//// نظرية الاوتار الفائقة تاريخها نشاتها وتطورها/////
كاتب الموضوع
رسالة
administrator
4923 21/03/2011
موضوع: //// نظرية الاوتار الفائقة تاريخها نشاتها وتطورها///// السبت 21 أبريل 2012, 1:35 am
نظرية الاوتار الفائقة
قال أرسطوا إن المادة تتكون من كرات صغيرة أو جزيئات صغيرة اطلق عليها أسم الذرات والذرة هي أصغر جزء في التركيب المادي وذكرة علماء العرب بأسم الجوهر الفرد وتعني الجزء الذي لا يتجزء . ومع تطور العلم والثورة العلمية الحديثة أكتشفنا ان الذرة تتكون من كرات أصغر منها عرفت بالبروتونات والنيترونات داخل النواة والالكترونات خارج النواة وهي الجسيمات الاكثر حيوية وبعدها توالت الاكتشافات واكتشفنا ان هذة الجسيمات تتكون في حقيقتها من جزيئات أصغر وعرفت بأسم اللكواركات وعرف حتى الان تقريبا 30 جسيم والمتأمل لهذة الاحدات يعتقد اننا دخلنا في دوامت المالانهاية من حيث التجزيء إذ أننا لم نصل للبنة الاساسية في هذا الكون والمحاولات جادة في البحث عن اساس الخلق ولكن دون جدوى .....
وفي ظل هذا البحث وهذة الثورة العلمية ظهرت لنا نظريات كثيرة من اعظمها وأهمها نظريتين لا بد من وجودهما في أي نظرية ترد أن تحكم هذا الكون هما النسبية العامة لأينشتاين والنظرية الكمومية وهاتين النظريتين هما خلاصة العقل البشري في جميع مراحل حياته العلمية وأنا في هذا الموضوع لست بصدد شرح هاتين النظريتين وذلك لأنهما تشغلان 90% من أرفف المكتبات العالمية ولكن سوف أذكر ما له صله بموضوعي .
النظرية النسبية ( وأقصد دائما النظرية العامة حيث أن الخاصة جزء منها وحالة خاصة من العامة) هذة النظرية تهتم بدراسة الظواهر الكونية العملاقة ودراسة القوى الجاذبية لها من كواكب وافلاك ومجموعات شمسية ومجرات الى كوازارات وغيرها ....
أما النظرية الكمومية فهي تهتم بدراسة الظواهر الدقيقه جداً جداً فتهتم بدراسة الاكترونات والقوى بينها والفتونات والكواركات وكان أول من نادى بها هو العالم الالماني الشهير ماكس بلانك عندما قال ان الضوء ينتقل عبر كمات من الطاقة سمها الفوتونات ...
(لاحظ أخي القارئ أن الفيزيائي يتمتع بقدره على الغوص في اعمق نقطة في الكون في ما دون الذرة وبطرفة عين وأختها يسبح في أبعد نقاط الكون وفي ما وراء المجرات وقد يحدث أن يحاول أن يخرج فتأمل في بدع صنع الله عزوجل.)
والهدف من ذكر هاتين النظريتين هو أنه أذا اخذت أي نظرية على حدة حققت نجاحاً باهراً ولكن إذا اجتمعتا فشلت كل تنبؤاتهما وقد حاول عباقرة العلم الحديث في حل هذة المعضلة ولكن دون جدوى أو فائدة وأن من غرفتي الصغيرة أظمن لمن يحل هذة المشكلة بصورة نهائية بأن يحصل على جائزة نوبل للفيزياء......
وما تزال المحاولات قائمة لحل هذة المشكلة وظهرت حلول كثيرة وكل حل يفشل ولكن ظهرت في الفترة الاخيرة نظرية قلبت موازين الفيزياء رأسا على عقب وكان ظهوراها مصادفة غريبة . كيف ظهرت هذة النظرية
تعود جذور النظرية الوترية إلى أواخر الستينات وإلى أعمال غابرييل فيننويزيانو .كان عدة فيزيائيين آنئذ حاولون العثور على مغزى لكثرة الهدرونات تلك الجسيمات ذات التفاعل الشديد فيما بينها والتي كانت تظهر تباعاً في التصادمات العالية الطاقة في المسرعات الجسيمية . وكان ذلك قبل أن تتوطد النظرية الكواركية في بناء المادة .
كان الشيء المحير في هذا الشأن هو الهدرونات التي فترة حياتها قصيرة جداً . وهي معروفة جماعياً باسم "تجاوبات" (أو جسيمات التجاوب) لأنها كما هو واضح جداً ، ليست جسيمات أولية بل إنها تبدو بالأحرى ضرباً من الحالات المثارة الهدرونات أخرى .إذ يمكن أن نتصور أن مكنونات الهدرونات أثيرت إلى مستويات كمومية طاقية عالية بفعل تصادمات عالية الطاقة . وقد بينت التحريات أن بعض هذة الكائنات ذات سبين عالٍ ٍ جداً (11/2) . وفوق ذلك تم العثور على علاقة نظامية بين سبين هذة الهدرونات وكتلتها .
ولتفسير هذة الوقائع اقترحت فينيزيانو نموذجاً وفق مقتضى الحال لم يكن هذا العمل في ذلك الحين سوى إجراء رياضي خال من أية صورة فيزيائية . ولكن اتضح في سياق التحريات اللاحقة أن نموذج فينيزويانو أوصاف حركة وتر كمومية فكانذلك خروجا ً ملحوظا ً من أُطر النظريات السابقة التي كانت تُصر كلها على نمذجة المادة بلغة الجسيمات . هذا رغم أن النموذج الوتري كان في بعض جوانبة على الأقل ،على وفاق مع التجربة أحسن من وفاق النموذج الجسيمي. يوجد على الاقل جانب واحد يمكن أن يبرر نظرية وترية في الهدرونات فالمعلوم اليوم أن الهدرونات تحوي كواركات وهذة الكواركات تتفاعل بوساطة قوة فيما بينها . ويستطيع المرء أن ينثل الروابط الناتجة عن هذة القوة وكأنها قطع مطاطية تصل بين الكوركات لأن القوة بين الكواركات تشترك مع توتر المطاط بخاصة أنهما كليهما يشتدان بازدياد المسافة والقوة في حال الكوركات شديدة لدرجة أن طاقة التفاعل تضاهي طاقة كتلة الكواركات السكونية . وفي هذه الظروف يكون "المطاط" في العملية الدينامية أهم من الكوراكات في الأطراف . وعلى هذا فإن النموذج الوترلدينامية الحركة ليس شيئا ً غير ملائم .
لم يكن في ذلك الوقت المبكر يوجد أحد يرى في النموذج الوتري أكثر من عملية تقريبية فجة . وقد بدا ، كمشكلة أخرى أنه مقصور على توصيف البوزونات فقط . ولكن بعض النظريين درسوا النموذج بعناية وعثروا على نتائج تخص مقدرة النظرية . ففي عام 1970 اكتشف شوارتز و نوفو نظرية وترية ثانية تحوي أوصاف الفرميونات.
وفي حوالي 1974 حصل تطوير للكروموديناميك الكمومي وتوقف الاهتمام بالنظرية الوترية كنموذج للهدرونات . وكان يمكن أن تموت ولكن اكتشاف شوارتز وشريكة شيراك إمكان استخدامها في مجال آخر أكثر أهمية بكثير فقد كان من مشكلات النظرية المبكرة أن الجسيمات التي بدت مستمدة منها تحوي جسيما عديم الكتلة وسبينه 2 . ولم يكن في تشكيلة الهدرونات أي شيء من هذا القبيل . لكن هذا الجسيم له أوصاف الغرافتون بكل دقة " جسيم الثقالة الحامل للثقالة" فهل النظرية الوترية هي حقا ً نظرية ثقالية ؟؟؟ كما ادعى شيرك و شوارتز أو حتى نظرية لكل شيء؟؟؟
لقد كان على هذة الفكرة الجرئية أن تنتظر زهاء عشر سنوات كي تكتسب مصداقية أوسع وفي أثناء ذلك عكفت مجموعة صغيرة من النظريين فيها جون شوارتز وميكائيل غرين على دراسة كل أنواع مسائل التماسك الرياضي - التاخيونات واللانهائيات والشذوذات والحاجة إلى أبعاد إضافية وإلى تناظر فائق . وكانت وقتها أعمالهم تعتبر مضيعة للوقت في نظرية معتوهة ولكن كل ذلك تغير اليوم فقد أصبحت بصورتها الحديثة المعروفة ـــ باسم الاوتار الفائقة ـــ تلفت انتباه أمهر الفيزيائين النظريين في العالم .
وتبدل هذة النظرية الجسيمات النقطية بوتر أ ُحادي البعد يمتد في فضائة ويهتز بتواتر مختلف وهذا الاهتزاز هو سبب إختلاف الجسيمات والمواد في الكون وبدل الجسيم النقطي بالوتر لأنه عندما نريد أن نوحد النظريتين على الجسيم النقطي تظهر لنا شذوذات ــ صفر /صفر أو مالانهاية / مالانهاية ـــــ لذلك بدلنا الجسيم النقطي بالوتر لأن تمواج الوتر يخفي هذة الشذوذات وتتنبأ هذة النظرية الجديدة بأن كوننا مكون في حقيقة من 26 بعداً ، وبعد تطورات أ ُخزلت هذة البعاد الى عشرة أبعاد ولم تكن هي أول فكرة للابعاد الاضافية أو أول نظرية فقد سبقها العالم كالوزة في طرحة للبعد الخامس أ؟فتراضي وعندما أُسقط هذا البعد على النظرية النسبية ظهرة نتائج زائدة في حلول النسبية لم يمضي وقت حتى أكتشف انها معادلة مكسويل في الكهرطيسية وهكذا أثبت كالوزا أن الكهرطيسية ليست قوة منفصلة بل هي وجة من أوجة الثقالةوذلك في عالم ينطوي على خمس أبعاد . ولكن عدد هذة الابعاد كان بحق مشكلة ومعضلة كبيرة جدا حتى أنه حل خيب أمال العاملين على هذة النظرية ولكن الحل ظهر على يد السويدي أسكار كلاين بجواب بسيط ورائع وذلك عام 1926 يقول بأننا لا نلحظ البعد الخامس لأنة بمعنى ما متقوقع على نفسه أي ملتف على نفسة في حيز صغير جدا ويمكن تشبية ذلك بخرطوم رش الماء فعندما تنظر للخرطوم من بعيد لا ترى سوى خط متعرج . لكنك إذا فحصة عن كثب فسترى أنه عباره عن جسم في ثلاث أبعاد وهكذا أعتبرنا الأبعاد الجديدة ملتفة على نفسها في جزء صغير جدااً وتمسك هذة الأوتار قوة لا ليست عن العودة الى وضعها الطبيعي قوة لا أعرفها أنا ولكن تمثل بظاهرة كازميرا وهي نشوء قوة بين الصفائح ناقلة الكهرباء إذا قربت من بعض بشكل كبير فإنه تنشئ قوة التصاق لا احد يعرف منشأها وتتنبأ هذة النظرية بالمادة السوداء أو المادة الظلية .
تاريخ ونشأة نظرية الأوتار الفائقة... في أواخر الثمانينات وبينما كان فيزيائي شاب إيطالي يدعى (غابرييل فينيتسيانو) يبحث عن بعض المعادلات الرياضية التي تصف قوى النواة الكبيرة في الذرة... وفي كتب الرياضيات القديمة التي يملكها وجد معادلة رياضية قديمة عمرها مئتا عام كتبها عالم سويسري يدعى ليونار أويل. فينيتسيانو ذهل باكتشافه أن تلك المعادلات التي اعتبرت لسنين عديدة مجرد فضول رياضي كانت تصف القوى الكبيرة في النواة فعلاً وقام باكتشافه الذي اشتهر به فيما بعد في وصف القوى الكبيرة التي تعمل في نواة الذرة. كان ذلك حدث ولادة نظرية الأوتار. وبسبب شهرة هذا الاكتشاف فقد وقعت تلك المعادلات في يد فيزيائي أمريكي يدعى (ليونارد سسكيند) اكتشف أن وراء الرموز الرياضية وصف لشيء أكثر من مجرد جزيئات. فالمعادلة تقدم متحولات تصف اهتزازات ووصف لخيوط. قام بدراستها أكثر ووجد أنها عمليا تصف خيوطا مهتزة مثل الخيوط المطاطية الحرة الطرفين، هذه الخيوط بالإضافة لصفاتها في التمدد والتقلص فهي تهتز بشكل دوراني أيضا حسب تلك المعادلة، المضحك أن سسكند عندما قدم بحثه للنشر تم رفضه لعدم أهميته واعتقد أن اكتشافه سيموت. في تلك الأوقات فإن العلماء كانوا مشغولين في اكتشاف الجزيئات وأنواعها الجديدة الدقيقة بالقيام بتعريضها لسرعات كبيرة و اصطدامها ببعضها لشطرها إلى جزيئات أصغر ودراسة نواتج تلك الإنشطارات. كانت الاكتشافات كبيرة جدا وأنواع الجزيئات المكتشفة كبير. أدى ذلك إلى اتنتاجات كبيرة على مستوى الفيزياء أهمها أن قوى الطبيعة يمكن وصفها كجزيئات أيضاً. مثلاً القوة التي تنشأ بين جسمين هي عبارة عن جزيء (رسول) بينهما، وكلما انتقل بين الطرفين بمعدل أكثر كلما اقترب الجسمان من بعضهما أو بعبارة أخرى – زادت القوة بينهما. أي أن تبادل الجزيئات هو ما يخلق ما نشعر أنه طاقة. وتم فعلاً تأكيد تلك النظريات باكتشاف الجزيئات المسؤولة عن القوة الكهرطيسية والقوى النووية القوية (المسؤولة عن تماسك النواة في الذرة) والضعيفة (المسؤولة عن النشاط الإشعاعي الذري). وشعر العلماء أنهم اقتربوا من تحقيق حلم توحيد القوى الذي بدأه أينشتين. لأن تلك الجزيئات المسؤولة عن القوى الثلاث (القوة الكهرطيسية والقوى النووية القوية (المسؤولة عن تماسك النواة في الذرة) والضعيفة (المسؤولة عن النشاط الإشعاعي الذري)) تبدأ بالتشابه في الخصائص في حال تطبيق حالة الإنفجار الكبير أي أنها تنصهر في حرارة وكثافة الكون الشديد عند الإنفجار لتصبح نوعا واحدا من القوى ودعى ذلك الشكل من الفهم بـالـ (الشكل القياسي للقوى) standard module العالم ستيفن وينبيرغ، لكن خلف ذلك النجاح برزت مشكلة كبيرة... فذلك الشكل القياسي لجزيئات القوى استطاع أن يصف ثلاث فقط من القوى الرئيسية في الفيزياء مهملا القوة الرابعة (الجاذبية) لأنها كانت تعمل على مستوى مختلف عن العالم الكوانتي الدقيق.
في أواخر السبعينات كان العلماء المتبنون لنظرية الأوتار قليلون ومهملون ويعانون من مشاكل كبيرة في النظرية.. فتلك النظرية مثلا تنبأت بوجود جزيئات عديمة الكتلة تستطيع أن تنطلق بسرعة أكبر من سرعة الضوء (وهذا غير ممكن حسب أينشتين). كانت لأيضا تتنبأ بجزيئات بلا كتلة تماماً (غير مرئية وغير ممكن التحقق من وجودها). كانت تحتاج لعشر أبعاد بدلا من الأبعاد الأربعة (ثلاث أبعاد للماكن وبعد زمني). كانت أيضا متضاربة النتائج الرياضية تعطي أرقاما تدل على خطأ معادلاتها. إلى أن جاء العالم جون شوارتز الذي بدأ بوضع تعديلات للنظرية وربط النظرية مع الجاذبية وافتراض أن حجم تلك الأوتار أصغر بمئة مليار مليار مرة من الذرة وبدأت النظرية تأخذ شكلا صحيحا، والجزيء الذي لم يكن يملك كتلة كان بنظر جون شوارتز جزيء (الجرافيتون) Graviton. أو الجزيء المسؤول عن نقل القوة الجاذبية على المستوى الكوانتي. وهو بذلك حل الجزء المفقود الذي قدمه ستيفن وينبيرغ في الشكل القياسي للقوى الذي كان يفتقد لوصف الجاذبية على المستوى الكوانتي.رغم ذلك لم يحظ ذلك البحث أيضا بالإهتمام وبقيت النظرية في الظلام وبقي يعمل فيها ويؤمن بها عالمان اثنان من مجتمع العلماء الفيزيائيين هما جون شوارتز ومايكل غرين. وصل هذان العالمان في أوائل الثمانينات إلى حل المشاكل الرياضية في النظرية وبدأت النظرية تصف القوى الثلاثة الأخرى إلى جانب الجاذبية وهي القوة الكهرطيسية والقوى النووية القوية (المسؤولة عن تماسك النواة في الذرة) والضعيفة (المسؤولة عن النشاط الإشعاعي الذري). وقاد هذا الإكتشاف المذهل العلماء إلى التهافت على النظرية بالمئات وحظيت النظرية أخيرا على الإهتمام وتم تسميتها (نظرية الكل) (The Theory Of Everything).
استطاعت النظرية وصف كل مكونات الطبيعة بشكل واحد مذهل فالبروتونات والاكترونات والنيوترونات التي تتكون منها الذرات تتكون من أجزاء أصغر هي الكواركات quarks . تلك الكواركات التي كان يعتقد أنها مادة هي وبحسب نظرية الأوتار عبارة عن أوتار أو خيوط صغيرة جدا من الطاقة مهتزة بعدة اتجاهات وطرق. كل وتر من هذه الأوتار حجمه صغير جدا مقارنة بالذرة. فهو كحجم شجرة من حجم كوكب الأرض. وكل اهتزاز معين لتلك الأوتار يعطي الجزيء خصائص مختلفة.. فقد يشكل الإهتزاز جزيئا مكونا لذرات المادة أو الطاقة أو الجاذبية، إلكترونات أو جزيئات ألفا أو بيتا..الخ... أي أن كل ما في هذا الكون من مادة أو طاقة أو شحنات هي في الواقع أوتار لكنها مهتزة بطرق مختلفة. والفرق الوحيد بين الجزيئات التي تعطي مادة الخشب والجزيئات التي تعطي طاقة الجاذبية هو طريقة اهتزاز تلك الأوتار فقط.كانت نظرية الأوتار الفائقة حلقة الوصل بين ميكانيك الكم والنظرية النسبية لأنها تفسر وتلغي الفروقات بينهما بناء على طبيعة الأوتار وخصائصها، والكون الفوضوي على المستوى الذري يصبح أقل فوضوية وأقرب إلى الكون الكبير على مستوى الأجسام الكبيرة. وهو نصر كبير على مستوى الفيزياء والرياضيات والكون للعلماء بآن واحد.
نظرة إلى عالم الأوتار الفائقة حتى تصح نظرية الأوتار الفائقة، وتحقق الخواص التي تقدمها لنا لفهمنا للمادة والجزيئات فإن هذه النظرية احتاجت إلى تطبيق فكرة أشبه بالخيال العلمي لكنها ممكنة... فهي بحاجة لأبعاد إضافية في الكون ولا تكفيها الأبعاد الأربع المعروفة (ثلاثة أبعاد لمكان وبعد للزمان). وهذه أغرب وأهم تنائج تلك النظرية. دعونا نتذكر أن الأبعاد الثلاث المكانية هي ما يمكننا رؤيته وما يحتاج إليه عقلنا للفهم والإستيعاب خلال حياتنا اليومية،لكن لا يوجد مانع علمي أو رياضي من وجود أبعاد أخرى لا ندركها بحواسنا المجردة. المذهل أكثر أن تلك الأبعاد أقرب إلينا مما نتصور، لكننا لا ندركها لصغر حجمها. سنذكر مثالا يوضح ذلك. إن نظرنا لعمود من الكهرباء من مسافة بعيدة نسبيا فسيبدو لنا كخط مستقيم (له بعدين اثنين فقط) لكن كلما اقتربنا من العمود فإن بعدا ثالثا سيظهر له (سماكته). وحتى تشكل الأوتار الفائقة تلك التشكيلة الكبيرة من الجزيئات والخصائص المختلفة لها فإن عليها أن تهتز في فضاء يملك أكثر من ثلاثة أبعاد، في الواقع فإنها تحتاج لتسع أبعاد مكانية إضافة إلى البعد الزمني والنتيجة عشر أبعاد.
تلك الأبعاد الصغيرة أقرب ما يمكن تخيلها إلى سطوح متداخلة على مستوى صغير جدا كالشكل التالي
نتائج نظرية إم أو نظرية الأوتار الفائقة وتطورها
تنظيم النسيج الكوني
قبل أينشتين فإن العلماء كانوا يعتقدون أن الكون ثابت الشكل، لكن نظرية أينشتين النسبية تقول أن الكون عبارة عن نسيج يمكن حنيه وثنيه.. فإذا تخيلنا أننا نسير على أرض مستوية لنقطع مسافة ما فإننا بثني تلك الأرض يمكننا الوصول إلى هدفنا بشكل أسرع... قدم اينشتين فكرة انحناءات الكون وتشوهات النسيج الكوني بما يعرف بـ wormholes أو الطرق دودية. وهي طرق مختصرة للوصول إلى أجزاء قصوى من الكون بسرعة فائقة وزمن قصير (بشكل نظري فقط).
وعلى المستوى الذري وحسب الصفات الكوانتية فإن النسيج الكوني معرض للتمزق والتغير بشكل كبير جدا أيضاً بسبب الإختلافات الشديدة في المكان والزمان التي تسببها فوضى الجزيئات، بوجود تلك الفوضى فإن النسيج الكوني معرض للتمزق بشكل دائم، وذلك يسبب كوارث زمانية ومكانية أكبر مما نتخيل، هنا تأتي الأوتار لتنظم ذلك النسيج الفوضوي فتهتز عبر النسيج الكوني الممزق لتقوم بإصلاحه وترميمه. وهذا ما يجعل النسيج الكوني مستقر نسبيا على المستوى الدقيق. فلا يمتد التمزق للنسيج الكوني ويسبب كارثة كونية.
//// نظرية الاوتار الفائقة تاريخها نشاتها وتطورها/////
موضوع: //// نظرية الاوتار الفائقة تاريخها نشاتها وتطورها///// 
السبت 21 أبريل 2012, 1:35 am
حتى
