لغز الكتلة

موضوع: لغز الكتلة 2010-10-14, 17:49

سأضع اليوم مقاله عن كلمة كثيرا ما اثارت الجدل بين العلماء وكثيرا ماجلعتهم يقفون حائرين امام هذه الكلمة وهي الكتله...ماهي الكتلة كثيرا منا يعتقد بان لها تعريف واحد فقط وهو ذلك التعريف الذي وضعه العالم اسحق نيوتن عام 1687 في مؤلفه الشهير المبادىء ((إن كمية المادة هي قياس هذه الكمية الناشئه عن كثافتها وحجمها معا)) وهذا تعريفا كلاسيكي للكتلة ولكنه ليس كافيا في وقتنا الحاضر ومع تقدم العلم فالوقوف أمام تعريف للكتلة هو تماما كالوقوف امام تعريف الزمن وكأننا بعد مرور العديد من السنين على تعريف هذه الكميات نعود مرة اخرى في وقتنا الحاضر الى نقطة البدايه والوقوف حائرين امام تعريف محدد وواضح للكتله والزمن وغيرهما واصبح موضوع الكتلة الان هو موضوع بحث في علم الفيزياء ففهم معنى الكتلة واصولها سوف يكمل لنا النموذج العياري ففهم لغز الكتلة سوف يحل الغازا كثيره مثل المادة الخفيه او المادة المظلمة التي تشكل نحو 25 في المئة من الكون....
وقبل أن نبدأ في الدخول الى عالم الكتلة وألغازها علينا أن نقف قليلا حول هذا السؤال وهو البوابة الاولى للدخول الى عالم الكتلة والسؤال هو كيـــف تنتج الكتلة؟
يبدو أن الكتلة تنتج من آليتين مختلفة على الاقل وهي التي سوف أصفها فيما يلي:
إن احد العوامل الاساسية في النظريات التلمسية ( التجريبة ) للفيزيائين حول الكتلة هو نوع جديد من الحقول ينتشر في الوجود المادي كله يدعى حقل هيكز ويعتقد أن كتل الجسيمات الاولية تأتي من التأثر مع حقل هيكز فإذا كان حقل هيكز موجودا بالفعل فإن النظرية تتطلب أن يكون له جسيم مرافق به وهو ( بوزون هيكز ) ويحاول العلماء حاليا باستخدام مسرعات الجسيمات للعثور على هذا البوزون.
الالية الثانية وهي أن العلماء يريدون ان يعرفوا لماذا تمتلك مختلف الجسيمات الاولية مقادير كتلة خاصة بها تغطي مدى يبلغ 10^11 ضعفا على الاقل وعلى سبيل المقارنة فإن كتلة فيل تفوق كتلة اصغر نملة بنحو 10^11. وهذه نظرة إجمالية عن النموذج العياري مضافا له جسيمات هيكز تبعا (كيكا-إلكترون-فولط) كتلـة أي هذه الارقام هي ارقام الكتـل
فيـرمونـــات:
الجيل الأول:
إلكترون في المدى 10^-4
علوي في المدى 10^-3
سفلي في المدى 10^-2

الجيـل الثاني:
فاتن في المدى 10^0
غريب بين المدى 10^0 و 10^-1
ميشون في المدى 10^-1

الجيـل الثالث:
ذروي في المدى 10^2
قعري في المدى 10^0
تاو في المدى 10^0

بـــوزونــــات:
بوزونات لها كتلة:
W في المدى 10^1
Z في المدى 10^2
بوزونات معدومة الكتلة:
فوتون
كلوون
وتنضم جسيمات هكيز الى البوزونات ويبلغ عددها خمسة على الاقل ولكن كتلها غير معروفه وهذه هي كتل هيكز الممكنة :
وهي واحد في المدى 400 وثلاثة في المدى 300 وواحد في المدى 100

وهذه الارقام التي نذكرها هي ارقام الكتل لهذه الجسيمات وتختلف الجسيمات النموذج العياري بعضعها عن بعض بمقدار 10^11 ضعفا على الاقل ويعتقد ان التآثرات مع حقل هيكز هي التي تولد هذه الكتل.

ماهــي الكتلة؟
إن أساس فهمنا الحديث للكتلة اعقد بكثير من تعريف نيوتن وهو يستند الى النموذج العياري ففي قلب هذا النموذج توجد دالة رياضية تدعى (لاكرانجيان) هي التي تمثل كيف تتآثر الجسيمات المختلفه ويستطيع الفيزيائيون انطلاقا من هذه الدالة وباتباع القواعد المعروفه باسم النظرية الكمومية النسبوية ان يحسبوا سلوك الجسيمات الاولية بما في ذلك كيفية تجمعها لتشكل جسيمات مركبة مثل البروتونات ونستطيع بعد ذلك ان نحسب كيف تستجيب الجسيمات الاولية منها والمركبة للقوى.
فبالنسبة الى قوة معينة F يمكن أن نكتب معادلة نيوتن على الصورة F=ma التي تربط بين القوة والكتلة والتسارع الناتج وتفيدنا دالة لاكرانجيان في معرفة ماذا نستخدم من اجل m هنا وهذا هو المقصود بكتلة الجسيم
لكن الكتلة كما نفهمها عادة تظهر بوضوح في اكثر من مجرد العلاقة F=ma فنظرية النسبية الخاصة لـ(آينشتاين) على سبيل المثال تتنبأ بأن الجسيمات المعدومة الكتلة تسير في الفراغ بسرعة الضوء وأن الجسيمات ذات الكتلة تسير أبطأ كثيرا من ذلك بصورة يمكن معها حساب سرعتها إذا عرفنا كتلتها كما تتنبأ قوانين الثقالة بأن الثقالة تؤثر في الكتلة وفي الطاقة أيضا بصورة محددة تماما والكمية m المستنتجة من دالة لاكرانجيان لكل جسيم تسلك سلوكا صحيحا وفق أي من هذه الطرق تماما كما نتوقع بالنسبة الى كتلة معينة.
إن للجسيمات الاساسية كتلا ذاتية تعرف باسم الكتلة السكونية rest mass أما تلك الجسيمات التي كتلتها السكونية تساوي صفرا فتدعى جسيمات معدومة الكتلة massless وبالنسبة الى الجسيمات المركبة فإن الكتلة السكونية للمكونات وكذلك طاقتها الحركية والطاقة الكامنة لتآثراتها تسهم جميعها في كتلة الجسيم الكلية ذلك أن الطاقة والكتلة مرتبطتان حسب معادلة (آينشتاين) الشهيرة E=mc^2 وكمثال على الطاقة التي تسهم في الكتلة مايحدث في أكثر انواع المادة انتشارا في الكون البروتونات والنيوترونات التي تشكل النوى الذرية في النجوم والكواكب والناس وفي كل مانراه تشكل هذه الجسيمات من 4 الى 5 في المئة من الكتلة-الطاقة في الكون ويدلنا النموذج العياري على ان البروتونات والنيوترونات مؤلفة من جسيمات أولية هي الكواركات والكواركات ترتبط ببعضها البعض بواسطة جسيمات معدومة الكتلة هي الكلوونات gluons وعلى الرغم من ان المكونات تدور وتلف داخل كل بروتون فأننا نرى البروتون من الخارج جسيما متسقا ذا كتلة ذاتية تعطى بواسطة حاصل جمع كتل وطاقات مكوناته.ويتيح لنا النموذج العياري ان نجد بالحساب ان الكتلة الكلية تقريبا للبروتونات والنيوترونات تأتي من الطاقة الحركية للكواركات والكلوونات المكونة لها والباقي يأتي من الكتلة السكونية للكواركات وهكذا فأن مابين 4 و5 في المئة من الكون كله أي كل المادة المعروفه من حولنا تقريبا تاتي من طاقة حركة الكواركات والكلوونات في البروتونات والنيوترونات.
تقييــــم كونــــي:
تفسر نظرية حقل هيكز كيف تكتسب الجسيمات الاولية وهي اصغر لبنات الكون كتلتها لكن آلية هيكز ليست المصدر الوحيد للكتلة-الطاقة في الكون(تشير الكلتة-الطاقة الى كل من الكتلة والطاقة المرتبطتين بعلاقة آينشتاين E=mc^2) ويوجد نحو 70 في المئة من الكتلة-الطاقة في الكون على شكل مايسمى بالطاقة الخفية والتي لاترتبط مباشرة بالجسيمات والمؤشر الرئيسي على وجود الطاقة الخفية وهو أن تمدد الكون متسارع وتعتبر الطبيعة الدقيقة للطاقة الخفية من اكثر المسائل العميقة التي لاتزال مفتوحة في الفيزياء أما كلتة-طاقة الكون المتبقية والتي تشكل 30 في المئة فتأتي من المادة من الجسيمات التي لها كتلة واكثر انواع المادة شيوعا هي البروتونات والنيوترونات والالكترونات التي تشكل النجوم والكواكب والناس وكل مانراه وتوفر هذه الجسيمات نحو سدس مادة الكون او نحو 4 و5 في المئة من الكون كله وكما شرحنا سابقا فأن معظم هذه الكتلة ينشأ عن طاقة حركة الكواركات والكلوونات الدائره داخل النيوترونات والبروتونات.
ويأتي إسهام أصغر في مادة الكون من الجسيمات المدعوة نيوترينوهات والتي تضم ثلاثة أنواع إن للنوترينوهات كتلة إلا إنها صغيرة الى حد مذهل ولم يتم قياس الكتل المطلقة للنيوترينوهات بعد لكن البيانات الموجوده تضع لها حدا أعلى فهي اقل من نصف في المئة الكون وبقية الماده جميعها تقريبا نحو 25 في المئة من مجمل كتلة-طاقة الكون هي مادة لانراها تدعى المادة الخفية ونستنتج وجودها من آثارها التثاقلية على مانراه ولانعرف بعد ماهي هذه المادة الخفية ويجب أن تكون المادة الخفية مؤلفة من جسيمات كبيرة الكتلة لانها تشكل تجمعات حجمها بحجم المجرة تحت تأثيرات قوة الثقالة وهناك عدد من المبررات تجعلنا نستنتج أن المادة الخفية لايمكن أن تكون مؤلفة من أي نوع من جسيمات النموذج العياري المألوفة والجسيم الاول المرشح للمادة الخفية هو القرين الفائق الاخف (LSP) ويعتقد أن كتلة الجسيم LSP تبلغ نحو 100 ضعف من كتلة البروتون وهذا الجسيم مرشح جيد وسنأتي لاحقا بشرح مفصل عنه وقد تبين للنظريين ان المادة الخفية تحتاج الى نوع جديد من المادة الاساسية لتفسيرها.
وهنا سوف أقف لكي أكمل هذا الموضوع لاحقا فقد قسمته الى ثلاثة أجزاء وهنا ذكرت الكتله وألغازاها وماهيتـها ولاحقا سوف اكمل الجزء الثاني وهو آليـــة حقل هيــكز.
وأرجوا الا اكون قد اطلت عليكم كثيـرا ولكن هذا الموضوع يحتاج الى القرآءه لنعلم كثيرا عن ماذا يحدث في مجال الفيزياء وكي نواكبه...وشكــرا