النموذج المعياري النظرية التي تحكم بنية الذرة

النموذج المعياري

هو مجموعة من النظريات التي تتشارك في الأساس الرياضي لها. وتقوم بوصف دقيق لثلاث قوى من قوى الطبيعة الأربعة الأساسية. وهذه القوى هي: القوة الكهرومغناطيسية، والقوة النووية الكبرى، والقوة النووية الصغرى. وتصف هذه النظرية أيضاً الجسيمات الأولية التي تدخل في تركيب الجسيمات الدون ذرية. وبالتالي التي تدخل في تركيب المادة ( أي أنها تشرح كيفية بناء المادة ). وقد تم تطوير هذه النظرية بين عامي 1973 و 1974 كإحدى النظريات التي تتوافق مع أهم نظريتين في الفيزياء الحديثة، وهما نظرية ابنسبية لآينشتاين وميكانيكا الكم لماكس بلانك. وأكدت جميع التجارب المجراة صدق هذه النظرية، ولكن يكمن نقص هذه النظرية في عدم تمكنها من تفسير جميع القوى الأساسية الأربعة في الطبيعة. حيث أنها لم تتمكن من تفسير قوة الجاذبية. و ذلك لاعتبار العلماء عملية دمج النسبية العامة التي تعالج الجاذبية مع ميكانيكا الكم التي تدرس الجسميات على المستوى الذري والدون ذري أحد أكبر معضلات الفيزياء. وقد تم حل هذه المعضلة بشكل نظري عن طريق نظرية الأوتار الفائقة التي اكتشفت فيما بعد.[1] [2]

الجسيمات الأولية في الذرات

عام 400 قبل الميلاد قال ديموقراطس بأن كل شيء يتكون من ذرات. ولكن وقتها لم يكن يعلم مم تتكون هذه الذرات، جتى جاء تومسون عام 1897 ليمهد لنا معرفة وفهم بنية الذرة. وذلك لاكتشافه الإلكترون. حيث أصبح بعد ذلك الأمر أكتر وضوحاً حيث تمكنا من معرفة أن الذرات تتكون من مجموعة من الإلكترونات التي تدور حول جسيم مركزي وهو النواة. وتمكنّا من معرفة أن النواة تتكون من جسيمات أصغر وهي البروتونات الموجبة والنيوترونات المتعادلة. وفهمنا بأن ما يحدد نوع الذرة هو عدد البروتونات داخل نواتها. فعلى سبيل المثال إذا وجد بروتون واحد في الذرة فإنها ستعطينا ذرة هيدروجين. أما إذا كان هناك 79 بروتون في النواة فإن هذه الذرة ستكون ذرة ذهب. ولكن مم تتكون هذه الجسيمات الدون ذرية؟

للإجابة على هذا السؤال صمم العلماء تجربة لتفتيت هذه الجسيمات الأولية لمعرفة مم تتكون. فقد قاموا ببناء مسارع الجسيمات CERN وهو بالمناسبة أحد أضخم المشاريع التي عرفتها البشرية، حيث أن هذا المسارع هو نفق دائري يمر بعدة دول ( لتخيل حجم هذا الجهاز ). ووظيفة هذا المسارع هو قذف الجسيمات بسرعة قريبة جداً من سرعة الضوء وجعلها تتصادم لتتفتت. بالفعل نجح العلماء بتفتيت البروتون ونتج عن ذلك جسيمات أولية سميت بالكواركس Quarks. وبعدها تم اكتشاف عائلة أخرى من الجسيمات الأولية القريبة من الكواركس سميت بالليبتونز Leptons ( والتي ينتمي إليها الإلكترون بالمناسبة ). ولكن ما علاقة هذه الجسيمات الأولية بالقوى الأساسية وبالنموذج المعياري؟

حسناً… للإجابة على هذا السؤال علينا أن نسأل أنفسنا عدد من الأسئلة الأخرى. مثل كيف تتلاصق الجسيمات دون ذرية مثل البروتونات والنيوترونات في النواة ببعضها البعض؟ وما الذي يحول دون انهيار بنية الذرة؟ إجابة هذه الأسئلة هي مجموعة من التفاعلات التي تحدث في الذرات. وينتج عن كل تفاعل شكل من أشكال القوى الأساسية في الطبيعة. وتتم هذه التفاعلات عن طريق تبادل نوع من أنواع نواقل الطاقة في الذرات، وتحدد القوة الناتجة عن التفاعل بالإستناد إلى نوع الناقل المستخدم في هذه التفاعلات.[2]

نواقل الطاقة منبع القوى الأساسية

ذكرنا سابقاً أن القوى الأساسية ناتجة عن تفاعلات تبدال نواقل طاقة. وأن كل نوع من أنواع هذه النواقل يعكس شكلاً من أشكال القوى الأساسية. وتكمن أهمية هذه التفاعلات في الحفاظ على البنية السليمة والطبيعية للذرة. والحيول دون انهيارها وفنائها. وتتفاعل هذه النواقل بين الجسيمات الأولية المكونة للجسيمات الدون ذرية ويكون نتيجة تلك التفاعلات شكل من أشكل الطاقة. حيث أن القوة الكهرومغناطيسية ناتجة عن نوع من أنواع نواقل الطاقة تسمى الفوتونات ( نعم الضوء ولكن بمفهومه الشامل ). والقوة النووية الكبرى ناتجة عن نواقل طاقة تسمى جلوون Gluon. أما القوة النووية الصغرى ناتجة ناتجة عن تفاعلات تبادل البوزونات. أما الجاذبية فالمسؤول عنها ما يسمى بالجرافيتون حيث لم يتم رصده بعد وقد افترض هذا الجسيم في نظرية الأوتار الفائقة.

النموذج المعياري والقوة الكهرومغناطيسية

في البداية.. وضعت نظرية الكهرومغناطيسية من قبل العالم الأسكتلندي جيمس ماكسويل في منتصف القرن التاسع عشر. حيث قام بجمع المعادلات الرياضية التي تصف الظواهر الكهربائية والمغناطيسية معاً. وقام بتصحيح تلك المعادلات وخرج لنا بمجموعة من المعادلات شكلت الأساس البحت للنظيريتين. وصاغ من هذه المعادلات نظرية الكهرومغناطيسية. وقد استنتج عدداً من الأمور، فمثلاً قال بأن القوة الكهربائية والقوة المغناطيسية وجهان لعملة واحدة. ووجود أحدهما يعتمد على وجود الآخر. وقال أيضاً بأن أي ظاهرة مغناطيسية أو كهربائية يمكن أن تفسر باستخدام المعادلات التي وضعها دون الحاجة للإستعانة بغيرها. وقد أثبت من خلال معادلاته ( بشكل نظري قبل أن يتم إثبات ذلك بشكل عملي بعد وفاته ) بأن الضوء يتكون من موجات كهرومغناطيسية.

ولا بد أن نذكر بأن القوة الكهرومغناطيسية ناتجة عن قذف نواقل الطاقة التي تسمى الفوتونات من الذرات.[1] [5]

النموذج المعياري والقوة النووية الكبرى

نحن نعلم ( وكما ذكرنا سابقاً ) بأن الذرة تتكون من مجموعة من الإلكترونات التي تدور حول نواة. وأن هذه النواة تتكون من بروتونات ونيوترونات متلاصقة. ولكن كيف تتلاصق هذه الجسيمات؟ في الواقع تحكم الجسيمات في النواة بواسطة القوة النووية الكبرى ويكون مجال تأثير هذه القوة صغير جداً حيث أنه لا يتعدى حدود النواة. ولا يصل إلى الإلكترون الذي في مدار الذرة الأول. ولذلك واجه العلماء صعوبة في اكتشافها حيث أنها لم تكتشف إلا في القرن العشرين.

في الحقيقة إن هذه القوة لا تؤثر على البروتونات والنيترونات بشكل مباشر. وإنما تؤثر على الجسيمات الأولية ابمكونة للبروتونات والنيترونات وهي الكواركس. حيث أن الكواركس تتفاعل فيما بينها عن طريق تبادل نواقل طاقة من نوع جلوون. ويكون نتيجة تلك التفاعلات القوة النووية الكبرى التي تؤثر هلى الكواركس وتجعلها تتلاصق.

وقد وضعت النظرية التي تبنى عليها أسس هذه القوة على يد العالمين يانج ومايلز. والتي وصفت القوة النووية الكبرى بدقة.[1] [5]

النموذج المعياري والقوة النووية الصغرى

وكما الحال في القوة النووية الكبرى. ينحصر مجال هذه القوة على النواة فقط. وتكون وظيفة هذه القوة تنظيم الإشعاع. حيث أن بعض الذرات تقوم بقذف الجسيمات من داخلها من وقت لآخر. ويتم قذف هذه الجسيمات باستخدام الطاقة الناتجة عن تفاعلات تبادل جسيمات طاقة تسمى البوزونات بين الكواركس داخل النواة. أي أن هذه الجسيمات تقذف بواسطة القوة النووية الصغرى. وبالتالي فإنها المسؤولة عن إشعاع الذرات. مثل ذرات اليورانيوم و الراديوم. ولكن كما نعلم أن هذه الإشعاعات أغلب استخداماتنها تكون في المجال العسكري إلى جانب توظيفها في المجال الطبي. فلماذا هي مهمة لدرجة حتمية؟

حسناً… في البداية لنتفق على أن لولا القوة النووية الصغرى وتطبيقاتها لما كان هناك وجود للحياة ( وكذلك الأمر بالنسبة لباقي القوى الأساسية ). وذلك لأن الإشعاعات الناتجة عن هذه الذرات هي المسؤولة عن الطفرات ( وهي تغيير في التركيبة الذرية والجزيئية للمركبات الكيميائية ). والتي نتج عنها خواص جديدة للأحياء. ولذلك فإنه لولا القوة النووية الصغرى بشكل أو بآخر لما كان هناك وجود للحياة.

و قد اشتقت معادلات هذه القوة من معادلات يانج-مايلز ( كما القوة النووية الكبرى ). وقد قام ثلاثة علماء وهم محمد عبدالسلام وستيفن وينبيرغ وشيلدون جلاشو بتوحيد القوة النووية الضعيفة مع نظرية ماكسول للكهرومغناطيسية. وقاموا باستنباط مجموعة من المعادلات التي تصف القوتين في نفس الوقت. وقد سميت نظريتهم ب “Electroweak model” والتي تجمع بين القوة النووية الصغرى مع لقوة الكهرومغناطيسية.[1] [5]

نظريات النموذج المعياري

في النموذج العياري تشارك جميع قوى الطبيعة الأساسية عدا الجاذبية. وتشارك كل قوة من هذه القوى بنظرية تجمع بين نظريتها الأساسية مع ميكانيكا الكم. حيث تشارك الكهرومغناطيسية بنظرية “Quantum Electrodynamics” والتي تكون نتيجة دمج نظرية ماكسويل مع ميكانيكا الكم وهي التي تشكل الجانب الكمي من نظرية ماكسويل. أنا القوة النووية الكبرى تشارك بنظرية “Quantum Chromodynamics” والتي تشرح الجانب الكمي في القوة النووية الكبرى. أما القوة النووية الصغرى فإنها تشترك مع القوة الكهرومغناطيسية بنظرية “Electroweak model”. وتشكل هذه النظريات الثلاثة النموذج المعياري في الفيزياء الحديثة.[2] [3] [4]

المصادر

1. فيزيائي من مصر
2. Wikipedia ²
3. Wikipedia³
4. Wikipedia⁴
5. CERN