ما هو أصغر جسيم في الكون؟

اعتُبرت الذرة لقرون عديدة اللبنة الأساسية للمادة - غير قابلة للتجزئة، وأبدية، وكاملة. إن الكلمة نفسها تأتي من الكلمة اليونانية "atomos"، والتي تعني غير قابلة للقطع. ولكن مع تطور العلم، تطورت أدواتنا وأسئلتنا أيضًا. انقسمت الذرة، كاشفة عن نواة من البروتونات والنيوترونات محاطة بسحابة من الإلكترونات. ثم انقسمت النواة مرة أخرى، وداخل تلك البروتونات والنيوترونات، اكتشف العلماء مكونات أصغر: الكواركات. كانت هذه الرحلة إلى العالم دون الذري رحلة تقشير للطبقات، وكشف في كل مرة عن شيء أصغر وأغرب وأكثر جوهرية. إذ نعلم اليوم أن الذرات ليست أصغر الجسيمات. والإلكترونات، التي تدور حول النواة، هي جسيمات أولية - مما يعني أنها ليست مصنوعة من أي شيء أصغر منها، على الأقل بقدر ما يمكن للعلم الحالي أن يخبرنا به. ومن ناحية أخرى، فإن البروتونات والنيوترونات هي جسيمات مركبة مكونة من الكواركات، متماسكة معًا بواسطة الغلوونات، وهي حاملات القوة النووية الشديدة. أدت هذه الاكتشافات إلى تطوير النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، وهو إطار عمل يُصنّف جميع الجسيمات الأساسية المعروفة والقوى التي تحكمها. ولكن حتى ضمن هذا النموذج، يبقى السؤال: أي من هذه الجسيمات هو الأصغر حقًا؟ وهل يُمكن أن يكون هناك جسيم أصغر ينتظر اكتشافه؟

الكواركات واللبتونات وحدود القياس

وفقًا للنموذج القياسي، تنقسم أصغر الجسيمات المعروفة إلى فئتين: الكواركات واللبتونات. تأتي الكواركات بستة أشكال: علوية، سفلية، ساحرة، غريبة، قمية، وسفلية، وتتحد لتكوين بروتونات ونيوترونات وهادرونات أخرى. تشمل اللبتونات الإلكترونات والميونات والتاو والنيوترينوات. تُعتبر هذه الجسيمات نقطية، أي أنها لا تمتلك بنية داخلية معروفة ولا حجمًا قابلًا للقياس. ولكن ماذا يعني "الأصغر" حقًا في هذا السياق؟ يقيس الفيزيائيون الجسيمات من حيث الكتلة والمدى المكاني. ومن حيث الكتلة، تُعد النيوترينوات أخف الجسيمات المعروفة ذات الكتلة غير الصفرية. إنها خفيفة لدرجة أن كتلتها الدقيقة لا تزال غير معروفة، على الرغم من أننا نعلم أنها أصغر بما لا يقل عن 500000 مرة من كتلة الإلكترون. كما تشتهر النيوترينوات بصعوبة اكتشافها، حيث تمر عبر المادة دون أي تفاعل تقريبًا - تتدفق تريليونات منها عبر جسمك كل ثانية دون أن تترك أثراً. من حيث الحجم المكاني، تُعامل الجسيمات مثل الإلكترونات والكواركات كجسيمات نقطية في نظرية المجال الكمومي، مما يعني أنها لا تشغل أي حجم. ومع ذلك، فهذا تجريد رياضي. في الواقع، لا يمكننا قياس حجمها بشكل مباشر لأنها لا تبعثر الضوء ولا تحتوي على أسطح بالمعنى الكلاسيكي. بدلاً من ذلك، نستنتج خصائصها من خلال التصادمات عالية الطاقة في مسرعات الجسيمات، مثل تلك الموجودة في سيرن أو فيرميلاب. تشير هذه التجارب إلى أنه إذا كان للجسيمات مثل الكواركات أو الإلكترونات حجم، فهو أصغر من 10 ^ -18 مترًا - وهو ما يتجاوز بكثير مدى الأجهزة الحالية. وبينما يمكننا القول إن الكواركات واللبتونات هي أصغر الجسيمات التي نعرفها، يتعين علينا أيضا أن نعترف بأن أدواتنا ربما لا تكون حساسة بما يكفي لاكتشاف شيء أصغر.

الحدود النظرية: الأوتار، البريونات، والمجهول

إن البحث عن أصغر جسيم ليس مجرد بحث تجريبي، بل هو في جوهره نظري. يعتقد بعض الفيزيائيين أن ما نسميه "جسيمات أولية" قد يكون بحد ذاته مكونًا من كيانات أكثر جوهرية. وإحدى هذه الأفكار هي نظرية الأوتار، التي تفترض أن جميع الجسيمات هي في الواقع أوتار طاقة دقيقة مهتزة، لكل منها تردد مختلف يتوافق مع جسيم مختلف. وفي هذا الرأي، فإن الطبيعة الظاهرية للجسيمات، الشبيهة بالنقطة، هي وهم، والمقياس الأساسي الحقيقي هو طول بلانك - حوالي 1.6 × 10^-35 متر. هذا صغير بشكل لا يُصدق، بعيدًا كل البعد عن متناول أي تجربة حالية أو متوقعة. ومن الأفكار التخمينية الأخرى وجود البريونات - وهي جسيمات افتراضية قد تُشكل الكواركات واللبتونات. وفي حين لم يُعثر على أي دليل على وجود البريونات، إلا أن هذا المفهوم يعكس حدسًا راسخًا في الفيزياء: أن الطبيعة قد تتكون من طبقات أبسط وأعمق. ولم تُدرج هذه النظريات بعد ضمن الفيزياء السائدة، لكنها تُمثل آفاق البحث العلمي. إنها تتحدانا لإعادة التفكير في معنى "الأصغر"، وما إذا كانت نماذجنا الحالية مكتملة. لا تكمن الصعوبة في اكتشاف هذه الجسيمات فحسب، بل في تعريفها أيضًا. ففي المقاييس الكمومية، يُصبح مفهوم "الحجم" غامضًا. تتصرف الجسيمات كموجات ونقاط، وتحكم الاحتمالات خصائصها، لا اليقينيات. قد لا يكون أصغر جسيم جسيمًا على الإطلاق، بل تذبذبًا أو اهتزازًا أو بنية رياضية تتحدى الحدس الكلاسيكي..

لماذا يُعد الأصغر مهمًا؟

إن السعي لإيجاد أصغر جسيم ليس مجرد تحدٍّ تقني، بل هو تحدٍّ فلسفي. فهو يُلامس أعمق الأسئلة حول طبيعة الواقع. مم تتكون المادة؟ هل هناك حدٌّ أساسيٌّ لصغر الأشياء؟ هل يُمكن تقسيم الفضاء نفسه إلى ما لا نهاية، أم أن له بنيةً حبيبيةً على أصغر المقاييس؟ لهذه الأسئلة آثارٌ تتجاوز الفيزياء بكثير. إنها تُشكل طريقة تفكيرنا في الوجود، والسببية، وحدود المعرفة البشرية. إن فهم أصغر الجسيمات يُساعدنا على فهم القوى التي تحكم الكون - الجاذبية، والكهرومغناطيسية، والقوى النووية القوية والضعيفة. كما يُساعدنا على بناء تقنيات، من أشباه الموصلات إلى التصوير الطبي. ولكنه يُذكرنا أيضًا بمكانتنا في الكون. فنحن مُكوّنون من ذرات، وهذه الذرات مُكوّنة من جسيمات، والتي قد تكون مُكوّنة من أوتار أو شيء أكثر تجريدًا. ومع ذلك، تتحد هذه الكيانات الدقيقة لتُشكّل نجومًا ومجرات وعقولًا قادرة على طرح مثل هذه الأسئلة. إن البحث عن أصغر الجسيمات هو بحث عن البساطة، ولكنه غالبًا ما يُؤدي إلى التعقيد. كل إجابة تُثير أسئلة جديدة. كل اكتشاف يكشف ألغازًا جديدة. وفي هذا التكشف الذي لا ينتهي، لا نجد المعرفة فحسب، بل الدهشة أيضًا.