كيف ظهر الكون إذا كانت المادة والمادة المضادة تفنيان بعضهما؟

“كل ملاحظاتنا تجد تماثلا كاملا بين المادة والمادة المضادة، وهذا هو السبب في أن هذا الكون لا ينبغي أن يوجد في الواقع” كريستيان سمورا

أحد أسرار الفيزياء الحديثة هو لماذا لم تدمر المادة المضادة الكون في بداية الزمان.

ولتفسير ذلك، يفترض الفيزيائيون أنه يجب أن يكون هناك بعض الاختلاف بين المادة والمادة المضادة – باستثناء الشحنة الكهربائية. بغض النظر عن هذا الاختلاف، فهو ليس في مغناطيستهم، يبدو.

لقد قام علماء الفيزياء في سيرن في سويسرا بأخذ القياس الأكثر دقة على الإطلاق للحظة المغناطيسية لمضاد للبروتون – وهو رقم يقيس كيف يتفاعل الجسيم مع القوة المغناطيسية – ووجد أنه بالضبط نفس الشيء الذي يحدث عند البروتون ولكن مع إشارة مختلفة. نشر العمل في مجلة الطبيعة.

قبل عدة أسابيع، نشرت دورية نيتشر (Nature) الشهيرة ورقة بحثية جديدة(2) مثيرة للانتباه صادرة من مؤسسة سيرن (CERN)، المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية، تحديدا من تعاون متعدد الجنسيات يُدعى “بيز” (Base) وهو اختصار لـ “تجربة تماثل الباريونات والباريونات المضادة”، لتؤكد بعد أدق قياس ممكن في التاريخ للخصائص المغناطيسية للبروتونات ومضادات البروتونات أنه لا يوجد أي اختلاف ما بين القيم لكل منهما، ما يعني أن التماثل/التناظر بين المادة والمادة المضادة ما زال قائما، مما يزيد من غموض أحد أهم الأسئلة في العلم إلى الآن: أين ذهبت المادة المضادة؟

ما الذي يحدث هنا؟

لكي نبدأ في فهم كل هذا التعقيد الموجود بالفقرتين السابقتين نحتاج أولا أن نهدأ قليلا، ثم نبدأ في تعلّم بعض الفيزياء المبسطة، دعنا كبداية نعود بالزمن إلى الخلف، تحديدا عند ما نعتقد أنه حدث قبل 13.8 مليار سنة، إنه الانفجار العظيم() (Big Bang)، الذي أوجد -كما نظن- كل الكون الذي نعرفه الآن، لكن لفظة “انفجار” تُعطي دائما انطباعا خاطئا عما يعنيه هذا الحدث الاستثنائي، حيث نتحدث هنا -لا عن انفجار ولكن- عن تمدد، ظهور للكون بالكامل، للزمن نفسه والمكان، من نقطة واحدة لا نعرف خصائصها بعد، لكننا نعرف فقط أنها احتوت على قدر عظيم من الطاقة، في الحقيقة يطرح ذلك أول أسئلتنا في هذا التقرير، حيث ما الطاقة؟

إنها -ببساطة- الصورة الأخرى للمادة، وذلك حسب أشهر معادلة في تاريخ العلم E=mc2، لفهم ذلك، ولغرض التقريب فقط*، يمكن لنا تصوير الكتلة والطاقة على أنهما عُملتان مختلفتان، كالدولار والجنيه مثلا، يمكن لنا أن نبدّل بين كل منهما عبر الضرب أو القسمة على رقم محدد، حاليا هو رقم يدور حول 17.6 جنيها لكل دولار، كذلك بالنسبة لمعادلة أينشتاين فإن “مربع سرعة الضوء” هو تلك السبعة عشر جنيها وستون قرشا، والتي نضربها في الكتلة لكي تتحوّل إلى طاقة، لذلك نتمكّن من تحويل 1 جم من المادة إلى 90 تريليون جول من الطاقة، أو العكس.. نحتاج نفس القيمة من الطاقة للحصول على 1 جم من المادة، لكن كيف يحدث ذلك؟

يحدث عبر تكثيف ذلك الكم الكبير من الطاقة في مساحة صغيرة جدا، لكن قوانين الفيزياء تعلمنا أن الطاقة لا يمكن أن تنتج مادة فقط، بل مادة مضادة أيضا، يشبه الأمر أن نقول إن (س2 = 4) هي معادلة مطلوب حلّها، لكن لاحظ معي أنه ليس لها حل واحد، حيث يمكن لـ 2 موجبة حينما نقوم بضربها في نفسها أن تتحوّل إلى 4، لكن كذلك يمكن لـ -2 (سالب 2) أن تعطي نفس الناتج حينما نضربها في نفسها (سالب ضرب سالب يساوي موجب كما تعرف)، لكن بالنسبة للطاقة فإن تكثيفها يعطينا المادة ومادة مضادة.

المادة المضادة (antimatterلها نفس خصائص المادة لكن مع شحنات مختلفة، بمعنى أن الإلكترونات المضادة (نسميها البوزيترونات (Positron)) لها نفس الكتلة لكن بشحنة موجبة، البروتونات المضادة لها نفس الخصائص لكنها سالبة، وهكذا على مستوى كل الجسيمات الخاصة بالنموذج المعياري فإن كل جسيم له جسيم مضاد.

كل جسيم إذن يخرج إلى الوجود مترافقا مع توأمه المضاد، بكميات متساوية تماما، حتى في الفراغ المحض فإن طاقة الفراغ تُنتج جسيمات افتراضية ومضاداتها، ثم ما تلبث الجسيمات والجسيمات المضادة أن تلتقي معا مرة أخرى وتتحولان إلى طاقة من جديد، وهذا هو ما يحدث إن التقت أية مادة مع المادة المضادة، سوف تُفني كل منهما الأخرى وتتحولان فورا إلى طاقة صرفة، بل إن جراما واحدا من المادة المضادة يكفي إن التقى مع رفيقه من المادة العادية لتوليد طاقة قادرة على وضع صاروخ في مداره حول الأرض.

أين ذهبت المادة المضادة؟

لكن المشكلة الأولى هنا تظهر حينما نتأمل مفردة الانفجار العظيم، حيث في اللحظات الأولى من تاريخ الكون -نتحدث عن الأجزاء الأولى من الثانية الأولى من لحظة الانفجار- كان من المفترض أن تخرج الجسيمات الأولى إلى الوجود مع جسيماتها المضادة، فيُفني كل منهما الآخر ثم يتحولان إلى طاقة من جديد، ويستمر الأمر هكذا إلى الأبد، لكن ذلك لم يحدث، فقد انتصرت المادة وبقيت في الكون بينما اختفت المادة المضادة تماما، وباءت -إلى الآن- كل محاولاتنا في البحث عنها في هذا الكون بالفشل.

لذلك فإن الافتراض الأقرب إلى التصديق هو أنه -لسبب ما- كانت كمية المادة في اللحظات الأولى من تاريخ الكون أكبر من رفيقتها المادة المضادة بما مقداره جزء واحد من كل عشرة بلايين جزء، أي -مثلا- مع كل “10 بلايين” جسيم مضاد خرج “10 بلايين + 1” من الجسيمات، ثم بعد ذلك أفنى كل منهما الآخر ولم يتبق ويتجمع شيئا فشيئا إلا هذا الـ”واحد”، وهذا الفارق الصغير هو ما صنع الكون الذي نراه الآن، لكن كيف يمكن تفسير ظهور هذا الفارق؟ ما هذا السبب؟

هذا هو -ربما- أهم سؤال مطروح على طاولة النقاش العلمي الآن، إنه سر وجود الكون، وهو ببساطة سؤال إجابته تساوي جائزة نوبل، وخلال السنوات التسعين السابقة -وإلى الآن- دارت الفيزياء النظرية والتجريبية حول محاولات لإجابة هذا السؤال، حيث كان أول مَن أكّد وجود المادة المضادة هو شاب يافع من كالتيك يُدعى “كارل أندرسون” ( Carl Anderson) حينما لاحظ وجود جسيم يشبه الإلكترون في كتلته لكنه يسلك سلوك الجسيمات الموجبة.

بعد ذلك بدأت بقوة محاولات رصد وإنتاج المادة المضادة، ويمكن لنا فعل ذلك عبر صدم جسيمات -البروتونات مثلا- ببعضها البعض فينتج قدرا من الطاقة كافيا لإنتاج جسيمات أخرى مع جسيماتها المضادة، هنا نتمكن من عزلها وإقامة التجارب عليها، وكانت التجارب الأولى لكشف المادة المضادة تعمل عبر تمرير الأشعة الكونية عبر ما نسميه (الغرفة السحابية)، وهي غرفة صغيرة تحتوي على أبخرة مشبعة تتفاعل معها جسيمات المادة والمادة المضادة وتترك أثرا يمكن التقاطه.

تمكنّا من اكتشاف البروتون المضاد في الخمسينيات عبر مسرّع جسيمات يسمى البيفاترون (Bevatron) والموجود في مختبر لورنس بيركلي الوطني، وهو نفسه صاحب الفضل في اكتشاف النيوترون المضاد بعدها بعام واحد، ثم يمتد خط الاكتشافات وصولا إلى كيفية الحصول على المادة المضادة بكميات غاية في الضآلة ولمدد مناسبة -450 يوما في التجربة الأخيرة، لكن لا تدع ذلك يخيفك، فكل المادة المضادة التي حصلنا عليها إلى الآن لا تكفي إلا لتسخين الشاي في عدة فناجين لدرجة تجعل من المقبول شربه، الحصول على كم من المادة المضادة من أجل الوقود يكلف بذل طاقة أكبر من التي تنتج، لذلك فإنتاجه لا يتم إلا لأغراض علمية.

كسر التماثل

جميل جدا، الآن نعرف ماهية المشكلة التي نواجهها، في الستينيات بدأت المحاولات الأولى لإثبات أن ذلك التماثل المتوقع بين الجسيمات والجسيمات المضادة يمكن أن ينكسر، وبذلك يمكن لنا إعطاء أسباب واضحة لظهور الكون بصورته التي نراها حاليا، لكن قبل الولوج إلى تلك المنطقة دعنا كبداية نعرّف ما يعنيه هذا “التماثل/التناظر (Symmetry)

حينما ننظر إلى الكرة من أي موضع، من اليمين أو اليسار أو الأعلى أو الأسفل، يمكن أن نقف هنا على اليمين أو هناك بالأسفل، أو في آخر الشارع، وننظر ناحيتها فنجد أن شكلها لا يتغير، إنها تبدو نفس الكرة في كل مرة، هنا يمكن القول إن الكرة تمتلك تماثلا دورانيا (Rotational symmetry)، أما المكعب فيمكن لنا إدارته بمقدار محدد فقط ليبدو كما كان في كل دورة، غير ذلك فإنه يمكن أن يؤدي إلى أشكال مختلفة بالنسبة للناظر، هنا نقول إن المكعب “يكسر التماثل الدوراني”.

يكون الجسم متماثلا إذن -بتعبير الرياضياتي الشهير هيرمان فايل- حينما تصنع تغييرا ما له لكنه يظل نفس الشيء قبل وبعد التغيير، فمثلا يمكن لك أن تصنع تجربة ما في المعمل، ثم تأخذ نفس التجربة إلى المنزل، الآن أنت قد غيّرت مكان التجربة، لكن رغم ذلك ما زالت تعمل بنفس الآليات لم تتغير، هنا نقول إنها تجربة متماثلة انتقاليا، أي بتغيير موضعها في المكان لم تتأثر، تفيد تلك الخاصية (التماثل) كثيرا في حل مشكلاتنا مع المعادلات، فنحن نرى التماثل في كل مكان بالطبيعة، مما يعني قدرة على توقع وجوده.

في فيزياء الجسيمات هناك كذلك عدة أنواع من التماثل، أحدها هو أن يخرج الجسيم مع رفيقه المضاد بكميات متساوية تماما ولكن مع شحنات متعاكسة (وحفظا لنفس العدد من أرقام كمّية أخرى لا حاجة إلى الخوض فيها الآن)، نسمي ذلك باقتران أو تماثل الشحنة (C-symmetry)، وهو ما نتوقع أنه ظهر بعد الانفجار العظيم حيث من المفترض أن تظهر كل المادة مع كل المادة المضادة، كذلك هناك تماثل في التوجّه (Orientation) الخاص بالجسيم، ويعني صورة الجسيم في المرآة، أي أن تنعكس إحداثياته، ويشبه ذلك أن ترفع أمامك أصابعك الثلاثة من يدك اليمنى (فتشير بالإبهام إلى الأعلى، والسبابة إلى الأمام، والوسطى إلى الجانب وتصنع بهم ثلاثة أبعاد) واليد اليسرى أيضا، هنا سوف تكون يدك اليمنى كأنها صورة معكوسة في المرآة لليد اليسرى، ويسمى ذلك تكافؤ الجسيمات (Parity).

وأخيرا هناك نوع آخر نراه في عالم الجسيمات وهو التماثل في الزمن (Time inversion)، أي إنه مع تغيير إشارة الزمن إلى السالب في المعادلات الرياضية، أي عودة في الزمن إلى الوراء، فإنه لا يحدث أي تغير. ويعني ذلك أن المعادلة الفيزيائية تعمل في الاتجاهين، فحينما نقول إن E ذهبت في اتجاه تحقيق mc2 فإن الأخيرة يمكن أن تذهب كذلك باتجاه تكوين الطاقة E من جديد، وعلى الرغم من أن ما نراه على أرض الواقع لا يحقق تلك الفكرة، فنحن لا نرى السكّر الذائب بالشاي يُعاد من جديد إلى سكر وشاي، أو نرى منزلا مهدّما يعود فينتظم من جديد، لكن القوانين الفيزيائية تملك هذا النوع من التماثل الذي لا يتأثر بالزمن.

مهمتنا الآن هي محاولة للتحقق من كسر أي تماثل من الثلاثة السابقة، وقد توصل العلماء بالفعل من خلال دراسة القوة النووية الضعيفة إلى أن هناك حالات ينكسر فيها تماثل الشحنة، مثل حالة النيوترينو (اليد اليسرى)، لكن تلك الحالات تم تلافيها حينما اكتشفنا أن التماثل ليس تماثل شحنة فقط، وإنما تماثل شحنة وتوجّه

لكن رغم ذلك، ظهر أول انكسار في تماثل كم وتكافؤ (CP symmetry) المادة مع المادة المضادة عبر تجارب جيمس كورنين (James Cronin) وفال فيتش (Val Fitch) على جسيم يُدعى الكاون (kaon) في الستينيات، حيث حينما يتحلل هذا الجسيم فإن كمية المادة والمادة المضادة الخارجة من التفاعل تختلف بما مقداره 1.0066 بين الاثنين، المادة والمادة المضادة، ويعني ذلك كسرا واضحا للتماثل المفترض في الشحنة والتكافؤ (CP violation)، لكن من جديد يظهر حل لتلك المعضلة، فكما في الحالة السابقة سوف نعكس شحنة الجسيم، ثم نضعه أمام المرآة لينعكس التماثل الخاص بالتوجه (Parity) ولكن سوف نضيف أيضا انعكاسا للزمن.

هنا يمكن أن نتأمل تلك الفكرة قليلا، فالانعكاس في الزمن يدفعنا إلى أن نمثّل البوزيترون -كما يقول ريتشارد فاينمن- كإلكترون يعود في الزمن، فنكتشف أن هناك تماثلا جديدا، إنه ما نسميه تماثل الشحنة والتكافؤ والزمن (CPT – Symmetry)، وهذا هو التماثل الذي لم ينكسر إلى الآن، كل شيء في الكون يمر بهذا التماثل، بمعنى أننا إن عكسنا شحنة كل جسيمات هذا الكون C، ثم عكسنا صورة توجهه/تكافؤه في المرآة P، ثم عكسنا الزمن T، فإنه سيعمل تماما كهذا الكون الذي تسكن فيه الآن، وتلك هي المشكلة، لا نجد إلى الآن كسرا للتماثل.

تخيل معي أنك الآن تقف في صحراء قاحلة ممتدة، حينما تنظر في أي مكان في مستوى نظرك لا تجد شيئا، إلى اليمين واليسار وإلى الأمام والخلف، لا يوجد إلا صحراء ممتدة، هنا يمكن القول إن تلك حالة “تماثل”، الآن دعنا نبني مدينة ضخمة في تلك الصحراء وتقف أنت الآن في أحد شوارعها، حينما تنظر في كل الاتجاهات سوف تجد مشاهد مختلفة، إلى اليمين سيارات، وإلى اليسار محلات، إلى الأمام طريق ممتد، وإلى الخلف طريق آخر بصفات مختلفة، يُعدّ ذلك بالطبع كسرا للتماثل، لكن على الرغم من ذلك فإن هناك، يتخفّى في الخلفية، تماثلا بُني عليه عدم التماثل الذي تراه، إنه الصحراء التي بُنيت عليها المدينة.

“ربما يظهر كسر التماثل في الفيزياء هنا أو هناك في مكان ما فنتمكّن أخيرا من فهم سر وجود هذا الكون كما نعرفه في الوقت الحالي”

هكذا في عالم فيزياء الجسيمات، فما إن نجد انكسارا للتماثل، ونبدأ بالاحتفال، حتى نكتشف أن هناك تماثلا أعم في الخلفية يحتوي هذا الانكسار ويضبط وضعه في لوحة أكبر، لكن تتبع التماثل وانكساره كان على مدى السنوات -قُل الثمانين- السابقة هو سر تقدم الفيزياء كما نعرفها، إنه أحد أهم أسباب ظهور النموذج المعياري لفيزياء الجسيمات، والذي هو أعظم إنتاج علمي بشري إلى الآن، والنموذج صاحب النتائج الأدق في تاريخ العلم، لذلك لا نتعجب حينما يقول فيليب أندرسون -نوبل فيزياء 1997- في مقال بعنوان “الأكثر مختلف” “الفيزياء هي العلم الذي يدرس التماثل”.

جميل جدا، الآن أتممنا فهم غرض التجربة الأخيرة في سيرن وسر أهميتها، فقد كانت تلك المحاولات الأدق هي رغبة في استشفاف أي قدر من كسر التماثل من النوع(18) (CPT-symmetry) لخصائص تلك البروتونات ومضاداتها، وما حدث هنا هو أدق قياس في التاريخ لتلك الخصائص، حيث تصل دقة تفاصيل النتائج إلى الرقم التاسع بعد العلامة العشرية 2.7928473441(42، وهو بذلك 350 مرة أدق من القياسات السابقة، بذلك تصبح تجربة سيرن الجديدة هي فقط أدق تأكيد ممكن إلى الآن على صحة تماثل الشحنة والتكافؤ والزمن (CPT-symmetry)، لكنها أيضا أكبر مشكلة نواجهها في فهم الكون إلى الآن.