نموذج الكواركات

فرضية الكوارك
Quark
التي اقترحها جالمان
 Gell-Mann
تؤدي الي ترتيب الجسيمات النووية الاولية في تمثيلات اصغرها هي التمثيلة الاساسية التي تحتوي علي الكواركات نفسها
(u,d,s)
 ثم التمثيلة الثمانية للميزونات و التمثيلة الثمانية للباريونات ثم التمثيلة العشرية للباريونات و هناك
غيرها كثير. جالمان تحصل علي نوبل عام 69 لتنبؤه بالجسيم
Ω−
فقط من بنية التمثيلة العشرية ادناه. انظرالشكل الاخير ادناه.

التناظر الفائق

التناظرالفائق او ما يعرف باسم سوزي
SUSY
هو اطار عام لنظريات الجسيمات الاولية ما بعد
 النموذج المعياري و هي تعميم لفكرة التناظر ات العادية في الفضاء-زمن مثل الانسحابات و الدورانات و النسبية. هذه التناظرات العادية تنص علي انه لا اهمية للمكان او للزمان او للاتجاه او للحركة التي يقوم بها المشاهد عندما يشاهد ظاهرة معينة و هي تؤدي الي قوانين انحفاظ الطاقة و الدفع و الدوران و غيرها. الفيزياء الكمومية تحترم قوانين التناظر هذه و انطلاقا منها تمكن مثلا ديراك Dirac
من التنبؤ النظري بالمادة المضادة قبل اكتشافها فهو الذي اكد علي ضرورة وجدود البوزيترون الجسيم المضاد للالكترون قبل اكتشافه فقط من ضرورة التناظر في الفضاء-زمن. هذه التناظرات في الفضاء-زمن لا يعرف لها اي انكسار في كل الكون المعروف. من الجهة الاخري و عودة للتناظر الفائق فان هذا التناظر يفترض ان هناك تعميم للفضاء-زمن يعرف باسم الفضاء الفائق حيث ان كل جسيم ياتي بمرافق له يعرف بالشريك الفائق و هذا التناظر اساسي في استقرار جسيمات هيغز و استقرار الكون باكمله. الازمة التي تعاني منها فيزياء الجسيمات الان هو انه لم يكتشف هذا التناظر و اذا لم يكتشف فمعناه اعادة التفكير بشكل جذري ثوري في كثير من مفاهيم الفيزياء الكمومية.

اشعاع الخلفية الميكروي

موقعنا في الكون المشاهد, المبدأ الكوني الضي ينص علي ان الكون متجانس و متماثل المناحي يتضح في الصورة الاخيرة.

اشعاع الخلفية الكونية الميكروي او اشعاع ال CMB الذي اكتشف صدفة عام 1964 من قبل Penzias و Wilson هو اقوي الادلة علي حادث الانفجار الاعظم اي علي حدوث العالم و حدوث الزمان و المكان. هذا الاشعاع هو اقدم ضوء في الكون يرجع الي عهد التركيب (تركيب الذرات) و عهد الافتراق (تحرر الفوتونات) اللذان يعرفانم معا بعهد التصادم الاخير اين كان الكون اصغر بالف مرة مما هو عليه الان حوالي 400 الف سنة بعد الانفجار الاعظم, و هو اشعاع جسم اسود عند درجة حرارة 2.7K. هذا الاشعاع منتظم و متجانس في كل الاتجاهات في السماء و لهذا يظهر الكون متجانس و متماثل المناحي علي مستوي الابعاد الكونية. تجانس هذا الاشعاع الذي يبلغ دقة واحد من 100000 كان من الصعب جدا فهمه من قبل الفيزيائيين و ادي الي ما يسمي معضلة الافق الكوني اي كيف يكون لاجزاء متباعدة جدا من الكون غير مرتبطة سببيا نفس درجة الحرارة. هذا الامر و غيره من المعضلات الاخري اجابت عنه نظرية التضخم الكوني التي فسرت ايضا كيف تشكلت البني الكونية من مجمعات و مجرات و نجوم انطلاقا من الانهيار الثقالي للاضطرابات الكمومية التي كانت موجودة في عهد التضخم و ايضا فسرت الاضطرابات الصغيرة جدا المشاهدة اليوم في اشعاع الخلفية الكونية. انظروا محاضراتي حوال النسبية العامة, الثقوب السوداء و الكسمولوجي علي الموقع المهني خاصتي

هناك ثلاث امكانيات فقط لشكل هندسة الكون من النسبية العامة. الكون اما ان يكون مستو اي مسطح مثل المستوي الذي تعرفونه او ان يكون كرة او ان يكون قطع زائد. التجربة تقول ان الفضاء مسطح مستو, الشكل الثالث ادناه.

نحن نتكلم عن المكان اذن هناك ثلاث ابعاد و ليس اربعة. ثانيا الصورة اعلاه هي تبسيط للامرفيما لو اذا كان لدينا بعدين فقط و ليس ثلاث. اذن عو ض المستوي تصور مكعب و هذا سهل التصور و عوض سطح الكرة ثنائي الابعاد تصور الكرة في ثلاث ابعاد و هي موجودة لكن تصورها صعب. نفس الشيئ بالنسبة للسطح الاخر تصوره في ثلاث ابعاد. الزمن غير داخل في هذه المناقشة.

الكون نشأ من انهيار نجم علي ثقب اسود في اربعة ابعاد مكانية

70 بالمائة من كتلة الكون تأتي علي شكل ما يسمي بالطاقة المظلمة و هي تتسبب في عملية تسارع تمدد الكون لانها تؤثر كجاذبية مضادة. 25 بالمائة من كتلة الكون تأتي علي شكل مادة مظلمة لا تتفاعل الا عبر الجاذبية. اما ال 5 بالمائة المتبقية من كتلة الكون فهي كتلة المادة العادية من الكترونات و بروتونات و غيرها التي نراها في النجوم و المجرات.

ثلاثة اسئلة محورية تواجهها الفيزياء الكونية و النظرية الان: ما هي طبيعة الانفجار الاكبر? ماهي الطاقة المظلمة? و ما هي المادة المظلمة?,,من احدث المحاولات للاجابة عن هذه الاسئلة قدمها فيزيائيون كنديون عام 2013 علي شكل المقترح التالي: الكون بابعاده المكانية الثلاثة نجم عن انهيار نجم و تحوله الي ثقب اسود في اربعة ابعاد مكانية. تصوروا عالم من اربعة ابعاد مكانية بالاضافة الي الزمن, في هذا العالم توجد نجوم رباعية البعد. يمكن لهذه النجوم ان تنفجر الي مستعرات عظمي esupernova
و تنهار الي ثقوب سوداء رباعية البعد تماما مثل الذي نشاهده يحدث في كوننا. الفرضية الاساسية التي قدمها المؤلفون هو ان الكون الذي نعيش فيه هو افق الحدث
 event horizon
 لثقب اسود في اربعة ابعاد مكانية. هذا يحل عدة مشاكل كسمولوجية مرة واحدة مثل المبدأ الكوني دون الحاجة الي نظرية التضخم الكوني و اهم من ذلك حجب مفردة الانفجار الاعظم و امور اخري غيرها . انظر النشرية الاصلية هنا

http://arxiv.org/abs/1309.1487 

الانتروبي ,المبدأ الثاني للترمودينامي و سهم الزمن

 بولتزمان Boltzmann هو واحد من اعظم الفيزيائيين النظريين في العصر الحديث و هو فى رأيى من مصاف نيوتن و اينشتاين. اوصي عند موته ان يُنقش على شاهد قبره المعادلة
S=k ln W.
هذه المعادلة تُعد احدي اهم اكتشافاته و من اهم معادلات الترموديناميك و الفيزياء الاساسية  حيث
 S هو  ما يسمي بالانتروبي و W هو  عدد الحالات الميكروسكوبية لجملة, مثلا غاز, التي لها تفس درجة الحرارة و k هو ثابت كوني يعرف باسم ثابت بولتزمان. اذن الانتروبي يقيس بالضبط احتمال ان تكون الجملة في حالة ماكروسكوبية معينة لانه متناسب مع لوغاريتم عدد الحالات
.
لان عدد الحالات الفوضية غير المرتبة لاي جملة اكثر بكثير من عدد حالاتها المنظمة المرتبة فان احتمال الفوضي هو دائما اكبر من احتمال النظام و عليه فالجملة لا يمكن الا ان توجد في حالة توازن ترموديناميكي,المكافئة لقيمة اعظمية للانتروبي, او في حالة حركة نحو التوازن الترموديناميكي. هذا هو في الحقيقية نص المبدا الفيزيائى الشهير المسمي بالمبدأ الثاني للترموديناميك الذي في صيغة اخري ينص علي ان الانتروبي, انتروبي جملة معزولة, لا يمكن الا ان يزيد في الزمن. للاشارة علينا ان ننبه هنا الي ان المبدأ الثاني للترموديانيك هو القانون الوحيد في الفيزياء الذي لا يحترم التناظر في الزمن بسبب ان الانتروبي   لا يمكنه الا ان يزداد في الزمن و لا يمكن ابدا ان ينقص و عليه فاننا يمكن ان نأخذ الانتروبي كمقياس  او بالاحري كتفسير لاتجاه  سير الزمن في الكون  الذي نلاحظه دوما  يتقدم من الماضي الى المستقبل
.

حول طبيعة اتجاه الزمن, الذي يعرف باسم السهم في الزمن, اي لماذا نري  الزمن دائما يتقدم من الماضي الى المستقبل رغم ان كل معادلات  الفيزياء متناظرة تحت تأثير الانعكاس في الزمن, بمعني انها لا تفرق بين التقدم من الماضي الي المستقبل او التأخر من المستقبل الي الماضي, يقول بولتزمان ببعض التصرف
:
يمكن للمرء أن يفكر في العالم علي انه نظام ميكانيكي عملاق مشكل من عدد هائل من المكونات و امد  اي عمر ممتد علي احقاب طويلة بحيث ان ابعاد الجزء الذي يحتوي علي النجوم الثابته الخاصة بمجموعتنا الشمسية مهملة مع امتداد العالم و كذا الازمان النجمية خاصتنا التي نسميها الدهر مهملة امام امد العالم. اذن في العالم الذي يوجد في حالة توازن ترموديناميكي, و بالتالي ميت حراريا, سيحتوي هنا و هناك علي مناطق صغيرة نسبيا مقاربة لحجم مجرتنا, نسميها العوالم الوحيدة, التي تتأرجح و تتقلب  بشكل ملحوظ خلال الزمن الصغير نسبيا للدهر حول حالة التوازن الترموديناميكي للعالم و في هذه الحالة من المرجح علي قدم المساواة للانتروبي ان يزيد او ينقص. بالنسبة للعالم ككل لا يمكن تمييز الاتجاهيين في الزمن من بعضهما البعض مثل انه لا فرق بين الاعلي و الاسفل في الفضاء. لكن مثل انه في اي نقطة علي الارض, نسمي الاسفل الاتجاه نحو مركز الارض, فان اي كائن عاقل يعيش في احد العوالم الوحيدة, التي ذكرناها انفا, خلال اي فترة زمنية محدودة من الدهر, فانه يميز اتجاه الزمن علي انه الاتجاه من الحالة الاقل احتمالا, اي الاقل انتروبي, الي الحالة الاكثر احتمالا لاننا نتحرك نحو التوازن الكوني  
 .

هنا يعبر بولتزمان علي ما يسمي بفرضية بولتزمان-شوتز او ما يعرف ب
Acausal-Antrophic hypothesis.

الامواج الثقالية

الامواج الثقالية هي من اقدم التوقعات التي تنبأت بها نظرية النسبية العامة لاينشتاين منذ سنة 1916. في هذه النظرية يعبر علي الثقالة بالانحناء الموجود في الفضاء-زمن, هذا الانحناء ينجم عن البعج الذي تنتجه الكتل المادية في نسيج الفضاء-زمن مثل البعج الذي تنتجه كرة ثقيلة موضوعة علي  رداء بلاستيكي.من الجهة الاخري, في النظرية النيوتونية قوة الثقالة هي قوة تجاذب عامة بين الاجسام و الاخص من هذا لا توجد امكانية امواج ثقالية في هذه النظرية لان التفاعل بين الاجسام المادية هو تفاعل لحظي ينتشر بسرعة غير منتهية. اذن الفرق بين النظريتين فلسفي اكثر منه تقني.

الامواج الثقالية هي امواج تنتشر في الفضاء بسرعة الضوء مثلها مثل انتشار الامواج الكهرومغناطيسية لكن في هذه الحالة فان اهتزازات الحقل الثقالي هي التي تنتشر حاملة معها طاقة من نقطة الي اخري في الفضاء. الامر الاخر الاكثر غرابة, خاصة لغير المختص, هو ان انتشار هذه الامواج الثقالية في الفضاء ينطوي علي تغير هندسة الفضاء-زمن في النقاط التي تصل اليها الموجة او بالاحري فان تموجات او تشوهات صغيرة في الهندسة المستوية للفضاء-زمن تنتشر عبر العالم علي شكل امواج بسرعة الضوء. من الناحية الحسابية هذا الامر نراه في التقريب الخطي لمعادلات اينشتاين. هذه التموجات الثقالية الصغيرة هي  بالضبط مثل  الامواج علي سطح بحيرة. هذه الامواج لا يمكن تمييزها من بعيد حيث تظهر لنا البحيرة هادئة تماما و لا نستطيع ان نري كامل تفاصيل التموجات علي السطح الا عند الاقتراب مسافة كافية من البحيرة.

 في يوم 11 فيفري 2016 اعلن الفيزيائيون المسؤولون عن تجربة
LIGO
تمكنهم من المشاهدة المباشرة للامواج الثقالية عن طريق مشاهدة اصطدام ثم اندماج ثقبين
 اسودين علي بعد 1.3 مليار سنة ضوئية من الارض. هذا الاكتشاف تم نشره اليوم الموالي في دورية ال
PRL.
 المرجع هو


                                                                   PRL 116, 061102 (2016)  


 رغم ان هذه النتيجة سيتم التأكد منها او نفيها عبر القنوات العادية المتبعة في مثل هذه الاكتشافات الضخمة الا انه لا يوجد شك تقريبا لمن فهم النسبية العامة في و جود الثقوب السوداء و الامواج الثقالية و المفردات و غيرها من الظواهر التي اتت بها النظرية و التي يصعب و في بعض الاحيان يستحيل, مثل الثقوب السوداء, مشاهدتها مباشرة. من الجهة الاخري  فان اكتشاف الامواج الثقالية سيفتح الابواب لطرق جديدة للمشاهدة في الفيزياء الكونية يعتمد فيها علي الامواج الثقالية لسبر غور الاجرام السماوية الهائلة البعد و كذلك الازمان الكونية السحيقة مثل عهد التركيب, الذي يتحكم في تضخم الكون و ما وراءه من ازمان الي غاية لحظة الانفجار الاكبر, الذي كان عنده الكون غير شفاف و بالتالي لا يمكن للامواج الكهرومغناطيسية ان تخترقه و يمكن ان تلعب فيه تقنية مبنية علي الامواج الثقالية  الدور الحاسم.

الفيزياء العددية

الفيزياء العددية هي احد فروع العلوم العددية التي تعرف ايضا باسم الحاسوبية العلمية و التي ظهرت و تبلورت خلال 30-40 
.سنة الاخيرة مع التقدم الهائل الذي حصل في التكنولوجيا الرقمية خاصة في الولايات المتحدة الامريكية

   


يمكن اعتبار الفيزياء العددية قسم من اقسام الفيزياء النظرية او يمكن اعتبارها جسر يربط بين الفيزياء النظرية و الفيزياء التجريبية و هناك حتي من يعتبرالفيزياء العددية  تخصص  قائم لخدمة الفيزياء التجريبية لا حسب. تقليديا هناك مقاربتان متكاملتان, علي الاقل منذ عصر نيوتن, للفيزياء. فهناك من ناحية المقاربة النظرية و من ناحية اخري هناك المقاربة التجريبية. في رأي المؤلف هناك الكثير الان, خاصة من العاملين في هذا المجال و من غيرهم, من يعتبر انه توجد مقاربة ثالثة منفصلة و مختلفة للفيزياء هي المقاربة العددية. من وجهة النظر هذه فان الفيزياء العددية هي حقل منفصل بذاته غير مرتبط بالضرورة بالحقلين النظري و التجريبي. رغم هذا فان وجهة النظر التي سوف نتبناها في هذه المقالة هو الراي الاول الذي يعتبر ان الفيزياء العددية هو فرع من فروع الفيزياء النظرية. في الفيزياء العددية يتم مزج عناصر من الفيزياء و خاصة الفيزياء النظرية و عناصر من الرياضيات التطبيقية مثل التحليل العددي مع عناصر من علوم الحاسوب مثل البرمجة من اجل هدف واحد هو حل مسالة فيزيائية معينة ليس لها حل كامل او حل معروف



اهم استعمالات الكمبيوتر في الفيزياء هو اجراء المحاكيات
 (جمع محاكاة)
العددية. المحاكيات العددية تلائم اكثر
المسائل الفيزيائية التي تتحكم فيها معادلات رياضية غير خطية و التي لا تتوفر في معظمها علي حل تحليلي مضبوط. نقطة البدء لاي محاكاة عددية هو نموذج مثالي للجملة الفيزيائية قيد الدراسة و من الطبيعي اننا نريد ان
نتأكد ما اذا كان تصرف هذا النموذج منسجم مع المشاهدة او لا في حالة توفر نتائج تجريبية للمقارنة اما في حالة عدم توفر اي نتائج تجريبية فان الهدف هو استشراف ما يمكن ان تعطيه التجربة اذا ما اجريت. الخطوة الاولي من اجل تحقيق هذا الهدف هو ايجاد خوارزمية رياضية من اجل انجاز هذا النموذج نظريا و ايضا علي الكمبيوتر. تنفيذ
 هذا الانجاز علي كمبيوتر هو ما نسميه بالمحاكاة العددية و هو يعتمد علي ترجمة الخوارزمية الرياضية الي شفرة مكتوبة باحدي لغات البرمجة يمكن للكمبيوتر ان يفهمه. المحاكيات العددية هي اذن تجارب افتراضية.فمثلا يلعب النموذج الرياضي في المحاكاة العددية بالضبط دور العينة في التجربة المعملية اما الخوارزمية اوالشفرة التي تستعملها المحاكاة العددية فهي تقوم بدور جهاز القياس في التجربة المعملية. قبل البدء في استعمال المحاكاة العددية في الدراسة الفيزيائية فانه علينا اختبار او معايرة الشفرة تماما كما اننا نقوم بمعايرة جهاز القياس في التجربة المعملية قبل البدء في اجراء اي قياس. القياس الذي نقوم به في التجرية المعملية  يقابله الحساب الذي تجريه المحاكاة العددية واخيرا نختتم كلا العمليتين بنفس الأمر و هو تحليل المعطيات
 

من الواضح جدا و من الطبيعي ان اهم وسائل الفيزياء العددية هي لغات البرمجة. في معظم المحاكيات العددية التي نجدها في الاعمال البحثية الفيزيائية تكتب الشفرات في احدي اللغات المجمعة مثل الفرترون
او لغة سي.  في هذه المحاكيات يمكن ايضا عند الحاجة مناداة مكتبات الروتينات العددية مثل لاباك و غيرها. استعمال البرمجيات العددية الجاهزة مثل ماتلاب و ماثيماتيكا في هذه المحاكيات العددية, خاصة التي تعتمد علي طريقة المونتي كارلو, غير عملي بالمرة لانه يؤدي الي زمن سير طويل جدا للشفرة علي الكمبيوتر و هذا راجع بالخصوص الي كون البرمجيات الجاهزة
هي لغات مترجمة و ليست لغات مجمعة. ليس هناك ادني شك في ان البرمجيات الجاهزة مفيدة للغاية في الحسابات العددية
التي لا تعتمد علي التكرار لكنها غير ملائمة تماما في المحاكيات العددية التي تعتمد بالاساس علي تكرار نفس الخطوة عدد هائل من المرات