مم صنع العالم؟- المادة وعكسها

لنستذكر علاقة آينشتاين الشهيرة التي علمتنا أنه يمكن تحويل المادة إلى طاقة، وأن جزءاً يسيراً جداً من المادة، ينتج كمية هائلة من الطاقة من خلال هذا التحويل (كما يحدث في القنابل النووية مثلا). كذلك نعرف أن الطاقة نفسها تتكون من دقائق عديمة الكتلة، كالفوتونات مثلاً التي تشكل الضوء، وهو شكل نبيل من أشكال الطاقة، ليس له أي أثر سلبي على البيئة، بل بالعكس تماما فهو يساهم في عملية التمثيل الضوئي التي تحول غاز ثاني أكسيد الكربون إلى الفحوم الهيدرروجينية التي تشكل بدورها المصدر الوحيد للغذاء و بالتالي للجياة على الأرض. إن للفوتونات خواص المادة أيضاً، فهي تتأثر بحقول الجاذبية الكبرى، إذ ينحرف الضوء عن مساره عندما يدخل في حقل جاذبية أحد الأجرام السماوية الكبرى كالنجوم و الثقوب السوداء.
هل يمكننا القول إذاً أن المادة ما هي إلا شكل من أشكال الطاقة المركزة إلى حد بعيد جداً، وأننا لو أمعنّا فيها تجزئة لوصلنا إلى حالة نقطية عديمة الأبعاد والكتلة (كالفوتونات مثلاً)؟
ها قد عدنا إلى التصور الهندسي لفيثاغورث وأفلاطون عن البنية الهندسية للمادة الجوهر، أو لما وراء الأشكال المادية التي نراها، والتي يمكن ردها إلى قدرة انتظمت بطريقة هندسية!
و كما ندرس المادة، و بما أن الكون متناظر فهناك (المادة المضادة) أو ما يسمى أحياناً (بعكس المادة) أو (نظير المادة) وهو مفهوم هام تناولته الفيزياء الحديثة بالبحث، فما هي المادة المضادة؟
لقد ظهر مفهوم المادة المضادة أول مرة في أعمال العالم النظري (ديراك) في الثلاثينات، الذي كان يطمح إلى بناء نظرية تصف الإلكترون و أن تكون نظريته هذه كمومية ونسبية في آن واحد، أي أن تعرّف الإلكترون بصفتين معا: مرة على أنه جسيم مادي، و أخرى على أنه ظاهرة طاقية، إنما اعترضته مشكلة مؤداها أن حساباته وصفت جسيماً يماثل الإلكترون في الكتلة ويعاكسه في الشحنة الكهربائية، هذا الجسيم لم يكن قد شوهد قبل ذلك أبداً. وسرعان ما اتضح وجود هذا الجسيم تجريبياً من خلال أعمال (أندرسون) الذي كشف عن أثر ينحني في الاتجاه المعاكس لمسار الالكترونات ضمن الحقل المغناطيسي، ثم أمكن قياس كتلة الجسيم المضاد للإلكترون، وسمي (بوزيترون).
لم يلحظ (ديراك) في تلك الآونة شمولية ما توصل إليه، والواقع أن هذا التفرع: جسيم/جسيم مضاد، هو تفرع كوني شامل يتجاوز حالة الإلكترون، الأمر الذي وعاه الفيزيائيون تدريجياً بعد ذلك، فقد تبين فعلاً، أن إنشاء نظرية كمومية نسبية لوصف جسيم ما، يظهر تلقائياً ضرورة وصف منظر ينطبق على ما سندعوه منذ الآن (الجسيم المضاد)، ومن المستحيل أن نتخيل وجود جسم دون أن يكون مضاده موجوداً. وكما أن هناك الكترون مضاد سميناه (بوزيترون) فلابد من وجود بروتون مضاد إلا أن كشفه يحتاج إلى كمية من الطاقة أكبر بكثير مما يحتاجه كشف البوزيترون، وكان لابد من الانتظار حتى الخمسينات حين ظهرت مسرعات للدقائق، لها من القوة ما ساعد على الكشف عن البروتون المضاد، أشهر هذه المفاعلات مفاعل (CERN) على الحدود بين فرنسا و سويسرا.
الجسيم المضاد يتجلى إذاً بعكس الشحنة الكهربائية، لكن ما هو وضع جسيم غير مشحون، كالنيوترون مثلاً؟ هل ثمة نيوترون مضاد؟
لقد تعلمنا في السنوات الأخيرة أن الشحنة الكهربائية ما هي إلا واحدة من شحنات أخرى، فالدقائق (الأولية) تحمل عدة أنواع أخرى من الشحنات، لكن الشحنة الكهربائية هي المألوفة لدينا لوفرة ما تبديه من ظواهر على الصعيد المرئي (الصعيد الجسمي). هناك شحنات أخرى لا تظهر إلا في التأثيرات المتبادلة ذات المدى القصير جداً، كالتأثير المتبادل النووي، من ذلك شحنة تدعى (الشحنة الباريونية) التي تمتاز بها الجسيمات الثقيلة أو (الباريونات)،كالبروتون، والنيوترون.
ان شحنة النيوترون الكهربائية معدومة حقاً، لكنه يحمل شحنة أخرى، هي الشحنة الباريونية، فلا بد إذاً من وجود نيوترون مضاد، شحنته الكهربائية معدومة، لكنه يحمل شحنة باريونية مناظرة لشحنة النيوترون.
هناك بعض الدقائق التي ليس لها شحنة كهربائية ولاباريونية ولاغيرها على الإطلاق، كالفوتون مثلاً، في هذه الحالة لا يوجد فرق بين الدقيقة ومضادها، فيصح القول أن الفوتون المضاد مطابق للفوتون، أو بتعبير آخر فإنه في حالة الفوتون لا يمكن تمييز الدقيقة من مضادها، أو أن الدقيقة نفسها متناظرة، ولا حاجة لشيء آخر مناظر.
عندما يبطل التناظركما في حالة الفوتون الذي يشكل اللبنة الأساسية في بنية الضوء، نصل إلى ذلك المكان المتوسط الذي يمكن اعتباره محوراً للتناظر، ولا ننسى أن الضوء، يلعب دور المستند المطلق أو المرجع الكوني الثابت وفقاً للنظرية النسبية وهذا ما يبين غنى وتعقد الأفكار المتعلقة بفهم المادة.
عندما يلتقي جسيم مع مضاده، تحدث ظواهر شديدة العنف إذ تتحرر كمية كبيرة من الطاقة إثر هذا اللقاء، فتتفانى المادة و مضادها تماماً وتتحولان بالكامل إلى طاقة بعكس ما يحدث في التفاعلات الذرية أو النووية التي يتحول من خلالها جزء يسير من المادة فقط إلى طاقة بينما تتحول معظم مادة التفاعل إلى رماد ذري و أنواع أخرى من المادة و النظائر المشعة. مثلاً عندما يلتقي المتضادان: الإلكترون و البوزيترون، فإنهما بلقائهما يتفانيان ليعطيا الضوء.
لقد ذكرنا الضوء كمقابل (للمادة)، لكن الضوء مادي أيضاً كما رأينا، إنه شكل آخر للمادة، في الوقت نفسه هو محور تناظرها لجهة الشحنة و الكتلة وهكذا فإن المادة والمادة المضادة عندما تأخذان في تفاعلهما معا ، تعطيان مجموعة حيادية ، هذه المجموعة قد تكون ضوءاً أومجموعات من (الميزونات بي) مثلاً كما يحدث عندما يلتقي بروتون ومضاده.
الفوتونات إذا دقائق ليس لها كتلة، أو بقول آخر: إن طاقتها كلها طاقة حركية، وهذا يعني أن الإلكترون والبوزيترون قد تحولا أثناء تلاقيهما إلى طاقة حركية، ففي تلاقي الإلكترون مع البوزيترون ظهرت طاقة كانت مستترة وكامنة، لأنها كانت مخزونة على شكل كتلة. لقد ظهرت من خلال هذا اللقاء حقيقة المادة الأولى و هي الضوء أو النور، الذي كان أسير المادة.
سنجد فيما يلي أن تفاني المادة وضدها يمكن أن يغدو مصدراً لطاقة المستقبل، بعد أن أصبح حقيقة علمية تحدث في المخابر كل يوم، لكن لأهداف علمية فقط حالياً.
ستكون الخطوة التالية في تطور تقنيات الجسيمات المضادة، هي تصنيعها وتخزينها على شكل ذرات وجزيئات هيدروجين مضادة، وهذا لن يكون سهلاً، إذ يجب تفخيخ عدد كبير من البوزيترونات، ومن ثم وضع بروتونات مضادة في المصيدة نفسها، وبالتالي فإن البروتون المضاد سيأسر بوزيترون ليكونا معاً هيدروجيناً مضاداً.
لقد تبين أن تخزين الناتج أصعب من تصنيعه لأن ذرة الهيدروجين المضادة لا تملك شحنة كهربائية، لذا لا يمكن التأثير عليها بواسطة المجال الكهربائي، ولا يمكن أن تحفظ في القارورة التي تحوي البروتونات المضادة والبوزيترونات، لذلك وضع العلماء عدة اقتراحات لحفظ وتخزين هذه المادة المضادة يعتمد أحدها على الاستفادة من (قفص) مصنوع من حزمة ليزرية فوق بنفسجية. هناك اقتراح آخر يستند إلى كون الهيدروجين المضاد مادة معاكسة مغناطيسياً، لذا فإن المجالات المغناطيسية الجبارة تدفعه بعيداً.
يمكن تصميم مجال مغناطيسي قوي، ثلاثي الأبعاد على هيئة كأس، فيلعب هذا الترتيب دور المصيدة للهيدروجين المضاد، الذي نحصل عليه في هذه الطريقة على شكل كرات الثلج.
لقد حققت هذه التقنية نجاحاً عندما طبقت على الهيدروجين العادي، لذا يعتقد أنها ستكون فعالة عندما تطبق على الهيدروجين المضاد*.
ستستخدم المادة المضادة مستقبلاً في تشكيل أخيلة داخل الجسم، بما في ذلك الجسم البشري، لهذا النوع الجديد من (التصوير) فوائد عديدة مقارنة بالطرق المعروفة حالياً، فكمية الإشعاع التي يتعرض لها المريض اقل مئة مرة، كما يمكن تسخير هذه الطريقة في تدمير الأورام السرطانية بالكامل.
لكن أهم استخدامات المادة المضادة مستقبلاً، هو استعمالها كوقود في محركات الدفع الصاروخي. وبالتبسيط فإن محرك الدفع الصاروخي الذي يعمل على الهيدروجين وضده يتألف من اسطوانة من التنغستن طولها (28) سنتيمتر، و قطرها(28) سنتيمتر أيضاً، ووزنها حوالي (330) كيلوغراماً.
تضخ البروتونات المضادة إلى قارورة مليئة بغاز الهيدروجين في اسطوانة تقوم بدور المرجل، فتتحول المادة وضدها في المرجل إلى أشعة (غاما) التي تستخدم في دفع الصاروخ. إن هذه الطريقة في الدفع تزيد السرعة ضعفين أو ثلاثة أضعاف مقارنة بصواريخ الدفع الكيميائي المستعملة حالياً.
إن صغر حجم المحرك الصاروخي، وانخفاض كتلة الوقود بالنسبة لكتلة الصاروخ في حال استخدام المادة المضادة وقوداً، يجعل هذا الاستخدام مناسباً للأسفار القريبة والبعيدة نسبياً عن الأرض. خلال بضع سنوات قادمة، ستنتقل المصائد المحتوية على البروتونات حول العالم، ليس من أجل الأبحاث العلمية فقط، بل من أجل التطبيقات العملية في مجال الطب أيضاً. وخلال عقدين كاملين سيصنع مضاد الهيدروجين وربما مضاد مواد أخرى، وستحفظ في مخازن مجهزة لهذا الغرض.
ستجد المادة المضادة في العقود القادمة تطبيقات جديدة، وسيزداد إنتاجها، مما سيؤدي إلى انخفاض في سعرها، عندئذ ستصبح رحلات الفضاء في متناول الكثيرين، إذ سيكفي للقيام بمثل هذه الرحلات، غرامات قليلة من المادة المضادة.
--------------------
* الدكتور ابراهيم كامل بلال – لغز المادة المضادة، الصفحة 144، العدد 448، آذار 1996 –العربي.

توقيع طارق زينة
[size=32]قبل القيام بالثورة، يجب تسليح الرأس لا الأيدي[/size]

مم صنع العالم؟- المادة وعكسها

مم صنع العالم؟- المادة وعكسها :: تعاليق

مم صنع العالم؟- المادة وعكسها