كانت أولى الدلائل على وجود الإلكترونات داخل الذرة هي اكتشاف أن العناصر الذرية تبعث الضوء بأطوال موجية متمايزة تتجسد - على سبيل المثال - ألوان متباينة بدلا من المدى الكامل لألوان قوس قزح، وهو ما يُطلق عليه الخطوط الطيفية. نعرف في وقتنا الحالي أن ميكانيكا الكم تقصر حالات حركة الإلكترونات داخل الذرات في مجموعة منفصلة، وكل حالة لها مقدار محدد من شدة الطاقة. حين تكون الذرة في أدنى طاقة إجمالية لها يُعرف هذا الوضع باسم «الحالة القاعية»، بينما جميع الأوضاع الأخرى تكون مستويات الطاقة فيها أكبر وتُعرف باسم «حالات الإثارة». تنتج الأطياف الذرية عن إشعاع الضوء أو امتصاصه عندما تقفز إلكترونات هذه الذرات بين حالات الإثارة المختلفة، أو بين حالة الإثارة والحالة القاعية. تظل الطاقة الإجمالية محفوظة، والفارق في الطاقة بين الحالتين الذريتين يساوي طاقة الفوتون الذي جرى إطلاقه أو امتصاصه خلال العملية. وقد كشفت أطياف هذه الفوتونات عن الفوارق بين مستويات الطاقة هذه الذرة، ومن هذه المجموعة الثرية من البيانات أمكن استنتاج صورة لمستويات الطاقة. وهكذا فسَّر تطور ميكانيكا الكم كيفية ظهور أ أنماط مستويات الطاقة: فهي تتحدد وفق طبيعة القوى الكهربية والمغناطيسية التي تربط الإلكترون بالنواة المركزية؛ وتحديدًا في حالة أبسط الذرات - الهيدروجين - ترتبط عن كتب بحقيقة أن شدة القوة الكهربية بين الإلكترون والبروتون تتناقص بالتناسب مع مربع المسافة بينهما.

وقعت مجموعة مشابهة من الظروف في حالة البروتون؛ فحين أُجريت أولى تجارب «مهشمات الذرات» في خمسينيات القرن العشرين وستينياته، اكتشفت العديد من الجسيمات المشابهة للبروتون لكنها أثقل وقصيرة العمر، وتُعرف باسم «التجاوبات» أو الرنين ظهر نطاق كامل من الحالات، وبالنظر للأمر من منظورنا الحالي يبدو من البديهي وجود أدلة على أن البروتون والنيوترون نظمًا تتألف - كما نعرف الآن - من الكواركات، إلا أن الأمر لم يكن بمثل هذا الوضوح وقتها. إن حركة هذه الكواركات هي التي تمنح البروتونات والنيوترونات أحجامها، تماما مثلما تحدد حركة الإلكترونات حجم الذرات. أيضًا الكواركات هي التي تزود البروتونات والنيوترونات بشحناتها الكهربية وخواصها المغناطيسية. ورغم أن الشحنات الكهربية للكواركات التي تؤلف النيوترونات يكون مجموعها في النهاية صفرا، إلا أن مغناطيسيتها المنفردة لا تتلاشى، وهو ما يؤدي إلى وجود العزم المغناطيسي للنيوترون. فقط حين تكون الكواركات في الحالة الأدنى من الطاقة ينشأ الترتيب الذي نسميه البروتون أو النيوترون، أما لو جرى استثارة كوارك واحد أو أكثر إلى مستوى أعلى من الطاقة داخل نطاق الجهد الكهربي الذي يربط بينها، فسيتكون أحد التجاوبات القصيرة العمر ذو طاقة الوضع - أو الكتلة - الأكبر بالتكافؤ مع مقدار الاستثارة. وهكذا تكون الدراسة الطيفية لحالات التجاوبات القصيرة العمر ناتجة عن استثارة الكواركات المؤلفة للبروتونات.

إلى هنا والأمر يشبه ما حدث مع الذرة، حيث أن هناك اختلافات مهمة؛ فحين تُزوَّد الإلكترونات بالمزيد والمزيد من الطاقة، فإنها ترتفع إلى مستويات أعلى من الطاقة، وفي نهاية المطاف تندفع خارجةً من الذرة، وفي هذا السيناريو نقول إن الذرة «مؤينة», كما الحال داخل الشمس. في حالة البروتون، حين يقصف بطاقات عالية ترتفع كواركاته إلى مستويات أعلى، وتُرَى التجاوبات القصيرة العمر. هذه الطاقة تنطلق بسرعة، من خلال انبعاث فوتونات أو جسيمات أخرى - كما سنرى - وتتحلل حالة التجاوب ويعود البروتون أو النيوترون مجددًا إلى حالته الأصلية. لم يسبق أن نجح أحد في تأيين بروتون وحرَّر أحد الكواركات المكونة له على نحو منفصل؛ إذ تبدو الكواركات كما لو أنها محتواة على نحو دائم في مساحة قدرها ^15-10 أمتار؛ أي «حجم» البروتون. خلا ذلك، وهو ما ينتج عن طبيعة القوى بين الكواركات، تتشابه القصة نوعيًّا مع قصة الإلكترونات داخل الذرة. فالمستويات المستثارة قصيرة العمر، وتطلق طاقة زائدة عادة على صورة فوتونات أشعة جاما، ثم تعود مجددًا إلى الحالة القاعية (بروتون أو نيوترون). وعلى نحو معاكس، يمكننا استثارة إحدى حالات التجاوب هذه من خلال تشتيت الإلكترونات من البروتونات أو النيوترونات.

آخر أجزاء التشبيه جاءتنا عام 1970. فقد تشتتت حِزَم الإلكترونات - التي تم تعجيلها وصولاً إلى طاقات مقدارها 20 جيجا إلكترون فولت - بعد اصطدامها بالبروتونات في ستانفورد بكاليفورنيا. وعلى نحو مشابه لما حدث مع رذرفورد منذ نصف قرن، لوحظ أن الإلكترونات تتشتت عبر زوايا كبيرة. وهذه نتيجة مباشرة لاصطدام الإلكترونات بالكواركات الجسيمات الأساسية شبه النقطية التي تتألف منها البروتونات.

خلال الثلاثين عامًا التالية جرى التوسع في هذه التجارب إلى طاقات أعلى، وأحدثها ما تم في معجل الهادرونات والإلكترونات (هيرا) في هامبورج بألمانيا. وقد منحتنا صور البروتونات العالية الدقة الناتجة فكرًا أساسية بشأن طبيعة القوى التي تربط بين الكواركات بعضها ببعض، وقد أدى هذا إلى ظهور نظرية للكواركات تعرف باسم نظرية الديناميكا اللونية الكهربية. وقد نجحت قدرة هذه النظرية على وصف تفاعلات الكواركات والجلوونات على مسافات تقل عن ^16-10 أمتار في اجتياز كل اختبار تجريبي.

مواضيع ذات صلة

Normal modes

Waves in three dimensions

Probability amplitudes for particles

The random walk

Nuclei and particles

الزخات الهوائية Air Showers

النيوترينات Neutrinos

النيوكليونات Nucleons

النوى الثقيلة Heavy Nuclei

المركبة الكهرومغناطيسية

الميونات Mouns

الأشعة الكونية الثانوية Secondary Cosmic Rays