* نظرية الأوتار الفائقة - النشآة والتطور

نظرية الأوتار الفائقة
نظرية الأوتار الفائقة Superstring theory محاولة لشرح طبيعة الجسمات الأولية والقوى الأساسية في الطبيعة ضمن نظرية واحدة عن طريق نمذجتهم جميعا في إطار اهتزازات لأوتار فائقة التناظر شبيهة بالأوتار في نظرية الأوتار. تعتبر هذه النظرية إحدى النظريات الواعدة المرشحة لحل إشكالية الثقالة الكمومية.مصطلح "نظرية الأوتار الفائقة" هي اختصار لعبارة "نظرية الأوتار فائقة التناظر" أي انها تختلف عن نظرية الأوتار البوزونية التي تتضمن دورا للفرميونات مع التناظر الفائق.
المشكلة الأهم في الفيزياء النظرية تكمن في موائمة نظرية النسبية العامة، التي تصف الثقالة (الجاذبية) وتطبق على البنى واسعة المجال (نجوم، مجرات، تجمعات فائقة) مع نظرية ميكانيك الكم التي تصف القوى الأساسية الثلاث الأخرى.
و كانت النتيجة هي تطوير نظرية الحقل الكمومي للقوى التي انتجت احتماليات لامنتهية وبالتالي كانت عديمة النفع في حل المشكلة. للتخلص من هذه اللانهايات كان لا بد للفيزيائيين من تطوير تقنيات رياضية بحتة (تدعى إعادة الاستنظام renormalization)، هذه التقنيات عملت بشكل ناجح مع القوى الثلاث : الكهرومغناطيسية والنووية الضعيفة والقوية، لكنها لم لم تكن ناجحة مع قوة الثقالة. لذا كان من الضروري تطوير نظرية كمومية للثقالة تعتمد وسائل مختلفة لاستيعاب ووصف كافة القوى

أهمية نظرية الاوتار الفائقة
استطاعت النظرية وصف كل مكونات الطبيعة بشكل واحد مذهل فالبروتونات والالكترونات والنيوترونات التي تتكون منها الذرات تتكون من أجزاء أصغر هي الكواركات quarks . تلك الكواركات التي كان يعتقد أنها مادة هي وبحسب نظرية الأوتار عبارة عن أوتار أو خيوط صغيرة جدا من الطاقة مهتزة بعدة اتجاهات وطرق. كل وتر من هذه الأوتار حجمه صغير جدا مقارنة بالذرة. فهو كحجم شجرة من حجم كوكب الأرض. وكل اهتزاز معين لتلك الأوتار يعطي الجزيء خصائص مختلفة.. فقد يشكل الاهتزاز جزيئا مكونا لذرات المادة أو الطاقة أو الجاذبية، إلكترونات أو جزيئات ألفا أو بيتا..الخ... أي أن كل ما في هذا الكون من مادة أو طاقة أو شحنات هي في الواقع أوتار لكنها مهتزة بطرق مختلفة. والفرق الوحيد بين الجزيئات التي تعطي مادة الخشب والجزيئات التي تعطي طاقة الجاذبية هو طريقة اهتزاز تلك الأوتار فقط.كانت نظرية الأوتار الفائقة حلقة الوصل بين ميكانيك الكم والنظرية النسبية لأنها تفسر وتلغي الفروقات بينهما بناء على طبيعة الأوتار وخصائصها، والكون الفوضوي على المستوى الذري يصبح أقل فوضوية وأقرب إلى الكون الكبير على مستوى الأجسام الكبيرة. وهو نصر كبير على مستوى الفيزياء والرياضيات والكون للعلماء بآن واحد.
استطاعت النظرية وصف كل مكونات الطبيعة بشكل واحد مذهل فالبروتونات والالكترونات والنيوترونات التي تتكون منها الذرات تتكون من أجزاء أصغر هي الكواركات quarks . تلك الكواركات التي كان يعتقد أنها مادة هي وبحسب نظرية الأوتار عبارة عن أوتار أو خيوط صغيرة جدا من الطاقة مهتزة بعدة اتجاهات وطرق. كل وتر من هذه الأوتار حجمه صغير جدا مقارنة بالذرة. فهو كحجم شجرة من حجم كوكب الأرض. وكل اهتزاز معين لتلك الأوتار يعطي الجزيء خصائص مختلفة.. فقد يشكل الاهتزاز جزيئا مكونا لذرات المادة أو الطاقة أو الجاذبية، إلكترونات أو جزيئات ألفا أو بيتا..الخ... أي أن كل ما في هذا الكون من مادة أو طاقة أو شحنات هي في الواقع أوتار لكنها مهتزة بطرق مختلفة. والفرق الوحيد بين الجزيئات التي تعطي مادة الخشب والجزيئات التي تعطي طاقة الجاذبية هو طريقة اهتزاز تلك الأوتار فقط.كانت نظرية الأوتار الفائقة حلقة الوصل بين ميكانيك الكم والنظرية النسبية لأنها تفسر وتلغي الفروقات بينهما بناء على طبيعة الأوتار وخصائصها، والكون الفوضوي على المستوى الذري يصبح أقل فوضوية وأقرب إلى الكون الكبير على مستوى الأجسام الكبيرة. وهو نصر كبير على مستوى الفيزياء والرياضيات والكون للعلماء بآن واحد.
جيل (فيزياء الجسيمات)
الجيل أو العائلة في فيزياء الجسيمات هو تقسيم للجسيمات الأولية. تختلف جسيمات الأجيال حسب الكتلة. فجميع التآثرات الأساسية والأعداد الكمية تكون متماثلة. يوجد هناك ثلاث أجيال حسب النموذج العياري لفيزياء الجسيمات.
ينقسم كل جيل إلى اثنان ليبتون وإثنان كوارك. فاللبتونات قد تصنف إلى لبتون به شحنة كهربائية -1 (شبيه الكترون) ولبتون محايد (neutrino); أما الكواركات فتصنف إلى كوارك بشحنة −1⁄3 (النموذج السفلي) وبشحنة +2⁄3 (العلوي)
الجيل الأول الجيل الثاني الجيل الثالث
ليبتون الكترون ميون تاوون
نيترينو الكترون نيترينو ميوون نيترينو تاوون نيترينو
كوارك نموذج سفلي كوارك سفلي كوارك غريب كوارك قعري
كوارك نموذج علوي كوارك علوي كوارك ساحر كوارك قمي
كل عنصر من الجيل الأعلى له كتلة أعلى من كتلة مثيله من الجسيم في الجيل الأدنى. فمثلا كتلة جسيم الإلكترون في الجيل الأول تساوي 0.511 MeV/c2، بينما الميون في الجيل الثاني فكتلته 106 MeV/c2، أما التاو الموجود بالجيل الثالث فكتلته 1,777 MeV/c2 (ضعف كتلة البروتون).
تتكون جميع جسيمات الذرات العادية من الجيل الأول. حيث الكترونات تحيط بنواة مكونة من بروتونات ونيوترونات، وتحتوي على كواركات علوية وسفلية. أما الجيلين الثاني والثالث من الجسيمات المشحونة فهي لا تحدث في المادة العادية بل أنها ترى فقط في البيئات ذات الطاقة العالية جدا. أما النيترينو الموجودة في جميع الأجيال فهي تتدفق خلال فضاء الكون الفسيح ولكنها نادرا ما تتفاعل مع المادة العادية.
من المتأمل أن يكون الفهم الشامل للعلاقة ما بين أجيال اللبتونات قد يفسر بالنهاية العلاقة ما بين كتل الجسيمات الأولية، ويسلط المزيد من الضوء بشكل عام على طبيعة الكتلة، من المنظور الكمي
احتمال وجود جيل رابع
استبعد وجود جيل رابع أو فما فوق في النموذج العياري وذلك خلال الاعتبارات ا لنظرية. فبعض البراهين التي ضد احتمالية وجود جيل رابع قد استندت إلى تعديلات متقنة لملاحظات كهربية ضعيفة بالغة الدقة كانت ستعمل على إحداث جيل رابع; تلك التعديلات كانت مرغوبة جدا بواسطة المقاييس. بالإضافة إلى أن الجيل الرابع استبعد مع النيترونو الخفيف (الذي كتلته أقل من 45 GeV/c2) بواسطة قياس نطاقات بوزون Z و W (سيرن وليب)[2]. مع ذلك لا تزال الأبحاث في المعجلات عالية الطاقة للجسيمات من الجيل الرابع مستمرة، ولكن إلى الآن لا وجود أي دلائل تم كشفها[3][4]. وفي هذه الأبحاث، فإن جسيمات الجيل الرابع قد تم ترميزها برموز على أنها جسيمات الجيل الثالث مع إضافة مقدمة لها (مثل b′ وt′).

تاريخ ونشأة نظرية الأوتار الفائقة
في الثمانينات وبينما كان فيزيائي شاب إيطالي يدعى غابرييل فينيزيانو يبحث عن بعض المعادلات الرياضية التي تصف قوى النواة الكبيرة في الذرة... وفي كتب الرياضيات القديمة التي يملكها وجد معادلة رياضية قديمة عمرها مئتا عام كتبها عالم سويسري يدعى ليونار أويل. فينيتسيانو ذهل باكتشافه أن تلك المعادلات التي اعتبرت لسنين عديدة مجرد فضول رياضي كانت تصف القوى الكبيرة في النواة فعلاً وقام باكتشافه الذي اشتهر به فيما بعد في وصف القوى الكبيرة التي تعمل في نواة الذرة. كان ذلك حدث ولادة نظرية الأوتار. وبسبب شهرة هذا الاكتشاف فقد وقعت تلك المعادلات في يد فيزيائي أمريكي يدعى (ليونارد سسكيند) اكتشف أن وراء الرموز الرياضية وصف لشيء أكثر من مجرد جزيئات. فالمعادلة تقدم متحولات تصف اهتزازات ووصف لخيوط. قام بدراستها أكثر ووجد أنها عمليا تصف خيوطا مهتزة مثل الخيوط المطاطية حرة الطرفين، هذه الخيوط بالإضافة لصفاتها في التمدد والتقلص فهي تهتز بشكل دوراني أيضا حسب تلك المعادلة، المضحك أن سسكند عندما قدم بحثه للنشر تم رفضه لعدم أهميته واعتقد أن اكتشافه سيموت. في تلك الأوقات، كان العلماء منشغلين في اكتشاف الجزيئات وأنواعها الجديدة الدقيقة بالقيام بتعريضها لسرعات كبيرة و اصطدامها ببعضها لشطرها إلى جزيئات أصغر ودراسة نواتج تلك الانشطارات. كانت الاكتشافات كبيرة جدا وأنواع الجزيئات المكتشفة كبير. أدى ذلك إلى اتنتاجات كبيرة على مستوى الفيزياء أهمها أن قوى الطبيعة يمكن وصفها كجزيئات أيضاً. مثلاً القوة التي تنشأ بين جسمين هي عبارة عن جزيء (رسول) بينهما، وكلما انتقل بين الطرفين بمعدل أكثر كلما اقترب الجسمان من بعضهما أو بعبارة أخرى – زادت القوة بينهما. أي أن تبادل الجزيئات هو ما يخلق ما نشعر أنه طاقة. وتم فعلاً تأكيد تلك النظريات باكتشاف الجزيئات المسؤولة عن القوة الكهرطيسية والقوى النووية القوية (المسؤولة عن تماسك النواة في الذرة) والضعيفة (المسؤولة عن النشاط الإشعاعي الذري). وشعر العلماء أنهم اقتربوا من تحقيق حلم توحيد القوى الذي بدأه أينشتين. لأن تلك الجزيئات المسؤولة عن القوى الثلاث (القوة الكهرطيسية والقوى النووية القوية (المسؤولة عن تماسك النواة في الذرة) والضعيفة (المسؤولة عن النشاط الإشعاعي الذري) تبدأ بالتشابه في الخصائص في حال تطبيق حالة الانفجار الكبير أي أنها تنصهر في حرارة وكثافة الكون الشديد عند الانفجار لتصبح نوعا واحدا من القوى ودعى ذلك الشكل من الفهم بـالـ (الشكل القياسي للقوى) standard module العالم ستيفن وينبيرغ، لكن خلف ذلك النجاح برزت مشكلة كبيرة... فذلك الشكل القياسي لجزيئات القوى استطاع أن يصف ثلاث فقط من القوى الرئيسية في الفيزياء مهملا القوة الرابعة (الجاذبية) لأنها كانت تعمل على مستوى مختلف عن العالم الكوانتي الدقيق.
في أواخر السبعينات كان العلماء المتبنون لنظرية الأوتار قليلون ومهملون ويعانون من مشاكل كبيرة في النظرية.. فتلك النظرية مثلا تنبأت بوجود جزيئات عديمة الكتلة تستطيع أن تنطلق بسرعة أكبر من سرعة الضوء (وهذا غير ممكن حسب أينشتين). كانت أيضا تتنبأ بجزيئات بلا كتلة تماماً (غير مرئية وغير ممكن التحقق من وجودها). كانت تحتاج لعشر أبعاد بدلا من الأبعاد الأربعة (ثلاث أبعاد للمكان وبعد زمني). كانت أيضا متضاربة النتائج الرياضية تعطي أرقاما تدل على خطأ معادلاتها. إلى أن جاء العالم جون شوارتز الذي بدأ بوضع تعديلات للنظرية وربط النظرية مع الجاذبية وافتراض أن حجم تلك الأوتار أصغر بمئة مليار مليار مرة من الذرة وبدأت النظرية تأخذ شكلا صحيحا، والجزيء الذي لم يكن يملك كتلة كان بنظر جون شوارتز جزيء (الجرافيتون) Graviton. أو الجزيء المسؤول عن نقل القوة الجاذبية على المستوى الكوانتي. وهو بذلك حل الجزء المفقود الذي قدمه ستيفن وينبيرغ في الشكل القياسي للقوى الذي كان يفتقد لوصف الجاذبية على المستوى الكوانتي.رغم ذلك لم يحظ ذلك البحث أيضا بالاهتمام وبقيت النظرية في الظلام وبقي يعمل فيها ويؤمن بها عالمان اثنان من مجتمع العلماء الفيزيائيين هما جون شوارتز ومايكل غرين. وصل هذان العالمان في أوائل الثمانينات إلى حل المشاكل الرياضية في النظرية وبدأت النظرية تصف القوى الثلاثة الأخرى إلى جانب الجاذبية وهي القوة الكهرطيسية والقوى النووية القوية (المسؤولة عن تماسك النواة في الذرة) والضعيفة (المسؤولة عن النشاط الإشعاعي الذري). وقاد هذا الاكتشاف المذهل العلماء إلى التهافت على النظرية بالمئات وحظيت النظرية أخيرا على الاهتمام وتم تسميتها (نظرية الكل) The Theory of everything.

رقم باريون
رقم باريون في فيزياء الجسيمات هو رقم كمي محافظ للنظام. ويعرف ب
B = \frac{1}{3}\left(n_\text{q} - n_\bar{\text{q}}\right),
حيث n‏q هو عدد الكواركات، وn‏q هو عدد ضديد الكواركات. فلدى الباريونات (تحتوي على ثلاث كواركات) رقم باريون وهو +1، ورقم الباريون لدى الميزونات (كوارك واحد وضديد الكوارك) هو 0، وضديد الباريون (ثلاث ضديد الكواركات) لديه رقم باريون هو −1. وتصنف الهادرونات الشاذة مثل بنتا كواركات (أربع كواركات وواحد ضديد الكوارك) وتتراكواركات (اثنين كوارك واثنين ضديد الكوارك) كالباريونات والميزونات كل حسب رقم الباريون الذي لديه.

رقم باريون مقابل رقم كوارك
Crystal Clear app kdict.png طالع أيضًا: شحنة لونية
لا تحمل الكواركات شحنة كهربائية فقط، ولكن لديها شحنات أخرى مثل شحنة اللون ولف نظائري ضعيف. وبسبب وجود ظاهرة تسمى حجز اللون فلا يمكن للهادرون الحصول على شحنة لونية نقية؛ لذا فإن إجمالي شحنة اللون للجسيم تكون صفرا (الأبيض). ويمكن للكوارك الحصول على واحد من ثلاث ألوان وهي "أحمر" و "أخضر" و "أزرق".
يمكن الحصول على اللون الأبيض في الهادرونات العادية بإحدى الطرق التالية:
كوارك لأحد الألوان مع ضديد الكوارك للون المضاد المطابق له، معطيا ميزون ورقم باريون = 0
ثلاث كواركات لألوان مختلفة، معطية باريون وله رقم باريون +1
ثلاث ضديد الكواركات إلى ضديد الباريون وله رقم باريون −1
كان رقم الباريون معروفا قبل ظهور نموذج الكوارك بزمن طويل، لذا فعلماء الجسيمات بدلا من أن يغيروا التعريف، فقد أعطوا الكوارك رقم الثلث من رقم الباريون. ففي أيامنا هذه قد يكون من الدقة أن تتكلم عن الحفظ لعدد كوارك.
يمكن للهادرونات الشاذة ان تتشكل نظريا عن طريق إضافة زوج من كوارك وضديده، بالإضافة إلى كل زوج يكون لديه لون/ضديداللون متجانسين. فعلى سبيل المثال: بنتاكوارك (أربع كواركات وواحد ضديد كوارك) يمكن أن يكون لها ألوان كوارك فردية: أحمر، أخضر، أزرق، أزرق وضديد أزرق.
جسيمات لا تتكون من كواركات
يكون رقم باريون الجسيمات التي لا تحتوي على أي كوارك هو صفر. وتشمل هذه الجسيمات لبتونات وفوتونات و بوزون W و Z