اكتشاف القوة الضعيفة و القوية من قوى الطبيعة الفيزيائية - Weak and Strong Force

سنة الاكتشاف : 1937 و 1983م

ما هذا الاكتشاف؟

• الأخيرتان من قوى الطبيعة الفيزيائية الأساسية الأربعة

من المكتشف؟

• كارلو روبيا Carlo Rubbia (القوة الضعيفة) وهيديكي يوكاوا Hideki Yukawa (القوة القوية)

أهمية اكتشاف القوى الضعيفة والقوية من قوى الفيزياء

لبضعة من القرون اعتقد العلماء أن قوى الجاذبية والكهرومغناطيسية تحكم الكون بأسره. بعدها وجد علماء القرن العشرين أن نوى الذرات تتألف من بروتونات موجبة الشحنة. لم لا تنفصل عن بعضها إذن، طالما أن القوى الكهربائية المتماثلة تنافر بعضها؟ والأدهى من ذلك، لم كانت بعض الذرات تتحلل إشعاعياً بشكل طبيعي دون الذرات الأخرى؟

أوجب العديد من الفيزيائيين تواجد قوتين جديدتين (قوية وضعيفة). في عام 1937م، اكتشف هيديكي يوکاوا القوة القوية، ولكن لم يحدث إلا في عام 1983م أن اكتشف کارلو روبيا الجسيمين الممثلين للقوة الضعيفة.

أكمل هذان الاكتشافان فهمنا للقوى الأربعة التي تهيمن على العالم الكمي المجهري وتوجه عناقيد المجرات جميعها. تشكل القوى الضعيفة والقوية الأساس لفيزياء الكم.

كيف جاء اكتشاف القوى الضعيفة والقوية في الفيزياء:

عرف نيوتن الجاذبية رياضياً عام 1666م، ومن جانبهم عرف فاراداي وأورستید وماكسويل الكهرومغناطيسية في أوائل القرن التاسع عشر. ظن العلماء أن هاتين القوتين تحكمان الكون بأسره.

على أية حال، أدرك فيزيائيو القرن العشرين أن أية واحدة من هاتين القوتين لا تقدر على الحفاظ على كيان الذرة. كان مفترضاً بالتنافر الكهرومغناطيسي للشحنات المتماثلة (البروتونات) أن يفطر النواة الذرية. لم تواجدت النوى والذرات، إذن؟ أدرك علماء آخرون أن قوة ما يجب أن تكون مسؤولة عن تحلل النوى النشطة إشعاعية.

افترض العلماء وجوب تواجد قوتين جديدتين: strong force أو«القوة القوية» القوة التي تمسك نوى الذرة ببعض) وweak force أو «القوة الضعيفة» (التي تسبب التحلل الإشعاعي). لم يتوفر أي دليل على تواجد أي من هاتين القوتين حقيقة، ورغم أن العديد بحثوا في هذا المضمار،  إلا أن أحدا لم يستطع تقصي أو إثبات تواجد أي منهما حتى الثلاثينات من القرن الماضي.

تبصر هيديكي يو کاوا Hideki Yakawa عام 1936م أنه طالما لم يعثر قط علی أي من القوتين القوية والضعيفة، فإنهما لا بد تعملان على مدى أقل من قطر نواة الذرة (و هكذا، ستفلتان من التقصي خارج هذا المجال الصغير للغاية. بدأ يوکاوا سلسلة من التجارب قام من خلالها بتحطيم البروتونات (نوى الهيدروجين) بالنيوترونات ليرى إن كانت نواتج التصادم ستعطيه إشارة حول الكيفية التي عملت بها القوة القوية.

لاحظ يوكاوا  إنتاجاً منظماً لجسيمات كبيرة (قياسا بالجسيمات الدون ذرية) قصيرة العمر، تدعى pi - misons أو «الباي-ميزونات» (نوع من الغلون gluon) من هذا التصادم. هذا ما يعني أن الباي -میزونات كانت موجودة داخل نوى الذرات طالما أنها قفزت من هناك.

اقترح يوكاوا بأن الميزونات، بشكل عام، تمثل قوة الجذب المعروفة بالقوة القوية. بملاحظة أن الفوتونات (حيث تمثل القوة الكهرومغناطيسية والتجاذبات (حيث تمثل قوة الجاذبية) كانت عديمة الكتلة نهائياً، اقترح بأنه كلما ازدادت كتلة هذه الجسيمات الصغيرة، كلما قصرت المسافة التي فرضت فيها بتأثيراتها.

افترض يوكاوا  أن القوة القوية القصيرة المدى أتت من تبادل جسيمات الميزون الكبيرة بين البروتونات والنيوترونات، واستطاع أن يصف الميزونات التي آمن بتمثيلها للقوة القوية، ولكنه دون أن يقدر على إنتاج أي منها فيزيائية.

في عام 1947م، أجرى كل من لاتيس ومویرهيد و أو كياليني و باول تجربة على ارتفاع عالِ، طائرین بمستحلبات فوتوغرافية على علو 3000 متر. أظهرت هذه المستحلبات البايون، الذي خضع لجميع متطلبات جسيمة يوکاوا.

نحن نعلم الآن أن البايون هو میزون، كلاهما نوعان من جسيمات صغيرة تُدعى الغلونات، وبأن التفاعل القوي هو عبارة عن تبادل للميزونات بين الكوارك quarks (الجسيمات الدون ذرية التي تؤلف البروتونات والنيوترونات)ª .

ثبت أن القوة الضعيفة أصعب تأكيداً من خلال إكتشاف حقيقي. فانتظر الجميع إلى عام 1983م ليكتشف کارلو روبيا Carlo Rubbia، بالمركز البحثي الأوربي المعروف بالسيرن CERN، دليلاً لإثبات وجود القوة الضعيفة للمرة الأولى. بعد إتمامه لعمله التمهيدي خلال سبعينات القرن العشرين والذي مكنه من حساب الحجم وخواص فيزيائية أخرى للجسيمات المفقودة المسؤولة عن حمل القوة الضعيفة، عقد روبيا وفريق السيرن العزم على إيجاد هذه الجسيمات.

بعدها اقترح روبيا بتحوير السينكروترون الكبير في مركز السيرن بحيث يمكن تحقيق تصادم بين الحزم المشرعة من البروتونات والبروتونات المضادة، فيؤدي إلى تحرير كميات كافية من الطاقة لتجسيم دقائق boson «البوسون» الضعيفة.             

في عام 1983م، فصلت تجاربه على جهاز الحزمة المتصادمة جسيمين قصيري العمر، هما Z W . تمكن رويبا من إظهار أن هذين الجسيمين كانا الحاملين لما تسمى بالقوة الضعيفة الداخلة في عملية التحلل الإشعاعي لنوى الذرات.

أخيراً، تم اكتشاف القوى الأساسية الأربعة للطبيعة (و الجسيمات التي تحمل وتستحدث كلاً من هذه القوي)، ليكتمل بذلك النموذج القياسي الذي حمل الفيزيائيين إلى القرن الحادي والعشرين.