الثوابت الفيزيائية الأساسية

يشير الثابت الفيزيائي إلى مجموعة من الكميات الثابتة الأساسية التي تم اكتشافها في الطبيعة وظهرت في المعادلات النظرية الرئيسية للفيزياء، ويتطلب تقييم دقيق لهذه الثوابت للتحقق من صحة النظريات وتمكين تطبيقات فعالة تعتمد عليها.

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 تلك التي من شأنها أن تؤثر على سرعة الموجة الصوتية في الهواء (مثل درجة حرارة الهواء واتجاه وسرعة الرياح). إنه ثابت عالمي للطبيعة.

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 (h) ليس خاصية للجسيمات الأساسية، بل هو ثابت يظهر في معادلات ميكانيكا الكم، ويربط طاقة الفوتون (E)، أي كمية من الإشعاع الكهرومغناطيسي، بتردده (ν) من خلال المعادلة E = hν.

ثابت الجاذبية الكوني

تربط ثابت الجاذبية الكونية (G) قوة الجاذبية بين جسمين بحسب كتلتهما والمسافة بينهما، ومن الصعب قياس قيمته تجريبيا. تم اقتراح أن قيمة G تتغير مع مرور الوقت في تاريخ الكون، وأنها تعتمد على الحجم. إذا كان الأمر كذلك، فإن القيم المحددة في المختبر قد لا تكون مناسبة للمشاكل الأرضية أو الفلكية. ومع ذلك، لا يوجد حاليا أي دليل مقنع على صحة هذا الادعاء.

القيم العددية للثوابت الفيزيائية

تتم تحديد القيم الدقيقة للثوابت الفيزيائية في مختبرات مختلفة في جميع أنحاء العالم، مثل المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST، المعروف سابقا باسم المكتب الوطني للمعايير). يتم تحسين هذه القيم مع تطور الأساليب والتقنيات التجريبية.

تعتمد القيم العددية للثوابت الفيزيائية على نظام الوحدات المستخدم في التعبير عنها، فمثلاً يمكن التعبير عن سرعة الضوء تقريبًا بأنها 30000000000 سم في الثانية أو 186000 ميل في الثانية، وذلك حسب الوحدات المستخدمة.

في الوقت الحالي، ومع كل ما تم ذكره، يميل الخبراء إلى تعريف الوحدات بالثوابت الفيزيائية، ويتم تعريف المقياس الآن على أنه المسافة التي ينتقل فيها الضوء، خلال وقت محدد. ويتم التوصل إلى هذه التعاريف من خلال اتفاق دولي، وفقًا للنظام الدولي للوحدات.

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.

نظرا لأن هذه الثوابت متأصلة في الخصائص الفيزيائية، فمن المعتقد عموما أنها لا يمكن تغييرها عبر الزمان والمكان. فكل إلكترون، على سبيل المثال، يحمل نفس الشحنة، لذلك يجب أن تكون لديهم نفس الشحنة سواء كانوا هنا على الأرض أو في مجرة تبعد مليارات السنين الضوئية. والشحنة التي يحملونها الآن يجب أن تكون نفس الشحنة التي كانوا يحملونها منذ بداية الزمن.

على الرغم من أن هذا مفهوم منطقي، إلا أن ذلك لا يعني بالضرورة صحة هذا المفهوم، فقد تم إثبات خطأ العديد من افتراضاتنا الواضحة، مثل فكرة أن الأرض هي مركز الكون، وفكرة أن الفضاء إقليدي، ولذلك فقد تم إجراء الكثير من التجارب العلمية لإثبات صحة أو خطأ هذه الافتراضات.

معظم التجارب الفلكية تستخدم لأن الضوء يستغرق وقتا للوصول، وعندما ننظر بعمق إلى الكون، ننظر أيضا إلى الماضي، حيث نرى مجرات تبعد مليارات السنين الضوئية، وهي تظهر لنا كما كانت قبل مليار سنة. إذا كانت الثوابت الفيزيائية هي نفسها في المجرات البعيدة كما هي هنا، فهذا يعني أنها ثابتة ليست فقط في الفضاء، ولكن أيضا في الزمن، وهذا ما أظهرته معظم التجارب، ولكن دراسة حديثة تشير إلى أن بعض التجارب قد لا تكون كذلك.

دراسات حديثة عن إمكانية تغيير الثوابت الفيزيائية

نظرت هذه الدراسة الحديثة الأخيرة إلى ما يعرف باسم ثابت البنية الدقيقة الألفا، وهو نسبة شحنة الإلكترون بسرعة الضوء وثابت بلانك لنظرية الكم، ويعرف بالثابت بدون وحدة، لأن الوحدات تلغى، لذلك فهو يمتلك نفس القيمة بغض النظر عن وحدات القياس المستخدمة، وهو أساسي لمستويات الطاقة في الذرة، فإذا كان له قيمة مختلفة، فإن أطياف الخطوط والجزيئات ستتغير بطريقة قابلة للقياس.

لقد درس الفريق المعني بهذا البحث ، بناء على ما يعرف بالكوازار J1120+0641 ، وقد غادر الضوء الكوازار عندما كان عمر الكون 800 مليون سنة فقط ، ومر بالعديد 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.

أدت بعض المقالات الإخبارية الشائعة إلى إعلان أن الثوابت المادية تتغير بعد كل شيء، ولكن هذا الاستنتاج غير مبرر، حيث أن الانحراف الذي وجده الفريق كان صغيرًا 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.