ثوابت فيزيائية متغيرة
هل تتغير مع الزمن الكيفية التي تعمل بها الطبيعة داخليا؟
المصدر: مجلة العلوم
<D.J.بارو> ـ <K.J.ويب>
بعض الكميات لا تتغير أبدا، ويسميها الفيزيائيون «ثوابت الطبيعة». ومثل هذه الكميات الفيزيائية الثابتة، كسرعة الضوء (c) وثابت الثقالة لنيوتن (G) وكتلة الإلكترون (m)، يفترض ثباتها في كل زمان ومكان في الكون. فهي بمنزلة سقالات البناء scaffolding التي تقام حولها نظريات الفيزياء، وتحدد بنية الكون الذي نعيش فيه. ولقد تقدم علم الفيزياء بفضل النجاح المطرد في إحراز قياسات أكثر دقة لقيم هذه الثوابت.
وعلى الرغم من ذلك فالملاحظ أن أحدا لم يوفق بعد في التنبؤ بأي من هذه الثوابت أو تفسيرها. فالفيزيائيون لا يعرفون سببا لاتخاذ هذه الثوابت قيما عددية معينة؛ حيث نجد في النظام الدولي للوحدات SI units أن مقدار c هو792458 299 و G هو 6.673x10^-11 وme هو 9.10938188x10^-31، وهي أعداد لا تتبع نمطا يمكن إدراكه أو تمييزه. والخيط الوحيد الذي يربط بين هذه القيم هو أنه إذا كان عدد منها مختلفا ولو قليلا لما أمكن وجود بنى ذرية معقدة، كما هي الحال في الكائنات الحية. وكانت الرغبة في تفسير الثوابت الفيزيائية إحدى القوى الدافعة وراء الجهود المبذولة لتطوير نظرية موحدة وكاملة لوصف الطبيعة أو «نظرية كل شيء»(1). وقد أمّل الفيزيائيون أن توضح مثل هذه النظرية أن أيّا من ثوابت الطبيعة يمكن أن تكون له فقط قيمة واحدة ممكنة منطقيا. وهذا من شأنه أن يكشف عن ترتيب أساسي لما يبدو في الطبيعة من عشوائية.
إن حالة الثوابت الفيزيائية صارت في السنوات الأخيرة أكثر تشويشا. فقد وجد الباحثون أن أفضل نظرية مرشحة لكل شيء، وهي نظرية الأوتار المسماة «النظرية M» تكون متسقة ذاتيا فقط إذا كان للكون أكثر من أربعة أبعاد للفضاء (المكان) والزمان، فتزيد إلى سبعة أو أكثر. ويقضي أحد التضمينات بأن الثوابت التي نرصدها يمكن في الواقع ألا تكون حقا ثوابت أساسية. إنها توجد في الفضاء ذي الأوج البعدي، ونحن لا نرى سوى «ظلالها» الثلاثية الأبعاد فقط.
في غضون ذلك بدأ الفيزيائيون يدركون أيضا أن قيم العديد من الثوابت الفيزيائية ربما تكون مجرد نتيجة ظرف عرضي في فترة مبكرة من التاريخ الكوني خلال أحداث عشوائية وسيرورات الجسيمات الأولية. والواقع أن نظرية الأوتار تسمح بوجود عدد هائل (10500) من «العوالم» الممكنة لها مجموعات من القوانين والثوابت المتساوقة ذاتيا والمختلفة فيما بينها(2). وحتى الآن، ليس لدى الباحثين أيّ فكرة عن سبب اختيارنا لهذه التوافقية. والدراسة المستمرة يمكن أن تختزل عدد العوالم الممكنة إلى عالم واحد لكن يجب علينا أن نظل مهيَّئين لتقبل احتمالية مثيرة للأعصاب مؤداها أن كوننا المعروف ليس إلا واحدا من أكوان عديدة ـ أي إنه جزء من كون مضاعف متعدد الأجزاء (العوالم) multiverse ـ وأن الأجزاء المختلفة من الكون المتعدد تبدي حلولا مختلفة للنظرية. وليست قوانين الطبيعة التي نرصدها إلا مجرد نسخة واحدة من منظومات عديدة للقوانين الداخلية المحلية
لا يمكن إذًا أن يكون هناك تفسير إضافي للعديد من ثوابتنا العددية إلا كونها تشكل توافقا نادرا يسمح بتطور الوعي. ويمكن أن يكون عالمنا المشاهَد واحدة من واحات عديدة منعزلة محاطة بفضاء لانهائي غير مأهول ـ أي مكان سريالي(3) تتحكم فيه قوى الطبيعة المختلفة، ويستحيل فيه وجود جسيمات مثل الإلكترونات أو بنى مثل ذرات الكربون أو جزيئات الدناDNA. وإذا حاوَلْتَ المغامرة بدخول ذلك العالم الخارجي، فإنك سوف تُوقِف كَينونَتك.
وهكذا نجد أن نظرية الأوتار تعطي باليد اليمنى وتأخذ باليسرى، إذ إنه تم استنباطها جزئيا لتفسير القيم الاختيارية arbitrary للثوابت الفيزيائية، في حين تحتوي معادلاتها الأساسية على بضعة وسطاء (معامِلات) اختيارية، وحتى الآن لم تستطع نظرية الأوتار أن تقدم تفسيرا لقيم الثوابت المقيسة (المرصودة).
مسطرة يمكنك أن تثق بها
يمكن أن تكون كلمة «ثابت» في حقيقة الأمر تسمية مغلوطة، فالثوابت التي نعرفها يمكن أن تتغير في كل من الزمان والمكان. ولو تغيرت الأبعاد الإضافية للمكان في الحجم، فإن «الثوابت» في عالمنا الثلاثي الأبعاد سوف تتغير معها. وإذا ما نظرنا بعيدا بصورة كافية في الفضاء، فربما نبدأ باكتشاف مناطق تكون «الثوابت» فيها استقرت واتخذت قيما مختلفة. ولقد خَمّن الباحثون منذ ثلاثينات القرن العشرين أن الثوابت يمكن أن تكون غير ثابتة. وتُسبِغ نظرية الأوتار على هذه الفكرة معقولية نظرية وتجعلها الأكثر أهمية من كل ما عداها بالنسبة للملاحظين الذين يبحثون في الانحرافات عن الثّبات.
وتدعو مثل هذه التجارب إلى التحدي. وتكمن المشكلة الأولى في أن الجهاز المختبري ذاته يمكن أن يكون حسّاسا لما يحدث في الثوابت من تغيرات. إن حجم جميع الذرات يمكن أن يتزايد، لكن إذا ما تزايد بالمثل طول المسطرة التي تستخدمها لقياس الأبعاد، فإنك لن تستطيع أبدا أن تقرر الصواب. فالتجريبيون يفترضون بصورة روتينية ثبات وحدات القياس المرجعية لما يستخدمونه من مساطر وموازين وساعات ولكنهم لا يستطيعون ذلك عند اختبار الثوابت الطبيعية. بل يجب عليهم أن يركزوا انتباههم على الثوابت التي ليس لها وحدات ـ وإنما هي أعداد صرفة ـ بحيث يكون لها نفس القيم دون النظر إلى نظام الوحدات. مثال ذلك : النسبة بين كتلتين، كنسبة كتلة الپروتون إلى كتلة الإلكترون.
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
وهناك إحدى النسب ذات الأهمّية الخاصة، التي تجمع بين سرعة الضوء (c) والشحنة الكهربائية للإلكترون (e) وثابت پلانك (h) وما يعرف بسماحية الفراغ vacuum permittivity . وهذه الكمية الشهيرة: a = e2/2E0hc والتي تسمى «ثابت البنية الدقيقة» تم إدخالها أول مرة في عام 1916على يد <A.سومرفيلد> رائد تطبيقات نظرية الميكانيك الكمومي في حقل الكهرمغنطيسية. ويكمم هذا الثابت الخاصيتين: النسبوية (c) والكمومية (h) للتآثرات الكهرمغنطيسية (e) بين جسيمات مشحونة في فضاء مخلى.وقد أسفرت قياسات الثابت a عن المقدار 137.03599976/1 أو 137/1 تقريبا، وأضفت قيمة الثابت a إلى العدد 137 أهمية أسطورية بين الفيزيائيين (عادة ما يستخدمونه لفتح الأقفال التوافقية لحقائب أوراقهم.)
إذا اختلفت قيمة الثابت a، فجميع أنواع القسمات الحيوية للعالم من حولنا سوف تتغير. فإن كانت أقل فإن كثافة المادة الذرية الصلبة سوف تنخفض (متناسبة مع a3) وسوف تتكسر الروابط الجزيئية عند درجات حرارة أدنى (متناسبة مع a2)، وعدد العناصر المستقرة في الجدول الدوري يمكن أن يزيد (متناسبا معi1/a). أما إذا كانت قيمة الثابت a أكبر من اللازم فإن الأنوية الذرية الصغيرة لا يمكن أن توجد لأن التنافر الكهربائي لپروتوناتها سوف يغلب القوة النووية الشديدة التي تربط هذه الپروتونات معا. وقيمة كبيرة في حدود 0.1 سوف تنسف الكربون إلى أجزاء.
إن التفاعلات النووية في النجوم حساسة للثابت a بصورةٍ خاصة. ويلزم لحدوث الاندماج أن تُنتج ثقالة النجم درجات حرارة عالية بما يكفي لدفع الأنوية نحو بعضها بقوة على الرغم من ميلها إلى التنابذ عن بعضها بعضا. وإذا زادت قيمة a على 0.1 فإن الاندماج سيكون مستحيلا (ما لم يُضبط التوازن بعوامل أخرى مثل النسبة بين كتلتي الإلكترون والپروتون). ومجرد حدوث انزياح قدره 4 في المئة في قيمة الثابت a من شأنه أن يغير مستويات الطاقة في نواة الكربون إلى حد إيقاف إنتاج هذا العنصر بوساطة النجوم.
يتبع
هل تتغير مع الزمن الكيفية التي تعمل بها الطبيعة داخليا؟
المصدر: مجلة العلوم
<D.J.بارو> ـ <K.J.ويب>
بعض الكميات لا تتغير أبدا، ويسميها الفيزيائيون «ثوابت الطبيعة». ومثل هذه الكميات الفيزيائية الثابتة، كسرعة الضوء (c) وثابت الثقالة لنيوتن (G) وكتلة الإلكترون (m)، يفترض ثباتها في كل زمان ومكان في الكون. فهي بمنزلة سقالات البناء scaffolding التي تقام حولها نظريات الفيزياء، وتحدد بنية الكون الذي نعيش فيه. ولقد تقدم علم الفيزياء بفضل النجاح المطرد في إحراز قياسات أكثر دقة لقيم هذه الثوابت.
وعلى الرغم من ذلك فالملاحظ أن أحدا لم يوفق بعد في التنبؤ بأي من هذه الثوابت أو تفسيرها. فالفيزيائيون لا يعرفون سببا لاتخاذ هذه الثوابت قيما عددية معينة؛ حيث نجد في النظام الدولي للوحدات SI units أن مقدار c هو792458 299 و G هو 6.673x10^-11 وme هو 9.10938188x10^-31، وهي أعداد لا تتبع نمطا يمكن إدراكه أو تمييزه. والخيط الوحيد الذي يربط بين هذه القيم هو أنه إذا كان عدد منها مختلفا ولو قليلا لما أمكن وجود بنى ذرية معقدة، كما هي الحال في الكائنات الحية. وكانت الرغبة في تفسير الثوابت الفيزيائية إحدى القوى الدافعة وراء الجهود المبذولة لتطوير نظرية موحدة وكاملة لوصف الطبيعة أو «نظرية كل شيء»(1). وقد أمّل الفيزيائيون أن توضح مثل هذه النظرية أن أيّا من ثوابت الطبيعة يمكن أن تكون له فقط قيمة واحدة ممكنة منطقيا. وهذا من شأنه أن يكشف عن ترتيب أساسي لما يبدو في الطبيعة من عشوائية.
إن حالة الثوابت الفيزيائية صارت في السنوات الأخيرة أكثر تشويشا. فقد وجد الباحثون أن أفضل نظرية مرشحة لكل شيء، وهي نظرية الأوتار المسماة «النظرية M» تكون متسقة ذاتيا فقط إذا كان للكون أكثر من أربعة أبعاد للفضاء (المكان) والزمان، فتزيد إلى سبعة أو أكثر. ويقضي أحد التضمينات بأن الثوابت التي نرصدها يمكن في الواقع ألا تكون حقا ثوابت أساسية. إنها توجد في الفضاء ذي الأوج البعدي، ونحن لا نرى سوى «ظلالها» الثلاثية الأبعاد فقط.
في غضون ذلك بدأ الفيزيائيون يدركون أيضا أن قيم العديد من الثوابت الفيزيائية ربما تكون مجرد نتيجة ظرف عرضي في فترة مبكرة من التاريخ الكوني خلال أحداث عشوائية وسيرورات الجسيمات الأولية. والواقع أن نظرية الأوتار تسمح بوجود عدد هائل (10500) من «العوالم» الممكنة لها مجموعات من القوانين والثوابت المتساوقة ذاتيا والمختلفة فيما بينها(2). وحتى الآن، ليس لدى الباحثين أيّ فكرة عن سبب اختيارنا لهذه التوافقية. والدراسة المستمرة يمكن أن تختزل عدد العوالم الممكنة إلى عالم واحد لكن يجب علينا أن نظل مهيَّئين لتقبل احتمالية مثيرة للأعصاب مؤداها أن كوننا المعروف ليس إلا واحدا من أكوان عديدة ـ أي إنه جزء من كون مضاعف متعدد الأجزاء (العوالم) multiverse ـ وأن الأجزاء المختلفة من الكون المتعدد تبدي حلولا مختلفة للنظرية. وليست قوانين الطبيعة التي نرصدها إلا مجرد نسخة واحدة من منظومات عديدة للقوانين الداخلية المحلية
لا يمكن إذًا أن يكون هناك تفسير إضافي للعديد من ثوابتنا العددية إلا كونها تشكل توافقا نادرا يسمح بتطور الوعي. ويمكن أن يكون عالمنا المشاهَد واحدة من واحات عديدة منعزلة محاطة بفضاء لانهائي غير مأهول ـ أي مكان سريالي(3) تتحكم فيه قوى الطبيعة المختلفة، ويستحيل فيه وجود جسيمات مثل الإلكترونات أو بنى مثل ذرات الكربون أو جزيئات الدناDNA. وإذا حاوَلْتَ المغامرة بدخول ذلك العالم الخارجي، فإنك سوف تُوقِف كَينونَتك.
وهكذا نجد أن نظرية الأوتار تعطي باليد اليمنى وتأخذ باليسرى، إذ إنه تم استنباطها جزئيا لتفسير القيم الاختيارية arbitrary للثوابت الفيزيائية، في حين تحتوي معادلاتها الأساسية على بضعة وسطاء (معامِلات) اختيارية، وحتى الآن لم تستطع نظرية الأوتار أن تقدم تفسيرا لقيم الثوابت المقيسة (المرصودة).
مسطرة يمكنك أن تثق بها
يمكن أن تكون كلمة «ثابت» في حقيقة الأمر تسمية مغلوطة، فالثوابت التي نعرفها يمكن أن تتغير في كل من الزمان والمكان. ولو تغيرت الأبعاد الإضافية للمكان في الحجم، فإن «الثوابت» في عالمنا الثلاثي الأبعاد سوف تتغير معها. وإذا ما نظرنا بعيدا بصورة كافية في الفضاء، فربما نبدأ باكتشاف مناطق تكون «الثوابت» فيها استقرت واتخذت قيما مختلفة. ولقد خَمّن الباحثون منذ ثلاثينات القرن العشرين أن الثوابت يمكن أن تكون غير ثابتة. وتُسبِغ نظرية الأوتار على هذه الفكرة معقولية نظرية وتجعلها الأكثر أهمية من كل ما عداها بالنسبة للملاحظين الذين يبحثون في الانحرافات عن الثّبات.
وتدعو مثل هذه التجارب إلى التحدي. وتكمن المشكلة الأولى في أن الجهاز المختبري ذاته يمكن أن يكون حسّاسا لما يحدث في الثوابت من تغيرات. إن حجم جميع الذرات يمكن أن يتزايد، لكن إذا ما تزايد بالمثل طول المسطرة التي تستخدمها لقياس الأبعاد، فإنك لن تستطيع أبدا أن تقرر الصواب. فالتجريبيون يفترضون بصورة روتينية ثبات وحدات القياس المرجعية لما يستخدمونه من مساطر وموازين وساعات ولكنهم لا يستطيعون ذلك عند اختبار الثوابت الطبيعية. بل يجب عليهم أن يركزوا انتباههم على الثوابت التي ليس لها وحدات ـ وإنما هي أعداد صرفة ـ بحيث يكون لها نفس القيم دون النظر إلى نظام الوحدات. مثال ذلك : النسبة بين كتلتين، كنسبة كتلة الپروتون إلى كتلة الإلكترون.
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
وهناك إحدى النسب ذات الأهمّية الخاصة، التي تجمع بين سرعة الضوء (c) والشحنة الكهربائية للإلكترون (e) وثابت پلانك (h) وما يعرف بسماحية الفراغ vacuum permittivity . وهذه الكمية الشهيرة: a = e2/2E0hc والتي تسمى «ثابت البنية الدقيقة» تم إدخالها أول مرة في عام 1916على يد <A.سومرفيلد> رائد تطبيقات نظرية الميكانيك الكمومي في حقل الكهرمغنطيسية. ويكمم هذا الثابت الخاصيتين: النسبوية (c) والكمومية (h) للتآثرات الكهرمغنطيسية (e) بين جسيمات مشحونة في فضاء مخلى.وقد أسفرت قياسات الثابت a عن المقدار 137.03599976/1 أو 137/1 تقريبا، وأضفت قيمة الثابت a إلى العدد 137 أهمية أسطورية بين الفيزيائيين (عادة ما يستخدمونه لفتح الأقفال التوافقية لحقائب أوراقهم.)
إذا اختلفت قيمة الثابت a، فجميع أنواع القسمات الحيوية للعالم من حولنا سوف تتغير. فإن كانت أقل فإن كثافة المادة الذرية الصلبة سوف تنخفض (متناسبة مع a3) وسوف تتكسر الروابط الجزيئية عند درجات حرارة أدنى (متناسبة مع a2)، وعدد العناصر المستقرة في الجدول الدوري يمكن أن يزيد (متناسبا معi1/a). أما إذا كانت قيمة الثابت a أكبر من اللازم فإن الأنوية الذرية الصغيرة لا يمكن أن توجد لأن التنافر الكهربائي لپروتوناتها سوف يغلب القوة النووية الشديدة التي تربط هذه الپروتونات معا. وقيمة كبيرة في حدود 0.1 سوف تنسف الكربون إلى أجزاء.
إن التفاعلات النووية في النجوم حساسة للثابت a بصورةٍ خاصة. ويلزم لحدوث الاندماج أن تُنتج ثقالة النجم درجات حرارة عالية بما يكفي لدفع الأنوية نحو بعضها بقوة على الرغم من ميلها إلى التنابذ عن بعضها بعضا. وإذا زادت قيمة a على 0.1 فإن الاندماج سيكون مستحيلا (ما لم يُضبط التوازن بعوامل أخرى مثل النسبة بين كتلتي الإلكترون والپروتون). ومجرد حدوث انزياح قدره 4 في المئة في قيمة الثابت a من شأنه أن يغير مستويات الطاقة في نواة الكربون إلى حد إيقاف إنتاج هذا العنصر بوساطة النجوم.
يتبع