إن الهدف الكبير للفيزياء اليوم هو إيجاد نظرية أو علاقة رياضية واحدة تصبح معها القوى الأربعة الأساسية في الطبيعة (قوة الجاذبية والقوة الكهرومغناطيسية والقوى النووية: القوية والضعيفة) حالاتٍ خاصة من قوة وحيدة اصطُلِحَ على تسميتها بـ القوة الفائقة ولكن هذا الهدف يواجهه مشكلاتٌ عديدة، أهمها وجود نظريتين كبيرتين تسودان الفيزياء، هما: نظرية أينشتاين في النسبية والنظرية الكمية، ويسعى العلماء اليوم إلى توحيد هاتين النظريتين في نظرية واحدة تسمى نظرية الأوتار.
تقوم الفيزياء الحديثة على ركيزتين أساسيتين، الأولى هي النظرية النسبية العامة لالبرت آينشتاين، والتي تمنحنا الإطار النظري لفهم العالم في أبعاده الكبرى: النجوم والمجرات وتجمعات المجرات، وحتى ما وراء المدى البعيد للكون نفسه, وتفسر قوة الجاذبية في عالم الكبائر.
أما الركيزة الثانية فهي ميكانيكا الكم، وهي التي تزودنا بالإطار النظري لفهم العالم في أصغر أبعاده: الجزيئات والذرات وحتى الدقائق تحت الذرة مثل الإلكترونات والكواركات, وتفسر الثلاث قوى الأساسية في عالم الصغائر (القوة النووية الضعيفة، القوة الكهرمغنطيسية، القوة النووية القوية)
وبالرغم من إثبات صحة التنبؤات التي بشرت بها كل من هاتين النظريتين، إلا أن الوسائل النظرية في البحث أدت وبشكل لا يقبل الجدل إلى نتيجة غير مريحة في نفس الوقت, وهي أن النظرية النسبية العامة لا يمكن تطبيقها في عالم ميكانيكا الكم (عالم الصغائر) كما أن نظرية الكم لا يمكن تطبيقها في عالم النسبية (عالم الكبائر) وهكذا فإن النظريتين اللتين تشكلان أساس التقدم الهائل في الفيزياء خلال المائة عام الماضية غير متوافقتين. وقد حاول أينشتاين توحيد القوى الأساسية في الطبيعة لكنه توفي قبل أن يتم ذلك.
وقد يتسائل البعض عن غرض جمع النظريتين من الأساس والجواب التقليدي هو تصور أنك تعيش في مدينة يسودها نظامين مختلفين من أنظمة السير و المرور فهذا يؤدي الى فوضى كارثية والدمج بين النظريتين هي الطريقة الوحيدة لفهم منشأ الكون وما حصل عند الأنفجار العظيم, حيث أن الكواكب والمجرات مكونة من المادة نفسها المكونة منها الذرات, والكون بأكمله مبني من الجزيئات نفسها.
القوى الأساسية في الطبيعة:
قوة الجاذبية كانت أول القوى الأساسية المكتشفة. تنتج الجاذبية من جميع الأجسام بسبب كتلتها ولكننا لا نشعر بها بين الأجسام من حولنا بسبب صغرها, وهي القوة المسؤولة عن تواجدنا على سطح الأرض.
كان هناك نواقص في نظام نيوتن لتفسير قوة الجاذبية ، أحدها أن النظام كان يقول بأن قوة الجاذبية لحظية، أي كأن هنالك حبل يربط الأرض بالشمس فلا تحتاج قوة الجاذبية إلى مدة للانتقال، وأن الجاذبية تعمل فقط على المدى الضخم كالكواكب و النجوم و المجرات و تصبح هذه القوة معدومة في الجزيئات الصغيرة و داخل الذرات. و أنه على الرغم من أن الجاذبية تبدو هي القوة الأكثر وضوحا إلا أنها تعتبر ضعيفه جدا جدا مقارنة بالقوى الأخرى، فنحن نتغلب عليها يوميا عند رفعنا للأجسام من على سطح الأرض.
بعد أن اكتشف أينشتين أن سرعة الضوء هي السرعة القصوى في الكون, وجد نفسه في مواجهة مع نيوتن في عدم فهم ماهية الجاذبية.
لشرح تلك المشكلة سنتخيل أن الشمس فجأة اختفت من مكانها.. إن نتائج هذه الإختفاء من وجهة نظر نيوتن تعني أن الكواكب ستخرج عن مساراتها فور اختفاء الشمس لتسير في الكون متحررة من جاذبية الشمس. أو بعبارة أخرى فإن نيوتن اعتقد أن الجاذبية هي قوة تأثيرها فوري مهما اختلفت المسافة، لذا فسنشعر بشكل فوري باختفاء الشمس وجاذبيتها وستتأثر الكواكب بذلك بشكل فوري.
لكن أينشتين وجد مشكلة كبيرة في تلك النظرة ظهرت من فهمه للضوء، فهو يعرف أن الضوء لا ينتقل بشكل فوري بل يملك سرعة وهو بذلك يحتاج زمنا ليقطع مسافة معينة، في الواقع فإن الضوء يحتاج لثمان دقائق ليقطع الـ 93 مليون ميل من الشمس ويصل إلينا، وطالما أنه وجد أن لا شيء يمكن أن يكون أسرع من الضوء، فكيف لاختفاء الشمس أن يحرر الأرض قبل أن تصل الظلمة إلى الأرض بسبب اختفاء الشمس مثلا؟
بالنسبة لأينشتين فإن أي شيء في هذا الكون لا يمكن أن يسافر أسرع من الضوء، وهذا يعني أن فكرة نيوتن عن قوة الجاذبية كانت خطأ. وإن كان نيوتن مخطئاً فكيف تبقى الكواكب في مساراتها؟ كيف كانت حساباته صحيحة ودقيقة عن مسارات الكواكب؟ كان على أينشتين أن يحل تلك المشكلة، وبعد تقريبا عشر سنوات من جهده وجد الجواب في نوع جديد من التوحيد هي نظرية النسبية العامة.
قال أينشتاين أن الأبعاد الثلاثة المكانية للكون والبعد الرابع (الزمن) مرتبطة ببعضها بنسيج كوني زماني-مكاني (أو يطلق عليه زمكان) وبفهمه للهندسة المكانية الزمانية للنسيج الكوني فقد استطاع أن يتحدث عن حركة الأشياء في ذلك النسيج. ومثل سطح الترامبولين المطاطي (الذي يقفز عليه البهلوان) فإن هذا النسيج الكوني يمكن لفه وتمدده وتقعره إذا وضعنا فيه أجساما ثقيلة كالكواكب والنجوم.. وهذا التغيير في النسيج الكوني وانحناءه يخلق ما نشعر بأنه جاذبية.
لشرح هذه الفكرة بشكل أكبر سنتخيل سطحا من المطاط كالذي يقفز عليه البهلواني. إن وضعنا كرة ثقيلة في وسطه فسوف يتقعر مشكلا إنحناءاً... وأي جسم سيسير قريبا من الكرة سيحني مساره وفقا لإنحناء ذلك السطح وكأنه يتدحرج (ينجذب) إلى تلك الكرة.
ومع هذا الفهم الجديد فإن إعادة تجربة اختفاء الشمس ستعطي نتائج مختلفة.. لأن الأرض لن تفلت من مسار الشمس فور اختفاء الشمس، بل سيصل تأثير اختفاء الشمس إلينا بشكل موجة بعد ثمان دقائق على الأقل من اختفائها (قام أينشتين بحساب سرعة موجة النسيج الكوني ووجد أنها بسرعة الضوء تماما).
ظهرت القوة الكهرومغناطيسية بعد أن قام العالم ماكسويل بتوحيد القوى الكهربائية والمغناطيسية وصياغة قانون واحد يصف كلا القوتين. والقوة الكهربائية ما هي إلا قوى التجاذب والتنافر بين الشحنات, أما القوة المغناطيسية فهي القوة التي يؤثر بها المجال المغناطيسي على شحنة بالقرب منه.
ماكسويل
بعد تطور ميكانيكا الكم وكشف المزيد من أسرار الذرات, اكتشف العلماء أن الجاذبية والكهرومغناطيسية ليستا القوتان الوحيدتان اللتان تحكمان عالمنا الفيزيائي وأن هناك قوتان أخريان أطلق عليهما القوى النووية القوية والضعيفة.
القوة النووية القوية مسؤولة عن ارتباط النيوترونات بالپروتونات داخل نواة الذرة. كما هو معروف, البروتونات مشحونة إيجابيا وهي لذلك تتدافع إن تركت لشأنها بفعل القوة الكهربائية ممزقة عرى النواة وهنا تتدخل القوة الشديدة للتغلب على القوى المذكورة وتقريب البروتونات إلى بعضها محاولة لم شمل النواة ولتخلق نوع من التوازن الدقيق بينها وبين القوة الكهربائية التنافرية (repulsive) التي تسعى إلى تفجير النواة. عندما يطلق العنان للقوة النووية الشديدة تنشأ نتائج كارثية، فمثلا عندما تشطر نواة اليورانيوم عن عمد في القنبلة الذرية تتحرر الكميات الهائلة من الطاقه الحبيسة داخل النواة في شكل انفجار نووي مروع. حيث تطلق القنبلة النووية مليون ضعف من الطاقة التي يعطيها الديناميت ويؤكد ذلك بشكل جلي حقيقة أن بإمكان القوة الشديدة توليد طاقة تتعدى طاقة المتفجرات الكيميائية التي تحكمها القوة الكهرمغنيطيسية.
تفسر القوة الشديدة أيضا سبب إضاءة النجوم بأن النجم ليس إلا فرن نووي ضخم تتحرر فيه القوة الشديدة سجينة النواة. ولو أن طاقة الشمس كانت ناجمه عن حرق الفحم بدلا من الوقود النووي لما أطلقت الشمس إلا جزءا ضئيلا من ضوئها ولخبت بسرعة متحولة إلى رماد. وبدون الشمس تبرد الأرض وتنقرض كل أشكال الحياة عليها وبدون القوة الشديدة لايمكن أن توجد الشمس و بالتالي لا يمكن أن تنشاء الحياة وترتقي.
أما القوة النووية الضعيفة فهي القوة التي تتحكم بتحلل الجسيمات الأولية داخل الذرة والمسؤولة عن نشاط الذرات الثقيلة غير مستقرة الإشعاع. لبعض النوى كنواة اليورانيوم التي تضم 92 بروتون كتلا هائله تؤدي الى تحللها تلقائيا وإطلاق شظايا وبقايا صغيرة فيما ندعوه بالنشاط الاشعاعي. النوى في هذه العناصر هي ببساطة نوى غير مستقرة وتجنح الى التحلل (disintegration) لذا لابد من تواجد قوة أخرى ضعيفة لتتحكم بالنشاط الاشعاعي وتكون مسؤولة عن تحلل النوى الثقيلة.
هذه هي القوة الضعيفة التي تتسم بسرعة الزوال والتلاشي إلى حد أننا لانتحسسها مباشرة في حياتنا لكننا نستشعر آثارها غير المباشرة. فعندما نضع عداد جايجر بالقرب من قطعة اليورانيوم تتناهى إلى مسامعنا الطقطقة التي تقيس النشاط الاشعاعي للنوى الناجم عن فعل القوة الضعيفة. ويمكن أن تستخدم الطاقة المتحررة من قبل القوة الضعيفة لتوليد الحرارة أيضا، فمثلا إن الحرارة الشديدة الموجودة في باطن الأرض قد نجمت جزيئا عن تحلل العناصر المشعة في عمق نواة الأرض تتفجر هذه الحرارة الهائله بدورها في هيئة براكين إن وصلت سطح الأرض. وبالمثل فإن الحرارة التي تنتج في نواة مفاعل نووي والتي تستطيع توليد طاقة كهربائية تكفي لإنارة مدينة كاملة تعزى أيضا إلى أثر القوة الضعيفة.
موضوع: (نظرية الأوتار).. أحدث نظرية عن الكون ! 
الخميس مارس 18, 2010 1:32 pm
