ما إلى قطع بطريقة صعبة ، ولكن قد تكون هذه الطريقة أيضًا أكثر موثوقية لمعرفة ما تتكون منه. إذا اصطدمت ذرتان بقوة كافية ، فسوف تتحلل إلى الإلكترونات المكونة والنوى. وهكذا ، يتم اكتشاف لبنات البناء التي تتكون منها.

ومع ذلك ، فقد أدى البحث عن كتل بناء أبسط داخل البروتونات والنيوترونات إلى صعوبات غير عادية. إذا كنت تصطدم بقوة بالبروتونات ، فستحصل على المزيد من البروتونات ، مصحوبة أحيانًا بأقاربها. نتيجة نموذجية لتصادم بروتونين بقدرة عالية هو ظهور ثلاث بروتونات ، و antineutron ، وعدة ميزونات. يتجاوز مجموع الجسيمات الناتجة الكتلة الأصلية. ناقشنا هذه الفرصة في وقت سابق ، والآن تجاوزتنا مرة أخرى. بدلاً من فتح كتل بناء أصغر وأخف وزنًا ، والانتقال إلى طاقات أعلى باستمرار وإنتاج تصادمات أقوى من أي وقت مضى ، ستجد المزيد من الشيء نفسه. لا يتم ملاحظة اتجاهات التبسيط. الأمر نفسه كما لو كنت قد جمعت تفاحين من نفس الصنف وحصلت على ثلاثة تفاح من نفس الصنف ، وتفاحة من صنف آخر ، والبطيخ ، وعشرات من الكرز ، وزوجين من الكوسة.

أصبح تنين فيرمي كابوسًا هيدرا من أسطورة. اقطع رأس هيدرا وستظهر بعض الرؤوس الجديدة في مكانها.

توجد كتل بناء أبسط. ومع ذلك ، فإن "بساطتها" الأساسية تعني سلوكًا غريبًا ومفارقًا يجعلها ثورية للنظرية ومراوغة أثناء التجارب. من أجل فهمها أو حتى إدراكها ، يجب أن نبدأ من جديد.

»يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول الكتاب على موقع الناشر على الويب
» المحتويات
» مقتطفات

لقراء هذه المدونة ، خصم 20 ٪ على القسيمة - Vilcek