الجسيمات الاولية

الجسيمات الاولية هي الاجزاء التى لا تتجزأ او ما كان يعرف بالجواهر الفردة,,,و على عكس ما يمكن ان يعتقده البعض, فان عدد هذه الجسيمات محدود,,
اولا هناك ما يعرف بالبوزونات الشعاعية vector bosons المسؤولة عن نقل تأثير القوي الكونية من نقطة الى اخري,,فكما هو معروف, ربما, فان التفاعلات الكهرومغناطيسية ينقلها جسيم بوززنى شعاعي يسمي الفوتون photon,,أما القوي الثقالية فينقلها جسيم يسمي الجرافيتون graviton,,و القوي النووية تنقلها ثمانية جسيمات بوززنية تسمي الجليونات gluons,,,و التهافت الاشعاعى مسؤول عنه ثلاث جسيمات بوزونية ليس لها اسم محدد لكن يرمز لها ب W+, W- , Z,,,
بالاضافة الى البوزونات المذكورة اعلاه هناك ايضا الفرميونات التى تنقسم الى عائلتين مشكلتين من ستة جسيمات و اضدادها,,عائلة الكواركات quarks و تحتوي علي جسيمات يرمز لها ب u,d,s,c,t,b,,,وعائلة اللبتونات leptons التي تحتوي على الالكترون و اخويه الميون muon و التاوون taon, بالاضافة الى ثلاث انواع من النيترينو neutrino التي هي من اصعب الجسيمات الاولية مشاهدة فى الطبيعة و المسرعات,,,,كل المادة مشكلة من الفرميونات ...
اخر القائمة و ليس اخيرا هو جسيم هيغز Higgs و هو المسؤول عن اعطاء الكتلة للكواركات و اللبتونات و ايضا الجسيمات البوزونية الشعاعية W+,W-, Z,,هذا الجسم هو الوحيد الذي له عزم لف او سبين spin يساوي صفر اي انه جسيم سلمي, اما البوزونات الشعاعية فعزم لفها يساوي واحد, و الفرميونات من كواركات و لبتونات فعزم لفها يساوي نصف...جسيم هيغز هو اخر الجسيمات الاولية اكتشافا,,,
كل هذه الجسيمات الاولية و التفاعلات الكونية الثلاثة, الاشعاعية و النووية و الكهرومغناطيسية, تخضع لكثير من التناظرات في الفضاء, و في فضاء الحالات او ما يسمي بفضاء هيلبرت, اهمها على الاطلاق التناظر المعياري الذي يرمز له ب

 (SU(3)xSU(2)xU(1
    

كل هذه الفيزياء يختزلها نموذج واحد يسمي النموذج المعياري للجسيمات الاولية standard model,,,

arXiv اول منشور باللغة العربية على الاركايف

ظهر اول منشور باللغة العربية على الاركايف arXiv, الذى هو اكبر مستودع الكترونى للنشريات العلمية في الفيزياء اساسا و لكن فى مجالات اخرى, والذى تسيره جامعة كورنال Cornell و معامل لوس الاموس Los Alamos. المنشور تم رفضه فى البداية لكن بعد الطعن و الاحتجاج الذى قدمته, ثم  التقصى الذى اجرته الادارة,  ثم تم قبوله في النهاية. لكن مرة اخرى ماطلوا بدعوى عدم وضع المراجع, الذى هو فى الحقيقة غير ضرورى بالمرة فى مثل هذه الوضعيات: اى محاضرات فى مواضيع معروفة و مقبولة من الجميع و ليست مجال بحث, المهم صبرت معهم لاسبوعين اخرين, ثم اضفت بعض المراجع التى استعملتها, و ملخص و ثلاث مقدمات قصيرة بالانجليزية, و بعد كل هذا تم و ضع المنشور رسميا على المكتبة الالكترونية اليوم الثلاثاء 15 مارس 2016.  الامر كله استغرق شهران. هذا لم يحدث لى من قبل على الاطلاق, و انا و الحمد لله لى اكثر من اربعين منشور على الاركايف.  هذا المنشور المعرب هو عبارة عن كتاب عنوانه الفيزياء الاساسية يحتوي على محاضرات فى الميكانيك التحليلى, و الترموديناميك و الميكانيك الاحصائي, و الميكانيك الكمومي. 

لمن لا يعرف الاركايف انظر هنا

http://arxiv.org/

الكتاب هنا

http://arxiv.org/abs/1603.03764

القصة بالتفصيل هى كالتالى.

يوم 25 جانفي تم و ضع المنشور على النظام. 

يوم 26 جانفى تم رفض المنشور و حذفه

 يوم 27 جانفى قدمت طعن  للاركايف.

يوم 27 تم قبول الطعن                                                                                                    

يوم 11 فيفري تم ارجاع المنشور الى النظام ووضعه فى قائمة الانتظار مرة اخري

يوم 2 مارس تم القبول النهائى للطعن و قبول النشر

الاجزاء الاخيرة الخاصة بالصراع على وضع المراجع قررت ان لا اكشف عى تفاصيلها لانها غير مهمة.  فى الحقيقة المماطلة التى استغرقت اسبوعين اخرين ربما راجعة الى سوء تفاهم و ليس الى نية سيئة مبيتة, الامر غير واضح لى حقيقة و لهذا قررت ان لن اكشف عن هذه الامايلات الان.

ما هي نظرية الاوتار

دعنا اولا نعرف ما يسمي بطول بلانك. الثوابت الاساسية للكون هي سرعة الضوء c , التى تتحكم في الظواهر النسبية, ثابت بلانك h, الذي يتحكم في الظواهر الكمومية, و ثابت نيوتن G, الذي يتحكم في الظواهر الثقالية, و التى تعطي علي التوالى ب

c=299 792 458 m/s

h=6.626 070 040 x10^-34 J.s

G=6.674x10^⁻11 N.m^2/kg^2

من هذه الثوابت الكونية الثلاثة يمكن تشكيل كمية واحدة وحدتها هي وحدة الاطوال, اي المتر, و التى تعرف باسم طول بلانك Planck distance نسبة للفيزيائي الالمانى بلانك Planck. هذا  الطول هو ايضا طول كونى, اي انه ثابت يتحكم بالضبط فى ما يسمى بالظواهر الوترية string effects, و التى هي اكثر الظواهر اساسيةَ في الكون, و يعطي بالعبارة

 

 لاحظ ان ثابت بلانك هو واحد من 10^20 من نصف قطر البروتون. اذن صغر هذا الطول هو صغر شديد يصعب جدا على العقل الاحاطة به مثلما يصعب على العقل الاحاطة  بالحجم الهائل للكونين  المشاهد و غير المشاهد.                                                                                                                                                                                               

اعتمادا علي مبدأ الارتياب لهايزنيرغ Heisenberg uncertainty principle, الذي نأخذه كمبدأ فيزيائى كمومي مسلم به, طول بلانك هو اصغر طول يمكن قياسه, و محاولة الذهاب او قياس اطوال اقل منه غير ممكنة اصلا لان مفهوم الفضاء-زمن على هذا السلم ينهار اساسا و يصبح غير ذي معني. بعبارة اخري, لا يمكن تمييز اي نقطتين من الفضاء-زمن من بعضهما البعض اذا كانت المسافة بينهما اقل من طول بلانك. من الجهة الاخري, اقل من طول بلانك يصبح الفضاء-زمن ذو بنية رغوية كمومية quantum foam.

نظرية الاوتار string teory هي النظرية الفيزيائية الوحيدة التى يمكنها ان تصف الظواهر الكمومية الوترية, اي التي تحدث على مسافات و ابعاد مقاربة لطول بلانك, و هي عبارة عن ميكانيك كمومي يتم فيه تعويض الجسيمات الاولية باوتار, و من هنا جاءت تسمية الاوتار. اذن على ابعاد و مسافات مقاربة لطول بلانك تظهر لنا الجسيمات لا كنقاط لكن كاوتار, و لما نسمح للمسافات و الابعاد ان تصبح اكبر بكثير من طول بلانك, عندها فقط ستبدو لنا الاوتار كجسيمات مرة اخري.

 في نظرية الاوتار يتم توحيد القوي الكونية الاساسية الاربعة, الثقالة و الكهرومغناطيسية و النووية و التهافت الاشعاعي, في قوة واحدة, ومرة اخري فقط عندما نذهب للابعاد و المسافات التى هي اكبر بكثير من طول بلانك, عندها فقط تنفصل هذه القوي الاربعة من بعضها البعض الي القوي التى نشاهدها الان. ايضا فان نظرية الاوتار هي الوحيدة التي يتم فيها توحيد الميكانيك الكمومى و النسبية العامة في اطار رياضي  واحد, و شامل, خال مما يعرف باللانهايات او التباعدات ما فوق البنفسجية UV divergences  و مشكل عدم اعادة التنظيم  non-renormalizability, الذي تعانى منه اي عملية تكميم عادية للثقالة.

من اهم التنبؤات الرياضية البحتة لنظرية الاوتار, التى يظن الكثيرون,  و انا منهم, ان لها حقيقة فيزيائية,  هما التناظرات الفائقة supersymmetry و الابعاد الاضافية extra dimensions. نظرية الاوتار لا يمكنها ان تتواجد بدون التناظرات الفائقة التي توحد بين الجسيمات البوزونية bosons, اي التي لها سبين صحيح مثل الفوتون, و الجسيمات الفرميونية fermions, الي التي لها سبين نصف صحيح مثل الالكترون, عن طريق ربط هذين النوعين من الجسيمات بتحويلات نقطية معينة و جمعها في تمثيلات واحدة لزمرة بوانكريه الفائقة super-Poincare grou. من الجهة الاخري, فان نظرية الاوتار لا يمكن الا ان تتواجد في عشر ابعاد, تسعة منها مكانية, والبعد العاشر هو الزمن الذى تعرفه. الابعاد المكانية الستة الاضافية تلتف علي نفسها و تشكل متشعب كلابيا- يو Clabia-Yau manifold و هي ذات ابعاد صغيرة جدا مقاربة لمسافة بلانك و لهذا لا يمكننا رؤيتها الان. 

محاكاة الثقوب السوداء و الانفجار الاعظم علي الحاسوب

 تعتبر المحاكيات العددية علي الحواسيب الالكترونية باستعمال خوارزميات مونتي كارلو Monte Carlo  من اهم الوسائل المستخدمة فى هذا العصر في  دراسة الفيزياء النظرية خاصة الجمل المتفاعلة بقوة. 

من اهم الانجازات الحديثة في هذا المجال هو تمكن مجموعة من الفيزيائيين النظريين اليابانيين من محاكاة تصرف ثقب اسود كمومي و اشعاع هاوكينج المنبعث منه, و هذا لاول مرة منذ اكتشاف هذا الاشعاع منذ ثلاثين سنة من طرف هاوكينج Hawking, عن طريق محاكاة نظرية الاوتار, و بالضبط الثنائية او الهولوجرافية  holography المفترضة بين الثقالة و الحقل المعياري التي  تنبأ بوجودها مالداسينا Maldacena في نظرية الاوتار عام  1997.

الفريق اليابانى تمكن من محاكاة الثقب الاسود علي كمبيوتر باستعمال صياغة مصفوفية غير مضطربة لنظرية الاوتار تعرف باسم نموذج BFSS,و هو نوع من الميكانيك الكمومي الفائق حيث تعطي درجات الحرية بمصفوفات طولها اي عدد طبيعي. 

في هذا الحساب يفترض المؤلفون ان الاوتار تتفاعل بقوة فيما بينها, و هي فعلا كذلك, و يأخذون الزمن الحقيقي اللورنزي عوض الزمن الاقليدي وهذا امر جديد تماما في المحاكيات العددية لنظريات الحقول و الاوتار علي الحاسوب.

 http://arxiv.org/abs/1311.5607

الانجاز الاخر في هذا الاتجاه الذي قام به نفس الفريق الياباني هو محاكاة الانفجار الاعظم على حاسوب الكتروني مرة اخرى باستعمال نظرية الاوتار لكن هذه المرة باستعمال صياغة مصفوفية غير مضطربة اخري لنظرية الاوتار تعرف باسم نموذج IKKT. الفرق بين هذا النموذج, و النموذج المصفوفي السابق, هو ان نموذج IKKT لا يحتوي على الزمن تماما لكن المؤلفون تمكنوا من الحصول علي اتساع الابعاد المكانية الثلاثة للكون, و انكماش الابعاد الستة الاخري لنظرية الاوتار, بالاضافة الي حصولهم على ظاهرة التضخم و غيرها من الظواهر الكوسمولوجية.  كلا النموذجين ال IKKT وBFSS لا يحتويان لا على المكان و لا علي المادة, لكنهما يعولان بشكل حاسم, على التناظرات الفائقة supersymmetry. 

http://arxiv.org/abs/1108.1540

نظرية الاوتار الفائقة

نظرية الاتار الفائقة, النظرية الوحيدة التى استطاعت توحيد النسبية العامة و الميكانيك الكمومي, النظرية الوحيدة للثقالة الكمومية, اعقد النظريات الفيزيائية علي الاطلاق, النظرية التي تعرف ايضا باسم نظرية كل شيء, تقول ان الفضاء في الحقيقة له تسعة ابعاد, الثلاث ابعاد المعروفة بالاضافة الى ستة ابعاد اضافية تلتف حول نفسها على شكل فضاء يسمى متشعب كلابيا-يو Calabi-Yau manifold. هذه الابعاد صغيرة جدا لا يمكن رؤيتها في حدود طول بلانك 10^-33 سنتيميتر. انظر الشكل ادناه.

قط شرودينغر و تناقضات الميكانيك الكمومي

الامر الذي كان و لا يزال يشكل اهم ما يجذبني الي الميكانيك الكمومي ليس الفيزياء التي يحتويها او الظواهر الطبيعية التي لا تحصي التي فسرها,, بل الذي جذبني و ما زال هو الميتافيزياء او الميتافيزيقا الجديدة تماما الذي اتي بها هذا العلم,,,خذ كمثال التجربة الذهنية لشرودينغر المعروفة تحت اسم قطة شرودينغر التي اراد بها صاحبها ان يوضح التأثير العجيب المسمي بالتشابك الكمومي
quantum entanglement
الناجم عن مبدأ التركيب الخطي و هو من اهم مسلمات الميكانيك
 الكمومي و ايضا يوضح غرابة فعل القياس
 measurement 
في الميكانيك الكمومي
.
التجربة الذهنية بتصرف قليل في الفاظ شرودينغر تٌجري كالاتي.
تصور قطة محبوسة في غرفة ذات نافذه صغيرة محكمة باغلاق مع الجهاز التالي. نضع في عداد جيجر
 Geiger counter 
مادة قليلة جدا من اليورانيوم المشع قليلة الي الحد الذي يصبح فيه احتمال تهافت
 ذرة واحدة من اليورانيوم خلال ساعة واحدة هو خمسين في المائة و احتمال عدم تهافتها هو خمسين بالمائة. اذا انحلت ذرة يورانيوم فان الغاز داخل عداد جيجر سوف يتأين و التيار الكهربائي الناتج يحرر مطرقة موصولة بالعداد التي تكسربدورها زجاجة موضوع فيها سم الزرنيخ الذي يقتل القطة في الحال.لان احتمال تحلل ذرة واحدة من اليورانيوم من عدم احتمالها هو نصف فان احتمال ان تموت القطة او ان تبقي حية خلال ساعة هو ايضا نصف.
يٌعبر عن حالة القطة في الميكانيك الكمومي بدالة موجة عبارة عن تركيب خطي لحالة القطة و هي حية و لحالتها و هي ميته. الان هل هذا يعني ان القطة الكمومية حية و ميتة في نفس الوقت ام ان هناك شيء اخر لا نفهمه. ضف الي ذلك, اذا جاء الان فيزيائي و قرر ان يشاهد القطة مباشرة عبر النافذة الصغيرة ليتأكد من حالتها فان امور اخري اغرب ستحدث.. اذا فعل و نظر من النافذة فانه سيجد القطة اما حية او ميتة لا محالة. هذه يعبر عنها في الميكانيك الكمومي بالقول ان القطة كانت في حالة متلاحمة
 coherent 
اي حية و ميتة في نفس الوقت ثم فقدت هذا التلاحم بالقياس و نقول ان دالة الموجة انهارت collapsed 
تحت تأثير القياس. اذا وجد الفيزيائى الذي نظر عبر النافذة القطة ميتة فهل هو الذي قتلها بقياسه لانها قبل ان ينظر كانت حالتها تحتوي علي مركبة تكون فيها هي حية. ماهذا الكلام الذي نقوله بالضبط? هل له اي معني?...هذا من اغرب الميتافيزيقيات التي اتت بها الفيزياء الكمومية و ما زال الامر غير مفهوم الي حد الان علي اي مستوي مرض,,,

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.