« الجزء السادس من سلسلة  » رحلة الى الجسيمات الأولية

بعد ان تحدثنا في الجزء الرابع والجزء الخامس عن أبعاد الكون وأبعاد الجسيمات بشكل مبسط وبلغة الأرقام سنتحدث في هذا الجزء عن  الكون من حيث درجة الحرارة والزمن ، منذ لحظة إعلان ولادته عن طريق الإنفجار العظيم دون التعمق في  حيثيات الإنفجار العظيم لأنه ليس موضوعنا  في هذه السلسلة وسنحاول أن نخصص له  سلسلة أخرى إن شاء الله نتحدث فيه عن حيثيات وظروف هذا الإنفجار .

إذن دعونا نبدا بموضوعنا هذا ، بدا الكون بانفجار عظيم حار   وخضع لتحولات هائلة وضخمة وسريعة حيث لم تستطيع الذرات البقاء فيه بسبب الحرارة الهائلة وبعد ذلك بدأ  الكون في التوسع وبدأت درجة الحرارة تنخفظ ……. واليوم بعد مرور 14 مليار سنة ، أصبح الكون كبيرا وباردا حيث تستطيع فيه الذارت البقاء فيه …  ويحتوي على اماكن حارة على غرار النجوم كالشمس ..واماكن باردة كوكبنا الأرض …ويحاول العلماء محاكاة الظرورف التي كانت سائدة وقت الإنفجار العظيم عن طريق التجارب المنجزة في معجلات الجسيمات ، لمعرفة البذور الأولى للمادة . و رغم أن الأشكال التي تتخدها تلك المادة تتباين  مع إختلاف المكان والزمن إلا ان المكونات الأساسية واحدة . ويهدف هذا الجزء بالتحديد الى تبيان الكيفية التي تبدو عليها المادة في الأوساط البادرة   كالأرض.. والحارة كالشمس والنجوم..وفي الأوساط الشديدة الحرارة كما في أعقاب الإنفجار العظيم .

ولفهم هذا الموضوع لا بد ان نتحدث عن بعض المقادير الفيزياء كالطاقة والكتلة والوحدات الأسياسية لهذه المقادير . كما نعلم فالوحدة الأساسية للطاقة هي الجول ومضاعفته كالميغا جول  او التيرا جول إلا ان هذ الوحدة غير ملائمة في الفيزياء النووية حيث الطاقات المتداولة صغيرة يصعب التعامل معها بهذه الوحدات ، حيث على سبيل المثال إذا تم تعجيل وتسريع ألكترون بواسطة مجال كهربائي لبطارية قيمتها واحد فولط   1V  فسيكتسب هذا الألكترون طاقة قيمتها ^{19 –} 10 . 1.6  جول . وحتى تعجيل هذا الإلكترون الى سرعات تناهز سرعة الضوء كما في المعجلات الموجودة في سيرن بجنيف لا تصل الطاقة إلأ الى ^8 – 10 جول . أي واحد على مائة مليون من الجول .  ولهذا وضع العلماء وحدة جديدة تسمى الإلكترون فولط أو   eV  ويساوي الطاقة اللازمة لتعجيل ألكترون ببطارية قدرها واحد فولط اي ^{19 –} 10 . 1.6  جول  . ومضاعفته هي   Tev . GeV . MeV  .  KeV  .

تخبرنا المعاددلة الشهيرة لإنشتاين    E = m . c²    أنه يمكن تحويل الطاقة الى كتلة  والعكس بالعكس  ، إلا ان يصعب التعامل مع هذه الأرقام أي الكتلة بالكيلوغرام لصغر كتل الجيسمات و الطاقة بالجول لصغر قيم الطاقات ولهذا نستخدم معادلة إنشتاين لتحديد الكتلة والطاقة . ونقول إن طاقة الألكترون المنفرد في حالة سكون تبلغ  0.5  ميغا ألكترون فولط  أي : I   0.5  Mevوان كتلته  تبلغ نصف ميغا إلكترون فولط مقسومة على مربع سرعة الضوء أي :I   0.5  Mev / c² . وبهذه الوحدات تكون كتلة البروتون :I  938  Mev / c² وبهذا تكون الأرقام بسيطة وسهلة نتيجة إستعمال لهذه الوحدات .

ترتبط الطاقة بشكل عام بدرجة الحرارة . تبلغ درجة حرارة الغرفة على سبيل المثال   نحو 40 / 1 إلكترون فولط أو0.025  إلكترون فولط أو 300 درجة كلفينية . حيث 1 إلكترون فولط يساوي ⁴ 10 درجة كلفينية . والكلفين هي المقياس المطلق لدرجة الحرارة وتساوي درجة الصفر المطلق الكلفينية 273.15- درجة مئوية .

 

ولكي تفهم عزيزي القاري ما قلناه سابقا حول بقاء الذرات او عدمها ، سنحاول أن ندخل في بعض التفاصيل وضرب بعض الأمثلة . إذا أطلقا صاروخا مثلا نحو الفضاء بطاقة كافية فإنه سيفلت من قوة الجاذبية الأرضية . كما هو الشأن بالنسبة للإلكترون إذا زودناه بطاقة لازمة وكافية فأنه سيفلت من قوة الجذب الكهربائي بينه وبين النواة المركزية .تحتاج بعض الجزيئات الى طاقة قدرها أجزاء من الألكترون فولط لتحرير إلكتروناتها الخارجية ، ومن تم  تكون درجة حرارة الغرفة كافية لحدوث مثل هذه التفاعلات  التي هي مصدر العمليات الكيميائية واليولوجية والحياة.

 إن ذرة الهيدروجين قادرة على البقاء في  طاقات أقل من 1 إلكترون فولط أي في نطاق  ⁴ 10 درجة كلفينية . مثل هذه الظروف غير موجودة على سطح الأرض باستثناء بعض المعدات العلمية التي  صنعت  وصممت لذلك الغرض . ومن تم فوجود الذرات منفردة على سطح الأرض هو السائد . أما قلب الشمس فدرجة الحرارة تقارب  10⁷ درجة كلفينية  أي ما يساوي 1 كيلو إلكترون فولط من الطاقة. وفي مثل هذه الظروف لا تستطيع الذرات البقاء .

أما لتكوين الجيسيمات كالألكترونات فنحتاج الى درجات أعلى من  10¹⁰ درجة كلفينية . للإلكترون المنفرد كتلة قدرها نصف ميغا إلكترون فولط  مقسومة على مربع سرعة الضوءأي  :I  0.5  Mev / c². أي  لتكوين إلكترون واحد نحتاج الى نصف ميغا إلكرون فوط  I     0.5  Mev. لكن لن يحدث هذا تلقائيا أي إنتاج إلكترون واحد وإنما لا بد ان يتكون معه نظيره المضاد البوزيترون معه كزوج وهكذا نحتاج الى  1 ميغا إلكترون فولط كي تحدث هذه العملية : إنتاج الإلكترون والبوزيترون  وعلى نحو مشابه نحتاج الى 2 ميغ إلكترون فولط من أجل إنتاج البروتون والبروتون المضاد . وسنتطرق الى هذا بالتفصيل في الفقرات الموالية إن شاء الله .

حاليا  يسهل توفير مثل هذه الطاقات داخل المختبرات العلمية ومعجلات الجسيمات …. وكانت هذه العملية هي العملية السائدة في المراحل المبكرة من عمر الكون حيث  تتكون المادة والمادة المضادة . 

تظهر النظريات العلمية والفرضيات أن المجرات تتباعد عن بعضها البعض مما يعني أن الكون يتمدد  ومن معدل التمدد يمكن العمل على نحو عكسي عبر الزمن بيحث أستنتج أنه منذ حوالي 14 مليار عام كان الكون منضغطا على نفسه ثم إنفجر إنفجارا عظيما بفعل هذا الإنضغاط الشديد  .لن ندخل في تفاصيل هذا الإنفجار لأنه  ليس موضوعنا في هذه السلسة وإنما سنحاول أن نخصص لهذا الحدث الكبير سلسلة أخرى إن شاء الله . 

بعد مدة وجيرة جدا بعد الإتفجار و بلغة الأرقام بعد إنقضاء جزء على المليار من الثانية على الإنفجار العظيم ، بلغت درجة حرارة الكون  10¹⁶  درجات كلفينية ، او بمعيار الطاقة 1 تيرا إلكترون فولط . تحت هذه الظروف تكونت الجسيمات والجسميات المضادة بما فيها الأشكال الغريبية التي تطرقنا إليها في الأجزاء الأولى من هذه السلسة والتي لم تكن السائدة اليوم بفعل فناءها في وقت وجيز بعد الإنفجار مما أدى الى تكون هذا الإشعاع والمزيد من الجسيمات الأساسية كالألكترونات والكوراكات المتبقية التي تؤلف المادة اليوم .

في غضون جزء على المليون من الثانية تجمتمع كل 3 كوراكات في مجموعات  مكونة بذلك البروتونات والنوترونات وبعد نحور ثلاث دقائق إنخفضت درجة حرارة الكون الى نحو  10¹⁰   درجات كلفينية أو بمعايير الطاقة 1 ميغا إلكترون فولط  .والتي كانت باردة بما يكفي لتلتصق البروتونات والنوترونات معا  لتبني  البذور النووية للعناصر الذرية التي لم تكتمل بعد .  وتكونت بعض الأنوية الخفيفة كالهيدروجين والهيليوم وبعض الأنوية  كالبيرليوم والبورون لكن بكميات ضئيلة . كما كان البروتونات أبسط وأكثر البنى شيوعا  نظرا لإستقرارها  . تجمعت هذه البروتونات تحت تاثير الجاذبية على شكل تجمعات التي نسميها النجوم . وداخل النجوم تكونت العناصر الثقيلة على مدار مليارات الأعوام . وسنتحدث في الفقرات الموالية كذلك عن كيف تصادمت هذه البروتونات داخل النجوم ببعضها البعض وتجمعت لتكون العناصر التثقيلة كا لأكسجين والكربون والحديد . وعند إنفجار هذه النجوم تطلق هذه البذور النووية الى الكون وهذا هو مصدر الكربون الذي تتكون منه اجسادنا والأكسجين الذي ننفسه .

في الوقت الحالي تمر  الشمس  بنفس المراحل الأولى للكون فقد بدات الشمس تحويل البروتونات الى انوية الهيليوم مند نحو 5 مليارت عام وأستهلكت بالفعل نصف وقودها وكانت درجات حرارة مركزها مشابهة لتلك التي كان عليها الكون في المراحل المبكرة وبالتحديد حين كان عمره بضع دقائق وبهذا تقوم الشمس بما قام به الكون منذ زمن بعيد جدا .

لا تستطيع الذرات البقاء داخل أعماق الشمس ولم يكن بوسعها البقاء في بدايات الكون وقد تعين إنقضاء 300 ألف عام حتى برد الكون بالشكل الكافي كي تندمج الأنوية الألكترونات العابرة مكونة الذرات وهذا هو الحال في وقتنا الحالي على كوكب الأرض 

 إعـــــــداد  : ذ . رشيــد جنـــكل