الثوابت الفيزيائية الأساسية

الثابت الفيزيائي يعني مجموعة من الكميات الثابتة الأساسية ، التي لوحظت في الطبيعة ، وظهرت في المعادلات النظرية الأساسية للفيزياء ، والتقييم الدقيق لهذه الثوابت ضروري ، للتحقق من صحة النظريات ، والسماح بتطبيقات مفيدة على أساس تلك النظريات.

الثابت العالمي للطبيعة

تظهر سرعة الضوء في الفراغ (ج) في النظرية الكهرومغناطيسية ، وفي


نظرية النسبية


، وفي الأخيرة يربط الطاقة بالكتلة من خلال المعادلة E = mc2، ولا تعتمد قيمته على أي ظروف تجريبية معينة ، مثل التي من شأنها أن تؤثر على سرعة الموجة الصوتية في الهواء (التي قد تكون لها درجة حرارة الهواء ، واتجاه ، وسرعة أي رياح) ، إنه ثابت عالمي للطبيعة.[1]

والشحنة على الإلكترون (ε) ، هي خاصية أساسية للجسيم المادي ، وهي أصغر وحدة شحنة كهربائية موجودة مجانًا في الطبيعة ، والمطلوب معرفة قيمته العددية في العديد من مجالات الفيزياء ، والكيمياء ، وعلى سبيل المثال في حساب كتلة عنصر ، أو مركب تم تحريره من خلال مرور كمية معينة من التيار ، من خلال خلية كهروكيميائية.

ثابت بلانك

ثابت بلانك


(ح) ليس في حد ذاته خاصية لجسيم أساسي ، ولكنه ثابت يظهر في معادلات ميكانيكا الكم ، إنه يربط طاقة (E) الفوتون (كم من الإشعاع الكهرومغناطيسي) ، بتردده (ν) من خلال المعادلة E = hν.

ثابت الجاذبية الكوني

يربط ثابت الجاذبية الكوني (G) ، حجم قوة الجاذبية الجاذبة بين جسدين ، بكتلها والمسافة بينهما ، ومن الصعب للغاية قياس قيمته تجريبيا ، وقد اقترح أن G اختلفت مع مرور الوقت عبر تاريخ الكون ، وأنها تعتمد على الحجم ، فإذا كان الأمر كذلك ، فإن القيم المحددة في المختبر ، لن تكون مناسبة للمشكلات الأرضية ، أو الفلكية ، ولكن لا يوجد حاليًا أي دليل مقنع على أن هذا هو الحال.[2]

القيم العددية للثوابت الفيزيائية

ويتم تحديد القيم الدقيقة للثوابت الفيزيائية ، في مختبرات مختلفة في جميع أنحاء العالم ، مثل المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST ، سابقًا المكتب الوطني للمعايير) ، ويتم تحسينها مع تحسين الطرق والتقنيات التجريبية.

كما تعتمد القيم العددية للثوابت الفيزيائية ، على نظام الوحدات التي يتم التعبير عنها فيها ، على سبيل المثال ، يمكن التعبير عن سرعة الضوء (تقريبًا) ، على أنها 30000000000 سم في الثانية ، أو 186000 ميل في الثانية.

وفي الآونة الأخيرة ، ومع كل ما سبق ذكره ، تميل الوحدات إلى تعريفها ، من حيث الثوابت الفيزيائية ، وبالتالي يتم تعريف المقياس الآن ، على أنه المسافة التي ينتقل ضوء الضوء في وقت معين ، ويتم التوصل إلى مثل هذه التعاريف باتفاق دولي ، أي وفقًا للنظام الدولي للوحدات.[3]

يعرض الجدول التالي قائمة بالثوابت الفيزيائية الهامة :

إمكانية تغيير الثوابت الفيزيائية

يبدو أن العالم الذي نراه من حولنا متجذر في القوانين العلمية ، لذا فالنظريات ، والمعادلات المطلقة والشاملة ، والمركزية لهذه الثوابت الفيزيائية الأساسية ، والتي تشمل سرعة الضوء ، وكتلة البروتون ، وثابت جاذبية الجاذبية ، تجعلنا نتساءل عن إمكانية تغييرها و ماذا سيحدث لنظرياتنا إذا تغيرت؟!.

على الرغم من أن نظرياتنا المادية تعطينا فهمًا قويًا للكون ، إلا أنها لا تفسر الثوابت الفيزيائية ، فلا نعلم سبب سرعة الضوء 299،792،458 مترًا في الثانية ، وهذه هي النتيجة التي نحصل عليها عندما نقيس سرعة الضوء ، وينطبق الشيء نفسه على كل ثابت عالمي ، يقع في صميم العلوم الفيزيائية ، ولكن كل ما يمكننا القيام به هو قياس قيمتها.

ونظرًا لأن هذه الثوابت متجذرة في الخصائص الفيزيائية ، فمن المعتقد عمومًا أنها لا تستطيع التغيير عبر المكان والزمان ، فكل إلكترون على سبيل المثال ، لديه نفس الشحنة ، لذا يجب أن يكون لديهم نفس الشحنة ، سواء كانوا هنا على الأرض ، أو في مجرة تبعد مليارات السنين الضوئية ، والشحنة التي لديهم الآن ، يجب أن تكون نفس الشحنة التي كانت لديهم منذ فجر التاريخ.

وفي حين أن هذا منطقي ، إلا أنه ليس صحيحًا بالضرورة ، فلقد ثبت خطأ الكثير من افتراضاتنا (الواضحة) ، من فكرة أن الأرض هي مركز الكون ، إلى فكرة أن الفضاء إقليدي ، لذلك كانت هناك العديد من التجارب العلمية ، التي تحاول إثبات ما إذا كان هذا الافتراض صحيحًا.

ومعظم هذه التجارب فلكية ، لأن الضوء يستغرق وقتًا للسفر ، وعندما ننظر عميقًا إلى الكون ، فإننا ننظر أيضًا إلى الماضي ، حيث تظهر لنا مجرة تبعد مليار سنة ضوئية ، كما كانت قبل مليار سنة ، لذلك إذا كانت الثوابت الفيزيائية هي نفسها في المجرات البعيدة كما هي هنا ، فهذا يعني أنها ثابتة ليس فقط في الفضاء ، ولكن أيضًا في الوقت المناسب ، وهذا ما أظهرته معظم التجارب ، ولكن دراسة حديثة تشير إلى أن بعضها قد لا يكون كذلك. [4]

دراسات حديثة عن إمكانية تغيير الثوابت الفيزيائية

نظرت هذه الدراسة الحديثة الأخيرة ، في ما يعرف باسم ثابت البنية الدقيقة ، ألفا ، وهذا الثابت هو نسبة شحنة


الإلكترون


، بسرعة الضوء ، وثابت بلانك لنظرية الكم ، والذي يُعرف بالثابت بدون وحدة ، لأن الوحدات تلغى ، لذا فإن لها نفس القيمة بغض النظر عن وحدات القياس التي تستخدمها ، كما أنها أساسية لمستويات الطاقة في الذرة ، فإذا كان لها قيمة مختلفة ، فإن أطياف الخطوط والجزيئات ستتغير بطريقة قابلة للقياس.

فقد نظر الفريق القائم على تلك الدراسة ، إلى ضوء من الكوازار المعروف باسم

J1120+0641

،  وغادر الضوء الكوازار عندما كان عمر الكون 800 مليون سنة فقط ، ومر من خلال العديد من السحب الغازية بين النجوم ، قبل أن يصل إلينا.

فقاموا بقياس أطياف خط الضوء أثناء مروره عبر أربع مناطق ، على مسافات مختلفة ، ولم يعثروا على أي دليل على حدوث تغيير في ألفا ، مما يعني أنه لا يبدو أنه يتغير بمرور الوقت ، لكن قيمة ألفا التي حصلوا عليها ، تختلف قليلاً عن القيمة الموجودة في دراسات مماثلة ، وهذا يشير إلى أن ثابت البنية الدقيقة ، يمكن أن يكون له قيمة مختلفة اعتمادًا على مكان وجودك في الفضاء.

وقد أدى هذا ببعض المقالات الإخبارية الشائعة ، إلى إعلان أن الثوابت المادية تتغير بعد كل شيء ، ولكن هذا الاستنتاج غير مبرر ، ففي بادئ ذي بدء ، فإن الانحراف الذي وجده الفريق صغير جدًا ، وأقل بكثير من المستوى الذي يعتبر نهائيًا.

كما أن الفريق نظر أيضًا إلى الضوء من الكوازار ، وهذا أمر مفهوم ، لأن هذا النوع من الدراسة قد يكون صعبًا ، ولكنه يعني أنه لا يوجد مكان قريب من البيانات الكافية ، لاستخلاص استنتاجات جذرية ، كما أن هذه دراسة واحدة فقط لعدة دراسات ، وجميعها الآخر يدعم فكرة أن الثوابت الفيزيائية لا تتغير.