النجوم النيوترونية Neutron Stars

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
نعود إلى الفلك , إلى النجوم التي لا تعد ولا تحصى , وسنتناول اليوم في موضوعنا شرح مبسط عن النجوم النترونية Neutron Stars, كيفية تشكلها , وخصائها, ونتطرق في النهاية بشكل مبسط عن الفرق بينها وبين النجوم النابضة Pulsars.

سنتطرق في البداية لبعض التعريفات التي سنحتاجها ضمن شرحنا لاحقا :
نجوم التسلسل الرئيسي : عبارة عن نجوم تفجر و تصهر ذرات الهدروجين لتشكل ذروات الهليوم ضمن نواها. معظم النجوم ضمن الكون – حوالي 90 بالمئة منها – عبارة عن نجوم التسلسل الرئيسي.
تعتبر الشمس نجم التسلسل الرئيسي الأساسي. تتراوح كتل هذه النجوم بين 10 اضعاف كتل الشمس إلى 200 ضعف منها.

 نشأة النجوم النيوترونية Creation of Neutron Stars

Neutron Stars

إن النجم المشابهة للشمس تقضي معظم حياتها بما يعرف ب ” التسلسل الرئيسي” main sequence(شرحناه في البداية). يبدأ التسلسل الرئيسي عندما يبدأ النجم بالتشكل – وذلك اثناء الانصهار النووي الذي يحدث داخل نواته – وينتهي عندما يستنفذ كل الهدروجين الموجود في داخل النواة , ويبدأ بعدها بصهر وتفجير العناصر الاثقل.
ما إن يغادر النجم ” التسلسل الرئيسي” Main sequence, حتى يتبع مسار معين يعتمد على مقدار كتلته.
النجوم التي تبلغ كتلتها اكثر من 8 اضعاف كتلة شمسية solar mass ( تعادل الكتلة الشمسية الواحدة كتلة شمسنا)  سوف تغادر التسلسل الرئيسي لتمر بعدها بعدة اطوار مستمرة خلال ذلك باستهلاك العناصر حتى تصل للحديد للحديد.
ما إن يتوقف الاحتراق ضمن النواة, حتى تتقلص النواة بسبب قوة الجاذبية الهائلة, وبالتالي ينهار الجزء الخارجي من النجم باتجاه النواة وتتكرر الانهيارات محدثة انفجار ضخم جدا وهائل يدعى ب” سوبر نوفا النمط 2″ type II supernova. واعتمادا على كتلة النواة, فإن النجم يتحول إما إلى نجم نتروني neutron star أو إلى ثقب اسود Black hole.
يتحول النجم إلى نجم نتروني neutron star في حال كانت كتلة النواة بين 1.4 إلى 3.0 كتلة شمسية solar masses.
تخضع النواة الحديدية إلى عملية تعرف باسم neutronization “النويترينو” حيث تصطدم البروتونات ضمن النواة مع الالكترونات بطاقة عالية جدا, وتشكل النيوترونات neutrons.
ما إن يحدث هذا ” تشكيل النيوترونات” حتى تتصلب النواة وترسل موجة صدمةshock wave  خلال المادة التي انهارت ضمن النواة, عندها تندفع المادة الخارجية للنجم باتجاه الوسط المحيط مشكلة ما يعرف بالسوبر نوفا supernova.

خصائص النجوم النترونية Properties of Neutron Stars

تعد النجوم النترونية من اصعب الامور الكونية في الدراسة والفهم.
فهي ترسل وتبث الضوء عبر طيف واسع من الحزم الموجية – اي اطوال موجية مختلفة للضوء – وتختلف بشكل كبير من نجم لاخر.
على كل الاحوال, فإنه على ما يبدو بان كل نجم نيوتروني يملك خصائص مختلفة, يمكن ان تساعدنا على فهم النجوم النترونية.
وربما تعد كثافة النجوم النترونية الهائلة من اكبر الصعوبات التي يواجهها العلماء في دراسة النجوم النترونية – كثيفة لدرجة ان 14 اونصة(وقية) من مادة النجوم النترونية قد تملك كتلة تعادل كتلة القمر.
ليس لدينا وسائل لنمذجة هذا النوع والمقدار من الكثافة على الارض, لذلك فمن الصعب محاولة فهم فيزياء ما يجري ضمنها.
تعد دراسة الضوء القادم من هذه النجوم مهم جدا, لانه يقدم لنا براهين ودلائل لما قد يحدث ضمن هذه النجوم.
وبسبب ايضا هذه الكثافة العالية جدا ضمن نوى النجوم النترونية , فإننا لا نعلم حتى مم تتكون النواة. ويدعي بعض العلماء بان هذه النوى تحوي مجموعة من الكواركات – الكواركات هي الكتل الاساسية المكونة للمادة matter  –   بينما يدعي اخرون بان هذه النوى مملوءة بانواع اخرى من الجسيمات الغريبة مثل البيون pions.

كذلك تملك النترونات حقول مغناطيسية كثيفة. وهذه الحقول هي المسؤولة بشكل جزئي عن انشاء اشعة X-rays و اشعة gamma-rays التي تنبعث من هذه الاجسام.
وبما ان الالكترونات تتسارع حول وعلى طول خطوط الحقل المغناطيسي , لذلك فهي تبث الاشعاع radiation  (الضوء) باطوال موجية تمتد من الاطوال الموجية المرئية إلى اشعة غاما ذات طاقة عالية جداgamma-rays .

النجوم النابضة Pulsars

من المعتقد بان كل النجوم النترونية تدور, وتقوم بذلك بسرعة عالية. ونتيجة لذلك, تقول بعض الملاحظات على النجوم النترونية بأنها تبث الاشعاعات بشكل يشبه النبض “pulse”. لذلك غالبا ما يشار إلى النجوم النترونية بالنجوم بالنجوم النابضة PULSating stARS ( or PULSARS), ولكن النجوم النترونية تختلف عن بقية النجوم التي تملك انبعاث متغيرة. حيث ان النبض في النجوم النترونية ناجم عن دورانها, بينما نبض بقية النجوم النابضة ( مثل نجوم cephid ) ناتج عن تقلص وتمدد النجوم.

نكتفي بهذا الشرح المبسط والمختصر عن النجوم النترونية
وإلى وإلى ذلك الحين استودعكم الله والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته

المراجع :

http://space.about.com/od/stars/a/NeutronStars.htm

http://www.space.com/22437-main-sequence-stars.html

http://space.about.com/od/stars/a/Main-Sequence-Stars.htm

الحلقة 2: نظرية الجاذبية الكمومية Quantum Gravity Theory – امواج الجاذبية والغرافيتون

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

نتابع حديثنا في نظرية “الجاذبية الكمومية” Quantum Gravity Theory

 مقدمة :

تم العودة مؤخرا إلى نظرية “الجاذبية الفائقة الكمومية ” Quantum Suergravity وذلك بسبب ظهور دلائل تشير إلى امكانية اثبات صحتها, حيث استطاع فريق علمي بقيادة الولايات المتحدة و باستخدام تلسكوب راديوي¬ في القطب الجنوبي من الكشف والتقاط اول دليل لوجود “امواج الجاذبية البدائية” primordial gravitational waves, تتموج في الفضاء الذي ولده التضخم المتولد بعد الانفجار الكبيرBig Bang منذ 13.8 سنة مضت.
يعتبر هذا الاكتشاف مهم جدا, حيث ان الحقيقة التي يسلط عليها الضوء تبشر بامكانية ظهور نظرية توحد بين قوة الجاذبية وبين القوى الاساسية المتبقية.

حقيقة جديدة : ” التضخم قد ولد امواج جاذبية produced gravitational waves” – ملاحظة : التضخم inflation ظاهرة كمومية quantum phenomenon.
يقول الخبراء بأن الحقيقة السابقة تشير إلى ان الجاذبية تملك طبيعة كمومية quantized nature مثلها مثل بقية القوى الاساسية المعروفة في الطبيعة.
بالاضافة إلى ذلك , إن الطريقة التي استطاع العلماء بها تأكيد التضخم تعد بحد ذاتها هامة جدا, وهي بمثابة الدليل المباشر لوجود امواج الجاذبية.

وصف انشتاين الجاذبية على انها منحنيات في الزمان والمكان.

 

سبدأ بحديثنا عن نظرية ” الجاذبية الفائقة الكمومية ” Quantum Supergravity من خلال الدخول إلى عالم المراهنات العلمية بين عدد من اشهر علماء العصر.

يراهن احد العلماء الفيزياء النظرية “زفاي بيرن” Zvi Bern على امكانية حساب سلوكية الغرافيتون gravitons وبدقة عالية.
الغرافيتون gravitons : عبارة عن جسيمات اولية افتراضية تعتبر بمثابة حامل لقوة الجاذبية في اطار نظرية الحقل الكمومي.
ويشتهر هذا العالم في حبه للتحديات والمراهنة في مجال التحديات العلمية.
وقد راهن في تحديه الحالي على عبوة من النبيذ الفاخر ( خلينا نقول على قنينة عصير برتقال هههههههه 🙂 ) تجاه كل من قبلوا التحدي معه, وبالتالي فقد ادان نفسه بكمية كبيرة من عصير البرتقال في حال خسر الرهان, ولكن لحد الآن لا تزال تزداد مجموعة “بيرن” Bern من عصير البرتقال.
يقول العالم Kelly Stelle :”للاسف, لقد كنت ضمن الطرف الخاسر في هذا الرهان” , وهو بروفيسور في فيزياء الجزيئات في الكلية الملكية في لندن , و يمثل الخصم المتكرر لبيرنBern .
وفي خضم عالم المراهنات هذا يشهد العالم تطورا جذريا في مجال العلوم الكونية , وخصوصا في حال تم اثبات بعض الاكتشافات حلو نظرية الجاذبية الكمومية quantum gravity theory , تلك النظرية التي بحث العلماء عناها لما يزيد عن 80 سنة.

ولكن اين المشكلة في الكشف عن هذه النظرية , ولماذا طال البحث عنها وعن اثباتاتها كل هذه الفترة من الزمن ؟

ان جزيئات الغرافيتون ضعيفة جدا لدرجة يصعب فيها جدا الكشف عنها,ولكن معظم العلماء يعتقدون بان هذه الجزيئات تجوب على شكل اسراب ضمن المجال الكمومي, وبأن سلوكها بشكل اجمالي يؤدي إلى قوة الجاذبية المجهرية الحالية, وذلك بشكل شابه لمفهوم الضوء والفوتونات, حيث ان الضوء Light عبارة عن اثار ونتائج لجزيئات تدعى الفوتونات photons.

ولكن بما ان مفهوم الغرافيتون وقوة الجاذبية مشابه لمفاهيم اخرى تم الكشف عنها بطريقة او باخرى , اذن اين تكمن المشكلة ؟

المشكلة في ان كل الفرضيات المطروحة حول آلية وكيفية سلوك جزئيات الغرافيتون graviton قد واجهت نفس التحدي:
عند الفحص الدقيق – اي في مستويات وابعاد صغيرة جدا جدا جدا – لا يعود لها اي معنى رياضي mathematical sense.
قد تبدو حسابات تفاعلات الغرافيتون فعالة للوهلة الاولى , ولكن عندما يحاول الفيزيائيون ان يجعلوا تلك الحسابات اكثر دقة, فإن نتائجهم تتحول إلى نتائج مبهمة عديمة الجدوى , حيث تكون النتائج الرياضية عبارة عن “الانهاية” Infinity   😦
يقول Stelle : “اللانهائية هي داء الجاذبية المكماة” This is the disease of quantized gravity.

ولكن هذه المرة , يقوم بيرن Bern بمراهنة كبيرة جدا على نظرية تعرف باسم “نظرية الجاذبية الفائقة” Supergravity, والتي تفترض وجود جزئيات مرتبطة بقوة الجاذبية gravity-related particles, وتعكس لنا تأثيرات الغرافيتون gravitons.
تم تطوير نظرية ” الجاذبية الفائقة” Supergravity خلال السبعينيات 1970s, وكانت منذ نشوئها تعاني من مشكلة الانهائية infinity problem, والتي بدورها تشير إلى فشل النموذج الرياضي لهذه النظرية 😦 .

يقول Stelle : ولكن حسابات هذه النظرية كانت صعبة جدا , لدرجة ان احدهم لم يستطيع ان يتاكد منها – ” حتى جاء بيرن Bern واصدقاءه”.
يقوم الآن بيرن Bern وفريقه – بوجود الادوات الجديدة والاختصارات – بحساب هذه تفاعلات الجاذبية وبدقة متزايدة. وبهذه الخطوات الواعدة بدأ يصبح للنظرية معنى وجدوى.
لا تستطيع نظرية ” الجاذبية الفائقة” Supergravity وحدها توصيف الطبيعة, وذلك لانه قد تم تصميمها كنظرية لعالم افتراضي منتاظر Symmetric theoretical world.
ولكن ان تابعت النظرية نجاحها وخصوصا من خلال رهان بيرن Bern الاخير مع Stelle, فإنها قد تزود الفيزيائيين بقاعدة اساسية مفيدة تلزمهم لبناء نظرية اكثر واقعية.

يقول بيرن Bern : “هذا يعني بأن نظرية الجاذبية الفائقة Supergravity لها بنية خاصة جدا, واعتقد بانها ستكون بمثابة المفتاح اللازم لكشف اسرار نظرية الجاذبية”.
تعتبر حسابات بيرن Bern بمثابة مسار من توجه كبير يهدف لفهم واستيعاب طبيعة الجاذبية. يركز بيرن حاليا على دراسة امور تصادمات الغرافيتون, ولكن النظرية الكبرى للجاذبية الكمومية Quantum gravity يجب ان تحمل ضمن طياتها تفسيرات ومعاني لعدد من الظواهر , ومن اهمها الثقوب السوداءBlack holes.

الثقب الأسود

إن الاحاجي والالغاز التي تطرحها الثقوب السوداء Black holes تشير إلى ان النظرية الحقيقية تتطلب احداث تغيرات جذرية لمنظورنا للكون – احد هذه التغيرات على سبيل المثال يفترض بان الزمان والمكان مجرد اوهام. احد الطرائق والمقاربات البديلة تستخدم the amplituhedron كغرض يهدف إلى تبسيط حساب تفاعلات الجزيئات , وقد يساعد الفيزيائيين في كشف بعض اسرار هذه الالغاز والاحاجي.
يقول Steve Giddings ” نحن على المسار الصحيح نوعا ما ”
وهو بروفيسور في الفيزياء النظرية في جامعة كاليفورنيا, سانتا باربارا, وهو بمثابة خبير في مجال مفارقة الثقوب السوداء. ويرى بأن هذه الحسابات تبدو واعدة في حل مفارقة الثقوب السوداءBlack holes .

سنتوقف ضمن هذه الحلقة عند هذه النقطة, لنتابع في الحلقات القادمة في مواضع تتضمن شرح مفصل للطريقة التي سيتم فيها تكمية الجاذبية, وكيف تخدم نظرية الجاذبية الكمومية في حل مفارقة الثقوب السوداء , بالاضافة إلى عدد من المفاهيم الفيزيائية الاساسية التي قد تتغير بهدف الوصول لنظرية كل شيء, لنعود ونتابع مراحل التحدي بين علماء الفيزياء الكونية.

اتمنى لكم الفائدة والمتعة, وفي حال وجود اي استفسارات وطروحات , نحن بانتظار تعليقاتكم
وإلى ذلك الحين استودعكم الله والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته

المراجع :

http://www.wired.com/wiredscience/2014/03/quantum-supergravity/
http://www.nature.com/news/telescope-captures-view-of-gravitational-waves-1.14876
http://en.wikipedia.org/wiki/Quark
http://en.wikipedia.org/wiki/Gluon
http://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background
http://en.wikipedia.org/wiki/Graviton

 

المصطلحات

Quantum field theory نظرية الحقل الكمومي
Supergravity theory نظرية الجاذبية الفائقة
gravitational lenses العدسات التثاقلية
Black hole الثقب الاسود
Quantum mechanic الميكانيك الكمي
Quantum Supergravity theory نظرية الجاذبية الفائقة الكمومية
او نظرية الثقالة الفائقة الكمومية
Quantum Chromodynamics الكروموديناميك الكمي
hadrons الهدرونات
infinity problem مشكلة اللانهائية
Symmetric متناظر
paradox مفارقة

 

 

الحلقة 1: نظرية الجاذبية الكمومية Quantum Gravity Theory – مقدمة

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
سنطرح ضمن مجموعة قادمة من الحلقات احدث ما توصل ويصل إليه العلم في مجال العلوم الكونية cosmic science .
خلال الحلقات القليلة القادمة , يجب علينا ان نمهد انفسنا لنقلة نوعية كبيرة في مجال المفاهيم العلمية الاساسية , والنظريات الفيزيائية.
حيث نعيش في هذه الايام العصر السريع للاكتشافات العلمية.
لن اطيل عليكم , سنتناول في حلقاتنا موضوع يتحدث عن النظرية التي توحد بين “نظرية الحقل الكمومي” Quantum field theory , ونظرية انشتاين للنسبية Gravity theory, حيث كان سعي العلماء الدؤوب لايجاد الحلقة المفقودة التي توحد وتسد هذه الثغرة بين النظريتين.

Quantum Field Theory

فكما نعلم بأن نظرية الحقل الكمومي النسبية Relativistic quantum field theory نجحت في توصيف السلوكيات الملحوظة وخصائص الجسيمات الأولية. ولكن هذه النظرية بحد بذاتها تعمل بشكل جيد عندما تكون الجاذبية ضعيفة جدا لدرجة بأنه يمكن تجاهلها. وتعمل نظرية الجزيئات Particle theory فقط عندما نفترض انعدام الجاذبية. (وبالتالي نلاحظ قصور كل من النظريتين السابقتين عن شروط معينة).

Gravity Theory نظرية الجاذبية : التوصيف الهندسي للطيبعة يعمل بشكل ممتاز في توصيف الجاذبية عند مستوى قياسات البعد الفلكية

 

 

أما بالنسبة لنظرية النسبية العامة فقد حققت نظرية ثروة من التبصر في الكون ( اي انها بصرتنا في امور كونية كثيرة) ,وشملت مدارات الكواكب, تطور النجوم والمجرات , الانفجار الكبيرة , واخيرا الثقوب السوداء التي تمت ملاحظتها مؤخراً , بالاضافة إلى العدسات التثاقلية gravitational lenses.
على كل حال, فإن النظرية – النسبية العامة – تعمل فقط عندما نتظاهر بأن الكون كلاسيكي تماما , ونفترض ايضا عدم الحاجة إلى الميكانيك الكمي Quantum mechanic في توصيف الطبيعة. ويعتقد بأن نظرية الأوتار الفائقة قادرة على سد هذه الفجوة, فكما ذكرنا سابقاً كان الهدف من نظرية الاوتار الفائقة الدمج بين نظرية النسبية العامة (التي تصف الثقالة ) وبين نظرية الميكانيك الكمي (التي تصف القوى الاساسية)ضمن نظرية واحدة شاملة ومتكاملة.

String theory    نظريات الأوتار الفائقة

ولكن ما الجديد في الموضوع؟

ظهرت على الساحة مؤخرا مؤشرات ودلائل تشير إلى امكانية توحيد نظريتي الجاذبية ونظرية الحقل الكمومي ضمن نظرية واحدة تدعى باسم “نظرية الجاذبية الكمومية او الثقالة الكمومية” Quantum Gravity او تسمى ايضا باسم “نظرية الجاذبية الفائقة الكمومية” Quantum Supergravity.

نظرية الجاذبية الكمومية Quantum Gravity Theory

يعد ظهور مثل هذه النظرية ثورة في مجال العلوم الكونية , وهي ما سعى إليه العلماء من زمن بعيد, سعوا إلى تلك الصورة الكاملة للفيزياء الكونية عبر اطار واحد ونظرية واحدة تجمع كل شي.
تتضمن الحلقات القادمة مايلي:
الدلائل على ظهور النظرية , وشرح كيفية امكانية التحقق منها والمفاهيم الفيزيائية الاساسية التي قد تتغير مع اثبات صحة هذه النظرية.
وإلى ان نلتقي في الحلقة الاولى من هذه السلسلة الشيقة حول نظرية ” الجاذبية الكمومية” Quantum Gravity.
وإلى ذلك الحين استودعكم الله والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته.

 

 المصطلحات مع ترجماتها :

Quantum field theory نظرية الحقل الكمومي
Supergravity theory نظرية الجاذبية الفائقة
gravitational lenses العدسات التثاقلية
Black hole الثقب الاسود
Quantum mechanic الميكانيك الكمي
Quantum Supergravity theory نظرية الجاذبية الفائقة الكمومية
او نظرية الثقالة الفائقة الكمومية
Quantum Chromodynamics الكروموديناميك الكمي
hadrons الهدرونات

اللحظات الاولى من الكون The early universe

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

سوف نتحدث ضمن هذه الحلقة عن موضوع نشأة الكون , و أحد النظريات المقترحة حوله, الا وهي نظرية الانفجار الكبير Big bang.

تشكلت كل المادة الموجودة في الكون عبر حدث انفجاري جرى قبل 13.7 بليون سنة مضت – ويسمى هذا الحدث بالانفجار الكبير The big bang.

الانفجار الكبير The big bang

عام 1929 اكتشف الفلكي الامريكي Edwin Hubble بأن المسافة بيننا و بين المجرات البعيدة متناسبة مع الانزياح نحو الاحمر redshifts.

يحدث الانزياح نحو الاحمر Redshift عندما يتحرك مصدر الضوء بعيدا عن المراقب الراصد له:  أي ان طول موجة الضوء الظاهرية تتمدد نحو الجزء الاحمر من الطيف, وهذا ما يعرف بتأثير دربلر Doppler effect.

اوضحت ملاحظات Hubble  بأن المجرات البعيدة تتحرك مبتعدة عنا, والمجرات الابعد تمتلك سرعات اكبر.

اذا كانت المجرات تتحرك مبتعدة عنا, فهذا يعني بأنها كانت في يوم ما من الماضي متجمعة بشكل قريب من بعضها البعض (هكذا علل Hubble الموضوع).

كانت اكتشافات Hubble بمثابة دعم لنظرية Georges LeMaître  حول الانفجار الكبير Big bang theory التي تم طرحها عام 1927.

اقترح LeMaître بأن الكون قد توسع بشكل انفجاري من حالة كثيفة جدا وساخنة, واستمر بالتوسع ليومنا هذا.

وحددت الحسابات السابقة بأن الانفجار الكبير قد حدث قبل ما يقارب 13.7 بليون سنة مضت.

عام 1998 لاحظ فريقان من الفلكيين اللذين يعملون بشكل مستقل في بيركلي , كاليفورنيا , بأن السوبر نوفا supernovae  ( أي النجوم المستعرة) كانت تتحرك مبتعدة عن الارض بشكل متسارع.

وكانت هذه الملاحظة كفيلة بأن يحوزا على جائزة نوبل للفيزياء عام 2011.

وافترض العلماء بان المادة الكثيرة matter التي تملأ الكون سوف تبطأ معدل التوسع, ومع الوقت سوف تسبب الجاذبية تراجع الكون إلى مركزه.

وبالرغم من ان نظرية الانفجار الكبير لا توصف لنا ماهي الظروف التي كانت متواجدة في بدايات الكون, ولكنها تساعد العلماء على توصيف اللحظات الاولى بعد بداية الانفجار.

المنشأ (المصدر) Origins

في اللحظات الاولى بعد الانفجار الكبيرBig bang, كان الكون كثيف وساخن لدرجة كبيرة جدا. وما إن برد الكون, حتى اصبحت الظروف مناسبة لتظهر المكونات الاساسية للمادة building blocks of matter – الكوركات quarks والالكترونات electrons التي تعتبر المكون الاساسي لكل شيء. وبعد ملايين الاجزاء من الثانية بعد ذلك, تجمعت الكواركات quarks  لتنتج البروتونات protons والنترونات neutrons. وخلال دقائق, اتحدت هذه البروتونات والنترونات لتشكل النوىnuclei .

ومع استمرار الكون في التوسع واستمرار درجة الحرارة في الانخفاض والبرود, اصبحت الامور تحدث بشكل ابطأ.

حيث استغرق الالكترونات زمن يعادل 380.000 سنة لكي تحتجز وتدور حول النوى, وتشكل بذلك اولى الذرات. وكانت تلك الذرات بشكل اساسي عبارة عن الهليوم helium و الهدروجين hydrogen, والتي لا تزال حتى  الآن العناصر الاكثر وفرة في الكون.

وبعد حوالي 1.6  مليون سنة تلت تلك الاحداث, بدأت الجاذبية تشكل النجوم والمجرات من غيوم من الغاز. وتم باستمرار انتاج الذرات الاثقل مثل الكربون carbon  , والاوكسجين oxygen والحديد iron, ضمن قلب تلك النجوم , وتم قذفها إلى الكون عبر الانفجارات النجمية التي تدعى بالسوبر نوفا supernovae .

ولكن النجوم والمجرات لا تخبرنا بكل القصة. اذ إن حسابات العلماء والفيزيائئن والفلكيين اقترحت بأن الكون المرئي الحالي لا يشكل سوى كمية ضئيلة جدا (حوالي 4% ) من المادة التي تشكل الكون الفعلي. حيث ان هنالك جزء كبير من الكون (حوالي 26%) مكون من مادة غير معروفة تدعى ب “المادة المعتمة Dark matter”. وعلى النقيض من النجوم والمجرات, فإن المادة المعتمة لا تبث أي ضوء او امواج كهرطيسية من أي نوع كان,  وبالتالي لا يمكن لنا الكشف عنها إلا من خلال تأثيرات الجاذبية الناجمة عنها gravitational effects.

وهنالك ايضا شكل اكثر غموضا من الطاقة , يدعى ب ” الطاقة المعتمة Dark energy” ويشكل حوالي 70% من محتوى (الكتلة – الطاقة ) الموجودة في الكون. وحتى ان المعرفة حول الطاقة المعتمة اقل بكثير من المعرفة حول المادة المعتمة.

وقد ظهرت ملاحظة وجود الطاقة المعتمة من ملاحظة بأن كل المجرات تسجل تراجعا عن بعضها البعض وبوتيرة متسارعة, وبالتالي تشير بذلك إلى وجود بعض الطاقات الغير مرئية التي تساعد هذا العمل.

وبهذه المعلومات البسيطة المختصرة ننهي حلقة اليوم حول الانفجار الاعظم, وإلى المزيد من المعلومات الفلكية في الحلقات القادمة, وإلى ذلك الحين استودعكم الله والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته.

ح3: المادة المضادة antimatter : تجربة ATRAP

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

سنتابع في هذه الحلقة حديثنا عن المادة المضادة , وبالتحديد عن التجارب التي تمت حول المادة المضادة لمعرفة ماهيتها وفي محاولات لكشف السر والغموض الذي يعتري هذه المسألة.

 ATRAP : وتقوم هذه التجربة بمقارنة ذرات الهدروجين hydrogen atoms مع مكافئها من المادة المضادة (أي ذرات المادة المضادة للهدروجين).

حبس المادة المضادة للهدروجين The Antihydrogen trap(ATRAP):   عبارة عن تجربة تقوم بمقارنة ذرات الهدروجين hydrogen atoms مع مقابلاتهم من المادة المضادة – ذرات المادة المضادة للهدروجين antihydrogen atoms.

في عام 2002, قدمت ATRAP لمحة اولى من الداخل عن ذرات المادة المضادة للهدروجين Antihydrogen atoms وذلك بعد عدة بحوث تم من خلالها انشاء (توليد) واجراء قياسات وحسابات على عدد من ذرات المادة المضادة للهدروجين بنجاح.

تتالف ذرة من المادة المضادة للهدروجين antihydrogen  من “مادة مضادة للبروتون antiproton” وبوزترون positron(أي مادة مضادة للالكترون antielectron).

احد الصعوبات التي تواجه العلماء اثناء صنع المادة المضادة antimatter تكمن في الطاقة العالية التي تمتلكها جزيئات المادة المضادة لللبروتونات antiprotons عندما يتم صناعتها لاول مرة, وبالتالي فهي تندفع من الجهاز بسرعة قريبة من سرعة الضوء. لذلك استخدم العلماء اجرائية تدعى ب “التبريد cooling ” بهدف تبطيء سرعة المواد المضادة للبروتونات antiprotons وبالتالي يصبح بإمكانهم دراستها بشكل افضل.

إن ATRAP تعتبر اول تجربة يتم فيها استخدام البوزترونات الباردة cold positrons بهدف تبريد المواد المضادة للبروتونات antiprotons.

تم حصر كل من المكونين (المادة المضادة للبروتون antiproton, والبوزترونpositron ) في نفس الفخ. وعندما يصل كل من المكونين إلى درجات حرارة متشابهة, يتحد بعض هذه الجزيئات ليكون ذرات المادة المضادة للهدروجين anithydrogen (بوزترون يدور حول المادة المضادة للبروتون). تم تطوير هذه التقنية في تجربة اخرى ضمن CERN وتدعى هذه التجربة TRAP, وهي التجربة التي سبقت ATRAP.

تم الاعداد للتجربة الحالية في اواخر التسعينيات , وبوقت متزامن مع الوقت الذي تم فيه اجراء تجربة ATHENA. كان لكلا التجربتين الاهداف نفسها, واستخدموا وسائل مشابهه من اجل انتاج ذرات المادة المضادة للهدروجين antihydrogen, ولكنهما استخدموا كواشف مختلفة detectors.

وفي الوقت الذي وصلت فيه تجربة ATHENA إلى نتيجة في نهاية عام 2004, فإن تجربة ATRAP لاتزال جارية. ولاتزال تنتج المادة المضادة للهدروجين Antihydrogen الباردة , ويتم حجزها لوقت كافي ليتم اجراء القياسات الدقيقة عليها , ومقارنتها بنفس الوقت مع الهدروجين الطبيعي.

وإلى اللقاء مع المزيد من المقالات حول المادة المضادة وغيرها من العلوم الفلكية

وإلى ذلك الحين استودعكم الله والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته

ح2: تخزين المادة المضادة Storing Antimatter

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

تحدثنا خلال الحلقة الماضية عن لمحه تحوي شيء من التفصيل حول المادة المضادة antimatter والبحوث التي تجري حولها في اضخم واكبر مخابر العالم CERN.

اما اليوم فسنتابع الحديث عن الآليات التي تم استخدامها لحجز المادة المضادة لاطول فترة ممكنة وذلك بهدف دراستها بشكل مفصل اكثر واجراء المزيد من التجارب عليها, عسى ان تساعد هذه الدراسات والتجارب في ازالة الغموض الذي يغلف مسألة المادة المضادةantimatter .

عام 1931  اقترح العالم الفيزيائي باول ديريك Paul Dirac بأن كل جزيئة particle  من المادة matter يجب ان يقابلها نظيرها من المادة المضادة antimatter counterpart.

antiparticle

ولكن بعد فترة وجيزة وقصيرة جدا من الانفجار الاعظم big bang , اختفت معظم المادة المضادة antimatter, تاركة وراءها كمية ضئيلة من المادة matter التي تشكل حاليا الكون الذي نعيش فيه الان.

ماالذي حدث وأدى إلى اختلال التوازن! تعد هذه المسألة من اعظم الألغاز في علم الفيزياء.

بحث العلماء الفلكيين عن المادة المضادة antimatter ضمن الفضاء, ولكن من الصعب اجراء هذه البحوث على الارض. لذلك ولكي يستطيع العلماء ان يقوموا بدراسة الموضوع, فقط اضطروا إلى صناعة المادة المضادة بانفسهم. وبما ان المادة المضادة تفنى على شكل شعلة من الطاقة عندما تتفاعل مع المادة النظاميةregular matter , فإن عملية تخزينها والاحتفاظ بها يشكل تحدي كبير.

ايجاد(توليد) المادة المضادة للهدروجين Creating Antihydrogen

إن المادة المضادة – النظير- لابسط ذرة :”الهدروجين hydrogen”, عبارة عن ذرة “نظير الهدروجين antihydrogen”, وتتكون من بوزترون positron مشحون بشحنة موجبة يدور حول “نظير البروتونantiproton ” المشحون بشحنة سالبة.

عام 1995, اعلن العلماء ضمن CERN بأنهم استطاعوا بنجاح ان ينتجوا “يولدوا”  اول ذرة “مادة مضادة للهدروجينantihydrogen “.

لوحظ بأن الجزيئات المضادة للمادة antiparticles كانت نشطة للغاية, تنتقل كل واحدة منها بسرعة مقاربة لسرعة الضوء على مسار يصل طوله إلى 10 امتار ,ومن ثم تفنى مع المادة العادية وذلك بعد مايقارب حوالي اربعين من البليون من الثانية.

في الوقت الذي كان فيه انتاج المادة المضادة للهدروجين antihydrogen عبارة عن الانجاز الاساسي الاهم, ولكن ذرات المادة المضادة التي تم اكتشافها كانت نشيطة جدا – ساخنة جدا- ولم تدع عملية دراستها بالموضوع السهل.

ولكي يستطيع العلماء ان يفهموا بشكل اوضح واكثر ذرات المادة المضادة antimatter atoms,احتاج علماء CERN إلى وقت اطول ليتفاعلوا معها. ولذلك طوروا تقنيات تستطيع ان تلتقط وتحبس المادة المضادة للهدروجين antihydroigen لفترة زمنية اطول.

تم انشاء مبطئ المادة المضادة للبروتون Antiproton Decelerator في CERN وذلك في اواخر التسعينيات, حيث زودنا هذا الجهاز بدوره بحركة ابطأ وطاقة اقل بالنسبة للمادة المضادة للبروتونات الخاصة بالمادة المضادة antimatter وذلك ضمن التجارب التي تم اجرائها, امثلة على التجارب :  ATHENA, ATRAP و ALPHA.

حيث ضمن هذا التجارب , قام كل من الحقلين المغناطيسي والكهربائي بالحفاظ على المواد المضادة للبروتينات antiprotons بشكل منفصل عن البوزترونات positrons وذلك عبر خلاء شببه مثالي near-perfect vacuum  , ويقوم هذا الخلاء بعزلهم عن المادة النظامية regular matter. تمر المواد المضادة للبروتونات antiprotons خلال غاز الالكترونات الكثيف, والذي بدوره يبطئ حركتهم اكثر.

 عندما تصبح طاقة المادة المضادة بطيئة بشكل كافي, عندها يستخدم علماء ALPHA الجهد الكهربائي electric potential  لدفع المواد المضادة للبروتونات antiprotons ضمن سحابة من البوزترونات positrons محجوزة ضمن الخلاء vacuum.

يتحد النوعان المختلفان من مضادات الجزيئات المشحونة antiparticles ضمن ذرات مواد مضادة للهدروجين anithydrogen بطاقة منخفضة.

وبما ان ذرات ” المواد المضادة للهدروجينantihydrogen ” لا تملك شحنة كهربائية, فإن الحقل الكهربائي لا يستطيع بعد الان الحفاظ عليهم في مكانهم. بدلا من ذلك, يستخدم مغناطيسين فائقي التوصيل superconducting magnets لتوليد حقل مغناطيسي قوي , والذي بدوره يستفيد من الخصائص المغناطيسية للمواد المضادة للهدورجين antihydrogen’s magnetic properties.  وفي حال كان لذرة المادة المضادة للهدروجينantihydrogen atons طاقة منخفضة كافية, عندها فإنه بالامكان بقاء ذرات المواد المضادة للهدروجين ضمن هذه “الزجاجة” المغناطيسية لوقت اطول.

حاليا, فإن الطريقة الوحيدة لمعرفة فيما اذا كانت المادة المضادة antimatter محجوزة بشكل فعلي تكمن عبر تركها تفنى مع المادة النظامية regular matter.

عندما يتم اطفاء الحقل المغناطيسي, تهرب ذرات المادة المضادة للهدروجين antihydrogen  من سجنها (الفخ المغناطيسي الذي حسبت ضمنه)وتفنى بسرعة على جانبي ذاك السجن.

تستخدم  كواشف السيليكون لالتقاط الوميض الطاقي الناتج وذلك بهدف تحديد مواضع الذرات المضادة. فقط عند هذه المرحلة يستطيع الفيزيائيون ان يتأكدوا بأن قد قاموا باحتجاز مادة مضادة للهدورجين antihydrogen .

حبس المادة المضادة في CERN

CERN

في شهر حزيران من عام 2011, صدر تقرير عن ALPHA يعلن بأنها استطاعت ان تحبس ذرات المادة المضادة لوقت يقارب ال 16 دقيقة.

ضمن المقاييس الزمنية للحياة الذرية, فإن مثل هذا الزمن يعتبر زمن طويل نسبيا – أي طويل بما يكفي لكي يبدأ العلماء بدراسة خصائص المادة المضادة بالتفصيل.

 تأمل عدة مجموعات تجريبية من ان يتاح لها دراسة الخصائص المتعلقة بالمادة المضادة للهدروجين antihydrogen , وذلك عبر اجراء مقارانات دقيقة بين الهدروجين , والمادة المضادة للهدروجين antihydrogen, ويرغب العلماء ايضا عبر هذه التجارب ان يعرفوا فيما اذا كان للمادة المضادة للهدروجين نفس الخطوط الطيفية لتلك الخاصة بالهدوجين.

تدعى أحد هذه المجموعات التدريبية AEGIS, وترغب حتى في ان تحاول قياس ثابت تسارع الجاذبية كما تستشعره ذرات المادة المضادة للهدروجينantihydrogen .

وكلما طالت الفترة التي تستطيع فيها هذه المجموعات احتجاز المادة المضادة للهدروجين, كلما كانت دقة القياسات افضل, وسيكون عندها الفيزيائيون اقرب من حل لغز المادة المضادة antimatter.

نكتفي عند هذه الحلقة بهذا القدر من التفصيل حول عملية حجز المادة المضادة, بهدف دراستها والتعمق فيها بشكل اكبر, وإلى حلقة جديدة قادمة سنتعرض فيها مواضيع اخرى حول المادة المضادة , وإلى ذلك الحين نستودعكم الله والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته.

المراجع :

http://greg-test3.web.cern.ch/about/engineering/storing-antimatter

ح1:المادة المضادة Antimatter

تمتاز هذه الايام بأننا نكتسب فيها المعرفة بشكل اكبر بكثير من أي عهد مضى.

اصبح بإمكاننا في هذه الايام ان نفهم ونعي احد اهم واعقد الاشياء ضمن هذا العالم, ومع ذلك لا يزال يستعصي علينا الحصول على اجابة للعديد من الاسئلة البسيطة الاخرى.

تطرح البحوث المتطورة حول المادة المضادة العديد من الاسئلة التي سوف نحاول الاجابة عليها…مثل : لماذا هنالك نقص كبير وحاد وواضح في وجود المادة المضادة ضمن الكون في حين تقودنا الفيزياء الحديثة إلى نتيجة تقول بأنه يجب ان يتواجد كمية متساوية من المادةmatter  والمادة المضادة antimatter في الكون…؟

حسنا الان , يتسائل القارئ لهذه المقالة , ماهي المادة المضادةantimatter , وماهي المادةmatter ؟ هذا ما سنجيب عليه ضمن المقاطع القليلة القادمة وذلك عبر شكل مبسط ومختصر.

 مضادات الجزئيات Antiparticles

Particle – Antiparticle

يبدو لنا بأن كل جزئية ضمن الكون تملك جزئية اخرى تمثل شريك لها partner particle وتدعى ب ” الجزيئة المضادة ” antiparticle , وتتشارك معها بعدد كبير من نفس الخصائص, ولكن هنالك عدد من الخصائص الاخرى التي تكون مضادة ومعاكسة لتلك الموجودة في الجزيئة.

إن الامور الموجودة حولنا تبدو لنا وكأنها “مادة” matter, ولكننا وبشكل روتيني تنتج المادة المضادة بكميات صغيرة جدا وذلك ضمن تجارب المسرعات عالية الطاقةhigh energy accelerator experiments .

عندما تتقابل جزيئة من المادة matter particle  مع الجزيئة المادة المضادة لها antimatter particle  عندها يدمر كل منهما الاخر بشكل كامل (بعبارات تقنية تسمى هذه العملية “الابادة” annihilation), محررين بذلك المكافئ لكتلة كل منهما المتبقية على شكل طاقة صرفة(وذلك تبعا لعلاقة اينشتاين  E=mc^2).

على سبيل المثال, عندما يلتقي الكترون بالالكترون المضاد له antielectron, فعدها يفنى كل منهما وينتجان شعلة من الضوء بما يكافئ الطاقة العائدة لكتلة كل من الجزيئن.

Electron – positron

بما ان خصائص المادة والمادة المضادة موازية لبعضهما البعض, فنحن نعتقد بأن فيزياء وكيمياء المجرة مصنوعة بشكل كامل من المادة المضادة بشكل موازي للمادة mater الموجود في الكون.

اذن , فإنه من المتصور بأن حياة ضمن هذا الكون قد بنيت وتطورت على اساس المادة المضادة وذلك في اماكن اخرى من الكون, تماما كما تطورت الحياة التي تعتمد على المادة matter هنا.

(لكن في حال ظهر توأمك المكون من المادة المضادة antimatter twin في يوم من الايام, فأنا لا انصحك عندها بمصافحة الايدي – تذكر بأن المادة matter والمادة المضادة antimatter  يفني بعضهما البعض! 🙂 )

على كل حال, لا يوجد لحد الآن دليل على تواجد تجمعات كبيرة للمادة المضادة في مكان ما ضمن الكون.

كل شيء شاهدناه لحد الآن عبارة عن مادة matter. في حال كان ذلك صحيحا, عندها فنحن نواجه شيء من الغموض, لأن هنالك اسباب قادمة من الفيزياء الاساسية تجعلنا نعتقد بأن الكون يجب ان يكون قد انتج من المادة المضادة antimatter  كميات مكافئة لتلك المنتجة من المادة matter.

  عدم التناظر asymmetry

إن يعتقد بأن الانفجار الاعظم big bang قد انشأ كميات مساوية من المادة والمادة المضادة matter and antimatter وذلك ضمن البدايات الاولى للكون.

ولكن في هذه الايام , كل شيء نراه ابتداءا من اشكال الحياة الصغرى على الارض, إلى اكبر التجمعات النجمية , فإنها كلها مصنوعة بشكل كامل من المادة matter.

وبشكل عام ومقارنة بالمادةmatter , فإنه لا يوجد الكثير من المادة المضادة antimatter التي تم ايجادها.

يجب ان يتحرك شيء ما ليرحج كفة الميزان!!

احد اهم واعظم التحديات ضمن الفيزياء تكمن في محاولة معرفة الامر الذي حدث للمادة المضادة, ولماذا نشاهد حالة من عدم التناظر بين المادة والمادة المضادة من حيث التواجد.

 تشارك جزيئات المادة المضادة antimatter particles نفس الكتلة كتلك لنظرائهم من جزيئات المادة matter, ولكن الخصائص – مثل الشحنة الالكترونية electric charge – تكون معاكسة.

على سبيل المثال: إن البوزترون المشحون بشحنة ايجابية positron,, عبارة عن الجزيئة المضادة antiparticle للالكترون المشحون بشحنة سالبية electron.

إن جزيئات كل من المادة matter والمادة المضادة antimatter تنتج على شكل ازواج pair , وفي حال تواصلت مع بعضها البعض يفني كل منها الاخر, وتترك خلفها طاقة صرفةpure energy .

خلال الاجزاء القليلة من الثانية التي تلت الانفجار الاعظمbig bang , كان الكون الساخن والكثيف يطن ويأز عبر ازواج من (الجزيئاتparticle  – مضادات الجزيئاتantiparticle ) التي كانت تظهر للوجود او تخرج منه.

 في حال كان كل من المادة matter  والمادة المضادة antimatter قد تم إنشائهما وتدميرهما مع بعضهما البعض, عندها وبحسب هذا التحليل فإنه يتوجب ان يحوي الكون “لا شيء” سوى تلك الطاقة المتبقية التي نتجت عن تدميرهما.

مع ذلك, فإن جزء صغير من المادة matter – حوالي جزيئة من المليون – استطاع ان يتجو. وهذا ما نراه اليوم.

 خلال العقود المنصرمة الماضية, ومن خلال التجارب التي تمت في مجال فيزياء الجزيئات particle-physics بأن قوانين الطبيعة لا تنطبق بشكل متساوي على المادة matter والمادة المضادةantimatter . و العلماء الفيزيائيون حريصون على معرفة الاسباب.

لاحظ الباحثون تفاعلات عفوية بين الجزيئات particles والجزيئات المضادة لها antiparticles, تحدث بمعدل مليون مرة في الثانية قبل ان تضمحل.

إن تدخل مجموعة من الكينونات الغير معروفة unknown entity ضمن هذه العملية – وذلك في الايام الاولى من الكون – قد تكون قد سببت اضمحلال هذه الجزيئات المتذبذبة , وقد سببت اضمحلال المادة المضادة بشكل اكبر من اضمحلال المادة.

 لنتخيل الآن كيف يمكن ان يتم الموضوع : تخيل عملة تدور على الطاولة.قد تستقر على وجه الكتابة , او قد تستقر على وجه النقش, ولكن لا تستطيع ان تحدد على أي وجه سوف تستقر (الكتابة او النقش) مالم تتوقف العملة عن الدوران وتسقط على احد الجانبين.

 تملك العملة فرصة تعادل في علم الاحتمالات  50-50 لكل وجه من الوجهين, اذن في حال تم تدوير عدد من العملات بطريقة مشابهة تماما, فإنه من المحتمل بان تستقر نصف العملات على احد الوجهين(مثلا النقش) , والنص الاخر من العملات على الوجه الاخر(مثلا الكتابة).

بطريقة مشابهه, فإن نصف الجسيمات المتذبذبة ضمن اللحظات الاولى من الكون يجب ان تكون قد تلاشت بشكل متساوي , نصفها من المادة matter , والنصف الاخر من المادة المضادة antimatter .

 على كل الاحوال, في حال تواجد هنالك نوع خاص من الاحجار قد تدحرج عبر مجموعة من العملات الدوارة , وسبب استقرار كل عملة من العملات التي اصطدم بها لان تقع على وجهها مثلا, فإن مثل هذا الحدث قد يخّرب النظام كله. عندها سنحصل على عملات مستقرة على “الوجه” اكثر من العملات المستقرة على “النقش”.

بطريقة مشابهه, فإن بعض الميكانيكيات المشابهة قد تكون قد تدخلت ضمن مجموعة الجزيئات المتذبذبة وسببت اضمحلال جزء كبير منهم.

قد يجد الفيزيائيين بعض التنويهات التي تساعد فهم الالية التي تمت فيها هذه العملية, وذلك عبر دراسة الفروقات الدقيقة ضمن سلوك جزيئات المادة matter والمادة المضادة antimatter التي تم توليدها عبر التصادمات عالية الطاقة للبروتونات وذلك ضمن مصادم الكبير للهدرونات Large Hadron Collider LHC.

إن دراسة هذا الخلل وعدم التوازن بين تواجد المادة والمادة المضادة قد يساعد العلماء في رسم صورة اوضح للطريقة التي تم ملأ العالم فيها بالمادة.

 المادة المضادة ضمن المركز الاوربي للبحوث النووية CERN

CERN

تم توليد اول ذرة مضادة للهدروجين antihydrogen ( وهي عبارة عن نظيرالمادة المضادة لابسط ذرة هدروجين) في مركز CERN عام 1995.

إن ذرة “المادة المضادة للهدروجينantihydrogen ” تتالف من ” مادة مضادة للبروتونantiproton ” و بوزترون positron (عبارة عن مادة مضادة للالكترون antielectron) مما يجعلها ابسط مادة مضادة لذرة antiatom.

لسوء الحظ, هذا التبسيط لا يجعل عملية انجاز هذه العملية ضمن المخبر بالعمل السهل.  كانت العمل على ذلك بمثابة مهمة صعبة وشاقة بالنسبة لكل من الفيزيائيين ولفريق العمل ضمن CERN’s Low Energy Antiproton Ring (LEAR) – وهو المكان الذي تم فيه اكتشاف “المادة المضادة للهدروجين”.

Antihydrogen – Hydrogen

سمح الباحثون لل “المواد المضادة للبروتوناتantiprotons ” التي تدور ضمن LEAR بالتصادم مع ذرات من المواد الثقيلة. تستطيع أي من “المواد المضادة للبروتوناتantiprotons ” التي تمر بشكل قريب كفاية من النوى الذرية الثقيلة ان تنشأ زوج من(الكترون- بروتون), وذلك خلال فاصل زمني صغير جدا, وقد تتحد المادة المضادة للبروتونantiproton  مع البوزترون positron لتشكل ذرة “مادة مضادة للهدروجين antihydrogen”.

على كل الاحوال, ان هذا الوجود العابر ل “مضادات الذراتantiatoms” يعني بأنه لا يمكن استخدامها لمزيد من الدراسات.

كل واحدة منها تبقى فقط ل 40 بليون جزء من الثانية, وتنتقل بسرعة قريبة من سرعة الضوء خلال مسار طوله 10 امتار قبل ان تفنى مع المادة العادية matter .

عام 2011 , نحجت ALPHA – منظمة تعاون دولي تدير حاليا التجارب في CERN’s Antiproton Decelerator facility – في حبس ذرات المادة المضادة للهدروجين antihydrogen atoms لمدة 1000 ثانية.وذلك عبر مقارانات دقيقة بين الهدروجين hydrogen  و المادة المضادة للهدروجين antihydrogen, كما ان هنالك العديد من المجموعات لتي تقوم بالتجارب والتي تأمل ان تدرس خصائص المادة المضادة للهدروجين antihydrogen لترى فيما اذا كانت تملك نفس خطوط الطيف للهدروجين.

احد هذه المجموعات هي AEGIS, والتي تحاول ايضا ان تقيس ثابت تسارع الجاذبية كما تستشعره ذرات المادة المضادة للهدروجين antihydrogen.

 قصة المادة المضادة The story of antimatter

 خلال سنين قامت المنظمة الاوربية للبحوث النووية CERN باستضافة العديد من التجارب على مستوى العالم فيما يخص المادة المضادة.

ومن خلال تتبع هذه البحوث منذ الملاحظات الاولى , وحتى احدث الاكتشافات نجد الجدول التالي ادناه:

30 / 06 / 1905	قام انشتاين بنشر نظريته حول النسبية الخاصة
07 / 04 / 1912	قام فيكتور هيس باكتشاف الاشعة الكونية Victor Hess
27 / 01 / 1926	وضع كل من اروين شرودنغر و فرنر هايسنبيرغ نظرية الكم Erwin Schrödinger and Werner Heisenberg
02 / 01 / 1928	تنبأت معادلة دريك بمضادات الجزيئات Dirac’s equation
09 / 09 / 1932	اكتشف كارل اندرسون البوزترون Carl Anderson
02 / 02 / 1934	براءات اختراع ارنست لورنس حول السيكلوترون(المسرع الدوراني) Ernest Lawrence patents the cyclotron
01 / 04 / 1954	The Bevatron starts up at Berkeley, California
01 / 11 / 1955	اكتشف بيفاترون المادة المضادة للبروتون The Bevatron discovers the antiproton
03 / 10 / 1956	اكتشف بيفاترون المادة المضادة للنترون The Bevatron discovers the antineutron
27 / 07 / 1964	اكتشف كل من كرونين وفيتش الفوارق بين المادة والمادة المضادة Cronin and Fitch detect a difference between matter and antimatter
01 / 09 / 1965	الملاحظات الاولى حول المادة المضادة للنواة First observations of antinuclei
18 / 08 / 1978	اول مخزن للمادة المضادة للنوى First storage of antiprotons
04 / 04 / 1981	اولى التصادمات بين البروتون و المادة المضادة للبروتون First proton-antiproton collisions
15 / 09 / 1995	First antiatoms produced: antihydrogen, at CERN
07 / 02 / 1997	Antiproton Decelerator approved
18 / 09 / 2002	ATHENA and ATRAP create “cold” antimatter
05 / 06 / 2011	ALPHA traps antimatter atoms for 1000 seconds
28 / 07 / 2011	ASACUSA weighs antimatter to one part in a billion

المراجع :

1. http://greg-test3.web.cern.ch/about/physics/search-antimatter
2. http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/cosmology/antimatter.html
3.  http://www.cem.msu.edu/~cem181fp/antimatter/antimatter.html
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Antimatter

وإلى لقاء اخر نستعرض فيه موضوعات مشابهه, وإلى ذلك الحين استودعكم الله والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته

ح6 : كيف ترتبط نظريات الاوتار الفائقة مع بعضها البعض؟ صورة جديدة لنظرية الاوتار الفائقة.

 

ملاحظة : الموضوع عبارة عن حلقة من حلقات سلسلة الاوتار الفائقة

 كيف ترتبط نظريات الاوتار الفائقة مع بعضها البعض؟ صورة جديدة لنظرية الاوتار الفائقة.

في زمن من الازمان , اعتقد اصحاب نظريات الاوتار الفائقة بأن هنالك 5 نظريات مختلفة من النظريات الفائقة :

النمط I , والانماط IIA  و IIB ,  بالاضافة إلى نظريتين هجينتين عن الاوتار الفائقة two heteronic string theories.

كان التفكير السائد بأن ضمن هذه النظريات الخمس المرشحة, يوجد فقط نظرية فعلية صحيحة لكل شيء Theory of Everything, مع ابعاد( زمانية- مكانية) مضغوطة ليصل عددها إلى 4 ابعاد, وتطابق هذه النظرية المزعومة الملاحظات الفيزيائية في عالمنا الحالي.

أما فيما يتعلق بالنظريات الاخرى فإنها ستمثل النظريات المرفوضة حول الاوتار الفائقة, وبالتالي فإن تركيباتها الرياضية ليست متوافقة مع طبيعة الوجود.

ولكن قد تبين الآن بأن هذه الصورة الساذجة كانت مغلوطة , وإن كل من النظريات الخمس الخاصة بالاوتار الفائقة مرتبطة مع بعضها البعض كما لو ان كل واحدة من هذه النظريات تمثل حالة خاصة من النظرية الأساسية, والتي لا يوجد غيرها.

string theory

تترابط هذه النظريات عبر تحويلات , وتدعى هذه التحويلات بالثنائيات dualities.

عندما يكون هنالك نظريتان مرتبطتان مع بعضهما البعض عبر تحويل ثنائية , فهذا يعني بأن يمكن تحويل النظرية الأولى بطريقة ما لتنتهي إلى شكل يبدوا مشابه تماما للنظرية الثانية. عندها يقال عن النظريتان بأن كل واحدة منهما ثنائية dual للنظرية الاخرى, وذلك ضمن اطار ذاك النوع من التحويل.

تربط ايضا هذه الثنائيات الكميات quantities والتي كان يعتقد ايضا بانها منفصلة.

 مقاييس الابعاد الصغيرة والكبيرة, القوى القوية والضعيفة – هذه الكميات التي ابدت سلوكيات محدودة  ضمن النظام الفيزيائي, في كل من نظرية الحقل الكلاسيكي classical field theory , وفيزياء الكم للجزيئات quantum particle physics.

ولكن تكمن المشكلة في ان الاوتار يمكن ان تحجب الاختلاف بين مقاييس الابعاد الصغيرة والكبيرة , القوى القوية والضعيفة , وبذلك تنتهي هذه النظريات الخمس المختلفة لأن تكون مرتبطة مع بعضها البعض.

المقاييس الصغيرة والكبيرة

يدعى  تناظر الثنائية duality symmetry الذي يحجب قدرتنا على التمييز بين مقاييس الابعاد الصغيرة والكبيرة ب”ت- ثنائية”T-duality , وياتي تناظر الثنائية هذا تقريبا من ضغط الابعاد المكانية الإضافية  10 ابعاد وذلك ضمن نظرية تناظر فائق للأوتار الفائقة superstring theory.

لنفترض بأننا كنا ضمن فضاء (مكان – زمان) ذو عشرة ابعاد , وهذا يعني بأنه يوجد لدينا 9 فضاءات مكانية وفضاء زماني واحد.

لنأخذ احد هذه الابعاد المكانية التسعة ولنحوله إلى دائرة قطرها R, وبالتالي فإنه عند الانتقال ضمن ذاك الاتجاه لمسافة تساوي L=2pR فإن ذلك يجعلنا ندور حول الدائرة كلها ويعيدنا إلى المكان الذي انطلقنا منه.

إن اي جزيئة تنتقل حول هذه الدائرة سيكون لديها قوة دفع كمية quantized momentum حول هذه الدائرة, وهذا سوف يساهم في الطاقة الاجمالية للجزيء. أما بالنسبة للوتر string  فإن الامر مختلف جدا, لأنه بالاضافة إلى الانتقال حول الدائرة , فإنه بإمكان الوتر الالتفاف حول الدائرة. إن عدد المرات التي يلتف فيها الوتر حول الدائرة يدعى برقم الالتفاف winding number,  ولهذا الرقم قيمة ايضا.

الآن , فإن الشيء الغريب فيما يتعلق بنظرية الاوتار الفائقة يكمن في ان اوضاع القوة الدافعة momentum modes  , واوضاع الالتفاف winding modes يمكن ان تتبدل وتتغاير, طالمنا نقوم نحن بتغيير قطر الدائرة R مع الكمية L_st²/R  حيث ان L_st عبارة عن طول الوتر.

في حال كان القطر R اصغر بكثير من طول الوتر , عندها فإن الكمية L_st²/R ستكون كبيرة جدا.

وبالتالي فإن تغيير كل من انماط القوة الدافعة momentum modes , انماط الالتفاف winding modes  للوتر سوف يبل مقاييس الابعاد الكبيرة بمقاييس ابعاد اصغر.

يدعلى هذا النوع من الثنائيات ب T-duality.

تربط T-duality النمط IIA (من نظريات التناظر الفائق للاوتار الفائقة superstring theory) بالنمط IIB (من نظريات التناظر الفائق للاوتار الفائقة superstring theory).

هذا يعني بأننا اذا اخذنا نظرية النمط IIA ونظرية النمط IIB وضغطنهما كليهما على دائرة , عندها فإن تبديل انماط القوة الدافعة وانماط الالتفاف , وتبديل مقاييس الابعاد, سوف ينقلنا من نظرية إلى اخرى! وذات الشيء صحيح فيما يخص نظريتي الهجين heteronic theories.

إذن , نجد بأن T-duality تحجب عنا الاختلاف بين المسافات الصغيرة والكبيرة. فما يبدو عبارة عن مسافة كبيرة جدا بالنسبة لانماط القوة الدافعة للوتر , يبدو في ذات الوقت عبارة عن مسافة صغيرة جدا بالنسبة لأنماط التفاف الوتر. هذا مخالف جدا للآلية التي عملت بها الفيزياء منذ ايام كيبلر ونيوتن.

القوى القوية والقوى الضعيفة

ماهو ثابت الاقتران؟ عبارة عن رقم يخبرنا عن قوة التفاعل.

إن ثابت نيوتن , هو عبارة عن ثابت الاقتران coupling constant الخاص بقوة الجاذبية, على سبيل المثال : في حال كان ثابت نيوتن ضعفي حجمه المعتبر الآن, لكنا شعرنا عندها بضعف قوة الجاذبية من الارض, والارض بدورها ستشعر بضغف قوة الجاذبية من القمر والشمس , …الخ.

إن القيم الكبيرة لثابت الاقتران coupling constant  تعني قوى اكبر, والقيم الصغيرة لثابت الاقتران coupling constant تعني قوى اضعف.

تملك كل قوة ثابت اقتران coupling constant.

بالنسبة للقوى الكهرومغناطيسية , فإن ثابت الاقتران يتناسب طردا مع مربع الشحنة الكهربائية.

عندما درس الفيزيائيون سلوك الكم الخاص بالقوة الكهرومغناطيسية, لم يستطيعوا ان يحلوا النظرية بشكل تام , لذلك قاموا بتجزيئها إلى قطع اصغر , وبالتالي فإن كل قطعة صغيرة من النظرية – استطاعوا حلها – كان لها قوة مختلفة من ثابت الاقتران.

على مستوى الطاقات الطبيعية في القوى الكهرومغناطيسية, يكون ثابت الاقتران صغيرا, وبالتالي فإن القطع القليلة الصغيرة من النظرية بإمكانها ان تعطينا مقاربة جيدة للاجابة الحقيقية.  اما في حال اصبح ثابت الاقتران كبيرا, عندها ستفشل تلك الطريقة المتبعة في الحساب, وستصبح تلك القطع الصغيرة من النظرية عديمة الفائدة في مقاربة الفيزياء الواقعية.

بإمكان نفس الشيء الحدوث في نظرية الاوتار الفائقة. تملك نظرية الاوتار الفائقة ثابت اقتران. ولكن بشكل مغاير لنظريات الجزيئات , فإن ثابت الاقتران في نظرية الاوتار الفائقة ليس مجرد رقم , ولكنه يعتمد على انماط تذبذب وتارجح oscillation modes الوتر, ويدعى بدليتون dilaton.

إن تبديل حقل الدليتون dilaton مع معكوس نفسه بالقيمة سوف يبدل قيمة كبيرة لثابت الاقتران بقيمة صغيرة جدا.

يدعى هذا التناظر ب S-duality. في حال كان هنالك نظريتان من نظريات الاوتار مرتبطتان مع بعضهما البعض عبر S-duality, عندها ستكون احد النظريتين (التي تملك ثابت اقتران قوي ) مشابه للنظرية الاخرى (التي تملك ثابت اقتران ضعيف).

لاحظ بأن النظرية التي تملك اقتران قوي لا يمكن فهمها, بينما النظرية التي تملك اقتران ضعيف يمكن فهما.

اذن في حال كان لدينا نظريتان مرتبطان عبر S-duality, عندها نحن بحاجة فقط لان نفهم النظرية الضعيفة, وهذا مكافئ لفهم النظرية القوية. بالنسبة للفيزيائيين , فهذا يمثل افضل تعبير عن المثل (2 مقابل 1).

نظريات الاوتار الفائقة المرتبطة عبر   S-dualityهي التالية:

النمط I (نظرية التناظر الفائق للاوتار الفائقة superstring theory) مع النظرية الهجينة ذات التناظر الفائق للاوتار الفائقة heterotic SO(32) superstring theory, والنمط IIB مع نفسه.

ماذا يعني هذا ؟

T-duality عبارة عن شيء فريد بالنسبة لفيزياء الاوتار. فهو عبارة عن شيء ليس باستطاعة الجزيئات القيام به , لأنه ليس بإمكان الجزيء الالتفاف حول دائرة كما يفعل الوتر.

في حال كانت نظرية الاوتار الفائقة عبارةعن نظرية صحيحة للطبيعة , فهذا يؤدي إلى أنه على  بعض المستويات العميقة, يكون الفصل بين مقاييس الابعاد الكبيرة مقابل الصغيرة  ضمن الفيزياء ليس فصلا ثابتا , ولكنه فصل عائم, ويعتمد على نمط المسبار الذي نستخدمه في قياس المسافة.

نفس الشيء صحيح بالنسبة ل S-duality, الذي يعلمنا بأن حدود الاقتران القوي لاحد نظريات الاوتار الفائقة يمكن وصفه عبر حدود الاقتران الضعيف لنظرية اخرى من نظريات الاوتار الفائقة.

يبدوا هذا وكاننا نتجه باتجاه معاكس للفيزياء التقليدية, ولكنه يتضمن محتوى معقول فيما يخص نظرية الكم الخاصة بالجاذبية , لأن نظرية اينشتاين الخاصة بالجاذبية تخبرنا بأن الجاذبية تتعلق بكيفية قياس أحجام الأجسام وإحجام التفاعلات وذلك ضمن فضاء (مكاني – زماني ) منحني.

وبهذا نكون قد وصلنا إلى نهاية هذه السلسلة الشيقة والعلمية حول ” الاوتار الفائقة” . ارج وان تكونوا قد جنيتم الفائدة المرجوة من الموضوع, وعلى امل ان نلتقي في مواضيع اخرى فلكية في المستقبل القريب

وإلى ذلك الحين استودعكم الله والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته.

 

بعض المراجع :

• http://www.superstringtheory.com/
• http://www.nucleares.unam.mx/~alberto/physics/string.html
• principle – Wikipedia, the free encyclopedia
• https://wikimedia.org/wikipedia/en/wiki/String_theory
• http://en.wikipedia.org/wiki/Graviton
• http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_lens

• http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/cosmology/forces.html
• http://www.sukidog.com/jpierre/strings/index.html

علوم كونية – العدسة التثاقلية Gravitational lensing

 

العدسات التثاقلية Gravitational lensing

  نعيش في هذا الكون الغامض ونحن نعتقد بأن مانراه بأم عيننا هو الحقيقة , لنكتشف لاحقاً بأن أعيننا لا تصدقنا دوما , وما كنا نراه واقعا وحقيقةً منذ لحظات ,ما هو إلا وهم وسراب وخداع بصري!؟ وغلاف مزيف لظواهر لم تكن ظاهرة لنا ولم نكن قادرين على إدراكها أبدا في حال اعتمدنا فقط على أعيننا المجردة في إدراك الوقائع المحيطة.

ماهي العدسات التثاقلية :
أشارت نظرية اينشتاين النسبية إلى قدرة الكتل الكبيرة نسبيا على حرف مسار الضوء – العلاقة بين الكتلة والفوتونات. وبالتالي ,فإنه يمكن لكتلة كبيرة جداً أن تلعب – عبر ثقالتها – دور يشبه دور العدسة فتحرف الأشعة الضوئية الصادرة عن الأجسام المضيئة عن مساراتها , مسببة بذلك تشوه أو تضخيم أو مضاعفة الجسم الأصلي المصدر لتلك الأشعة الضوئية (خداع بصري).
لتوضيح هذه الظاهرة بشكل أفضل ,دعونا نتخيل وجود كتلة مضيئة كبيرة مثل نجم , أو مجرة galaxy , أو حتى كوازار- نجم كبير جداً  – يقبع في مكان بعيد جدا عن الأرض (لنقل 10 بليون سنة ضوئية ) . وحتى تكون تخيلاتنا محددة وواضحة أكثر , دعونا نتخيل بأن تلك الكتلة المضيئة هي بمثابة كوارز.  في الحالة التي يتواجد فيها خط نظر مباشر بيننا وبين ذلك الكوازار – أي لا توجد أي عوائق تفصلنا عن النظر مباشرة إليه – عندها فإننا نر صورة وحيدة لذلك الكوازار. أما في حال اعترضت مجرة ذات كتلة ضخمة (أو تجمع من المجرات ) خط النظر المباشر بيننا وبين ذلك الكوازار , عنده سينحني الضوء بسبب حقل الجاذبية المحيط بتلك المجرة ( انظر إلى الشكل أدناه ) . تدعى تلك الظاهرة السابقة بالعدسة التثاقلية ” gravitational lens” , واتت هذه التسمية لأن المجرة الدخيلة قد لعبت إلى حد ما دوراً مشابهاً للدور الذي تلعبه العدسة في حرف وإعادة توجيه الأشعة الضوئية . ولكن لننظر الآن إلى الصورة مكتملةً : مالذي نتج لدينا في هذه الحالة بعد حرف كل الأشعة الضوئية الصادرة عن الكوازار؟؟
في هذه الحالة بدل من أن نر صورة وحيدة للكوازار , فإننا مفعول العدسة التثاقلية سيولد لنا عددا من الصور. وذلك لأننا فعليا نر ممددات الأشعة التي تصلنا للأرض , ولا نرالمصدر الفعلي للأشعة (الكوازار) .
إن الفعل السابق هو أشبه بالخداع البصري. فنحن نر الآن صورة وهمية لمجموعة من الكوازارات الغير موجودة فعليا , ولتبسيط تخينا للموضوع , دعونا نفترض بأن المجرة كانت متناظرة بالنسبة لخط النظر الواقع بين الأرض والكوازار, عندها سنر حلقة من الكوازارات !!

أما في الحالة التي لا تقع فيها المجرة في مكان متناظر بالنسبة لخط النظر بين الأرض والكوازار – وهي الحالة المتوقعة – , عندها سيقع مساري الشعاعين الضوئيين المنحنيين على مسافات مختلفة حول المجرة (وذلك لأنه كلما اقترب الشعاع الضوئي من المجرة , ازداد تأثير الحقل الثقالي عليه , وبالتالي ازداد مقدار انحناء الشعاع) . مما يسبب تشكل صور توأميه للكوازار الأصلي ولكن على مسافات مختلفة بعيدا عنه.

ولتبسيط دراسة الموضوع سنقوم بما يلي:
بما أن البعد بين كل كتلة من الكتل السابقة كبير جداً,لذلك فإنه يمكن مقاربة كتلة المجرة التي تلعب الدور التخريبي السابق – حرف الضوء- بكتلة نقطية , وبالتالي فإنه يمكن باستخدام معلومات هندسية بسيطة (عن طريق معرفة كتلة المجرة , وبعد المجرة وكل من الصورتين الوهميتين) تقييم المسافة الفعلية عن الكوازار الحقيقي.
برمجياً
وقد قمنا فعليا بتنجيز مشروع برمجي ثلاثي الأبعاد يقوم على محاكاة ظاهرة السراب الكوني السابقة , والصورة ادناه (تم أخذها من المشروع البرمجي) تمثل إحدى الحالات التي من الممكن أن تولدها ظاهرة العدسة التثاقلية وذلك بالنسبة لمنظومة مؤلفة من :
1– منبع بعيد للضوء (نجم أو مجرة أو كوازار).
2– كتلة تعترض هذا الضوء و تقوم مقام العدسة (أي جسم له كتلة كبيرة من كوكب إلى ثقب أسود).
3– راصد على الأرض.
4– الفضاء الذي تنغمر فيه هذه الأشياء الثلاثة.
(العناصر السابقة تشكل العناصر الأساسية لأي نظام عدسي تثاقلي)

حيث قمنا في هذا المشروع بنمذجة ظاهرة انحراف الأشعة الضوئية بفعل الثقالة , وإيضاح تأثير العاملين الأساسيين في الإنحراف ألا و هما مقدار بعد الأشعة الضوئية عن الكتلة , بالإضافة إلى مقدار هذه الكتلة .

ما هو الدور الفعال الذي تلعبه العدسات التثاقلية؟
يمكن أن يلقي تحليل هذه الصورة ضوءاً على كل من الجرم الخلفي و على العدسة نفسها.
وكل شيء له كتله يمكن أن بقوم مقام عدسة (ثقب اسود على سبيل المثال) , فليس من الضروري أن يصدر ضوءاً خاصاً بذاته و لهذا السبب فإن المفعول العدسي التثاقلي هو إحدى الطرائق القليلة التي تسمح للفلكيين برسم خريطة للمادة المعتمة غير المرئية في الكون.

ماذا عن مستقبل العدسات التثاقلية؟
بالرغم من ان ظاهرة العدسة التثاقلية لا تزال في مراحل طفولتها –ان جاز التعبير- ولكنها استطاعت ان تجعل من نفسها أداة فلكية فعالة ,وقد لاقت فعليا نجاحا ملحوظا. فقد كانت لها مساهمتها في مجالات مختلفة باعتبارها بمثابة مقياس مسافة مستخدم في علم الكون cosmology ,بالإضافة إلى كشفها النقاب عن كم كبير من الكتل والأجسام الموجودة في المادة المعتمة التي تملأ الكون dark matter , إيضاح ظاهرة السراب الكوني أو الخداع البصري الذي تسببه تجمعات المجرات أو الكتل الضخمة الموجودة في الفضاء , توضيح عدد من النقاط المتعلقة ببنيةالمجرات.
وبالنظر إلى النجاحات التي حققها كشف ودراسة هذه الظاهرة في الماضي القريب , فإنه من المتوقع أن تشهد ظاهرة العدسات التثاقلية مستقبلاً مضيئاً أكثر من حيث دراستها بشكل مسهب أكثر من ذي قبل بالإضافة إلى الظواهر التي من المتوقع أن تكشفها لنا عن هذا الكون الغامض الذي لا نزال لحد الآن نجهل عنه الكثير…

شرح بعض الكلمات
كوازار :

الكوازار أو شبيه النّجم عبارة عن مصدر فلكي للطاقة الكهرومغناطيسية ، بما فيها الضوء ، هذه الطاقة تخفف من الطاقة الناتجة عن أكثر النجوم لمعانا . يمكن للكوازار ان ينتج الطاقة بمستويات مساوية لناتج مئات من المجرات المتوسطة مجتمعة . يبدو الكوازار في المرقابات البصرية (التلسكوبات البصرية) كنجم باهت (أي أنه يشكل مصدر نقطي للطاقة ) .

مع خالص تمنياتي لكم بالمتعة والفائدة , وبانتظار تعليقاتكم وردودكم لنسهم معاً في توسيع نقاش الموضوع أكثر وطرحه بشكل معمق ومسهب أكثر من هذه اللمحة المختصرة

وإلى أن ألقاكم في موضوع لاحق بإذن الله , استودعكم الله والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته

الـمـراجـع:
http://casswww.ucsd.edu/public/tutorial/GLens.html	: 1
University of California, San Diego Center for Astrophysics & Space Sciences	: 2
http://astro.berkeley.edu/~jcohn/lens.html	: 3
NEW TECHNIQUE MAY HELP FIND MISSING MASS IN THE GALAXY http://researchnews.osu.edu/archive/gravlen2.htm	: 4
Gravitational Lensing in Astronomy Joachim Wambsganss Astrophysikalisches Institut Potsdam An der Sternwarte 16 14482 Potsdam Germany jwambsganss@aip.de	: 5
http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-1998-12/	: 6

ح5 : ما هو عدد نظريات الأوتار الفائقة؟

 

ملاحظة : الموضوع عبارة عن حلقة من حلقات سلسلة الاوتار الفائقة

ما هو عدد نظريات الأوتار الفائقة؟

هنالك عدة طرق وخطوات يستخدمها “واضعي النظريات” ليبنوا على اساسها نظريات الأوتار الفائقة.

الخطوات هي التالية:

1. لنبدأ بالمقوم الاساسي ألا وهو :
2. لدينا تذبذبات واهتزازات وتر متناهي في الصغر.
3. من ثم نقرر:
4. كيف يجب ان يكون شكل الوتر؟ مفتوح أم مغلق؟
5. ومن ثم نتسائل:
6. هل تحوي فقط بوزونات bosons( اي الجزيئات التي تنقل الطاقة), ام انه تحوي فيرميونات fermions ايضا( الجزيئات التي تشكل المادة)؟
7. ثم نتسائل عن السؤال الاخير والمهم جدا:
8. هل يعمل ميكانيك الكم ضمن مع هذه النظرية بشكل منطقي؟

ملاحظة : تذكر بان الجزيئات ضمن نظرية الاوتار الفائقة تشبه النوتة الموسيقية التي يصدرها الوتر).

وانطلاقا من الاجابة على الاسئلة السابقة ,تنتج عدة نظريات خاصة بالاوتار الفائقة, لتوضيح ذلك سندرج الحالات الناتجة عن اختلاف الاجوبة الخاصة بالسؤال الثالث:

1. في حال كانت الإجابة على السؤال الثالث هي التالية : “بوزونات فقط !” عندها نحصل على نظرية بوزونية للاوتار الفائقة bosonic string theory.
2. أما إذا كانت الاجابة : “لا, نفترض وجود المادة ايضاً!” , عندها سوف نحتاج إلى وجود التناظر الفائق supersymmetry, والذي بدوره يعني وجود تطابق متساوي بالعدد بين البوزونات bosons (الجزيئات التي تنقل الطاقة)وبين الفيرميونات fermions (الحزيئات التي تشكل المادة).

تدعى نظرية الاوتار الفائقة التي تدعم فكرة التناظر الفائق ب” superstring theory“.و هنالك 5 انواع من نظرية “superstring theories“, كما هي موضحة في الجدول ادناه.

أما الآن بسنتطرق للاجابة على السؤال الاخير والمهم في بناء نظرية الاوتار الفائقة , ألا وهو:

هل يعمل ميكانيك الكم ضمن مع هذه النظرية بشكل منطقي؟

• بالنسبة لنظرية الاوتار البوزونية bosonic strings, يتم الاجابة على هذا السؤال بالايجاب فقط في حال كان عدد ابعاد الفضاء الزماني- المكاني مساوية ل 26.
• أما بالنسبة لنظرية الأوتار الفائقة التي تدعم فكرة التناظر الفائق ب” superstring theory”, فهي تؤمن ان يعمل ميكانيك الكم بشكل منطقي , ولكن بعدد ابعاد اقل من نظرية الاوتار البوزونية , اي إن عدد الابعاد ينزل إلى 10 ابعاد للفضاء الزماني-المكاني فقط.

أما كيف ننزل بعدد الابعاد ليبلغ 4 ابعاد للفضاء الزماني-المكاني spacetime– كما هي ملحوظة في عالمنا الحالي – فتلك قصة اخرى J

جدول مختصر يوضع نظريات الاوتار الفائقة
النوع	ابعاد الفضاء الزماني-المكاني	التفاصيل
نظرية الاوتار الفائقة البزونية Bosonic	26	ضمن هذه النظرية يوجود بوزونات bosons, ولا يوجد فيرميونات fermions , وهذا يعني وجود الطاقة والقوى فقط بدون المادة, وذلك مع وجود كلا نوعي الاوتار المفتوحة والمغلقة. المشكلة الرئيسية في هذه النظرية: وجود جزيئات مع كتلة متخيلة imaginary mass, وتدعى ب” tachyon”.
I	10	تفترض وجود التناظر الفائق بين القوى والمادة, وذلك مع وجود كلا نوعي الاوتار المفتوحة والمغلقة. ولا يوجد ما يدعى ب” tachyon” معيار ومجموعة التناظر   group symmetry هي : SO(32)
IIA	10	تفترض وجود التناظر الفائق بين القوى والمادة, وذلك مع افتراض وجود الاوتار المغلقة فقط . ولا يوجد ما يدعى ب” tachyon”, والفيرميونات العديمة الكتلة تدوربكلا الاتجاهين (متناظرة)(nonchiral).
IIB	10	تفترض وجود التناظر الفائق بين القوى والمادة, وذلك مع افتراض وجود الاوتار المغلقة فقط . ولا يوجد ما يدعى ب” tachyon”, والفيرميونات العديمة الكتلة تدور باتجاه واحدة (غير متناظر) (chiral).
HO	10	تفترض وجود التناظر الفائق بين القوى والمادة, وذلك مع افتراض وجود الاوتار المغلقة فقط . ولا يوجد ما يدعى ب” tachyon”,بالاضافة إلى كونها هجينة ” heterotic “وهذا يعني بأن الاوتار التي تتحرك عن باتجاه اليمين تختلف عن الاوتار التي تتحرك باتجاه اليسار. معيار ومجموعة التناظر   group symmetry هي : SO(32)
HE	10	تفترض وجود التناظر الفائق بين القوى والمادة, وذلك مع افتراض وجود الاوتار المغلقة فقط . ولا يوجد ما يدعى ب” tachyon”,بالاضافة إلى كونها هجينة ” heterotic “وهذا يعني بأن الاوتار التي تتحرك عن باتجاه اليمين تختلف عن الاوتار التي تتحرك باتجاه اليسار. معيار ومجموعة التناظر   group symmetry هي :E8 x E8

أما اذا طرحنا التساؤل التالي :

كيف بإمكاننا الانتقال من فضاء زماني-مكاني مؤلف من 10 ابعاد إلى فضاء زماني-مكاني ذو اربعة ابعاد فقط (الفضاء الملحوظ في عالمنا الحالي)؟

إذا رغبنا بالاجابة على هذا السؤال الذي يساهم في تبيان انواع نظريات الاوتار الفائقة , فإننا عندها سنلاحظ ان عدد نظريات الاوتار الفائقة سيزداد بشكل كبير اعتمادا على الاجابة, وذلك بسبب وجود العديد من الطرق المحتملة لجعل 6 أبعاد أصغير بكثير من بقية الأبعاد الأربعة الموجودة بنظرية الاوتار الفائقة.

كما هو ظاهر فإننا بحاجة إلى ما يشبه ضغط وتقليص الابعاد الستة الاضافة , لننتقل إلى اربعة ابعاد واضحة وبينة.

ينتج عن اجرائية ضغط الابعاد –(الزمانية-المكانية) الغير مطلوبة – نوع جديد من الفيزياء وشيق بحد ذاته.

ولكن عدد نظريات الاوتار الفائقة قد تقلص خلال السنوات القليلة الماضية , وذلك بسبب اكتشاف اصحاب نظريات الاوتار الفائقة خطأ معتقدهم بأن كل نظرية مختلفة بشكل كامل عن بقية النظريات.وتبين لهم بأن الموضوع كان عبارة عن النظر من زوايا مختلفة إلى نفس النظرية!.

تم اعطاء هذه المرحلة والفترة من تاريخ نظرية الاوتار الفائقة اسم “ثورة الثانية للاوتار الفائقة” “the second string revolution” .

والآن يتمثل السعي الأكبر في بحوث الاوتار الفائقة في تضمين محتويات الجدول الوارد اعلاه ضمن نظرية واحدة, والتي يرغب البعض في تسميتها بنظرية   M theory , وحرف M مستنبط من  العبارة التالية   “Mother of all theories”.

String Theory

  ارجو ان تكون هذه التفاصيل عن  ” ماهو عدد نظريات الاوتار الفائقة؟”  قد عاد بالفائدة عليكم , وآمل ان ألقاكم في الحلقة القادمة الاخيرة من هذه السلسلة مع موضوع يتحدث عن “كيف ترتبط نظريات الاوتار الفائقة مع بعضها البعض؟ صورة جديدة لنظرية الاوتار الفائقة.” .

وإلى ذلك الحين , استودعكم الله , والسلام عليكم ورحمة الله بركاته.

بعض المراجع :

• http://www.superstringtheory.com/
• http://www.nucleares.unam.mx/~alberto/physics/string.html
• principle – Wikipedia, the free encyclopedia
• https://wikimedia.org/wikipedia/en/wiki/String_theory
• http://en.wikipedia.org/wiki/Graviton
• http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_lens

• http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/cosmology/forces.html
• http://www.sukidog.com/jpierre/strings/index.html