التفاعل الأساسي

في نظريته عام 1687، افترض إسحاق نيوتن أن الفضاء بنية فيزيائية لانهائية وغير قابلة للتغيير، موجودة قبل جميع الأجسام وداخلها وحولها، بينما تتكشف حالاتها وعلاقاتها بوتيرة ثابتة في كل مكان، مما يُفسر وجود فضاء وزمن مطلقين . وبافتراض أن جميع الأجسام ذات الكتلة تقترب بمعدل ثابت، لكنها تصطدم بتأثير يتناسب مع كتلها، استنتج نيوتن أن المادة تُظهر قوة جاذبة. ويشير قانونه للجاذبية الكونية إلى وجود تفاعل فوري بين جميع الأجسام. ^{[ 3 ] [ 4 ]} وكما هو متعارف عليه، فإن نظرية نيوتن للحركة تُصوّر قوة مركزية دون وسيط ناقل. ^{[ 5 ] [ 6 ]} وبالتالي، فإن نظرية نيوتن تُخالف التقليد، الذي يعود إلى ديكارت ، القائل بأنه لا يوجد تأثير عن بُعد . ^{[ 7 ]} في المقابل، خلال عشرينيات القرن التاسع عشر، عندما كان مايكل فاراداي يُفسر المغناطيسية، استنتج وجود مجال يملأ الفضاء وينقل تلك القوة. وتكهن فاراداي بأن جميع القوى تتحد في النهاية في قوة واحدة. ^{[ 8 ]}

في عام ١٨٧٣، وحّد جيمس كلارك ماكسويل الكهرباء والمغناطيسية باعتبارهما نتاجًا لحقل كهرومغناطيسي، وكانت النتيجة الثالثة له هي الضوء الذي ينتقل بسرعة ثابتة في الفراغ. لو صحّت نظريته عن الحقل الكهرومغناطيسي في جميع الأطر المرجعية العطالية ، لكان ذلك يتعارض مع نظرية نيوتن للحركة، التي اعتمدت على النسبية الغاليلية . ^{[ ٩ ]} أما إذا كانت نظريته تنطبق فقط على الأطر المرجعية الساكنة بالنسبة إلى أثير ميكانيكي مضيء - يُفترض أنه يملأ كل الفضاء سواء داخل المادة أو في الفراغ ويُظهر الحقل الكهرومغناطيسي - فإنه يمكن التوفيق بينها وبين النسبية الغاليلية وقوانين نيوتن. (مع ذلك، دُحض مفهوم "أثير ماكسويل" هذا لاحقًا؛ واضطرت قوانين نيوتن بالفعل إلى التغيير). ^{[ ١٠ ]}

طُوِّر النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات خلال النصف الثاني من القرن العشرين. في هذا النموذج، ترتبط التفاعلات الكهرومغناطيسية والقوية والضعيفة بالجسيمات الأولية ، التي تُنمذج سلوكياتها في ميكانيكا الكم . ولتحقيق دقة تنبؤية باستخدام نتائج ميكانيكا الكم الاحتمالية ، تُنمذج فيزياء الجسيمات أحداث ميكانيكا الكم عبر حقل مُحدد وفقًا للنسبية الخاصة ، أي نظرية الحقل الكمومي النسبية. ^{[ 11 ]} تتفاعل جسيمات القوة، التي تُسمى بوزونات القياس - وهي حاملات القوة أو جسيمات الرسائل للحقول الأساسية - مع جسيمات المادة، التي تُسمى الفرميونات .

المادة اليومية هي ذرات، تتكون من ثلاثة أنواع من الفرميونات: الكواركات العلوية والكواركات السفلية التي تشكل نواة الذرة، بالإضافة إلى الإلكترونات التي تدور حولها. تتفاعل الذرات لتشكل جزيئات ، وتُظهر خصائص أخرى من خلال التفاعلات الكهرومغناطيسية بين إلكتروناتها التي تمتص الفوتونات وتُصدرها، وهي حاملات قوة المجال الكهرومغناطيسي، والتي إذا لم تُعيقها أي عوائق، فإنها تقطع مسافة لا نهائية محتملة. يُعرف المجال الكمي للكهرومغناطيسية باسم الديناميكا الكهربائية الكمية (QED).

حاملات قوة التفاعل الضعيف هي بوزونات W وZ الضخمة . تشمل نظرية التفاعل الكهروضعيف (EWT) كلاً من الكهرومغناطيسية والتفاعل الضعيف. عند درجات الحرارة العالية التي أعقبت الانفجار العظيم بفترة وجيزة ، كان التفاعل الضعيف والتفاعل الكهرومغناطيسي وبوزون هيغز مكونات مختلطة لمجموعة مختلفة من الحقول القديمة قبل كسر التناظر. مع برودة الكون المبكر، انقسمت هذه الحقول إلى التفاعل الكهرومغناطيسي بعيد المدى، والتفاعل الضعيف قصير المدى، وبوزون هيغز. في آلية هيغز ، يُظهر حقل هيغز بوزونات هيغز التي تتفاعل مع بعض الجسيمات الكمومية بطريقة تُكسب تلك الجسيمات كتلة. أما التفاعل القوي، الذي يُعد الغلوون حامل قوته ، والذي يقطع مسافات متناهية الصغر بين الكواركات، فيتم نمذجته في الديناميكا اللونية الكمومية (QCD). تشكل نظرية التفاعل الكهروضعيف والديناميكا اللونية الكمومية وآلية هيغز النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات . تُجرى التنبؤات عادةً باستخدام أساليب تقريبية حسابية، على الرغم من أن نظرية الاضطراب هذه غير كافية لنمذجة بعض الملاحظات التجريبية (مثل الحالات المقيدة والسوليتونات ). ومع ذلك، يقبل الفيزيائيون على نطاق واسع النموذج القياسي باعتباره النظرية الأكثر تأكيدًا تجريبيًا في العلم .

تُعد الجاذبية أضعف التفاعلات الأربعة على المستوى الذري، حيث تسود التفاعلات الكهرومغناطيسية.

تُعدّ الجاذبية أهم القوى الأساسية الأربع المؤثرة على الأجرام السماوية عبر المسافات الفلكية لسببين. أولًا، تتمتع الجاذبية بمدى فعّال لانهائي، كالكهرومغناطيسية ولكن على عكس التفاعلات القوية والضعيفة. ثانيًا، تجذب الجاذبية دائمًا ولا تدفع أبدًا؛ في المقابل، تميل الأجرام السماوية نحو شحنة كهربائية صافية شبه متعادلة، بحيث يلغي التجاذب لنوع معين من الشحنات والتنافر من الشحنة المعاكسة بعضها بعضًا في الغالب. ^{[ 13 ]}

على الرغم من أن الكهرومغناطيسية أقوى بكثير من الجاذبية، فإن التجاذب الكهروستاتيكي غير ذي صلة بالأجرام السماوية الكبيرة، كالكواكب والنجوم والمجرات، ببساطة لأن هذه الأجرام تحتوي على أعداد متساوية من البروتونات والإلكترونات، وبالتالي فإن شحنتها الكهربائية الصافية تساوي صفرًا. لا شيء "يلغي" الجاذبية، لأنها قوة تجاذب فقط، على عكس القوى الكهربائية التي قد تكون تجاذبية أو تنافرية. من جهة أخرى، تخضع جميع الأجسام ذات الكتلة لقوة الجاذبية، التي تجذب فقط. لذلك، فإن الجاذبية وحدها هي المؤثرة في البنية واسعة النطاق للكون.

يُعزى مدى الجاذبية الواسع إلى كونها مسؤولة عن ظواهر واسعة النطاق كبنية المجرات والثقوب السوداء ، ولأنها قوة جاذبة فقط، فإنها تُبطئ من تمدد الكون . كما تُفسر الجاذبية ظواهر فلكية على نطاقات أصغر، مثل مدارات الكواكب ، بالإضافة إلى تجاربنا اليومية: فالأجسام تسقط، والأجسام الثقيلة تتصرف كما لو كانت ملتصقة بالأرض، والحيوانات لا تستطيع القفز إلا إلى ارتفاع معين.

كانت الجاذبية أول تفاعل يُوصف رياضيًا. في العصور القديمة، افترض أرسطو أن الأجسام ذات الكتل المختلفة تسقط بمعدلات مختلفة. خلال الثورة العلمية ، أثبت غاليليو غاليلي تجريبيًا خطأ هذه الفرضية في ظروف معينة؛ فعند إهمال الاحتكاك الناتج عن مقاومة الهواء وقوى الطفو في وجود غلاف جوي (مثل حالة سقوط بالون مملوء بالهواء مقابل بالون مملوء بالماء)، تتسارع جميع الأجسام نحو الأرض بالمعدل نفسه. كان قانون إسحاق نيوتن للجاذبية الكونية (1687) تقريبًا جيدًا لسلوك الجاذبية. أما الفهم الحالي للجاذبية فيستند إلى نظرية النسبية العامة لأينشتاين عام 1915، وهي وصف أكثر دقة (خاصةً للكتل والمسافات الكونية ) للجاذبية من حيث هندسة الزمكان .

يُعدّ دمج النسبية العامة وميكانيكا الكم (أو نظرية الحقل الكمومي ) في نظرية أكثر عمومية للجاذبية الكمومية مجالًا بحثيًا نشطًا. ويُفترض أن الجاذبية تتوسطها جسيمات عديمة الكتلة ذات لف مغزلي 2 تُسمى الجرافيتون .

على الرغم من تأكيد صحة النسبية العامة تجريبياً (على الأقل بالنسبة للحقول الضعيفة، أي ليس الثقوب السوداء) على جميع المقاييس باستثناء أصغرها، إلا أن هناك بدائل للنسبية العامة . يجب أن تُختزل هذه النظريات إلى النسبية العامة في حدٍّ ما، وينصبّ تركيز العمل الرصدي على تحديد حدود الانحرافات الممكنة عن النسبية العامة.

قد تفسر الأبعاد الإضافية المقترحة سبب ضعف قوة الجاذبية. ^{[ 14 ]}

يبدو أن الكهرومغناطيسية والتفاعل الضعيف مختلفان تمامًا عند الطاقات المنخفضة اليومية. ويمكن نمذجتهما باستخدام نظريتين مختلفتين. مع ذلك، فوق طاقة التوحيد، التي تبلغ حوالي 100 جيجا إلكترون فولت ، يندمجان في قوة كهروضعيفة واحدة.

تُعدّ نظرية القوة الكهروضعيفة بالغة الأهمية لعلم الكونيات الحديث ، ولا سيما فيما يتعلق بكيفية تطور الكون . ويعود ذلك إلى أنه بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم، عندما كانت درجة الحرارة لا تزال أعلى من 10 ^{^15} كلفن تقريبًا ، كانت القوة الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة لا تزالان مندمجتين لتشكلا قوة كهروضعيفة واحدة. 

حصل عبد السلام وشيلدون جلاشو وستيفن واينبرغ على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1979 لمساهماتهم في توحيد التفاعل الضعيف والكهرومغناطيسي بين الجسيمات الأولية . ^{[ 15 ] [ 16 ]}

الكهرومغناطيسية

الكهرومغناطيسية هي القوة التي تؤثر بين الجسيمات المشحونة كهربائياً . وتشمل هذه الظاهرة القوة الكهروستاتيكية المؤثرة بين الجسيمات المشحونة الساكنة، والتأثير المشترك للقوى الكهربائية والمغناطيسية المؤثرة بين الجسيمات المشحونة المتحركة بالنسبة لبعضها البعض.

تتمتع الكهرومغناطيسية بمدى لا نهائي، كما هو الحال مع الجاذبية، لكنها أقوى بكثير. إنها القوة التي تربط الإلكترونات بالذرات، وهي التي تُبقي الجزيئات متماسكة . وهي المسؤولة عن ظواهر يومية مثل الضوء والمغناطيس والكهرباء والاحتكاك . وتحدد الكهرومغناطيسية بشكل أساسي جميع الخصائص الماكروية، والعديد من الخصائص على المستوى الذري، للعناصر الكيميائية .

في إبريق ماء يزن أربعة كيلوغرامات (حوالي غالون واحد)، يوجد

$// {\mbox{mol}}\,e^{-}}{1\ {\mbox{mol}}\,H_{2}O}}\cdot {\frac {96,000\ {\mbox{C}}\,}{1\ {\mbox{mol}}\,e^{-}}}=2.1\times 10^{8}C\ \,\ }}}}}$

من إجمالي شحنة الإلكترون. وبالتالي، إذا وضعنا إبريقين من هذا النوع على بُعد متر واحد، فإن الإلكترونات في أحد الإبريقين تتنافر مع الإلكترونات في الإبريق الآخر بقوة مقدارها

${\displaystyle {1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{\frac {(2.1\times 10^{8}\mathrm {C} )^{2}}{(1m)^{2}}}=4.1\times 10^{26}\mathrm {N} .}$

هذه القوة أكبر بكثير من وزن كوكب الأرض. تتنافر النوى الذرية في أحد الوعاءين مع تلك الموجودة في الوعاء الآخر بنفس القوة. ومع ذلك، تتلاشى قوى التنافر هذه بفعل تجاذب الإلكترونات في الوعاء (أ) مع النوى في الوعاء (ب)، وتجاذب النوى في الوعاء (أ) مع الإلكترونات في الوعاء (ب)، مما ينتج عنه قوة محصلة معدومة. القوى الكهرومغناطيسية أقوى بكثير من الجاذبية، لكنها تميل إلى التلاشي، بحيث تهيمن الجاذبية على الأجسام ذات الحجم الفلكي.

لوحظت الظواهر الكهربائية والمغناطيسية منذ العصور القديمة، ولكن لم يكتشف جيمس كلارك ماكسويل أن الكهرباء والمغناطيسية وجهان لتفاعل أساسي واحد إلا في القرن التاسع عشر. وبحلول عام ١٨٦٤، كانت معادلات ماكسويل قد حددت هذا التفاعل الموحد بدقة. تُعد نظرية ماكسويل، التي أعيدت صياغتها باستخدام حساب المتجهات ، النظرية الكلاسيكية للكهرومغناطيسية، وهي مناسبة لمعظم التطبيقات التكنولوجية.

يمكن استنتاج ثبات سرعة الضوء في الفراغ (والتي يُرمز لها عادةً بالحرف c الصغير ) من معادلات ماكسويل، المتوافقة مع نظرية النسبية الخاصة. مع ذلك، فقد أظهرت نظرية النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين عام 1905 ، والتي تنبع من ملاحظة أن سرعة الضوء ثابتة بغض النظر عن سرعة حركة الراصد، أن النتيجة النظرية التي تنطوي عليها معادلات ماكسويل لها آثار عميقة تتجاوز الكهرومغناطيسية لتشمل طبيعة الزمان والمكان.

في عمل آخر انحرف عن الكهرومغناطيسية الكلاسيكية، شرح أينشتاين التأثير الكهروضوئي مستفيدًا من اكتشاف ماكس بلانك بأن الضوء ينتقل على شكل "كمّات" ذات محتوى طاقة محدد بناءً على التردد، والتي نسميها الآن فوتونات . وابتداءً من عام 1927 تقريبًا، جمع بول ديراك بين ميكانيكا الكم والنظرية النسبية للكهرومغناطيسية . وفي أربعينيات القرن العشرين، أكمل ريتشارد فاينمان ، وفريمان دايسون ، وجوليان شوينجر ، وسين-إتيرو توموناغا هذه النظرية، التي تُعرف الآن باسم الديناميكا الكهربائية الكمية ، وهي النظرية المُعدّلة للكهرومغناطيسية. توفر الديناميكا الكهربائية الكمية وميكانيكا الكم أساسًا نظريًا للسلوك الكهرومغناطيسي، مثل النفق الكمي ، حيث تتحرك نسبة معينة من الجسيمات المشحونة كهربائيًا بطرق مستحيلة في ظل النظرية الكهرومغناطيسية الكلاسيكية، وهو أمر ضروري لعمل الأجهزة الإلكترونية اليومية مثل الترانزستورات .

التفاعل القوي ، أو القوة النووية القوية ، هو التفاعل الأكثر تعقيدًا، ويعود ذلك أساسًا إلى تغيره مع المسافة. تكون القوة النووية جاذبة بقوة بين النيوكليونات عند مسافات تقارب 1 فيمتومتر (fm، أو 10⁻¹⁵ ^متر )، لكنها تتلاشى بسرعة لتصبح ضئيلة التأثير عند مسافات تتجاوز 2.5 فيمتومتر. عند مسافات أقل من 0.7 فيمتومتر، تصبح القوة النووية تنافرية. هذا المكون التنافري هو المسؤول عن الحجم الفيزيائي للنوى، إذ لا يمكن للنيوكليونات أن تقترب من بعضها أكثر مما تسمح به هذه القوة.

بعد اكتشاف النواة عام ١٩٠٨، اتضح جلياً أن قوة جديدة، تُعرف اليوم بالقوة النووية، ضرورية للتغلب على التنافر الكهروستاتيكي ، وهو أحد مظاهر الكهرومغناطيسية، بين البروتونات الموجبة الشحنة. وإلا، لما وُجدت النواة. علاوة على ذلك، كان لا بد أن تكون هذه القوة كافية لضغط البروتونات في حيز قطره حوالي ١٠⁻¹⁵ ^متر ، وهو أصغر بكثير من حجم الذرة بأكملها. انطلاقاً من المدى القصير لهذه القوة، تنبأ هيديكي يوكاوا بأنها مرتبطة بجسيم قوة ضخم، تبلغ كتلته حوالي ١٠٠ ميغا إلكترون فولت.

أدى اكتشاف البيون عام 1947 إلى انطلاق العصر الحديث لفيزياء الجسيمات. وتم اكتشاف مئات الهادرونات بين أربعينيات وستينيات القرن العشرين، وتطورت نظرية بالغة التعقيد للهادرونات باعتبارها جسيمات تتفاعل بقوة. ومن أبرزها:

• كان يُعتقد أن البيونات عبارة عن تذبذبات لمكثفات الفراغ ؛
• اقترح جون ساكوراي أن تكون بوزونات رو وأوميغا المتجهة جسيمات حاملة للقوة من أجل تناظرات تقريبية للدوران النظائري والشحنة الفائقة ؛
• قام جيفري تشو وإدوارد ك. بوردت وستيفن فراوتشي بتجميع الهادرونات الأثقل في عائلات يمكن فهمها على أنها إثارات اهتزازية ودورانية للأوتار .

على الرغم من أن كلًا من هذه المناهج قدم رؤى ثاقبة، إلا أن أيًا منها لم يؤد مباشرة إلى نظرية أساسية.

اقترح موراي جيل مان، بالتعاون مع جورج زويج، لأول مرة وجود كواركات مشحونة جزئيًا عام 1961. وخلال ستينيات القرن العشرين، تناول باحثون مختلفون نظريات مشابهة للنظرية الأساسية الحديثة للديناميكا اللونية الكمومية (QCD) كنماذج مبسطة لتفاعلات الكواركات. وكان أول من افترض وجود الغلوونات في QCD هما مو يونغ هان ويويتشيرو نامبو ، اللذان قدّما مفهوم شحنة لون الكوارك . افترض هان ونامبو أن هذه الشحنة قد تكون مرتبطة بمجال حامل للقوة. إلا أنه في ذلك الوقت، كان من الصعب تصور كيف يمكن لمثل هذا النموذج أن يحصر الكواركات بشكل دائم. كما خصص هان ونامبو لكل لون من ألوان الكواركات شحنة كهربائية صحيحة، بحيث تكون الكواركات مشحونة جزئيًا في المتوسط ​​فقط، ولم يتوقعا أن تكون الكواركات في نموذجهما محصورة بشكل دائم.

في عام ١٩٧١، اقترح موراي جيل مان وهارالد فريتش أن حقل قياس اللون لهان/نامبو هو النظرية الصحيحة للتفاعلات قصيرة المدى للكواركات ذات الشحنة الجزئية. بعد ذلك بقليل، اكتشف ديفيد غروس وفرانك ويلكزك وديفيد بوليتزر أن هذه النظرية تتمتع بخاصية الحرية التقاربية ، مما سمح لهم بالربط بينها وبين الأدلة التجريبية . وخلصوا إلى أن الديناميكا اللونية الكمومية (QCD) هي النظرية الكاملة للتفاعلات القوية، وهي صحيحة على جميع مقاييس المسافة. دفع اكتشاف الحرية التقاربية معظم الفيزيائيين إلى قبول الديناميكا اللونية الكمومية، إذ أصبح من الواضح أن خصائص التفاعلات القوية بعيدة المدى يمكن أن تتوافق مع التجربة إذا كانت الكواركات محصورة بشكل دائم : تزداد القوة القوية بلا حدود مع المسافة، مما يؤدي إلى حصر الكواركات داخل الهادرونات.

بافتراض أن الكواركات محصورة، تمكن ميخائيل شيفمان وأركادي فاينشتاين وفالنتين زاخاروف من حساب خصائص العديد من الهادرونات ذات الطاقة المنخفضة مباشرةً من نظرية الكروموديناميكا الكمية (QCD)، مع إضافة عدد قليل من المعاملات لوصف الفراغ. في عام 1980، نشر كينيث ج. ويلسون حسابات حاسوبية مبنية على المبادئ الأساسية لنظرية الكروموديناميكا الكمية، مؤكدًا، بدرجة ثقة تكاد تكون يقينية، أن هذه النظرية تحصر الكواركات. ومنذ ذلك الحين، أصبحت نظرية الكروموديناميكا الكمية النظرية الراسخة للتفاعلات القوية.

نظرية الكروموديناميكا الكمية (QCD) هي نظرية تتفاعل فيها الكواركات ذات الشحنة الجزئية عبر ثمانية جسيمات بوزونية تُسمى الغلوونات. تتفاعل الغلوونات فيما بينها، وليس فقط مع الكواركات، وعند المسافات الطويلة، تتجمع خطوط القوة لتشكل أوتارًا، يُمكن تمثيلها تقريبًا بجهد خطي، أي قوة جذب ثابتة. وبهذه الطريقة، لا تُفسر النظرية الرياضية للكواركات الكروموديناميكا الكمية كيفية تفاعل الكواركات على مسافات قصيرة فحسب، بل تُفسر أيضًا السلوك الشبيه بالأوتار، الذي اكتشفه تشيو وفراوتشي، والذي يظهر على مسافات أطول.

تقليديًا، لا يُحتسب تفاعل هيغز ضمن القوى الأساسية الأربع. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

مع ذلك، ورغم أن اقتران يوكاوا المكعب لحقل هيغز ليس تفاعلًا قياسيًا ولا ناتجًا عن أي تناظر تماثلي ، فإنه يُنتج تفاعلًا خامسًا ضعيف التجاذب. بعد كسر التناظر التلقائي عبر آلية هيغز ، تبقى حدود يوكاوا على الشكل التالي:

${\displaystyle {\frac {\lambda _{i}}{\sqrt {2}}}{\bar {\psi }}\phi '\psi ={\frac {m_{i}}{\nu }}{\bar {\psi }}\phi '\psi }$،

مع وصلة يوكاوا${\displaystyle \lambda _{i}}$كتلة الجسيم${\displaystyle m_{i}}$(بوحدة إلكترون فولت )، وقيمة التوقع الفراغي لهيغز246.22  جيجا إلكترون فولت . وبالتالي، يمكن للجسيمات المقترنة أن تتبادل بوزون هيغز افتراضي ، مما ينتج عنه كمونات كلاسيكية من الشكل التالي:

${\displaystyle V(r)=-{\frac {m_{i}m_{j}}{m_{\rm {H}}^{2}}}{\frac {1}{4\pi r}}e^{-m_{\rm {H}}\,c\,r/\hbar }}$،

مع كتلة هيغز125.18  جيجا إلكترون فولت . نظرًا لأن طول موجة كومبتون المختزل لبوزون هيغز صغير جدًا (^يبلغ مقدار هذا الجهد 1.576 × 10⁻¹⁸ متر  ، وهو ما يُقارب مقدار جهد بوزونات W وZ ، ويبلغ مداه الفعال بضعة أتومترات . بين إلكترونين، يبدأ هذا الجهد أضعف بنحو ^10¹¹ مرة من التفاعل الضعيف ، ثم يضعف بشكل أُسّي عند المسافات غير الصفرية.