ما حجم مدى القوة الضعيفة؟

القوة الضعيفة إحدى القوى الأساسية الأربع في الطبيعة، ولا تعمل إلا على مسافات قصيرة جدًا. ويبلغ مداها، أي المسافة التي يمكن أن تصل إليها، نحو 10⁻¹⁸ متر، أي 1 أتومتر. وهذا أقل من جزء من ألف من عرض البروتون.

المسافة

الأتومتر يساوي 10⁻¹⁸ متر، أي جزء من مليار من جزء من مليار من المتر. ويعني الرمز 10⁻¹⁸ قسمة 1 على عدد يتألف من 1 يليه 18 صفرًا. والمدى ليس حدًّا قيس بأي جهاز، بل هو تقدير جرى استنتاجه من كتلة الجسيمات التي تحمل القوة.

الجسيمات التي تحمل القوة الضعيفة تسمى بوزون W وبوزون Z. وكلاهما ثقيل: تبلغ كتلة بوزون W نحو 86 ضعفًا لكتلة البروتون، وكتلة بوزون Z نحو 97 ضعفًا. وتسمح فيزياء الكم لجسيم يحمل قوة بالوجود للحظة قصيرة فقط، وكلما كان الجسيم أثقل كانت اللحظة أقصر.

وحتى لو تحرك بوزون W بسرعة تقارب سرعة الضوء، فلا يقطع في تلك المدة إلا نحو 2 × 10⁻¹⁸ متر، بحسب الكتاب الدراسي University Physics Volume 3. ويقرّب سيرن، المختبر الأوروبي لفيزياء الجسيمات، المدى إلى نحو 10⁻¹⁸ متر. ويضيف المختبر أن القوة تختفي تمامًا خارج نصف قطر بروتون واحد.

مقارنات الحجم

يبلغ عرض البروتون، وهو نحو 1.7 فمتومتر (1.7 × 10⁻¹⁵ متر)، نحو 1,700 ضعف مدى القوة الضعيفة.
تصل القوة الشديدة، التي تربط الكواركات معًا داخل البروتونات والنيوترونات، إلى مدى يبلغ نحو 10⁻¹⁵ متر، أي نحو 1,000 ضعف مدى القوة الضعيفة.
وجدت التجارب أن عرض الكوارك، إن كان له حجم أصلًا، يقل عن نحو 8.6 × 10⁻¹⁹ متر، أي أقل قليلًا من مدى القوة الضعيفة.
لو جرى تكبير مدى القوة الضعيفة إلى عرض شعرة الإنسان، أي نحو 0.1 مليمتر، لبلغ عرض البروتون نحو 17 سنتيمترًا، ولبلغ عرض ذرة الهيدروجين نحو 11 كيلومترًا.

ما تفعله القوة الضعيفة

تستطيع القوة الضعيفة تحويل نوع من الكواركات إلى نوع آخر. وبهذه الطريقة يتحول النيوترون إلى بروتون في اضمحلال بيتا، وهو نوع من الاضمحلال الإشعاعي. فيطلق النيوترون بوزون W ويصبح بروتونًا، ثم يتحول بوزون W إلى إلكترون ونيوترينو مضاد.

وتستطيع القوة الضعيفة أيضًا تحويل بروتون إلى نيوترون. ويحدث هذا في الخطوة الأولى من الاندماج النووي الذي يمدّ الشمس بالطاقة. يندمج بروتونان، ويتحول أحدهما إلى نيوترون، فيتكوّن الديوتيريوم، وهو شكل ثقيل من الهيدروجين. أما النيوترينوات فلا تتأثر إلا بالقوة الضعيفة والجاذبية، ويخترق معظمها كوكبًا كاملًا دون أن يوقفها شيء.

ومع أن هذه القوة تسمى ضعيفة، فهي أقوى بكثير من الجاذبية. ويوضح سيرن أنها تكاد تساوي القوة الكهرومغناطيسية في الشدة، وتبدو ضعيفة لأن بوزونَي W وZ الثقيلين يحدّان من مداها.

اكتشاف بوزونَي W وZ

طرح إنريكو فيرمي أول نظرية للقوة الضعيفة عام 1933. وفي ستينيات القرن العشرين، اقترح شيلدون غلاشو وعبد السلام وستيفن واينبرغ أن القوة الضعيفة والقوة الكهرومغناطيسية صورتان لقوة واحدة هي القوة الكهروضعيفة. وتنبأت نظريتهم ببوزونَي W وZ، وبكتلتيهما أيضًا عند دمج النظرية بتجارب سابقة.

ولإنتاج البوزونات، حوّل فيزيائيو سيرن أكبر مسرّع في المختبر إلى آلة تجعل البروتونات تصطدم بالبروتونات المضادة. ورصدت تجربتا UA1 وUA2 الجسيمين هناك للمرة الأولى عام 1983، بالكتل المتوقعة. ونال كارلو روبيا وسيمون فان دير ميير جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1984 عن هذا الاكتشاف.