ماهو الجسيم

 

كل شيء فى الكون يتشكل من جسيمات بل هو يتشكل من جسيمات اولية لا تقبل القسمة اكثر من ذلك.

وهذه نتيجة لا جدال فيها فى الفيزياء من اجل كل الطاقات المسبورة لغاية يومنا هذا انطلاقا من طاقات الفيزياء الذرية وصولا الى طاقات الفيزياء النووية و حتى نصل الى الطاقات العليا لفيزياء الجسيمات الاولية (وحتى الطاقات الاعلى للاشعة الكونية).

لكن ماهو الجسيم?

نعطى ستة اجوبة من الميكنيك الكمومى quantum mechanics, نظرية المجال الكمومى quantum field theory, نظرية التناظر theory of symmetry, نظرية الاوتار الممتازة superstring theory, نظرية المعلومات الكمومية theory of quantum information و الفيزياء التجريبية.

ولا يوجد اى صراع او تناقض بين هذه الاجوبة فهى تعبر عن نفس الحقيقة من زوايا مختلفة (اذن لا داعى للبحث عن الخلاف و الشقاق بين النظريات الفيزيائية لانه لا يوجد الا وئام و تناغم).

اول جواب هو جواب (الميكانيك الكمومى): الجسيم هو دالة موجة منهارة collapsed wavefunction. وهذا يعتمد على الثنائية موجة-جسيم wave-particle duality احد أهم امثلة مبدأ التكامل لبوهر Bohr's complementarity principle وهى مؤكدة تجريبيا (تجربة الخيار المؤجل delayed choice experiment) لويلر Wheeler.

هذه الثنائية تنص على ان الالكترون (مثلا) يوصف بدالة موجة موجودة فى كل مكان من الفضاء لكن تلك الموجة عندما نقوم برصد (مثلا) موضع الالكترون فانها ستنهار الى نقطة معينة من الفضاء اين سنجد الالكترون (الالكترون لم يكن هناك قبل الرضد لانه لم يكن هناك الكترون قبل الرصد الذى كان قبل الرصد هو دالة موجة الالكترون).

ثانى جواب تعطيه (نظرية المجال الكمومى) التى يتم فيها توليف مبادئ (الميكانيك الكمومى) مع مبادئ (النسبية الخاصة): الجسيم هو عبارة عن تقلب flcutuation او استثارة excitation كمومية للمجال المرفق بذلك الجسيم. مثلا الفوتون الذى هو عبارة عن كمات quanta الضوء هو عبارة عن تقلب او استثارة (هذه هى التى نسميها كمات) فى المجال الكهرومغناطيسى.

بالمثل فان الالكترون نرفق به مجال ديراك سبينورى spinorial Dirac field وهذا المجال يخضع لمعادلة حركة ديراك. اذن الالكترون هو فقط تقلب كمومى فى هذا المجال اى خروج المجال من وقت الى آخر عن حالته الكلاسيكية المستقرة.

الجواب الثالث تعطيع (نظرية التناظر) لنظرية الميكانيك الكمومى او النظرية الاعم نظرية المجال الكمومى: الجسيم هو تمثيلة غير قابلة للاختزال irreducible representation لزمرة بوانكريه Poincare group لتناظرات الفضاء-زمن التى تضم الانسحابات فى الفضاء و الانسحابات فى الزمن و الدورانات فى الفضاء و تحويلات النسبية الخاصة التى تسمى دوفوعات boosts (التى هى من الناحية الرياضية ليست الا دورانات بين الفضاء و الزمن الاقليدى).

الجواب الرابع تعطيه (نظرية الأوتار الممتازة): الجسيم هو نمط mode من انماط اهتزاز الاوتار الاساسية. نظرية الاوتار هى نظرية ميكانيك كمومى للاوتار اى ان الذى يتحرك هنا هو وتر (قد يكون مفتوح او مغلق) وعندما نكتب الميكانيك الكمومى الذى يخضع له هذا الوتر نحصل على نظرية الاوتار الممتازة (كملة ممتازة ترجع الى التناظرات الممتازة supersymmetries التى هى ضرورية من الناحية الرياضية حتى تحترم هذه الاوتار زمرة بوانكريه للتناظرات).

الجواب الخامس تعطيه (نظرية المعلومات الكمومية) التى هى فى هذا العصر الوريث الشرعى و الوريث الاقوى للميكانيك الكمومى: الجسيم هو تشويه deformation فى محيط oscean الكيوبيتات (و الكيوبيتات qubits هو جمع مفرده كيوبت qubit و الكيوبت هو البت الكمومى quantum bit و البت bit هو وحدة المعلومات). وهذه الفكرة كان قد بدأها ويلر Wheeler بشعاره الفلسفى-الفيزياء (الشيء من المعلومة it from bit) اى اى الوجود المادى من المعلومات و ليس من المادة او الاشعاع.

و البت الذى هو وحدة المعلومات هو حالة كمومية quantum state عبارة عن تركيب خطى linear superposition لوضعيتين فيزيائيتين مختلفتين. واشهر مثال هو عزم اللف او السبين spin الخاص بالالكترون الذى يمكن ان يكون اما علوى بقيمة نصف او سفلى بقيمة ناقص نصف. و الالكترون هو دائما فى حالة تركيب خطى لهاتين الحالتين حتى يتم رصده و عندها فانه ينهار. اذن التشوه فى محيط الكيوبيتات هو نفسه او هو مرتبط بشدة بانهيار دالة الموجة.

الجواب السادس هو الذى تعطيه (الفيزياء التجريبية): الجسيم هو الذى نرصده فى كواشف detectors المسرعات.

ملحوظة: الصور ماخوذة من موقع مجلة كوانطا.