تقول تشاندا بريسكود وينشتاين: إن التكافؤ الواضح بين كتلة الجاذبية والكتلة القصورية هو سمة رائعة وجميلة للكون، ولها آثار عميقة
Aphelleon/Shutterstock
هناك نوعان من علماء الفيزياء النظرية: أولئك الذين يستخدمون المعادلة الصحيحة لحساب المسافات في الزمكان، وأولئك الذين لا يستخدمونها.
من الواضح أنني أتحدث هنا بطريقة ساخرة بعض الشيء، لكنني جادة عندما أقول إن هناك تشعبًا حقيقيًا. إن صيغتي معادلة المسافة هذه – ما نسميه المتري – متكافئتان، وعند استخدامها بشكل صحيح سوف تعطي نفس الإجابات لجميع الحسابات. لكن كل مجموعة لديها أسباب تجعلها تعتقد أن إحداهما أكثر طبيعية من الأخرى. يميل فيزيائيو الجسيمات إلى استخدام واحد؛ يميل النسبيون (الأشخاص المدربون على النسبية العامة) إلى استخدام الآخر. أنا من بين مجموعة علماء فيزياء الجسيمات الذين يستخدمون النوع الذي يفضله النسبيون، وذلك لسببين: أنه أفضل، وقد تدربت كنسبوية.
هذه الاختلافات في كيفية تعامل المجموعات العلمية مع نفس السؤال العلمي لا تكون واضحة في كثير من الأحيان للغرباء. لقد كان ذلك في ذهني عندما تلقيت رسالة من أحد قراء مجلة نيوساينتست، والذي كان قد شاهد مقالتي في شهر يونيو، حول مشكلة تعريف الكتلة وتفسير وجودها. لقد كتبته كثيرًا من منظور فيزياء الجسيمات، حيث وصفت آلية هيغز-إنجلرت-بروت، والتي تشرح كيف تكتسب معظم الجسيمات الأخرى في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات كتلة
لكن القارئ الفطن أشار إلى أنني تجاوزت جانبًا آخر تمامًا لمسألة الكتلة التي سبقت ظهور نظريات المجال الكمي، وهي إطار حسابي يدمج النسبية الخاصة مع ميكانيكا الكم من أجل وصف فيزياء الجسيمات.
أعترف بأنه تم القبض علي متلبسة وأظهر انحيازي تجاه كيفية تعامل فيزياء الجسيمات مع مسألة الكتلة، وهو استخدام نظريات المجال الكمي لمحاولة شرح مصدرها. يبدو أن انتقالي من طالبة دراسات عليا في النسبية إلى أستاذة في فيزياء الجسيمات قد اكتمل، ولكن مثلما قد يشعر البعض بأن وجهة نظري حول مقياس الزمكان غير مكتملة، كذلك الأمر بالنسبة للمناقشة أحادية الجانب حول المعنى الفيزيائي للكتلة في الفيزياء.
فلنعد إذن إلى زمن أبسط، قبل ظهور ميكانيكا الكم، إلى قوانين نيوتن التي تصف بعض الخصائص الأساسية للقوى. من المرجح أن تكون مساهمة إسحاق نيوتن الأكثر شهرة في الفيزياء هي قانونه الثاني، F = ma، الذي ينص على أن أي قوة (F) يتعرض لها جسم ما تساوي تسارعه (a) مضروبًا في كتلته (m).
أظهرت رسالة من أحد القراء تحيّزي تجاه كيفية تعامل فيزياء الجسيمات مع مسألة الكتلة
نعلم اليوم أن هناك أربع قوى أساسية: القوة النووية القوية، والقوة النووية الضعيفة، والقوة الكهرومغناطيسية، وقوة الجاذبية. لقد أعطى نيوتن شكلاً رياضيًا لأضعفها، وهي الجاذبية. ويفترض قانون الجاذبية الخاص به أن الأجسام الضخمة تنجذب لبعضها البعض، وأن قوة هذا الجذب تتناسب مع كتلة كلا الجسمين.
من أول الأشياء التي يتعلمها طلاب الفيزياء في المدرسة الثانوية هو أنه يمكن ضبط المعادلة في قانون نيوتن الثاني على قدم المساواة مع تلك الموجودة في قانون الجاذبية الخاص به، مما يعني أنه يمكننا القول أن القوة في قانون الجاذبية الخاص به تساوي القوة الذي يظهر في F = ma.
من حيث المبدأ، تظهر كتلة الجسم الموصوف مرتين في مثل هذا الوصف: على جانبي علامة التساوي، مرة في جانب قانون الجاذبية ومرة في جانب القانون الثاني. لكن هذا يثير سؤالًا مثيرًا للاهتمام: هل هذه الكتلة في الواقع لها نفس الكتلة؟
ما يظهر في قانون نيوتن للجاذبية يُعرف بكتلة الجاذبية، بينما الذي يظهر في قانونه الثاني يُعرف باسم كتلة القصور الذاتي لأنه يصف مدى مقاومة الجسم للقوة المطبقة عليه – مما يعطي إحساسًا بمقدار القصور الذاتي ضد الحركة لديها.
إن التكافؤ الظاهري لكتلة الجاذبية مع كتلة القصور الذاتي هو سمة رائعة وجميلة للكون ذات دلالة عميقة: الكتلة هي كتلة، بغض النظر عن بنية الجسم. وهذا يعني أنه لا توجد طريقة للجاذبية لمعرفة مما يتكون الجسم. تبدو كتلة هالة جسيمات المادة المظلمة بالنسبة للجاذبية مماثلة لكتلة الثقب الأسود. إن بنية الجسم لا تحدث أي فرق في قانون الجاذبية. أدى مبدأ التكافؤ هذا في النهاية إلى اكتشاف ألبرت أينشتاين الذي من شأنه أن يُترجم إلى نظريته النسبية العامة الرائعة.
اليوم، نحن نعتبر في الغالب أنه من المسلم به أن كتلة الجاذبية والقصور الذاتي متساويان. لكن الفيزيائيين ليسوا من النوع الذي يعتمد على أمجادنا المفترضة، ولا يزال الناس يختبرون ما إذا كان هذا صحيحًا، مثل مجموعة إيوت واش في جامعة واشنطن. تجاربهم هي مثال على تلك التي تكون فيها النتيجة الفارغة هي التوقع (وربما بالنسبة للبعض، الأمل). ولكن هناك دائمًا احتمال حدوث مفاجأة عندما تصبح التجارب أكثر دقة.
نحن نأخذ الكتلة كأمر مسلم به، ونميل إلى التفكير في قوانين نيوتن على أنها بسيطة إلى حد ما. لكن في نهاية المطاف، ما زالت تعطينا الكثير للتفكير فيه.
المصدر