تأثيرات فيزياء الكم في المقاييس الفلكية

إنَّ مبادئ ميكانيكا الكم مثل مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج ومبدأ الاستبعاد لباولي، لها تأثيرات واضحة ومُلاحَظة في المستويات دون الذرية. وإنّ لَمِن المثير للعَجَب أنّ نفس هذه القوانين، والسلوكيات المجهرية تُنتِج تأثيرًا مهمًا في المقاييس والمستويات الكبيرة كذلك. ويظهر ذلك جليّا عند دراسة وﻻدة النُّجوم، وسطوعها المستمر طِوال فترة حياتها، وموتها في النهاية. في هذا المقال سنشرح عدّة تأثيراتٍ كمّيةٍ ذات أهمية كبيرة في عالمِ الفلكِ وبدونها يصعب علينا فهم الكثير من العمليات التي تحدث في الفضاء والكون.

ضغط الإلكترون ومبدأ الاستبعاد لباولي (Degeneracy electron pressure and Pauli exclusion principle)

    تُولد النّجوم داخل سحابة كثيفة وعملاقة من الغبار والغازات مثل سديم الجبار، بحيث تنهار هذه السحابة تحت تأثير الجاذبية وتتراكم المادة وتزيد درجة حرارتها إلى أنْ يتكون النجم الأوليّ، وهو عبارة عن لُبٍ ساخنٍ موجودٌ في قلب سحابة الغاز المُنهارة، وهذا النجم الأوليّ سيُصبح نجمًا أو نجومًا متعددةً لاحقًا. تستمرُ المادةُ الموجودة في النجم الأوليِّ بالتراكم بسبب الجاذبية، وبالتالي يزيد الضغط والحرارة فيها، فتتكون البلازما وهي نوع من المادة تكون فيها الإلكترونات والبروتونات منفصلة عن بعضها البعض. مع مرور الوقت، تُصبح هذه البلازما ذات كثافة عالية بسبب تقارب الإلكترونات والبروتونات من بعضها البعض مما يؤدي إلى تشكيل نوع من الضغط يُسمى بضغط الإلكترون وهو ناتجٌ عن أحد مبادئ ميكانيكا الكم المهمة، مبدأ استبعاد باولي Pauli exclusion principle. ينص هذا المبدأ على أنه ﻻ يُمكن لجسيمين (أو إلكترونين) أن يملكا نفس الحالةِ الكمّيةِ في ذات الوقت، والحالةُ الكمية هي الخصائص التي يملكها الجسيم مثل الموقع واللف المغزلي والزخم. إنَّ ضغط الإلكترون يقاوم قوة الجاذبية ويساعد في توازن النجم ويمنع انهياره بسبب جاذبيته. على سبيل المثال، عندما يمتلئ القطار بالركاب، ويقوم المسؤول عن المحطة بمحاولة إدخال راكبٍ إضافيٍ إلى القطار الممتلئ، فإنه سيواجه ضغطًا إلى الخارج يعمل على دفع الراكب خارج القطار بسبب عدم وجود مكانٍ إضافيٍ له. وهذا ما يحدث داخل النجم، حيث يمتلئ قلب النجم بالإلكترونات وتصبح المساحة التي يشغلها كل إلكترون محددة، فتقوم الإلكترونات بإنتاج ضغط إلى الخارج يقاوم الضغط الذي تسببه الجاذبية إلى الداخل.

توازن الشمس بسبب تكافؤ قوة الجاذبية وضغط الإلكترون

    ونفس هذا التأثير ينطبق في النجوم النيوترونية، ولكن للنيوترون بدلًا من الإلكترون. تَنتُج النُّجوم النيوترونية بعد موت النجوم الكبيرة، وبالتالي فالنجوم النيوترونية تملك جاذبية هائلة تؤدي إلى اندماج الإلكترونات والبروتونات وبالتالي تكوّن النيوترونات، ولذلك تُسمى هذه النجوم بهذا الاسم، ﻷنها عبارة عن لب مليء بالنيوترونات. وتُسبب النيوترونات داخل النجوم النيوترونية ضغطًا مثل ضغط الإلكترون يُسمى بضغط النيوترون، وهو يحافظ على تماسك النجم وتوازنه مع جاذبيته الضخمة.

    ومن الممكن كذلك أنْ يتسبب ضغط الإلكترون في إيقاف انهيار السحابة الغازية التي تكوّن النجوم قبل أنْ يتكون النجم الحقيقي، وبالتالي يتكون قزمٌ بني. كما أنّ هذا الضغط يُحدد الوقت الذي يبدأ فيه احتراق الهيليوم في النجوم مثل الشمس في نهاية حياتها. وعندما تموت النجوم الصغيرة والمتوسطة، فإنها تترك خلفها نواة كثيفة تسمى بالقزم الأبيض ويبقى هذا الأخير متماسكًا لزمنٍ طويلٍ جدًا بِفضل ضغط الإلكترون. بمعنى آخر تَنتُج الأقزام البنية، وتتماسك النجوم نتيجةً لتأثير المبدأ الكمّي مبدأ استبعاد باولي والضغط الناشيء عنه.

تَخيُّل لِقزم بني ناتج من توقف انهيار سحابة الغاز والغبار التي تكوّن النجوم

النفق الكمومي (Quantum tunneling)

    ينص مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج uncertainty principle أنه لا يُمكن قياس خاصيتين كميتين مثل الموقع والزخم أو الطاقة والزمن بشكل دقيق في نفس الوقت. أي إذا استطعنا تحديد موقع جسيم بدقة، فإننا لا نستطيع تحديد مقدار زخمه والعكس صحيح.

تخيل معي الآن أنّك تقوم برمي كرة إلى الجدار ثم ترتد هذه الكرة إليك، وتُعيد العملية لفترة من الزمن. برأيك هل ستستطيع الكرة اختراق الجدار والخروج إلى الطرف الآخر منه بعد مُدة من الزمن؟ الجواب البديهي هو ﻻ، ﻷن هذا هو الحال في حياتنا اليومية. ولكن ماذا لو كانت هذه الكرة عبارة عن إلكترون؟

حسب ميكانيكا الكم، فإن الإلكترونات لها طبيعة موجية وجسيمية في ذات الوقت، وليس لها موقع ثابت يُمكن تحديده، فهي تنتشر مثل الموجة وهناك دائما احتمال لوجودها في أي مكان. في المثال السابق، قد يرتد الإلكترون عدة مرات من الجدار، وقد يحالفه الحظ ويخترق الجدار فيَصِل إلى الطرف الآخر، وهذا يحدث بسبب مبدأ عدم اليقين، أي أن الإلكترون بإمكانه امتلاك مقدار مختلف من الطاقة في أوقات مختلفة. إن مثل هذه العمليات التي يستطيع فيها الإلكترون أو أي جسيم كمّي آخر اختراق حاجزٍ ما تُسمى في ميكانيكا الكم بالنفق الكمومي (Quantum tunneling).

    لفهم تأثير النفق الكمومي، افترض أن هناك شخصًا محبوسًا داخل السجن. ﻻ يستطيع هذا الشخص الخروج من السجن إلا إذا امتلك طاقةً كبيرةً وكافية لكسرِ جدران السجن والخروج منه، وﻻ يستطيع الإنسان غالبًا الحصول على مثل هذا المقدار من الطاقة. أما إذا كان هذا الشخص عبارة عن إلكترون، فعلى حسب مبدأ عدم اليقين، سيكون هناك دائمًا احتمال أن يملكَ الإلكترون طاقة كافية في وقتٍ ما تُمَكِنُه من اختراق الجدار، وذلك بسبب انعدام اليقينية في مقدار الطاقة التي يمتلكها الإلكترون. بمعنى آخر، بإمكان الإلكترون سرقة طاقة من مصدر ما وإعادتها بسرعة بعد استخدامها في اختراق الجدار، والأمر شبيه بسرقة دولار وإعادته مباشرة دون أن يلاحظ صاحب الدوﻻر، والفرق الوحيد هنا أن الإلكترون يستخدم الطاقة قبل أن يُعيدها.

عبور جسيم لحاجز ما باستخدام النفق الكمومي

    سيبدو كونُنا مختلفًا بدون تأثير النَّفق الكُمومي. فتفاعلاتِ الاندماجِ النوويّ التي تحدثُ داخلَ النجومِ وتزودها بالطاقة لا يمكن أنْ تحدث لوﻻ النفق الكمومي. في الاندماج النووي، تصطدم النّوى الذرية (البروتونات والنيوترونات) ببعضها البعض بقوة بسبب الحرارة المرتفعة داخل النجم، والتي تزيد من سرعة الأنوية، لكنها تتنافر عن بعضها البعض بسبب امتلاكها شحنة متشابهة (موجبة). ويخلق هذا التنافر حاجزًا كهرومغناطيسيًا يمنع عملية الاندماج النووي في أغلب الأوقات. لكي تتغلب الأنوية الذرية القابعة داخل قلب النجوم الشبيهة بشمسنا على الحاجز الكهرومغناطيسي يجب أن تملك قوة كبيرة. في معظم الأوقات ﻻ تملك النوى الذرية طاقة كافية لكسر هذا الحاجز رغم وجودها في حرارة عالية جدًا، لذلك تلجأ إلى النفق الكمومي لتعبر هذا الحاجز الكهرومغناطيسي وتندمج نوويًا ثم تنتج الطاقة التي يحتاجها النجم. أي أنّ النفق الكمومي هو ما يجعل الاندماج النووي ممكنًا في النجوم مثل شمسنا، وبدونه سيكون الكون مُقفرًا ومُظلمًا، وستكون الحياة على الأرض غير ممكنة كذلك.   

الجسيماتِ الافتراضيةِ Virtual particles

هل الفضاء الفارغ، فارغ حقًا؟ 

قد تظن أنَّ الفضاء عبارة عن امتدادٍ لا نهايةَ له، مليءٌ بالمجرات والنّجوم وعناصِرُها المتناثِرة. ولكن ماذا عن الأماكِن التي ﻻ تحتوي على شيءٍ في الفضاء؟ هل هي فارغة حقًا؟ 

بدايةً دعنا نعرف ما هو الفراغ. تُخبِرنا فيزياء الكم أن الجزيئات ﻻ يُمكِن أنْ تكونَ موجودةً إلا إذا امتلكتْ طاقة. وبالتالي فإن الأماكن التي تخلو من الطاقة، ﻻ توجد بها جسيمات وهذه الأماكن تُسمى بالفراغ. كما تُخبرنا النّظرية الكمّية أنّ الفضاء عبارة عن حقول طاقة كمومية متذبذبة مع مجال خاص لكل جسيم من الإلكترونات والنيوترونات والكواركات. عندما تتذبذب وتهتز هذه الحقول الكمومية، فإنّها تُنتجُ طاقةً طفيفةً ولكنها كافية لتكوينِ جسيماتٍ تُسمى بالجسيماتِ الافتراضيةِ Virtual particles. وهذا يعني أنَّ الفراغ ليس فارغًا فعلًا وإنّما مليءٌ بالجسيماتِ الافتراضية. 

على حسب مبدأ عدم اليقين، فالجسيمات الافتراضية تستطيع أن تتواجد من لا شيء وذلك عن طريق سرقة قدرًا من الطاقة لتستطيع الحصول على الكتلة، ثم إعادتها قبل أن يتم تأكيد وجودها. وتنشأ الجسيمات الافتراضية على شكل أزواج، جسيمات ومضادات الجسيمات، تنشأُ سويًا ثُمَّ تُفني بعضها البعض مِنَ الوجودِ بعد فترةٍ قصيرةٍ من الزمن. وكلما زادتْ الطاقة التي يمتلكها الجسيم أو مضاد الجسيم الافتراضي، قلّتْ الفترة الزمنية التي يكون متواجِدًا فيها. يُشبه الأمر وجودَ بنكٍ كونيٍّ يُخزّن الطاقةَ بدلًا من النقودِ، ثم تأتي الجسيماتُ الافتراضيةُ فتسرِق من البنك قدرًا من الطاقةِ لتستطيع التواجدَ لفترةٍ قصيرةٍ وثمَّ تُعيد هذه الطاقة دون أنْ يَلحَظَ صاحِب البنكِ، فتتلاشى من الوجود مرةً أخرى. من الممكن أن تتساءل لماذا يبدو الفراغ فارغًا رغم أنه يعجّ بالجسيمات الافتراضية؟ سبب ذلك هو أنه لا يُمكن استخراج الطاقة التي تسرقها هذه الجسيمات قبل أن تتلاشى. بمعنى آخر، لا تستطيع الجسيمات الحقيقية التي نستطيع رصدها بأجهزتنا أن تتفاعل مع الجسيمات الافتراضية وهذا ما يجعل جسيمات الفراغ غير مفهومة بالنسبة لنا. قد يبدو لك الأمر خياليًّا وغير منطقي. تبدو فيزياء الكم هكذا على الدوام. رغم ذلك فهناك دليل على وجود هذه الجسيمات المُراوِغة.

حسب مبادئ ميكانيكا الكم، فهذه الجسيمات توجد عندما ﻻ تشاهدُها فقط وبالتالي كان يجب إيجاد طريقة تُمَكِنُنا من مُلاحظتها دون مشاهدتها، وهذا ما قام به العالم هندريك كاسيمير Hendrick Casimir في عام 1948، حين جاء بفكرة ذكية ساعدتْ على إثبات أن طاقة الفراغ (مجموع الطاقة الكليّة للجسيمات الافتراضية في الفراغ) حقيقية وبالتالي إثبات وجود الجسيمات الافتراضية.
وكذلك يُمكن تفسير وجودها منطقيًا بواسطة مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ Heisenberg، والذي يَنُص على أنّه ﻻ يمكننا تحديد كُلًا من الطاقة والزمن معًا بشكل دقيق، أي إذا حاولنا تحديد الوقت لجسيمٍ ما، فإنَّنا ﻻ نستطيع تحديد مقدار الطاقة التي يمتلكها ذلك الجسيم. وبالتالي في حالة الفراغ، فالجُسيم يُحتمل أنْ يحملَ مِقدارًا من الطاقة وبالتالي يكون موجودًا.

الجسيمات الافتراضية والكون

والآن بعد أنْ أثبتنا وجود الجسيمات الافتراضية، ما فائدة معرفتنا بوجودها؟ وما علاقتِها بفهمِنا للكون؟ 

رغم عدم قدرتنا على رصد هذه الجسيمات، فهذا لا يعني أنها غير مهمة، ﻷن الجسيمات الافتراضية لها تأثيراتٍ كبيرةٍ على الجسيمات الحقيقية والكون ككل.

بالعودة إلى الانفجار العظيم وبدايةِ الكون حين نشأتْ المادة الأولى على شكل جسيمات ومضادات الجسيمات وتَوَزَعتْ في الكون، تكوّنت خلال ذلك الوقت جسيمات افتراضية كذلك، وبسبب التوسع السريع للكون، ظلّتْ بعض هذه الجسيمات موجودة لأن مضادها قد ابتعد عنها ولم تستَطع إفناء نفسها، مما أدى إلى توزع المادة ومضادات المادة بشكل غير متساوٍ. وبالتالي سنجد أنه بدون طاقة الفراغ ستتوزعُ الجسيمات ومضادات الجسيمات بشكل متجانس، مما يعني أن الكون لن يحتوي على أي شيء، ﻷن الجسيمات ومضادات الجسيمات ستُفني بعضها البعض مباشرةً ولن يكونَ هناك وجود للمادة المُكَوِّنة للكون. 

هل ستبقى الثقوبُ السوداء موجودةً للأبد؟ 

لا ينحصر تأثير الجسيمات الافتراضية على بداية الكونِ فقط، فهي تؤثر على المكانس الكونية الهائلة، الثقوب السوداء. 

عندما يتواجد الجسيم والجسيم المُضاد قريبين من بعضهما البعض، فإنهما يُفنِيان بعضهما البعض، ولكن ماذا سيحدث برأيك إذا تواجد أحدهما بالقرب من أفق حدث Event horizon لأحد الثقوب السوداء؟
في هذه الحالة، سيسقط الجسيم أو مضاد الجسيم داخل الثقب الأسود ويهرب الآخر إلى الفضاء، وهو ما يُسبب تَبَخّر الثقوب السوداء والتي تُعرف بإشعاعِ هوكينغ Hawking radiation. تتبخرُ الثقوب السوداء حين تفقدُ جزءًا من كتلتِها ﻹنتاج الطاقة التي تحتاجها الجسيمات الافتراضية لتصبح جسيمات حقيقية. وتحتاج الثقوب السوداء زمنًا طويلًا جدًا حتى تختفي وتتلاشى بالكامل. 

هل يُمكن أن تتحول الجسيمات الافتراضية إلى جسيمات حقيقية؟ 

لفهم تأثير الجسيمات الافتراضية على الثقوب السوداء بشكل أوضح، دَعنا نوِّسع خيالنا بشأن البنك الكونيّ للطاقة وصاحِب البنك الذي سيُحاسب أي جسيم يسرِق طاقةً من البنك بغيرِ حق. إذا افترضنا ظهور إلكترون افتراضي فسيكون مَصحوبًا ببوزيترون افتراضي (مضاد الإلكترون) أيضًا، بحيث تكون الشحنة الكلية للجسيمين تساوي صفرًا بناءً على قانون حفظ الطاقة. ومثل كل الجسيمات الافتراضية، فالالكترون الافتراضي ومضاده يجب أن يسرقا طاقة من البنك الكونيّ ويُعيداها إليه قبل أنْ يكتشفهما صاحِب البنك، وإلا سيتحولان إلى جسيمين حقيقين وعليهما أن يدفعا ثمن السرقة. 

الآن تخيل ظهورهما بالقرب من أفق حدث لثقبٍ أسود، وقام أحدهما بعبور أفق الحدث قبل أن يُفنيا بعضهما البعض. سينجو هذا الأخير من محاسبة صاحب البنك ﻷنه سيختفي داخِل الثقب الأسود، وأمّا الجسيم الآخر فلن يجِد طريقةً ﻹبادة نفسه، وبالتالي سيُقبَض عليه متلبِسًا من قِبَل صاحب البنك، وهذا سيجعله جسيمًا حقيقيًا ﻷنه يمتلك الآن طاقة حقيقية. وﻷن لكل شيءٍ ثمن، فيجب أن يدفع شخصٌ ما أو شيءٌ ما ثمن الطاقة المسروقة، وﻻ يستطيع الجسيم أن يدفع الثمن ﻷن رفيقه قد غادر، وبالتالي سيطلب صاحب البنك من الثقب الأسود أن يتكفل بثمن الطاقة عن طريق التخلي عن القليل من طاقته والذي يؤدي إلى نقصان كتلته وإنتاج إشعاع هوكينج، ثمّ انكماش الثقب الأسود.  

 

إنّ فكرة تبخر الثقوب السوداء ﻻ تزال غير مُختَبرة، ولكن إذا تم إثبات صحتها، فسيكون لها تأثيرات كبيرة على أصل ونهاية الكون. فالثقوب السوداء التي يُفترَض أنها نشأتْ في بدايات الكون، يجب أن تكون قد تبخرتْ بحلول هذا الوقت. ومع استمرار الكون في التَّوسع والوقت في التقدم، ستكون الثقوب السوداء هي آخر من يتلاشى بعد موت جميع النجوم والمجرات. مما يعني أنّ الكون في النهاية سيخلو من كل شيءٍ ما عدا فوتونات وجسيمات دون الذرية منتشِرة على مسافات قصيّة. 

_________________________________________________________

المصادر:

1. The cosmic perspective , sixth edition

2. https://science.nasa.gov/universe/stars/

3. The nature of nothingness: Understanding the vacuum catastrophe

https://medium.com/nakshatra/the-nature-of-nothingness-understanding-the-vacuum-catastrophe-c04033e752f4#:~:text=The%20particles%20arising%20out%20of,particle%20and%20anti%2Dparticle%20pairs