ما مدى صغر ما هو صغير، وكبر ما هو كبير؟

من الكواركات إلى الكويزرات

النجوم هائلة الحجم، ومرئيةٌ للعين المجردة من على مسافات بعيدة، وفي هذا تناقض صارخ مع مكوناتها الأساسية؛ الجسيمات التي تتألف منها الذرات في نهاية المطاف. فالأمر يستلزم وَضْع مليار ذرة بعضها فوق بعض حتى تبلغ طول الإنسان من القدمين إلى الرأس، ويستلزم الأمر تراص عدد مماثل من البشر فوق بعضهم البعض حتى يساوي طولهم الإجمالي طول قطر الشمس. هذا إذن يضع ميزان القياس البشري في منتصف المسافة تقريبًا بين الشمس والذرة. أما الجسيمات التي تتألف منها الذرات — الإلكترونات التي تكوِّن النطاق الخارجي للذرة والكواركات التي تشكِّل النواة المركزية — فهي أصغر مليار مرة من إجمالي حجم الذرة نفسه.

كل شيء على الأرض مكوَّن من ذرات، وكل عنصر مكوَّن من ذرات تمثِّل أصغر أجزائه، وهي صغيرة للغاية بحيث تستحيل على العين رؤيتها، لكن وجودها لا مراء فيه، وهو ما تبيِّنه لنا معداتنا الخاصة.

شكل ٢-١: مقارنات بين النطاق البشري وما وراء الرؤية الطبيعية. على النطاقات الصغيرة تُعرَف المسافة البالغة ١٠^−٦ أمتار باسم ١ ميكرون، والمسافة البالغة ١٠^−٩ أمتار تُعرَف باسم ١ نانومتر، فيما تُعرَف المسافة البالغة ١٠^−١٥ أمتار (الفمتومتر) باسم ١ فيرمي.

للإحساس بهذا الفارق المهول في الحجم، تصوَّرْ أطول مسافةٍ من المرجَّح أن تجدها بين حفرتين في ملعب جولف، والتي يبلغ طولها مثلًا ٥٠٠ متر. تبلغ النسبة بين طول هذه المسافة وبين حجم الحفرة الصغيرة التي ستضع بها الكرة نحو ١٠٠٠٠ : ١، ومن ثَمَّ فهي تقارب النسبة بين قطر ذرة الهيدروجين ونواتها المركزية؛ البروتون.

الكون من حيث درجة الحرارة والزمن

هذا ما عليه الحال الآن، بَيْدَ أن الحال لم يكن كذلك على الدوام؛ فالكون — كما نعرفه — بدأ بانفجار عظيم حار لم يكن بإمكان الذرات أن تبقى فيه. واليوم، بعد مرور ١٤ مليار عام، الكون كبير وبارد للغاية وبإمكان الذرات البقاء فيه. هناك مواضع حارة بعينها — على غرار النجوم كشمسنا — تختلف فيها المادة عن المادة الموجودة على أرضنا الباردة نسبيًّا. بوسعنا محاكاة الظروف المتطرفة التي سادت في اللحظات التي أعقبت الانفجار العظيم مباشرة، وذلك في التجارب المجراة في معجلات الجسيمات، بحيث نرى كيف ظهرت البذور الأولى للمادة. لكن رغم أن الأشكال التي تتخذها تلك المادة تتباين مع اختلاف المكان والزمن، إلا أن المكونات الأساسية واحدة. ويهدف هذا القسم إلى تبيان الكيفية التي تبدو عليها المادة في الأحوال الباردة (وقتنا الحالي)، والحارة (كما في الشمس والنجوم)، والفائقة الحرارة (كما في أعقاب الانفجار العظيم).

شكل ٢-٢: التوافق بين مستويات درجات الحرارة والطاقة بالإلكترون فولت.

يُظهِر الرصد أن المجرات تتباعد عن بعضها، بما يعني أن الكون يتمدَّد. ومن معدل التمدُّد يمكننا العمل على نحو عكسي عبر الزمن بحيث نستنتج أنه منذ نحو ١٤ مليار عام كان الكون منضغطًا على نفسه ثم انفجر في انفجار عظيم من هذه الحالة الكثيفة المضغوطة. (ليس الغرض الأساسي لهذا الكتاب التعرُّض للانفجار العظيم، ولمعرفة المزيد عن هذا الموضوع يمكنك قراءة كتاب بيتر كولز بعنوان «علم الكونيات» والصادر في نفس هذه السلسلة.) في هذه الحالة الأصلية، كان الكون أشد حرارة بكثير عما هو عليه اليوم. الكون اليوم مغمور بإشعاع ميكروني تبلغ حرارته نحو ٣ درجات كلفينية، والجمع بين هذا وصورة تمدُّد ما بعد الانفجار العظيم يمنحنا مقياسًا لدرجة حرارة الكون على صورة دالة زمنية.

تمر الشمس بالجزء الأول من هذه القصة في وقتنا الحالي؛ فقد بدأت الشمس في تحويل البروتونات إلى أنوية هليوم منذ ٥ مليارات عام، واستهلكت نحو نصف وقودها بالفعل، ودرجات الحرارة في قلبها مشابهة لتلك التي كان عليها الكون المبكر، حين كان عمره بضع دقائق وحسب؛ وبهذا تقوم الشمس اليوم بما قام به الكون منذ وقت بعيد بعيد للغاية.

لا تستطيع الذرات البقاء داخل أعماق الشمس، ولم يكن بوسعها البقاء في بدايات الكون. وقد تعيَّن انقضاء ٣٠٠ ألف عام حتى برد الكون بما يكفي كي تستحوذ هذه الأنوية على الإلكترونات العابرة مكوِّنة الذرات. وهذا هو الحال في وقتنا الحالي على الأرض.