هذا ما عليه الحال الآن، حيث أن الحال لم يكن كذلك على الدوام؛ فالكون – كما نعرفه - بدأ بانفجار عظيم حار لم يكن بإمكان الذرات أن تبقى فيه. واليوم، بعد مرور 14 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).

في فيزياء العالم المرئي للعين المجردة، وحدات الطاقة المستخدمة هي الجول، وفي الصناعات الواسعة النطاق نستخدم الميجا جول أو التيرا جول. أما في الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات تكون الطاقات المستخدمة تافهة للغاية مقارنةً بهذه الوحدات. إذا جرى تعجيل الإلكترون ذي الشحنة الكهربية بواسطة مجال كهربي لبطارية قدرتها واحد فولت، فسيكتسب الإلكترون طاقة قدرها ^19-10 × 1.6 جول. وحتى عند التعجيل إلى سرعات تناهز سرعة الضوء، كما الحال في المعجلات الموجودة في سيرن بجنيف، لا تصل الطاقة إلا إلى 10^-8 جول؛ أي واحد على مائة مليون من الجول. يصعب للغاية التعامل مع هذه الأرقام الصغيرة؛ لذا من المعتاد استخدام مقياس مختلف، يُعرف باسم «الإلكترون فولت»، أو eV ذكرنا للتو أن الإلكترون حين يجري تعجيله بواسطة مجال كهربي لبطارية قدرتها واحد فولت فإنه سيكتسب طاقة قدرها ^19-10 × 1.6 جول وهذا المقدار هو ما نسميه واحد إلكترون فولت.

الآن صار من اليسير التعامل مع كميات الطاقة التي تنضوي عليها فيزياء الجسيمات دون الذرية. يسمى المقدار 10³ إلكترون فولت باسم كيلو إلكترون فولت، أو KeV، والمقدار 10⁶ إلكترون فولت (مليون إلكترون فولت) يسمى ميجا إلكترون فولت أو MeV، والمقدار 10⁹ إلكترون فولت (مليار إلكترون (فولت) يسمى جيجا إلكترون فولت، أو GeV، وتشارف أحدث التجارب الدخول إلى نطاق 10¹² إلكترون فولت، أو التيرا إلكترون فولت TeV

تخبرنا معادلة أينشتاين الشهيرة؛ الطاقة = الكتلة مضروبة في مربع سرعة الضوء E = mc²، بأن الطاقة يمكن تحويلها إلى كتلة، والعكس بالعكس، على أن يكون معدل التحويل هو مربع سرعة الضوء c². للإلكترون كتلة قدرها 10^-31 × 9 كيلوجرامات. وهنا أيضًا يصعب للغاية التعامل مع هذه الأرقام، ولهذا نستخدم معادلة أينشتاين لتحديد الكتلة والطاقة، وبتطبيق هذا المعيار توصلنا إلى أن طاقة الإلكترون المنفرد في حالة سكون تبلغ 0.5 ميجا إلكترون فولت؛ ومن ثَمَّ من المعتاد أن نقول إن كتلته تبلغ نصف ميجا إلكترون فولت مقسومة على مربع سرعة الضوء، أو  MeV/c²0.5.

وبهذه الوحدات تكون كتلة البروتون 938 ميجا إلكترون فولت مقسومة على مربع سرعة الضوء، أو MeV/c²938؛ أي واحد جيجا إلكترون فولت تقريبا.

الطاقة مرتبطة عن كثب بدرجة الحرارة أيضًا. وإذا كان لديك عدد كبير من الجسيمات يتصادم بعضه ببعض، بحيث تنتقل الطاقة من كل جسيم إلى الجسيم المجاور بما يجعل درجة الحرارة الكلية ثابتة، يمكن التعبير عن متوسط طاقة الجسيم المنفرد بالإلكترون فولت (أو الكيلو إلكترون فولت وهلم جرا). تعادل درجة حرارة الغرفة نحو 1/40 إلكترون فولت، أو 0.025 إلكترون فولت، وربما كان من الأيسر استخدام المقياس 1 إلكترون فولت 10⁴k  ( حيث يشير الاختصار «k» إلى درجة كلفينية، وهي المقياس المطلق لدرجة الحرارة، وتساوي درجة الصفر المطلق الكلفينية -273 درجة مئوية، وتبلغ درجة حرارة الغرفة نحو 300 درجة كلفينية).

إذا أطلقت صاروخًا نحو الفضاء بطاقة كافية فسيفلت من قوة الجاذبية الأرضية، وبالمثل، إذا زوَّدْتَ الإلكترون بالطاقة الكافية فسيفلت من قوة الجذب الكهربي لنواة الذرة. في العديد من الجزيئات ستتحرر الإلكترونات بواسطة طاقة مقدارها كسر بسيط من الإلكترون فولت ومن ثَمَّ تكون درجة حرارة الغرفة كافية لتمكين التفاعل، وهذا هو مصدر العمليات الكيميائية والبيولوجية، والحياة. تظل ذرات الهيدروجين قادرةً على البقاء في طاقات أقل من 1 إلكترون فولت، وهو ما يقع - من حيث درجات الحرارة - في نطاق 10⁴ درجات كلفينية درجات حرارة كهذه لا توجد بصورة طبيعية على الأرض خلا بعض الأمثلة المحدَّدة على غرار بعض الأفران الصناعية، ومصابيح الكربون القوسية، والمعدات العلمية ومن ثَمَّ فإن وجود الذرات منفردة هو المعتاد هنا. لكن في قلب الشمس، تصل الحرارة إلى 10⁷ درجات كلفينية - أي ما يساوي 1 كيلو إلكترون فولت من الطاقة - وفي مثل هذه الظروف لا تستطيع الذرات البقاء.

في درجات الحرارة أعلى من 10¹⁰ درجات كلفينية، يكون هناك ما يكفي من الطاقة لتكوين الجسيمات، كالإلكترونات. للإلكترون المنفرد كتلة قدرها نصف ميجا إلكترون فولت مقسومة على مربع سرعة الضوء، ومن ثَمَّ نحتاج إلى نصف ميجا إلكترون فولت من الطاقة لتكوين إلكترون واحد وكما سنرى لاحقًا، لا يمكن أن يحدث هذا على نحو تلقائي، ولا بد أن يتم إنتاج الإلكترون ونظيره المضاد – البوزيترون - معا كزوج. وهكذا نحتاح إلى 1 ميجا إلكترون فولت كي تحدث عملية (إنتاج الإلكترون والبوزيترون). وعلى نحو مشابه، نحتاج إلى 2 جيجا إلكترون فولت من أجل إنتاج البروتون والبروتون المضاد. يسهل توليد مثل هذه الطاقات في المختبرات النووية ومعجلات الجسيمات اليوم السائدة في المراحل المبكرة للغاية من عمر الكون، وبالفعل في هذه اللحظات المبكرة تكونت جسيمات المادة (والمادة المضادة). سنتحدث عن هذا بالتفصيل في الفصل التاسع، لكن سيفيدنا توضيح الأمر الآن أيضًا. يُظهر الرصد أن المجرات تتباعد عن بعضها بما يعني أن الكون يتمدد. ومن معدل التمدد يمكننا العمل على نحو عكسي عبر الزمن بحيث نستنتج أنه منذ نحو 14 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 ميكروي تبلغ حرارته نحو 3 درجات كلفينية، والجمع بين هذا وصورة تمدُّد ما بعد الانفجار العظيم يمنحنا مقياسًا لدرجة حرارة الكون على صورة دالة زمنية.

شكل 2-2: التوافق بين مستويات درجات الحرارة والطاقة بالإلكترون فولت.

بعد انقضاء جزء على المليار من الثانية على الانفجار العظيم، تجاوزت درجة حرارة الكون 10¹⁶ درجة كلفينية، أو بمعايير الطاقة 1 تيرا إلكترون فولت في هذه الطاقة تم إنتاج الجسيمات والجسيمات المضادة، بما فيها الأشكال العجيبة التي لم تعد شائعة الوجود اليوم. فنيت أغلب هذه الجسيمات على الفور تقريباً، وهو ما أنتج الإشعاع إضافة إلى المزيد من الجسيمات الأساسية على غرار الإلكترونات والكواركات الباقية التي تؤلف المادة اليوم.

مع تقدم الكون في العمر، بردت حرارته، وحدث هذا في البداية بسرعة. ففي غضون جزء على المليون من الثانية تجمعت الكواركات معًا في مجموعات من ثلاثة، وظلت باقية على هذا النحو حتى الآن. وهكذا ولدت البروتونات والنيوترونات. وبعد نحو ثلاث دقائق كانت درجة الحرارة قد انخفضت إلى نحو 10¹⁰ درجات كلفينية، أو بمعايير الطاقة 1 ميجا إلكترون فولت هذه درجة حرارة باردة» بما يكفي بحيث تلتصق البروتونات والنيوتروات معًا وتبني البذور النووية للعناصر الذرية (التي لم تكتمل بعد). تكونت بضع أنوية خفيفة، على غرار الهليوم ومقادير ضئيلة من البيريليوم والبورون. كانت البروتونات - نظرًا لاستقرارها وكونها أبسط البنى - أكثر البنى شيوعًا، وتجمعت بفعل تأثير الجاذبية في الكرات التي نسميها النجوم. وداخل النجوم تكونت أنوية العناصر الثقيلة على مدار مليارات الأعوام.

تمر الشمس بالجزء الأول من هذه القصة في وقتنا الحالي؛ فقد بدأت الشمس في تحويل البروتونات إلى أنوية هليوم منذ 5 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 300 ألف عام حتى برد الكون بما يكفي كي تستحوذ هذه الأنوية على الإلكترونات العابرة مكوِّنة الذرات. وهذا هو الحال في وقتنا الحالي على الأرض.

مواضيع ذات صلة

Cosmic synchrotron radiation

Universal gravitation

Kepler’s laws

The Relation of Physics to Astronomy

الكوارث الكونية والنجوم النيوترونية والثقوب السوداء

نشأة علم فلك الأشعة السينية

الجدات ورواد الفضاء

قانون الجذب العام (نيوتن وثمرة التفاح)

حساسات النانو في خدمة رحلات الفضاء الخارجي

الأجسام الصلبة والفضاء الخاوي

العوالم الأخرى: قد لا نكون بمفردنا في هذا الكون

كوكبة الحوت الجنوبي Piscis Australis