لغـــــــز الكتــــلة؟

[T4A]

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

[اسلحة الطاقه]

مشكوووووور اخي على هذا الموضوع الرائع فعلن تعريف الكتله اثار الكثير من العلماء
لانه شيء غامض الى اليوم
مع تحياتي اسلحة الطاقه

[T4A]

العفو ياغالي...وانشاءالله اليوم اكمل البقية لهذا الموضوع...
لك الشكــر

[T4A]

اليوم سوف اكمل مابدأته عن لغز الكتله واتحدث هنا عن آلية هيكز وكيفية عمل هذه الجسيمات التي افترضها العلماء وقالوا بانها تملىء الكون وتنتج الكتلة من التفاعل مع هذه الجسيمات ....
آليــة هيكـــز:
إن الجسيمات الاولية مثل الكواركات والالكترونات بخلاف البروتونات والنيوترونات ليست مؤلفة من اجزاء اصغر منها وتفسير كيفية وجود كتله لها يمس اللب من مسألة اصل الكتلة وكما ذكرت سابقا وفي الاسطر الماضيه بان التفسير الذي تقترحه الفيزياء النظرية المعاصره يقضي بان كتل الجسيمات الاولية تنشأ عن تآثرات مع حقل هيكز ولكن لماذا يوجد حقل هيكــز خلال الكون كله؟ ولماذا لا تساوي شدته الصفر اساسا على المستوى الكوني شأنه في ذلك شأن الحقل الكهرمغنطيسي؟ وماهي حقيقة حقل هيكـــز؟
إن حقل هيكز هو حقل كمومي قد يبدو غامضا لكن الحقيقة هي أن جميع الجسيمات الأولية تنشأ على شكل كمات(كمومات) عن حقل كمومي مناظر والحقل الكهرمغنطيسي هو ايضا حقل كمومي (جسيمه الاولي المناظر هو الفوتون) وهكذا في هذا الخصوص لايشكل حقل هيكز لغزا اكثر مما تشكله الالكترونات او الضوء لكنه يختلف على اية حال عن جميع الحقول الكمومية الاخرى بثلاث طرق حاسمة.
الاختلاف الاول:
ان الاختلاف الاول هو تقني بعض الشيء فلجميع الحقول خاصية تدعى سبين spin وهي كمية ذاتيه للاندفاع الزاوي angular momentum يحملها كل من جسيماتها فجسيمات مثل الالكترونات لها سبين مقداره 2\1 ومعظم الجسيمات المرفقه بقوه ما مثل الفوتون لها سبين 1 اما بوزونات هيكز وهي جسيمات حقل هيكز فلها سبين صفر ووجود هذا الاخير يمكن حقل هيكز من الظهور في دالة لاكرانجيان بطرق تختلف عنها بالنسبة الى الجسيمات الاخرى وهذا بدوره يتيح ويؤدي الى خاصيتيه الاخرين المميزتين له.
تفسر الخاصية الثانيه الفريدة لحقل هيكز كيف ان شدته ليست صفرا في جميع انحاء الكون وتوضح  سبب ذلك انه فكل منظومة بما في ذلك الكون تهوي الى حالة الطاقة الدنيا لها مثل كرة تتدحرج نازلة الى قاع الوادي وبالنسبة الى الحقول المألوفة مثل الحقول الكهرمغنطيسية التي توفر لنا البث الاذاعي تكون حالة الطاقة الدنيا هي تلك التي تكون فيها الحقول معدومة القيمة (أي حين تتلاشى الحقول) اذا أدخل أي حقل غير معدوم فان الطاقة المختزنة في الحقول تزيد الطاقة الصافية للمنظومه لكن طاقة الكون في حالة حقل هيكز تكون اقل اذا لم يكن الحقل معدوما بل كانت له قيمة ثابتة مختلفه عن الصفر( أي انه مثلا الحقل الكهرمغنطيسي ليس حقلا معدوما وعند ادخاله الى الكون والكون يعتبر منظومه فان الطاقة الموجوده في الحقل الكهرمغنطيسي سوف تزيد من طاقة الكون كله لكن حقل هيكز عكس ذلك فهو اذا لم يكن معدوما "ونقصد بكلمة معدوم أي حقل متلاشي له شده معينه عند الوصول اليها يتلاشى الحقل ولا تصبح له قيمة" تكون طاقة الكون اقل ) وبلغة التشبية بالوادي مجازا يكون اسفل الوادي بالنسبة الى الحقول العادية في الموضع الذي يكون فيه الحقل معدوما اما بالنسبة الى حقل هيكز فتكون للوادي هضبه صغيرة في مركزه( حيث ينعدم الحقل) واخفض نقطة في الوادي تشكل دائرة حول الهضبة والكون مثله مثل كرة يستقر في مكان ما في هذا الخندق الدائري الذي يقابل قيمة غير معدومة للحقل أي ان الكون في حالته الطبيعيه ذات الطاقة الاكثر انخفاضا ينتشر فيه حقل هيكز غير معدوم.
وهي صفة اخيره المميزة لحقل هيكز في شكل تآثراته مع الجسيمات التي تتآثر مع حقل هيكز تسلك كما لو ان لها كتلة متناسبة مع حاصل ضرب شدة الحقل في شدة التآثر.
وتنشأ الكتل عن حدود دالة لاكرانجيان التي تكون فيها الجسيمات متآثره مع حقل هيكز. لايزال فهمنا لكل هذا غير كامل على ولسنا متأكدين من عدد أنواع حقول هيكز الموجودة ومع ان النموذج العياري لاتطلب سوى حقل هيكز واحد لتوليد كثل جميع الجسيمات الاولية الا ان الفيزيائيين يعلمون انه ينبغي ان تحل محل النموذج العياري نظرية اكثر كمالا والنظريات الرئيسية المنافسة وهي امتدادات للنموذج العياري تدعى النماذج العيارية الفائقة التماثل supersymmetric standard models واختصارا (SSMs). يكون لكل جسيم من النموذج العياري في هذه النماذج ما يسمى بالقرين الفائق superpartner(لم يكتشف بعد) له خصائص مشابهة جدا ويحتاج الامر في النموذج العياري الفائق التماثل الى نوعين مختلفين على الاقل من حقول هيكز والتآثرات مع هذين الحقلين هي التي تعطي كتلة لجسيمات النموذج العياري وهي تعطي كذلك بعض (ولكن ليس للجميع) الكتلة للقرائن الفائقة وتنشأ عن حقلي هيكز خمسة انواع من بوزونات هيكز ثلاثه منها متعادلة كهربائيا واثنان مشحونان ومن الممكن لكتل الجسيمات المدعوه نيوترينوهات وهي كتل صغيره جدا مقارنة بكتل الجسيمات الاخرى أن تنشأ بصورة غير مباشره غالبا عن هذه التآثرات او عن نوع ثالث اخر من حقول هيكز.
توجد لدى النظريين عدة اسباب تجعلهم يتوقعون ان تكون صورة النموذج العياري الفائق التماثل SSM حول تآثر هيكز في صورة صحيحه اولا من دون اليه هيكز سيكون البوزونان ZوW وهما اللذان ينقلان القوه الضعيفة معدومي الكتله مثلهما مثل الفوتون (الذي يتعلقان به) وسيكون التآثر الضعيف في مثل قوة التآثر الكهرمغنطيسي وتبين النظرية ان آلية هيكز تمنح كتلة للبوزونين WوZ بطرية خاصة جدا وقد أثبتت تجريبيا تنبؤات تلك المقاربة (مثل النسبة بين كتلتي WوZ ).
الاختلاف الثاني:
 لقد اختبرت جميع اوجه النموذج العياري اختبارا جيدا ومن العسير تغيير جزء من هذه النظرية المفصلة المتشابكة(مثل الهيكز) من دون ان يؤثر ذلك في بقيتها فعلى سبيل المثال قاد تحليل القياسات الدقيقة لخواص البوزونين WوZ الى التنبؤ الصحيح بكتلة الكوارك الذروي Top quark قبل انتاج هذا الكوارك بصورة مباشرة وسوف يعتمد تغيير آلية هيكز ذلك التنبؤ وتنبؤات اخرى ناجحه.
الاختلاف الثالث:
تنجح آلية هيكز في النموذج العياري نجاحا تاما في اعطاء كتلة لجميع جسيمات النموذج العياري وللبوزونين WوZ وكذلك للكواركات واللبتونات في حين تفشل المقترحات البديله عادة في لك ثم ان النظرية SSM بخلاف النظريات الاخرى توفر اطارا لتوحيد فهمنا لقوى الطبيعية واخيرا فأن بإمكان النظرية SSM ان تفسر لماذا يكون وادي الطاقه الخاص بالكون بالشكل الذي تتلطبه آليه هيكز ففي النموذج العياري الاساسي ينبغي وضع شكل الوادي كفرضية اما في النظرية SSM فيمكن استنتاج ذلك الشكل بطريقة رياضيه.
وهنا نذكر بعض خصائص هيكز:
يشبه الفضاء الخالي المملوء بحقل هيكز شاطئا ممتلئا بالاطفال ويشبه الجسيم الذي يعبر تلك المنطقة الفضاء بائع المثلجات الذي يصل ويتآثر مع الاطفال الذين يبطئون سيره-كما لو انه يكتسب كتلة.
التسبب في ظاهرتين يسبب التآثر نفسه ظاهرتين مختلفتين تماما اكتساب الجسيم كلته وانتاج بوزون هيكز وسوف تكون لهذه الحقيقة فائدة عظمى في اختبار نظرية هيكز بواسطة التجارب.
وهنا اتوقف لاكمل باقي الموضوع في جزء آخر ...وشكــرا

[اسلحة الطاقه]

ماشاء الله موضوع رائع اخوي ويعطيك العافيه ويجعله في موازين اعملك
ونتظر المزيد منك
مع تحياتي اسلحة الطاقه