تاريخ الفيزياء دون الذرية

على مدار القرن التاسع عشر، استكشف العلماء العديد من ظواهر الكهرباء والمغناطيسية، وبلغت هذه الظواهر ذروتها في نظرية دقيقة وضعها جيمس كلارك ماكسويل . ^{[ 4 ]} كانت هذه النظرية نموذجًا للمجال المستمر، تم تطويره حول فكرة الأثير المضيء . عندما عجزت التجارب عن تقديم دليل على وجود هذا الأثير، ونظرًا لتزايد الأدلة التي تدعم النموذج الذري، طور هندريك أنطون لورنتز نظرية للكهرومغناطيسية قائمة على "الأيونات" تُحاكي نموذج ماكسويل. ^{[ 5 ] : 77}

اكتُشف الإلكترون بين عامي 1879 و1897 في أعمال ويليام كروكس ، وآرثر شوستر ، وجيه جيه طومسون ، وغيرهم من الفيزيائيين؛ وقاس روبرت أندروز ميليكان وهارفي فليتشر شحنته بدقة في تجربة قطرة الزيت عام 1909. افترض الفيزيائيون أن الإلكترونات سالبة الشحنة تُشكل جزءًا من الذرات ، إلى جانب مادة موجبة الشحنة (لم تكن معروفة آنذاك)، وقد تأكد ذلك لاحقًا. أصبح الإلكترون أول جسيم أولي، جسيم أساسي حقيقي، يُكتشف.

قدمت دراسات "النشاط الإشعاعي"، التي سرعان ما كشفت عن ظاهرة التحلل الإشعاعي ، حجة أخرى ضد اعتبار العناصر الكيميائية عناصر أساسية في الطبيعة. ورغم هذه الاكتشافات، ظل مصطلح "الذرة" مرتبطًا بذرات دالتون (الكيميائية)، ويشير الآن إلى أصغر جسيم في العنصر الكيميائي، وليس إلى شيء غير قابل للتجزئة.

لم يكن الفيزيائيون في أوائل القرن العشرين يعرفون سوى قوتين أساسيتين : الكهرومغناطيسية والجاذبية ، حيث لم تستطع الأخيرة تفسير بنية الذرات. لذلك، كان من البديهي افتراض أن مادة غير معروفة مشحونة بشحنة موجبة تجذب الإلكترونات بقوة كولوم .

في عام 1909، أثبت إرنست رذرفورد وتوماس رويدز أن جسيم ألفا يتحد مع إلكترونين لتكوين ذرة هيليوم . وبتعبير أدق، فإن جسيمات ألفا هي هيليوم متأين مرتين (أو بالأحرى، ^{4 إلكترونات).}ذرات الهيليوم . لقد تم تقييد التكهنات حول بنية الذرات بشدة من خلال تجربة رذرفورد عام 1907 باستخدام رقاقة الذهب ، والتي أظهرت أن الذرة تتكون أساسًا من فراغ، مع تركيز كل كتلتها تقريبًا في نواة ذرية صغيرة .

بحلول عام ١٩١٤، أثبتت تجارب إرنست رذرفورد، وهنري موزلي ، وجيمس فرانك ، وجوستاف هيرتز، إلى حد كبير، بنية الذرة على أنها نواة كثيفة ذات شحنة موجبة محاطة بإلكترونات ذات كتلة أقل. ^{[ ٦ ]} ألقت هذه الاكتشافات الضوء على طبيعة التحلل الإشعاعي وأشكال أخرى من تحول العناصر، بالإضافة إلى العناصر نفسها. واتضح أن العدد الذري ليس إلا الشحنة الكهربائية (الموجبة) لنواة ذرة معينة. لا تُغير التحولات الكيميائية، التي تحكمها التفاعلات الكهرومغناطيسية  ، النوى - ولهذا السبب فإن العناصر غير قابلة للتدمير كيميائيًا. ولكن عندما تُغير النواة شحنتها و/أو كتلتها (عن طريق انبعاث جسيم أو التقاطه )، يمكن أن تتحول الذرة إلى ذرة عنصر آخر. وقد فسرت النسبية الخاصة كيف يرتبط نقص الكتلة بالطاقة المنتجة أو المستهلكة في التفاعلات. يُطلق على فرع الفيزياء الذي يدرس التحولات وبنية النوى اسم الفيزياء النووية ، وذلك على عكس الفيزياء الذرية التي تدرس بنية الذرات وخصائصها متجاهلةً معظم الجوانب النووية. وقد أدى التطور في فيزياء الكم الناشئة ، مثل نموذج بور ، إلى فهم الكيمياء من حيث ترتيب الإلكترونات في الحجم الفارغ في الغالب للذرات.

في عام ١٩١٨، أكد رذرفورد أن نواة الهيدروجين جسيم ذو شحنة موجبة، أطلق عليه اسم البروتون . وبحلول ذلك الوقت، أثبتت أبحاث فريدريك سودي حول العناصر المشعة، وتجارب جيه جيه طومسون وإف دبليو أستون، بشكل قاطع وجود النظائر ، التي تختلف أنويتها في الكتلة رغم تطابق أعدادها الذرية. دفع هذا رذرفورد إلى التكهن بأن جميع النوى، باستثناء الهيدروجين، تحتوي على جسيمات عديمة الشحنة، أطلق عليها اسم النيوترون . وتزايدت الأدلة على أن النوى الذرية تتكون من جسيمات أصغر (تُسمى الآن النيوكليونات )؛ وأصبح من الواضح أنه بينما تتنافر البروتونات فيما بينها كهروستاتيكيًا ، تتجاذب النيوكليونات بقوة جديدة ( القوة النووية ). وبلغت هذه الجهود ذروتها في إثبات الانشطار النووي عام ١٩٣٩ على يد ليز مايتنر (استنادًا إلى تجارب أوتو هان )، والاندماج النووي على يد هانز بيث في العام نفسه. أدت تلك الاكتشافات إلى ظهور صناعة نشطة لتوليد ذرة من أخرى، حتى أنها جعلت من الممكن (على الرغم من أنه من المحتمل ألا يكون مربحًا أبدًا) تحويل الرصاص إلى ذهب ؛ كما أدت تلك الاكتشافات نفسها إلى تطوير الأسلحة النووية .

في خمسينيات القرن العشرين، ومع تطور مسرعات الجسيمات ودراسات الأشعة الكونية ، أصبحت تجارب التشتت غير المرن على البروتونات (وغيرها من النوى الذرية) ذات طاقات تصل إلى مئات الميغا إلكترون فولت في متناول اليد. وقد أنتجت هذه التجارب بعض "الجسيمات" الرنينية قصيرة العمر ، بالإضافة إلى الهيبرونات وميزونات K ذات العمر الطويل بشكل غير عادي. وقد عُثر على سبب الأخيرة في كمية شبه محفوظة جديدة ، تُسمى الغرابة ، وهي محفوظة في جميع الظروف باستثناء التفاعل الضعيف . وكانت غرابة الجسيمات الثقيلة وليبتون μ أول مؤشرين لما يُعرف الآن بالجيل الثاني من الجسيمات الأساسية.

سرعان ما كشف التفاعل الضعيف عن لغز آخر. ففي عام 1957، أثبت تشين شيونغ وو أنه لا يحافظ على التكافؤ . بعبارة أخرى، تم دحض تناظر المرآة كقانون أساسي للتناظر .

خلال خمسينيات وستينيات القرن العشرين، أدت التحسينات في مسرعات الجسيمات وكواشفها إلى اكتشاف مجموعة متنوعة ومذهلة من الجسيمات في تجارب الطاقة العالية. وأصبح مصطلح "الجسيم الأولي" يُشير إلى عشرات الجسيمات، معظمها غير مستقر . وقد دفع هذا فولفغانغ باولي إلى القول: "لو كنتُ قد توقعتُ هذا، لاخترتُ علم النبات". أُطلق على هذه المجموعة اسم " حديقة حيوانات الجسيمات ". واتضح أن بعض المكونات الأصغر، غير المرئية، تُشكّل الميزونات والباريونات التي تُمثّل معظم الجسيمات المعروفة آنذاك.

شكّل تفاعل هذه الجسيمات عبر التشتت والتحلل مفتاحًا لنظريات كمومية أساسية جديدة. وقد ساهم موراي جيل مان ويوفال نعمان في تنظيم الميزونات والباريونات، وهما أكثر فئات الجسيمات عددًا، من خلال تصنيفها وفقًا لخصائص معينة. بدأ الأمر بما أطلق عليه جيل مان اسم " الطريق الثماني "، ثم تطور إلى عدة "ثمانيات" و"عشريات" مختلفة، والتي استطاعت التنبؤ بجسيمات جديدة، أشهرها ^جسيم Ω−تم اكتشاف جسيمات الغلوونات في مختبر بروكهافن الوطني عام 1964، والتي أدت إلى ظهور نموذج الكواركات لتكوين الهادرونات. في حين بدا نموذج الكواركات في البداية غير كافٍ لوصف القوى النووية القوية ، مما سمح بظهور نظريات منافسة مؤقتًا مثل نظرية مصفوفة التشتت (S-matrix) ، إلا أن تأسيس الديناميكا اللونية الكمومية في سبعينيات القرن العشرين قد وضع اللمسات الأخيرة على مجموعة من الجسيمات الأساسية وجسيمات التبادل ( كراغ، 1999 ). افترضت هذه النظرية التفاعل القوي الأساسي ، الذي تختبره الكواركات وتتوسطه الغلوونات . وقد اقتُرحت هذه الجسيمات كمادة بناء للهادرونات (انظر: تكوين الهادرونات ). تتميز هذه النظرية بكونها غير مألوفة، إذ لا يمكن رصد الكواركات الفردية (الحرة) (انظر: الحصر اللوني )، على عكس حالة الذرات المركبة حيث يمكن عزل الإلكترونات والنوى عن طريق نقل طاقة التأين إلى الذرة.

ثم تم التخلي عن المعنى القديم والواسع لمصطلح الجسيم الأولي، واستُبدل بمصطلح الجسيم دون الذري الذي شمل جميع الجسيمات، مع مصطلح " الهادرون " الذي يشير إلى الجسيمات المركبة التي يُفسرها نموذج الكواركات مباشرةً. واقتصر استخدام مصطلح "الجسيم الأولي" (أو "الأساسي") على اللبتونات والكواركات ومضاداتها ، بالإضافة إلى كميات التفاعلات الأساسية (انظر أدناه).

لأن نظرية المجال الكمومي (انظر أعلاه ) تفترض عدم وجود فرق بين الجسيمات والتفاعلات ، فإن تصنيف الجسيمات الأولية سمح أيضًا بتصنيف التفاعلات والمجالات .

يُفسَّر الآن عدد كبير من الجسيمات والتفاعلات (غير الأساسية) على أنها تراكيب لعدد (صغير نسبيًا) من المواد الأساسية، والتي يُعتقد أنها تفاعلات أساسية (متجسدة في بوزونات أساسية )، وكواركات (بما في ذلك الجسيمات المضادة)، وليبتونات (بما في ذلك الجسيمات المضادة). وبما أن النظرية ميزت بين عدة تفاعلات أساسية، فقد أصبح من الممكن تحديد الجسيمات الأولية المشاركة في كل تفاعل. أي:

• تشارك جميع الجسيمات في الجاذبية.
• تشارك جميع الجسيمات الأولية المشحونة في التفاعل الكهرومغناطيسي.
  • ونتيجة لذلك، يشارك النيوترون في هذه العملية بفضل ثنائي قطبه المغناطيسي على الرغم من انعدام شحنته الكهربائية. ويعود ذلك إلى أنه يتكون من كواركات مشحونة مجموع شحناتها يساوي صفرًا.
• تشارك جميع الفرميونات في التفاعل الضعيف.
• تشارك الكواركات في التفاعل القوي، جنبًا إلى جنب مع الغلوونات (كماتها الخاصة)، ولكن ليس الليبتونات ولا أي بوزونات أساسية أخرى غير الغلوونات.

كانت الخطوة التالية هي تقليص عدد التفاعلات الأساسية، وهو ما تصوره علماء الفيزياء في أوائل القرن العشرين تحت مسمى " نظرية المجال الموحد ". وكانت أول نظرية موحدة حديثة ناجحة هي نظرية الكهروضعيف ، التي طورها عبد السلام وستيفن واينبرغ ، ثم شيلدون غلاشو . وبلغ هذا التطور ذروته في إكمال النظرية المعروفة باسم النموذج القياسي في سبعينيات القرن العشرين، والتي شملت أيضًا التفاعل القوي، لتغطي بذلك ثلاث قوى أساسية. بعد اكتشاف وجود تيارات ضعيفة متعادلة في مركز سيرن ، ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} تتوسطها جسيمات Z المتوقعة في النموذج القياسي، حصل الفيزيائيون سلام وغلاشو وواينبرغ على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1979 لنظريتهم في الكهروضعيف. ^{[ 11 ]} يعتبر اكتشاف بوزونات القياس الضعيفة (كمات التفاعل الضعيف ) خلال الثمانينيات، والتحقق من خصائصها خلال التسعينيات، عصرًا من التوطيد في فيزياء الجسيمات.

على الرغم من أن مسرعات الجسيمات قد أكدت معظم جوانب النموذج القياسي من خلال رصد تفاعلات الجسيمات المتوقعة عند طاقات تصادم مختلفة، إلا أنه لم يتم التوصل بعد إلى نظرية توفق بين النسبية العامة والنموذج القياسي، على الرغم من أن العديد من المنظرين اعتبروا التناظر الفائق ونظرية الأوتار سبيلًا واعدًا للمضي قدمًا. مع ذلك، فشل مصادم الهادرونات الكبير ، الذي بدأ تشغيله عام 2008، في العثور على أي دليل يدعم التناظر الفائق ونظرية الأوتار، ^{[ 12 ]} ويبدو من غير المرجح أن يفعل ذلك، مما يعني أن "الوضع الحالي في النظرية الأساسية هو غياب تام لأي أفكار جديدة على الإطلاق". ^{[ 13 ]} لا ينبغي النظر إلى هذا الوضع على أنه أزمة في الفيزياء، بل كما قال ديفيد غروس ، "نوع من الارتباك العلمي المقبول الذي يتجاوزه الاكتشاف في نهاية المطاف". ^{[ 14 ]}

لم يتم بعد دمج الجاذبية ، وهي التفاعل الأساسي الرابع، في فيزياء الجسيمات بطريقة متسقة.

حتى عام 2011، ظل بوزون هيغز ، وهو كمّ من حقل يُعتقد أنه يمنح الجسيمات كتلًا سكونية ، الجسيم الوحيد الذي تم التحقق منه في النموذج القياسي. في 4 يوليو/تموز 2012، أعلن الفيزيائيون العاملون في مصادم الهادرونات الكبير التابع لسيرن عن اكتشافهم جسيمًا دون ذري جديدًا يُشبه إلى حد كبير بوزون هيغز، وهو مفتاح محتمل لفهم سبب امتلاك الجسيمات الأولية كتلًا، بل ولتفسير وجود التنوع والحياة في الكون. ^{[ 15 ]} صرّح رولف-ديتر هوير ، المدير العام لسيرن، بأنه من السابق لأوانه الجزم ما إذا كان هذا الجسيم جسيمًا ضخمًا جديدًا تمامًا - أحد أثقل الجسيمات دون الذرية حتى الآن  - أو أنه الجسيم المراوغ الذي تنبأ به النموذج القياسي ، النظرية التي هيمنت على الفيزياء خلال نصف القرن الماضي. ^{[ 15 ]} لا يُعرف ما إذا كان هذا الجسيم دخيلًا، أو جسيمًا منفردًا، أو حتى أول جسيم من بين جسيمات عديدة لم تُكتشف بعد. وتُعدّ الاحتمالات الأخيرة مثيرة للاهتمام بشكل خاص لعلماء الفيزياء، إذ يُمكن أن تُشير إلى أفكار جديدة أعمق، تتجاوز النموذج القياسي ، حول طبيعة الواقع. في الوقت الحالي، يُطلق عليه بعض علماء الفيزياء اسم "جسيم هيغز". ^{[ 15 ]} قال جو إنكانديلا ، من جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا : "قد يكون هذا، في نهاية المطاف، أحد أهم الاكتشافات لأي ظاهرة جديدة في مجالنا خلال الثلاثين أو الأربعين عامًا الماضية، بالعودة إلى اكتشاف الكواركات، على سبيل المثال". ^{[ 15 ]} ذكرت الفرق التي تُشغّل أجهزة الكشف الكبيرة في المصادم أن احتمال أن تكون إشارتهم ناتجة عن تقلب عشوائي أقل من واحد في 3.5 مليون، وهو ما يُسمى "خمسة سيجما"، وهو المعيار الذهبي في الفيزياء للاكتشاف. قال مايكل تيرنر ، عالم الكونيات في جامعة شيكاغو ورئيس مجلس إدارة مركز الفيزياء:

هذه لحظة مهمة لفيزياء الجسيمات ومفترق طرق  - هل ستكون هذه هي العلامة العليا أم ستكون الأولى من بين العديد من الاكتشافات التي ستوجهنا نحو حل الأسئلة الكبيرة التي طرحناها؟

إن تأكيد وجود بوزون هيغز، أو ما يشبهه إلى حد كبير، سيمثل لقاءً مصيريًا لجيل من الفيزيائيين الذين آمنوا بوجوده لنصف قرن دون أن يروه قط. علاوة على ذلك، فإنه يؤكد رؤية شاملة للكون تحكمه قوانين بسيطة وأنيقة ومتناظرة، ولكن كل ما هو مثير للاهتمام فيه ناتج عن عيوب أو اختلالات في هذا التناظر. ^{[ 15 ]} وفقًا للنموذج القياسي، يُعد بوزون هيغز المظهر المرئي والمحدد الوحيد لحقل قوة غير مرئي يملأ الفضاء ويمنح الجسيمات الأولية، التي لولا ذلك لكانت عديمة الكتلة، كتلة. يقول الفيزيائيون إنه بدون حقل هيغز هذا، أو ما يشبهه، ستتحرك جميع أشكال المادة الأولية بسرعة الضوء؛ ولن يكون هناك ذرات ولا حياة. وقد حقق بوزون هيغز شهرة نادرة في الفيزياء المجردة. ^{[ 15 ]} ولدهشة زملائه الدائمة، أطلق ليون ليدرمان، المدير السابق لمختبر فيرميلاب ، عليه اسم "جسيم الإله" في كتابه الذي يحمل نفس الاسم، ثم مازح لاحقًا بأنه كان يريد أن يسميه "الجسيم اللعين". ^{[ 15 ]} كما صرح البروفيسور إنكانديلا أيضًا،

هذا البوزون اكتشافٌ بالغ الأهمية. إننا نغوص في نسيج الكون على مستوى لم نبلغه من قبل. لقد أكملنا تقريبًا قصة جسيم واحد [...] نحن الآن على أعتاب مرحلة جديدة من الاستكشاف. قد يكون هذا هو الجزء الوحيد المتبقي من القصة، أو قد نفتح آفاقًا جديدة تمامًا للاكتشاف.

كان الدكتور بيتر هيغز أحد ستة فيزيائيين، يعملون ضمن ثلاث مجموعات مستقلة، ابتكروا في عام 1964 مفهوم "الدبس الكوني"، أو حقل هيغز. أما الآخرون فهم: توم كيبل من إمبريال كوليدج لندن ؛ وكارل هاغن من جامعة روتشستر ؛ وجيرالد غورالنيك من جامعة براون ؛ وفرانسوا إنجليرت وروبرت براوت ، وكلاهما من الجامعة الحرة في بروكسل . ^{[ 15 ]} ومن بين نتائج نظريتهم أن حقل هيغز هذا سيُنتج جسيمًا كميًا خاصًا به إذا ما تعرض لقوة كافية من الطاقة المناسبة. سيكون هذا الجسيم هشًا ويتفكك في غضون جزء من مليون من الثانية باثنتي عشرة طريقة مختلفة تبعًا لكتلته. لسوء الحظ، لم تتنبأ النظرية بكتلة الجسيم، مما صعّب العثور عليه. وقد أفلت هذا الجسيم من الباحثين في سلسلة من مسرعات الجسيمات. ^{[ 15 ]}

استمرت التجارب الأخرى، وفي مارس 2013 تم التأكيد مبدئياً على أن الجسيم المكتشف حديثاً كان بوزون هيغز.

على الرغم من عدم رصدها قط، تلعب الحقول الشبيهة بحقل هيغز دورًا هامًا في نظريات الكون ونظرية الأوتار. ففي ظل ظروف معينة، ووفقًا للتفسير الغريب لفيزياء أينشتاين، يمكن أن تتشبع هذه الحقول بطاقة تُمارس قوة مضادة للجاذبية. وقد اقتُرحت هذه الحقول كمصدر لانفجار هائل في التوسع، يُعرف بالتضخم الكوني، في بدايات الكون، وربما كسرّ الطاقة المظلمة التي يبدو أنها تُسرّع الآن من توسع الكون. ^{[ 15 ]}