التناظر وقوانين الكون
قد تبدو القوانين التي تحكم كوننا معقدة ومتعددة: قانون حفظ الطاقة ، مبدأ الفعل ورد الفعل ، النسبية العامة ، النموذج القياسي للجسيمات ...
ومع ذلك ، فإن كل هذا التعقيد ينشأ من مفهوم أعمق وأنقى ، وكل هذه القوانين ليست سوى نتيجة لهذا المفهوم: التناظر أو التماثل.
1. التناظر و الكون
1.1. ماهو التناظر
في الرياضيات، نقول عن جسم أنه متناظر بالنسبة لعملية ما ، إذا كان تطبيق هذه العملية عليه لا تحدث فيه تغيرا. فالكرة على سبيل مثال لها تناظر- تماثل دوراني. فإذا قمنا بتطبيق دوران على الكرة في أي اتجاه فإنها تظل متطابقة و دون تغيير.
أما الحبل اللانهائي أو الخيط اللانهائي فهو يتمتع بتناظر من خلال الإنسحاب (الإنزلاق) حيث يمكننا أن ننتقل على طول الخيط و يظل متطابقا و دون تغيير.
1.1.التناظر في الكون
يمكن للكون أيضا أن يحتوي على أنواع من التناظر، يمكن أن ننظر الى تناظر الكون على أنه تحول لا يؤثر على قوانين الفيزياء.
لفهم ذلك ، لنتخيل كونًا فارغًا نجري فيه تجربة بسيطة جدًا: نرمي كرة: بمجرد إطلاق الكرة، لفإنها تستمر في التحرك للأمام بسرعة ثابتة.
الآن لنتخيل أننا ننتقل إلى مكان آخر في الكون ونعيد نفس التجربة. في هذا المكان أيضا، نلاحظ أن الكرة تستمر في التحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة، فهي تتصرف بنفس الطريقة مهما كان المكان الذي نجري فيه التجربة. وقوانين الفيزياء التي تخضع لها الكرة لا تتغير إذا غيرنا المكان الذي نجري فيه التجربة.
لذلك يخضع هذا الكون الفارغ لتماثل أو تناظر من خلال الإنسحاب (الإنزلاق). يمكننا الانتقال في الكون ، وإجراء التجربة في مكان آخر ، والنتيجة هي نفسها.
يخضع هذا الكون الفارغ أيضًا للتناظر عن طريق الدوران، يمكننا الالتفاف، وتغيير الاتجاه الذي نرمي نحوه الكرة، وسنحصل على نفس النتيجة.
أخيرًا ، هذا الكون أيضًا متماثل من خلال الوقت. يمكن أن ننتظر برهة من الزمن ونرمي الكرة، وسنحصل على نفس النتيجة، فقوانين الفيزياء لا تتغير من لحظة إلى أخرى.
2. قوانين الحفظ
إن حقيقة أن الكون يخضع لعديد التناظرات، ( إي أن قوانين الفيزياء تظل كما هي بعد تحولات معينة) تفرض أنواعا من القيود على سلوك الأشياء في هذا الكون.
لفهم ذلك ، دعنا نعود إلى كوننا الفارغ ونرمي الكرة. عند رميها ، تكتسب الكرة حركة أمامية. وفي اللحظة التالية تكون أبعد قليلاً.
لكن إذا افترضنا أن الكون متماثل من خلال الإنسحاب (الإنزلاق) ، أي أن قوانين الفيزياء تظل كما هي عندما نغير الموقع ، فإن الوضع يكون مثل اللحظة السابقة: مكان الكرة قد تحول ولكن قوانين الفيزياء ظلت هي نفسها في هذا المكان. وفي كل لحظة ، سوف تتطور بنفس الطريقة.
إذا كانت قوانين الفيزياء ثابتة عندما نغير المكان، فإن التناظر يجبر الكرة على الحفاظ على حركتها ، وهو ما يفسر سبب تتبعها لخط مستقيم بسرعة ثابتة.
بشكل مماثل، إذا كان هناك جسم يدور حول نفسه، و بما أن الكون يخضع للتناظر عن طريق الدوران، ففي اللحظة التالية، تكون الوضعية مماثلة، و التناظر يجبر الجسم عل الحفاظ على دورانه.
وبالتالي فإن كل تناظر في الكون، يفرض الحفاظ على كمية فيزيائية معينة، ففي حالة التناظر من خلال الإنسحاب (الإنزلاق) لا بد من الحفاظ على الزخم، وفي حالة الدوران لا بد من الحفاظ على الزخم الزاوي، و في التناظر من خلال الوقت لابد من الحفاظ على الطاقة.
يسمى هذا المبدأ نظرية نويثر. كل تناظر للكون يفرض الحفاظ على كمية فيزيائية بمرور الوقت.
3. التناظر في فيزياء الكم
تنطبق نظرية نويثر أيضًا على كل شيء موجود في الكون، وبشكل خاص على المجال الكمومي الذي يشكل المادة نفسها. يمكن أن يكون للمجال الكمي أيضًا تناظرات.
يتألف مجال الإلكترونات ، على سبيل المثال ، من أعداد مركبة ، ولا تتغير قوانين الفيزياء التي تصف الإلكترونات عندما يتم إزاحة طور كل هذه الأرقام المركبة في نفس الوقت.
لفهم ذلك ، فلنتخيل أننا نقيس ارتفاع طائرة من على الأرض. للتعبير عن ارتفاع الطائرة ، يجب على المرء تحديد مستوى مرجعي. على سبيل المثال مستوى سطح البحر.
من خلال تحديد هذا المرجع ، يمكن للمرء وصف الارتفاع برقم معين. لكن اختيار المرجع هذا اعتباطي ، يمكننا اختيار مستوى آخر ونقوم بقياس قيمة مختلفة للإرتفاع لكن الوضع لم يتغير بالنسبة للطائرة. ومع ذلك ، يمكن وصف نفس الموقف بشكل مختلف اعتمادًا على المستوى المرجعي المختار.
بنفس الطريقة بالنسبة لمجال الإلكترونات ، يمكن للمرء تغيير المستوى المرجعي أي تغيير طور الأعداد المركبة دون أن يؤثر ذلك على الوضع المادي الموصوف.
هذا التغيير في المرجع ، يشكل نوعا من التناظر، ووفقًا لنظرية نويثر ، فإن هذا التناظر يفرض أيضًا الحفاظ على كمية فيزيائية ، إنها الشحنة الكهربائية.
4. كوننا الحقيقي
إن قوانين الحفظ كقانون الحفاظ على الطاقة أو الشحنة الكهربائية ليست أساسية بشكل عام.
فمبدأ الفعل - رد الفعل ، على سبيل المثال ، الذي يحدث عند انفصال جسمين عن بعضها البعض، و الذي يفرض الحفاظ على الزخم هو فقط نتيجة للتناظرعن طريق الإنسحاب (الإنزلاق).
فإذا ذهب أحد هذين الجسمين في اتجاه معين ، فلا بد أن يسير الجسم الآخر في الاتجاه المقابل. بفضل هذا التناظر ، يمكن للصواريخ أن تقلع لأعلى عن طريق إخراج المادة إلى الأسفل.
لكن توجد مشكلة، فعلى عكس المثال المبسط للكون الفارغ ، فإن كوننا الحقيقي لا يبدو متماثلًا (متناظرا) تمامًا.
فالكون الحقيقي يتمدد بمرور الزمن، لذا فهو غير متماثل تمامًا بمرور الوقت. نتيجة لذلك ، على نطاق واسع ، لا يتم حفظ الطاقة في الكون ، فالضوء على سبيل المثال يفقد الطاقة تدريجيًا ، ويتمدد طول موجته مع توسع الكون (أو ما يعرف بالإنزياح للأحمر)
كما أن الكون ليس متماثلًا تمامًا من خلال الإنسحاب (الإنزلاق) فهو يحتوي على نجوم وكواكب ، بحيث لا يكون هو نفسه في كل مكان على هذا المقياس. وبالتالي ، إذا أسقطنا شيئًا ما ، لا يتم الحفاظ على زخمه بشكل عام.
فعلى الأرض ، على سبيل المثال ، تسقط التفاحة لأسفل وتتسارع . فحركتها تتغير بمرور الوقت لأن الوضع غير متماثل.
5. التناظر و الإطار المرجعي
5.1. تغيير الأطار المرجعي
من الوهلة الأولى لا يبدو أن كوننا متناظر. والأسوأ من ذلك أن قوانين الفيزياء تبدو مختلفة حسب الإطار المرجعي الذي نلاحظ منه.
عندما نرمي كرة داخل عجلة دوارة (مثل التي في مدينة الملاهي) مثلا ، سنلاحظ شيئا محيرا: إذا نظرت من الخارج ، فإن الكرة ستبدو لك بأنها تحافظ على حركتها بشكل مستقيم. ولكن إذا كنت داخل العجلة الدوارة ، فسترى أن حركة الكرة تتسارع وتسلك خطا غير مستقيم.
كيف نفسرذلك إذًا؟
إذا أردنا وصفًا جيدًا لكوننا عن طريق قوانين الفيزياء، فلا بد تلتزم جميع الأشياء والأجسام، مهما كان المكان الذي ننظر منه، دائمًا بنفس القوانين.
لكن سلوك الكرة هنا ليس هو نفسه.
لحل هذه المشكلة ، ولاستعادة الطابع المطلق لقوانين الفيزياء ، بحيث توصف الكرة بنفس القوانين في المكانين معا ، سيكون من الضروري إضافة عنصر جديد إلى وصفنا. وهو نوع من حقول القوة ، وهو ما يسمى بالقوى الوهمية ، وعلى وجه الخصوص قوة الطرد المركزي وقوة كوريوليس.
5.2. ثبات القوانين الفيزيائية
بإضافة هذه القوى ، تعود الصفة المطلقة لقوانين الفيزياء. يمكن الآن فهم سلوك الكرة جيدًا في أي إطار مرجعي إذا أضفنا مجال القوة هذا الذي يعتمد على الإطار المرجعي.
إن إضافة هذا النوع من مجال القوة هو أيضًا ما يؤدي إلى ظهور مفهوم انحناء الزمكان في نظرية النسبية العامة.
النسبية العامة هي نظرية قوية ومتماسكة للغاية لأنها تعيد الطبيعة المطلقة لقوانين الفيزياء. فعن طريق إضافة بنية أساسية جديدة للكون: انحناء الزمكان، تجعل النسبية العامة من الممكن وصف الكون من أي إطار مرجعي بنفس القوانين ونفس المعادلات.
6. التناظر الجزئي في الحقول الكمومية
بشكل مثير للدهشة، هذا المنطق (إضافة مجال من القوة لاستعادة ثبات قوانين الفيزياء)، هو أيضًا أساس جميع التفاعلات الأساسية في فيزياء الجسيمات.
لقد رأينا أن المجال الكمي للإلكترونات له تناظر. فالقوانين التي تصفها ثابتة عندما يتم إزاحة جميع الأعداد المركبة معا.
ولكن إذا تمت إزاحة طور كل جزء من المجال الكمومي على حدة، وبشكل مختلف، فسنرى أن القوانين التي تصف الإلكترونات قد تغيرت. تماما مثل الكرة التي داخل العجلة الدوارة.
إذا أردنا استعادة الطبيعة المطلقة لقوانين الفيزياء ، أي استعادة التناظر في المجال الكمومي مهما كان مستوى المرجع الذي نختاره ، يجب علينا تغيير وصفنا الرياضي أو الصيغة الرياضية، بمعنى آخر لا بد من إضافة حقل من القوة (مثل القوى الوهمية في مثال الكرة) يتفاعل معه مجال الإلكترون لشرح تغيره في السلوك.
هذا الحقل الجديد يسمى المجال الكهرومغناطيسي.
يحتوي المجال الكهرومغناطيسي على جسيمات تتفاعل مع الإلكترونات: الفوتونات.
فتنافر جسمين عن بعضهما البعض بشحناتهما الكهربائية، وعدم استطاعتنا اختراق الأجسام الصلبة بأيدينا، ووجود الضوء في الكون، كل هذه الأشياء هي نتيجة للتناظر الجزئي في المجالات الكمومية.
7. الختام
في الختام ، تتيح لنا دراسة تناظرات الكون أن نفهم بطريقة عميقة أصل القوانين التي تحكمه.
إن الكون له العديد من التناظرات. و هذه التناظرات تجعل جميع الأشياء والأجسام التي يحتويها الكون، تمتثل للقوانين الفيزيائية التي تحكمها. مثل قانون الحفاظ على الطاقة أو مبدأ الفعل و رد الفعل.
بالنظر إلى أن قوانين الفيزياء يجب أن تكون مطلقة ، فإن تغيير الإطار المرجعي، أو المستوى المرجعي ، يجب أن يشكل تناظرًا لا يؤثر على الواقع المادي. و عن طريق ذلك، يمكن أن نستنتج وجود هياكل جديدة في الكون مثل انحناء الزمكان، أو المجال الكهرومغناطيسي.
من الناحية العملية - التجريبية، تكشف التناظرات أيضًا الألغاز الخفية للمادة. فعن طريق قياس خصائص معينة للجسيمات ، ودراسة المخططات الهندسية التي يتم الحصول عليها، جعلت التماثلات من الممكن على وجه الخصوص فهم أن البروتونات والنيوترونات والباريونات الأخرى ، تتكون من ثلاثة أجسام أصغر ، والتي تخضع لتماثل أساسي قائم على الرقم 3: الكواركات.
هناك أيضًا تناظرات منفصلة ، على سبيل المثال عكس الشحنة والاتجاه في الفضاء والاتجاه في الوقت لجميع الجسيمات، يشكل نوعا من التناظر. إذ يمكن تفسير الجسيم المضاد بهذه الطريقة: كجسيم عادي يعود بالزمن إلى الوراء.
أخيرا، تفترض بعض النظريات الحديثة، أن الكون يحتوي على تناظر أعمق وأكثر دقة، بين جسيمات المادة (الفرميونات)، و جسيمات التفاعل (البوزونات) : إنه التناظر الفائق (للمعرفة أكثر انقر هنا).
تعليقات
إرسال تعليق
اكتب تعليقك اذا كان لديك اي تساؤل او اضافة