page contents
مقالات في الفيزياء

اكبر ٩ معضلات لم تحل في الفيزياء بعد!

اكبر ٩ معضلات لم تحل في الفيزياء بعد!




في العام 1900 قال العالم الفيزيائي البريطاني كلفن انه لم يعد هناك شيء جديد لنكتشفه في الفيزياء الان. وان كل ما تبقى هو المزيد والمزيد من القياسات الدقيقة. خلال ثلاثة عقود ميكانيكا الكم والنظرية النسبية لاينشتين احيت مجال الفيزياء من جديد. اليوم لا يجرأ اي فيزيائي على ان يقول ان فهمنا للكون على وشك الاكتمال. ان كل اكتشاف جديد يحل معضلة وفي نفس الوقت يدخلنا في معضلة اكبر. وهنا نعرض قائمة من ٩ معضلات يحاول الجميع الاجابة عليها.


(١) هل يوجد ترتيب في الفوضى؟

اكبر ٩ معضلات لم تحل في الفيزياء بعد!لا يستطيع الفيزيائيون من التوصل لحل دقيق لمجموعة من الاسئلة التي تصف سلوك الموائع، من الماء إلى الهواء وكل انواع السوائل والغازات. في الحقيقة لا احد يعلم اذا كان الحل العام الذي يعرف بمعادلات نافير وستوكس موجودة اصلا، او هناك حلا سواء لوصف المائع في اي مكان او يحتوي على نقاط غير معروفة تدعى  المتفردة singularities. ونتيجة لذلك فان طبيعة الفوضى غير مفهومة بشكل جيد. يتسأل الفيزيائيون والرياضيون هل من الصعب التنبؤ باحوال الطقس او انه لا يمكن التنبؤ به من الاصل؟ هل الاضطراب لا يتعدى كونه وصف رياضي أو ان له معنى فقط عندما نتعامل معه بالرياضيات المناسبة.

(٢) هل نظرية الاوتار صحيحة؟

اكبر ٩ معضلات لم تحل في الفيزياء بعد!عندما افترض الفيزيائيون ان كل الجسيمات الاولية هي في الحقيقة حلقات ذات بعد واحد او انها اوتار كل وتر له تردد مختلف فان الفيزياء اصبحت اسهل بكثير. تسمح نظرية الاوتار للفيزيائين بتوفيق القوانين التي تحكم الجسيمات والتي تعرف باسم ميكانيكا الكم مع القوانين التي تحكم الزمان والمكان والتي تعرف بالنظرية النسبية وتوحد القوة الاربعة الرئيسية للطبيعة في اطار عمل موحد. لكن المشكلة هو ان نظرية الاوتار يمكن ان تعمل في كون بـ ١٠ او ١١ بعد: ثلاثة ابعاد لتحديد المكان الواسع وستة او سبعة ابعاد لتحديد المكان المدمج وبعد واحد للزمن. ابعاد المكان المدمجة وكذلك الاوتار المتذبذبة يصل حجمها إلى جزء من المليار او جزء من الالف مليار من حجم نواة الذرة. لا يوجد اي طريقة لرصد شيء بهذا الصغر ولا توجد اي طريقة عملية للتحقق من صحة نظرية الاوتار.

(٣) كيف تؤدي القياسات إلى انهيار الدوال الموجية؟

اكبر ٩ معضلات لم تحل في الفيزياء بعد!في المملكة الغريبة من الالكترونات والفوتونات والجسيمات الاساسية الاخرى فان ميكانيكا الكم هي القانون. هنا الجسيمات لا تسلك سلوك الكرات الصغيرة لكنها مثل الامواج المنتشرة على مساحة كبيرة. يوصف كل جسيم بدالة موجية wavefunction او احتمالية توزيع probability distribution والتي توفر لنا معلومات عن موضعه وسرعته. يمتلك الجسيم في الواقع مدى من القيم لكل الخواص حتى تقوم بقياس واحدة منها – على سبيل المثال موضعها والتي عندها يحدث انهيار للدالة الموجية وتصبح متمركزة في موضع واحد. لكن كيف ولماذا تنهار الدالة الموجية عن اجراء عملية القياس؟

 

(٤) ما هو مصير الكون؟

اكبر ٩ معضلات لم تحل في الفيزياء بعد!يعتمد بشدة مصير الكون على معامل غير معلوم القيمة Ω وهو مقياس لكثافة المادة والطاقة في الكون. اذا كانت Ω اكبر من 1، يصبح نسيج الزمكان مغلقا مثل سطح كرة هائلة. اذا لم يكن هناك طاقة معتمة فان الكون سوف يتوقف عن التمدد ويبدأ في الانكماش، وفي النهاية ينهار على نفسه في حدث كوني يعرف باسم الانسحاق الكبير Big Crunch. اما اذا اغلق الزمكان ولكن مع وجود طاقة معتمة فان الكون الكروي سوف يتمدد اكثر واكثر.




والاحتمال الاخر اذا كانت Ω اقل من 1 فان هندسة الكون سوف تكون مفتوحة مثل سطح سرج الحصان. في مثل هذه الحالة فان المصير النهائي سوف يكون بحدث كوني يعرف باسم التجمد الهائل Big Freeze يتبعه تمزيق هائل Big Rip: في البداية يتعرض الكون لتسارع كبير نحو الخارج تعمل على ابعاد المجرات والنجوم عن بعضها البعض مما تترك كل المادة في حالة برود وتجمد بمفردها وبعد ذلك يزداد التسارع اكثر وبقوة تتغلب على كل القوى التي تربط الذرات مع بعضها البعض وينتهي كل شيء.

اما اذا كانت Ω تساوي 1 فان الكون يكون مسطحا تماما ويمتد إلى مالانهاية في كل الاتجاهات. اذا لم يكن هناك طاقة معتمة فان الكون المسطح سوف يتمدد إلى الابد ولكن بتباطؤ مستمر حتى يصل إلى حالة التوقف. اذا كان هناك طاقة معتمة فان الكون المسطح سف يتعرض إلى تمدد كبير يؤدي إلى حدوث التمزق الكبير Big Rip.

(٥) لماذا هناك وفرة اكثر للمادة من المادة المضادة لها؟

اكبر ٩ معضلات لم تحل في الفيزياء بعد!السؤال لماذا هناك مادة اكثر من شحنتها المعاكسة او غزلها المعاكس او المادة المضادة هو في الواقع سؤال لماذا يوجد اي شيء على الاطلاق. يفترض البعض ان الكون يتعامل مع المادة والمادة المضادة بشكل متماثل وعلى هذا الاساس يتوقع العلماء انه عندما حدث الانفجار العظيم فان المادة والمادة المضادة قد تولدت بمقادير متساوية. لكن اذا كان هذا قد حدث بالفعل فسوف يكون هناك تلاشي تام لكلاهما: البورتونات سوف تتلاشى مع البروتونات المضادة والالكترونات تتلاشى مع الكتروناتها المضادة والتي نعرفها بالبوزيترونات والنيوترونات تتلاشى مع النيوترونات المضادة وهكذا، مما يتبقى في النهاية فوتونات. لنفس السبب هناك المزيد من المادة حتى لا تتعرض للتلاشي وها نحن هنا. حتى الان لا توجد اجابة مقبولة.

 

(٦) هل هناك اكوان موازية؟

اكبر ٩ معضلات لم تحل في الفيزياء بعد!من بعض البيانات الفلكية اقترح بعض الفلكيون ان الزمان والمكان مسطح وليس منحني ولهذا فهم مستمر إلى الابد. اذا كان الامر كذلك فان المنطقة التي يمكن ان نراها والتي نعتقد انها الكون هي عبارة عن جزء صيغير من اكوان لانهائية متعددة. في نفس الوقت تتوقع قوانين ميكانيكا الكم ان هناك عدد محدود من التشكيلات الجسيمية الممكنة داخل كل كون ويصل عدد التشكيلات المختلفة إلى 10122 تشكيلة. لذلك فان مع عدد لا نهائي من التشكيلات الكونية فان هناك احتمال كبير ان يوجد تكرار للترتيبات الداخلية في كل كون. هذا يعني ان هناك عدد لا نهائي من الاكون المتوازية ويوجد اكوان اخرى تشبه تمام الكون الذي نعيش فيه بما فيه اشخاص تشبهنا!

هل هناك منطق خاطئ في ما ذكر ام ان الامر غريب بعض الشيء، وحتى لو كان الامر حقيقيا فكيف يمكن ان نتأكد من وجوده اي كيف نرصد الاكوان الموازية؟

 

(٧) لماذا هناك سهم للزمن؟

اكبر ٩ معضلات لم تحل في الفيزياء بعد!يتحرك الزمن إلى الامام بسبب خاصية للكون تعرف باسم الانتروبي entropy وهي تحدد مستوى العشوائية والتي تزداد فقط وبالتالي لا يوجد اي طريقة لعكس الزيادة في الانتروبي بعد ان تحدث. الحقيقة في ان الانتروبي تزداد هي مسألة منطق: هناك المزيد من الترتيبات العشوائية للجسيمات اكثر من الترتيبات المنظمة وبالتالي مع تغير الاشياء فانها تميل إلى التبعثر. لكن السؤال المطروح هنا لماذا كانت الانتروبي قليلة جدا في الماضي؟ او بمعنى اخر لماذا كان الكون منظما في البداية عندما كانت الطاقة محصورة في نطاق صغير في الفراغ؟

(٨) ما هي المادة المظلمة؟

اكبر ٩ معضلات لم تحل في الفيزياء بعد!هناك حوالي 84٪ من المادة في الكون لا تمتص او تشع ضوء وتعرف بالمادة المظلمة Dark matter وهي لا يمكن رؤيتها بطريقة مباشرة ولم يتم رصدها حتى الان باي طريقة غير مباشرة. ويتم الاستدلال على وجود المادة المظلمة وخواصها من خلال تاثيراتها الجاذبية على المادة المرئية، والاشعاع وبنية الكون. يعتقد علماء الفلك ان هذه المادة الظلالية تتغلغل في اطراف المجرات ومن المحتمل ان تتكون من جسيمات هائلة ذات قوى تفاعلية ضعيفة  والتي تعرف بالاختصار  WIMPs وهي اول احرف من weakly interacting massive particles. في ارجاء مختلفة من العالم هناك عدة انواع من الكواشف للبحث عن جسيمات WIMPs ولكن حتى الان لم يتم رصد اي منها. احد الدراسات الحديثة تقترح ان المادة المظلمة من الممكن ان تكون عبارة عن تدفقات حبيبية دقيقة وطويلة تنتشر عبر الكون ومثل هذه التدفقات يمكن ان تنبعث من الارض مثل الشعيرات.

 

(٩) ما هي الطاقة المعتمة؟

اكبر ٩ معضلات لم تحل في الفيزياء بعد!نعلم ان الكون في حالة تمدد واتساع مستمر وبمعدل متزايد. لاخذ هذا الامر في الحسبان افترض الفلكيون شيء غير مرئي يضاد الجاذبية ويعمل على ابعاد الزمان والمكان عن بعضهما البعض. اطلق على هذا الشيء الغير مرئي بالطاقة المعتمة dark energy. وفي افضل النماذج المعتمدة تعتبر الطاقة المعتمة ثابت كوني: وهي خاصية متأصلة للمكان تمتلك ضغط سالب يساهم في تمدد الكون. مع تمدد الكون يتوفر المزيد من الفضاء وبالتالي المزيد من الطاقة المعتمة. بالاعتماد على معدل التمدد يتمكن العلماء من معرفة مجموع كل الطاقة المعتمة التي يجب ان تشكل اكثر من 70% من المحتوى الكلي للكون. لكن لا احد حتى الان يعلم كيف يبحث عنها.

الوسوم

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

إغلاق
إغلاق