السعي لرسم خريطة للبروتون من الداخل

“كيف يتم توزيع المادة والطاقة؟” سأل بيتر شفايتزر، عالم الفيزياء النظرية في جامعة كونيتيكت. “نحن لا نعرف.”

قضى شفايتزر معظم حياته المهنية في التفكير في جانب الجاذبية للبروتون. وعلى وجه التحديد، فهو مهتم بمصفوفة خصائص البروتون التي تسمى موتر زخم الطاقة. وقال: “إن موتر زخم الطاقة يعرف كل ما يمكن معرفته عن الجسيم”.

في نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين، التي تصور الجاذبية كأجسام تتبع منحنيات في الزمكان، يخبر موتر زخم الطاقة الزمكان كيف ينحني. فهو يصف، على سبيل المثال، ترتيب الطاقة (أو الكتلة) – مصدر نصيب الأسد من التواء الزمكان. كما أنه يتتبع معلومات حول كيفية توزيع الزخم، بالإضافة إلى مكان وجود ضغط أو تمدد، والذي يمكن أيضًا أن يؤدي إلى انحناء الزمكان بشكل طفيف.

إذا تمكنا من معرفة شكل الزمكان المحيط بالبروتون، وهو ما توصل إليه الفيزيائيون الروس والأمريكيون بشكل مستقل في الستينيات، فيمكننا استنتاج جميع الخصائص المفهرسة في موتر زخم الطاقة. وتشمل تلك كتلة البروتون ودورانه، المعروفين بالفعل، إلى جانب ترتيب ضغوط البروتون وقواه، وهي خاصية جماعية يشير إليها الفيزيائيون باسم “مصطلح Druck”، نسبة إلى كلمة الضغط باللغة الألمانية. وقال شفايتزر إن هذا المصطلح “لا يقل أهمية عن الكتلة والدوران، ولا أحد يعرف ما هو”، على الرغم من أن هذا بدأ يتغير.

في الستينيات، بدا كما لو أن قياس موتر زخم الطاقة وحساب مصطلح دروك سيتطلب نسخة جاذبية من تجربة التشتت المعتادة: حيث تقوم بإطلاق جسيم ضخم على بروتون وتترك الاثنين يتبادلان الجرافتون – الجسيم الافتراضي التي تشكل موجات الجاذبية، بدلا من الفوتون. ولكن بسبب الضعف الشديد للجاذبية، يتوقع الفيزيائيون أن يحدث تشتت الغرافيتون بمقدار 39 مرة أكثر نادرًا من تشتت الفوتون. لا يمكن للتجارب اكتشاف مثل هذا التأثير الضعيف.

قال فولكر بوركيرت، عضو فريق مختبر جيفرسون: «أتذكر أنني قرأت عن هذا عندما كنت طالبًا». وكانت النتيجة أننا “ربما لن نتمكن أبدًا من تعلم أي شيء عن الخواص الميكانيكية للجسيمات”.

الجاذبية بدون الجاذبية

تجارب الجاذبية لا تزال غير قابلة للتصور اليوم. لكن الأبحاث التي أجراها الفيزيائيان شيانغدونغ جي في أواخر التسعينيات وأوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، والراحل مكسيم بولياكوف، اللذان عملا بشكل منفصل، كشفت عن حل بديل.

المخطط العام هو ما يلي. عندما تطلق إلكترونًا بخفة على بروتون، فإنه عادةً ما يسلم فوتونًا إلى أحد الكواركات وينظر بعيدًا. ولكن في أقل من حدث واحد من بين مليار حدث، يحدث شيء مميز. يرسل الإلكترون الوارد فوتونًا. يمتصه الكوارك ثم يصدر فوتونًا آخر بعد نبضة قلب. والفرق الرئيسي هو أن هذا الحدث النادر يتضمن فوتونين بدلاً من فوتون واحد، سواءً الفوتونات الواردة أو الصادرة. أظهرت حسابات جي وبولياكوف أنه إذا تمكن التجريبيون من جمع الإلكترون والبروتون والفوتون الناتج، فيمكنهم أن يستنتجوا من طاقات وزخم هذه الجسيمات ما حدث مع الفوتونين. وستكون تجربة الفوتون تلك مفيدة بشكل أساسي مثل تجربة تبعثر الغرافيتون المستحيلة.