هل سيموت كوننا قريبًا بسبب بوزون هيغز، -الجسيم الإلهي أو جسيم الرب-؟

جواد بشارة
كاتب ومحلل سياسي وباحث علمي في مجال الكوسمولوجيا وناقد سينمائي وإعلامي
(Bashara Jawad)

الحوار المتمدن-العدد: 8066 - 2024 / 8 / 11 - 16:11
المحور: الطب , والعلوم
    

إعداد وترجمة د. جواد بشارة
في البدء يجب أن نسأل ما هو الفراغ الكمومي؟ الفراغ في الفيزياء مفهوم يصعب تعريفه. وقد يظن المرء أنه يعين..الخواء أو الفراغ بين المجرات وبين النجوم وبين الجسيمات الأولية. هذا سؤال قديم يطرحه منظرو فيزياء الجسيمات الأولية منذ نهاية القرن العشرين، والذي أصبح أكثر أهمية منذ إثبات وجود بوزون بروت-إنغلرت-هيغز الشهير. هل الحالة الكمومية لحقول الجسيمات الموجودة في جميع أنحاء الفضاء المرتبطة بهذا البوزون مستقرة أم أنها ستخضع في النهاية إلى ما يعادل التحلل الإشعاعي من خلال أن تصبح حالة جديدة تسبب اختفاء الهياكل المادية للكون؟ لقد تم للتو تقديم عنصر جديد للتفكير في النقاش حول هذا الموضوع من خلال إعادة تحليل التبخر الكمومي للثقوب السوداء التي يمكن أن تكون قد تشكلت أثناء الانفجار الكبير. في• فراغ كمومي يتم تسخينه بواسطة تبخر الثقوب السوداء، وهو • فراغ كمي له عدة حالات طاقوية حسب فرضية العالم • إنستانتون كولمان-دي لوسيا قبل بضعة أشهر، تركنا بيتر هيغز، لينضم إلى روبرت بروت الذي اقترح مع زميله وصديقه فرانسوا إنغلرت نفس الآلية التي اقترحها هيغز لمنح الجسيمات كتلًا. ليس هناك شك في أن ابن عم الفوتون الجديد، البوزون، المشارك في هذه الآلية هو بالفعل أصل كتلة بوزونات W وZ في نموذج غلاشو-سلام-واينبرغ الكهرومغناطيسي الذي يوحد القوة الكهرومغناطيسية تساعد القوة النووية الضعيفة على تسخين باطن الأرض وجعل الشمس تشرق. ويبدو من المرجح أن بوزون بروت-إنغلرت-هيغز («جسيم الرب» الشهير)، الذي أُعلن عن اكتشافه في عام 2012، يفسر أيضًا كتل الكواركات التي تشكل النيوترونات والبروتونات، بالإضافة إلى كتل النيوترينوات. دعونا نتذكر، مع ذلك، أن آلية بروت-إنغلرت-هيغز (BEH) لا تفسر كتلة البروتونات والنيوترونات التي تأتي أساسًا من أبناء عمومة آخرين عديمي الكتلة للفوتون، والغلوونات في نظرية القوى النووية القوية، والكم. والديناميكا اللونية. علاوة على ذلك، بالمعنى الدقيق للكلمة، فإن مجال هيغز هو الذي يفسر بالفعل كتل بوزونات W و Z، وكذلك كتل الكواركات واللبتونات عبر ما يسمى باقترانات يوكاوا. ومن ثم فإن بوزون BEH هو المعادل الكمي المتساوي لبوزون المجال الكهرومغناطيسي، الفوتون. ولنتذكر أيضًا أن آلية بروت-إنغلرت-هيغز المقترحة في البداية يمكن تعميمها ووضعها في نظرية تتجاوز الفيزياء المعروفة من النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، على سبيل المثال الجاذبية الفائقة. ومع ذلك، فقد عرفنا منذ فترة طويلة أن هذا يمكن أن يشكل مشكلة فيما يتعلق بما نسميه استقرار الفراغ الكمومي. علاوة على ذلك، فإن كتلة بوزون بروت-إنغلرت-هيغز المقاسة اليوم تشير إلى أن هذا الفراغ قد يكون شبه مستقر، بحيث يمكن لحالة الفراغ الكمومي أن تتغير بحيث يمكن للعالم، كما نعرفه، أن يتوقف عن الوجود وفقًا لحالة معينة. احتمال معين لم يتم تحديده بعد بالضبط، وفي المستقبل أيضًا سيتم تحديده. في مقال نشر في The Conversation، أوضح عالم الفيزياء النظرية لوسيان هورتيه، زميل ما بعد الدكتوراه في كلية كينغز كوليدج في لندن، أنه وزملاؤه لويس هامايد، وشي تشيان هو، وأندرو تشيك، أعادوا فحص مسألة استقرار الفراغ الكمومي الضعيف الكهروضوئي. في مقالة منشورة في Physical Letters B وتوجد نسخة منها في الخادم المفتوح على arXiv. فراغ كمومي يتم تسخينه بواسطة تبخر الثقوب السوداء ويوضح الباحث في مقاله في المحادثة: The Conversation "من غير المرجح أن يكون حقل هيغز في أدنى حالة طاقة ممكنة. وهذا يعني أنه يمكن نظريًا تغيير الحالة والانتقال إلى حالة طاقة أقل في موقع معين. إذا حدث هذا، فإنه سيغير قوانين الفيزياء بشكل كبير. مثل هذا التغيير سيمثل ما يسميه الفيزيائيون مرحلة انتقالية. وهذا ما يحدث عندما يتحول الماء إلى بخار، مما يشكل فقاعات في هذه العملية. وبالمثل، فإن انتقال الطور في مجال هيغز من شأنه أن يخلق فقاعات من الفضاء منخفض الطاقة يحتوي على فيزياء مختلفة تمامًا. في مثل هذه الفقاعة، ستتغير كتلة الإلكترونات فجأة، وكذلك تفاعلاتها مع الجسيمات الأخرى. البروتونات والنيوترونات – التي تشكل النواة الذرية وتتكون من الكواركات – سوف تتفكك فجأة. في الواقع، من المحتمل ألا يتمكن أي شخص يعاني من مثل هذا التغيير من الإبلاغ عنه. وتشير القياسات الأخيرة لكتل الجسيمات من مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في سيرن إلى أن مثل هذا الحدث قد يكون ممكنا. لكن لا تُصب بالذعر؛ وقد يحدث هذا فقط خلال بضعة تريليونات مليار سنة، بعد تقاعدنا. » يشرح لوسيان هورتيه أيضًا أنه وزملاؤه ربطوا إمكانية انتقال الطور في مجال هيغز بوجود الثقوب السوداء البدائية (انظر المزيد من المعلومات حول هذا في أسفل هذه المقالة) التي تشكلت أثناء الانفجار الكبير وقادرة على التبخر بواسطة التأثير الكمومي الذي يعطي إشعاعًا حراريًا ساخنًا، وهو إشعاع هوكينغ الشهير. وتتناسب درجة حرارة هذا الإشعاع عكسيا مع كتلة الثقب الأسود قيد النظر. ومع ذلك، كلما زادت سخونته، كلما تبخر بشكل أسرع وتقلصت كتلته، وبالتالي سترتفع درجة حرارة الإشعاع المنبعث. يمكننا بعد ذلك أن نبين أنه إذا تشكلت ثقوب سوداء بدائية أخف من بضعة آلاف مليار غرام (أصغر من كتلة القمر بـ 10 مليارات مرة) في بداية الكون، فإنها ستتبخر خلال ساعة واحدة. اعتمادًا على نماذج الانفجار الكبير التي تم النظر فيها، يمكن حساب طيف من الكتل المختلفة لهذه الثقوب السوداء البدائية، مما يؤدي إلى تنبؤات حول إمكانية اكتشافها عبر إشعاع هوكينغ الشديد للغاية الناتج عن المرحلة النهائية من تبخر الثقب الأسود، خاصة في أشعة غاما. أولئك الذين يولدون من انهيار نجم ما زالوا أكثر برودة بكثير من الإشعاع الأحفوري ولذلك فهم يمتصون هذا الإشعاع اليوم بدلاً من المساهمة في إشعاع الخلفية. في الواقع، تناول لوسيان هورتيه وزملاؤه من زاوية أخرى بشكل أكثر دقة دراسة تأثير إشعاع هوكينغ الصادر عن الثقوب السوداء البدائية على الفراغ الكمومي الكهربائي الضعيف الذي تم فحصه بالفعل منذ عقود، ووجدوا هذه المرة أن "مجموعة واسعة من الكتل من هذه الثقوب السوداء كان ينبغي أن تزعزع استقرار هذا الفراغ منذ وقت طويل ولم نكن هنا للحديث عن ذلك. ستكون هذه الثقوب السوداء الصغيرة بمثابة بذور النواة التي تسبب تكوين قطرات الماء من البخار أو عندما تتسبب الصدمة في تحول الماء السائل إلى جليد في حالة شديدة البرودة. إذن، فإما أن هذه الثقوب السوداء الصغيرة لم تتشكل أثناء الانفجار الكبير، وبشكل أكثر دقة بحدود تستبعد العديد من السيناريوهات التي تتنبأ بوفرة كبيرة من الثقوب السوداء البدائية التي تتبخر في علم الكون، أو أن الفيزياء غير المعروفة حتى الآن تعمل على تثبيت هذا الفراغك فراغ كمومي ذو حالات طاقة متعددة للوصول إلى هذه النتيجة، ولقد أجرى الفيزيائيون حسابات واستدلالات مشابهة لتلك التي تم إجراؤها بالفعل بناءً على أعمال الفيزيائي الأسطوري سيدني كولمان، مؤلف الدورات الأسطورية حول نظرية المجال الكمومي والنسبية العامة. يمكن للمجال القياسي Φ، مثل ذلك الذي يصف بوزون بروت-إنغلرت-هيغز BROUT-ENGLERT-HIGGS، أن يؤدي إلى كثافة طاقة فراغية متغيرة V(Φ). في إطار نظرية التضخم، مع ما يعادل مجال هيغز، كانت V(Φ) في بداية تاريخ الكون قيمة غير صفرية مهمة جدًا تؤدي إلى توسع سريع جدًا للفضاء. كان الكون حينها في حالة من الفراغ الزائف. كان من الممكن أن يكون المجال Φ صفرًا في تلك اللحظة، ثم تطور بسرعة، لذا تم إلغاء V(Φ). لا بد أن الكون قد مر عند نهاية التضخم إلى حالة من الفراغ الحقيقي. توجد متغيرات مع وظيفة V(Φ) تقدم عدة وديان مفصولة بالتلال. لا يمكن للكون أن ينتقل إلا بين واديين يمثلان فراغات زائفة، على سبيل المثال من خلال تأثير النفق الكمومي (نفق الكم). قد لا يكون كوننا الذي يمكن ملاحظته في حالة من الطاقة الدنيا بعد. وقد تصبح بعد ذلك غير مستقرة، وقد يختلف نظام توسعها بشكل جذري. هذا مجرد مثال على النظريات التي يمكن أن تفسر الطاقة المظلمة ذات المجال العددي. إذا كانت الطاقة المظلمة يمكن أن تتغير مع مرور الوقت، فقد ينتهي الكون بانهيار كبير أو تمزق كبيرحسب غاري سكوت واتسون ومع ذلك، فإن الفراغ الكمي هو بحكم تعريفه الحد الأدنى من حالة الطاقة للمجالات الكمومية في الكون المرئي. ولا يوجد سبب يجعلها ذات قيمة صفرية، وفي الواقع فإن وجود الطاقة المظلمة هو على الأرجح مظهر من مظاهر طاقة الفراغ هذه. ويجب أن يأتي أحد مكونات هذه الطاقة من مجال بروت-إنغليرت-هيغز أو بشكل أكثر دقة من أحد المصطلحات التي تصفه في المعادلات. كما هو موضح في الرسم البياني أدناه

، يمكن تمثيل هذا المصطلح على أنه تضاريس جبلية ذات نتوءات وتجويفات، بعضها لا يرتبط بالارتفاع الصفري، أي كثافة الطاقة الصفرية في "الكون الحالي". ربما تكون حالة حقل هيغز غير مرتبطة بحوض الارتفاع الصفري. لا يمكن لأكثر من قطعة رخام في وعاء أن تعبر جبلًا، حتى لتجد نفسها على ارتفاع أقل، لا يمكن لمجال هيغز (أو أي مجال سلمي آخر له مصطلح مشابه لذلك الذي يعطي كثافة الطاقة لحقل هيغز في حالة الراحة) أن ينتقل إلى حالة طاقة أقل، وبالتالي أكثر استقرارًا، في إطار الفيزياء الكلاسيكية لكن في الواقع، الأمر مختلف تمامًا بسبب الطبيعة الكمومية الأساسية للمجال. وهكذا أظهر سيدني كولمان وزميله فرانك دي لوسيا في عام 1987 أن تأثير النفق المبني على وجود إنستانتون، أي تقريبًا حل نظرية الكم لحقل في الزمن التخيلي، سمح بمثل هذا التحول. وبالتالي فإن الفراغ الكمومي لكوننا، سواء مع مجال هيغز في النموذج القياسي أو مع الحقول العددية الأخرى، والتي قد يكون بعضها أبناء عمومة هيغز في نظريات GUT، يمكن أن يكون شبه مستقر. ولذلك فإنه لن يكون مستقراً إلا لفترة طويلة من الزمن، وفي نهايته سيتحول إلى فراغ آخر. أصبحت دورات نظرية الحقل الكمومي لسيدني كولمان في جامعة هارفارد أسطورة. نحن مدينون للباحث بعمل مهم حول دور التناظرات ونظرية إعادة التطبيع ضمن إطار النموذج القياسي. وكان مهتمًا أيضًا بعلم الكونيات والثقوب الدودية في . جامعة هارفارد. ماذا ستكون عواقب هذا التحول؟ من الصعب القول بدقة، لكن كتل العديد من جسيمات النموذج القياسي ستتأثر، كالإلكترونات على سبيل المثال، وبالتالي أيضًا حجم الذرات وخصائصها الفيزيائية والكيميائية. ومن المؤكد أن هذا سيحدث مع كتلة بوزونات W و Z المسؤولة عن النشاط الإشعاعي بيتا الذي يتدخل في التفاعلات النووية الحرارية مما يجعل الشمس تشرق. وفي ظل حسابات كولمان، يبدو أن هناك احتمالًا أسوأ بكثير ممكنًا. يمكن أن يبدأ الانتقال إلى الفراغ الكمومي في مكان ما في منطقة صغيرة من الكون، وسيتشكل نوع من الفقاعة من الفراغ الجديد أثناء تضخمها، مثل فقاعة غاز في سائل ولكن بسرعة الضوء. سوف تتغير هندسة الزمكان في هذه الفقاعة بشكل جذري وستصبح غير مستقرة للغاية، لذلك لن يستغرق الأمر وقتًا طويلاً حتى ينهار الزمكان. وبالتالي ستكون نهاية الكون. وتبين أن هناك أيضًا إنستانتون مرتبط بثقب شوارزشيلد الأسود المعروف بثقب هوكينغ-هارتل الأسود والذي استخدمه لوسيان هورتيه وزملاؤه بطريقة جديدة للوصول إلى الاستنتاجات المقدمة في المقال المنشور في موقع المحادثة والتي تحدثنا عنها سابقا.

إيغور نوفيكوف في المنتصف مع سوبراهمانيان شاندراسيخار وياكوف زيلدوفيتش خلال مؤتمر النسبية العامة في وارسو عام 1962 © DR
هل تعلم؟ ما هي الثقوب السوداء البدائية؟ دعونا نلقي نظرة على التفسيرات المقدمة عدة مرات حول هذا الموضوع . تشتهر هذه الأجسام أيضًا باسم الثقوب السوداء الصغيرة، وهي لا تقل عن ثقوب ستيفن هوكينغ الذي اهتم بها بشكل خاص منذ عام 1971 بناءً على العمل الذي نشره عام 1966 ياكوف زيلدوفيتش وإيغور نوفيكوف، وهما عالمان عظيمان في روسيا. الفيزياء الفلكية وعلم الكون النسبي. كل شيء يعتمد على ملاحظة بسيطة جدًا في المنطق المتعلق بهذه الأشياء التي لا تزال نظرية. في سياق النماذج الكونية النسبية من نوع الانفجار الكبير، كان لا بد أن تكون الكثافة "الأولية" للكون المرئي كبيرة جدًا. إذا أردنا أن نصدق المعادلات التي تحاول وصف حالة المادة ومجال الجاذبية بالقرب من الفرادة الكونية أو التفرد الكوني الأولي في النسبية العامة الكلاسيكية، فإن الكون كان حينها مضطربًا للغاية مع تقلبات فوضوية في متريته وكثافته، كما هو موضح في عمل لتشارلز ميسنر (النموذج المعروف باسم عالم ميكسماستر)، بالإضافة إلى نموذج بيلينسكي وخالاتنيكوف وليفتشيتز. في الآونة الأخيرة، أظهر العمل على موجات الجاذبية التي تم إنتاجها في ذلك الوقت أن مصطلح الاضطراب يمكن استخدامه حرفيًا بمعناه في الديناميكا المائية. في ظل هذه الظروف الجهنمية، إذا أصبح تقلب الكثافة بحيث تمر كتلة معينة تحت نصف قطر شوارزشيلد بينما تنهار تحت جاذبيتها، فسينتج ثقب أسود. المشكلة هي أننا لا نعرف جيدًا كم عدد تلك الأجسام التي يمكن أن تكون قد تكونت أو ما هي الكتل، ولكن من الممكن وجود نطاق واسع، اعتمادًا على النماذج والفيزياء المستخدمة لوصف هذه المرحلة البدائية للغاية من الكون المرئي. يمكن نظريًا أن تكون كتلتها منخفضة مثل كتلة بلانك (Mp=10-5 جم)، ولكنها أيضًا تتجاوز ذلك بكثير، على سبيل المثال 1000 إلى 105 كتلة شمسية، وبالتالي يمكن أن تكون بمثابة بذور لتكوين ثقوب سوداء فائقة الكتلة. عندما بدأ النظر بجدية في وجود المادة المظلمة، تم تفسير ذلك بشكل طبيعي من خلال وجود هذه الثقوب السوداء البدائية والتي نسميها بالتالي الثقوب السوداء الصغيرة عندما تكون كتلتها وحجمها أقل بكثير من تلك الثقوب السوداء الناتجة عن انهيار النجوم. كل المادة المظلمة، أو مجرد جزء منها، يمكن أن تتكون منها. على مر السنين، تم وضع قيود رصد متعددة على طيف الكتلة للثقوب السوداء البدائية، أي على وفرة هذه الأجسام في فترة كتلة معينة في حجم الكون المرئي. بشكل عام، كانت الاستنتاجات التي تم التوصل إليها متشائمة تمامًا بشأن وجود هذه الثقوب السوداء ونسبة المادة المظلمة التي يمكن أن تفسرها. تم إحياء التكهنات مع اكتشاف موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء في أنظمة ثنائية ضخمة بشكل غير طبيعي، حتى لو كانت الكتل المعنية تعادل كتل النجوم. ولتفسير هذا الشذوذ، اقترح علماء الفيزياء الفلكية أن هذه الثقوب السوداء كانت في الواقع ثقوبًا سوداء بدائية، وأن اكتشافها السريع سيعني ضمنًا أنها كانت عديدة، إلى درجة أنها لا تزال تمثل المادة المظلمة.

#جواد_بشارة (هاشتاغ)       Bashara_Jawad#          

---

اشترك في قناة ‫«الحوار المتمدن» على اليوتيوب
حوار مع الكاتب البحريني هشام عقيل حول الفكر الماركسي والتحديات التي يواجهها اليوم، اجرت الحوار: سوزان امين	حوار مع الكاتبة السودانية شادية عبد المنعم حول الصراع المسلح في السودان وتاثيراته على حياة الجماهير، اجرت الحوار: بيان بدل

كيف تدعم-ين الحوار المتمدن واليسار والعلمانية على الانترنت؟

تابعونا على:

الفيسبوك

التويتر

اليوتيوب

RSS

الانستغرام

لينكدإن

تيلكرام

بنترست

تمبلر

بلوكر

فليبورد

الموبايل

كيفية إشراك-إيصال مواضيعكم أو مواضيع تهمكم  إلى اكبر عدد ممكن من القراء والقارئات