نموذج بوتستراب

في فيزياء الجسيمات ، يُعدّ نموذج التمهيد ، أو مبدأ التمهيد ، أو التمهيد الهادروني، فرضيةً قديمةً حول تكوين الجسيمات الأولية المتفاعلة في ظل التفاعل النووي القوي . يستخدم هذا النموذج معايير اتساق عامة لتحديد شكل نظرية المجال الكمومي انطلاقًا من افتراضات حول طيف الجسيمات. وهو شكل من أشكال نظرية مصفوفة التشتت (S -matrix ). يُشتق المصطلح من كلمة "التمهيد" (bootstrapping ) كما في "الاعتماد على الذات"، حيث تظهر الجسيمات من خلال الاتساق الذاتي. ^{[ 1 ]}

طُرح هذا النموذج لأول مرة عام 1959 من قِبل جيفري تشو لتفسير تفاعل الجسيمات عبر التفاعل القوي . ^{[ 2 ] [ 3 ]} وقد تراجع استخدامه في سبعينيات القرن العشرين مع ظهور الديناميكا اللونية الكمومية ، التي وصفت الهادرونات ( الميزونات والباريونات ) بدلالة جسيمات أولية تُسمى الكواركات والغلوونات . ومع ذلك، كان نموذج بوتستراب مهمًا لتطوير نظرية الأوتار .

في عام 1943، وضع فيرنر هايزنبرغ نظريةً تستند إلى خصائص مصفوفة التشتت (S -matrix) . ورغم أن برنامج هايزنبرغ لم يُؤخذ على محمل الجد في البداية، إلا أنه خلال خمسينيات القرن العشرين، استخدم علماء مثل ستانلي ماندلشتام ، وموراي جيل مان ، وستيفن فراوتشي، وفرانسيس إي. لو فكرته لتطوير نظرية مصفوفة التشتت (S -matrix) . ^{[ 4 ]}

في ستينيات القرن العشرين، دفع العدد المتزايد باستمرار من الهادرونات في " حديقة الجسيمات" الفيزيائيين إلى التفكير في ضرورة إعادة صياغة طبيعة التفاعل القوي . حاول جيفري تشو وماندلشتام بناء نظرية للهادرونات استنادًا إلى نظرية مصفوفة التشتت (S -matrix)، رافضين نظرية الحقل الكمومي التقليدية. ^{[ 5 ]} استخدم تشو مصطلح "فرضية التمهيد" لأول مرة عام 1961، معتبرًا جميع الهادرونات مظاهر لنفس التفاعل، دون أن يكون على دراية بأعمال هايزنبرغ. ^{[ 4 ]} وكما اقترح غيل مان، دافع تشو عن الديمقراطية النووية ، أي فكرة أنه لا يوجد هادرون أبسط من غيره. ^{[ 5 ] [ 4 ]} تتناقض هذه الفكرة مع الصورة "الأرستقراطية" للديناميكا الكهربائية الكمومية . ^{[ 4 ]}

في عام 1962، استخدم فريدريك زاكارياسن وتشارلز زيماخ نموذج بوتستراب لاستنتاج خصائص ميزون رو ، وهو رنين لتشتت البيون تم اكتشافه مؤخرًا في مسرعات الجسيمات. وقد استنتجا كتلة ميزون رو بدقة معقولة. ^{[ 4 ]}

بعد ذلك مباشرة، بدأ نموذج الكوارك في الظهور، والذي اقترحه جيل مان وجورج زويج في عام 1964، مشيرًا إلى أن الهادرونات تتكون من جسيمات أولية أكثر تسمى الكواركات ، لكن الرأي السائد كان أن الكواركات ليست فيزيائية وأنها مجرد نتاج رياضي. ^{[ 5 ]}

خلال مؤتمر سولفاي عام 1967 ، قدّم كلٌّ من تشيو وجيل مان نظرياتهما. حاول جيل مان الربط بين نموذج بوتستراب ونموذج الكوارك الخاص به. وكان هذا آخر مؤتمر سولفاي حول فيزياء الجسيمات. ^{[ 6 ]} لم يعتبر جيل مان عمومًا وجود تعارض بين النموذجين. ^{[ 4 ]}

يكمن سبب أمل البرنامج في النجاح في مبدأ التقاطع ، الذي ينص على أن القوى بين الجسيمات تتحدد بتبادلها. بمجرد معرفة طيف الجسيمات، يُعرف قانون القوة، وهذا يعني أن الطيف محصور في حالات مقيدة تتشكل بفعل هذه القوى. أبسط طريقة لحل شرط الاتساق هي افتراض وجود عدد قليل من الجسيمات الأولية ذات اللف المغزلي الأقل من أو يساوي واحدًا، وبناء التشتت بشكل اضطرابي باستخدام نظرية المجال ، لكن هذه الطريقة لا تسمح بوجود جسيمات مركبة ذات لف مغزلي أكبر من واحد، وبدون ظاهرة الحصر التي لم تكن مكتشفة آنذاك ، فإنها تتعارض بشكل ساذج مع سلوك ريجي المرصود للهادرونات.

اعتقد تشو وأتباعه أنه من الممكن استخدام تناظر التقاطع وسلوك ريجي لصياغة مصفوفة S متسقة لعدد لا نهائي من أنواع الجسيمات. ستحدد فرضية ريجي الطيف، بينما سيحدد التقاطع والتحليلية سعة التشتت (القوى)، في حين ستحدد الوحدة التصحيحات الكمومية المتسقة ذاتيًا بطريقة مماثلة لإدراج الحلقات. تطلب التطبيق الناجح الوحيد للبرنامج افتراضًا آخر لتنظيم رياضيات الوحدة (تقريب الرنين الضيق). هذا يعني أن جميع الهادرونات كانت جسيمات مستقرة في التقريب الأول، بحيث يمكن اعتبار التشتت والاضمحلال اضطرابًا. سمح هذا ببناء نموذج بوتستراب مع عدد لا نهائي من أنواع الجسيمات مثل نظرية المجال. يجب أن تُظهر سعة التشتت من الرتبة الأدنى سلوك ريجي، وستحدد الوحدة تصحيحات الحلقة رتبة تلو الأخرى.

اعتقد كثيرون في مجتمع بوتستراب أن نظرية الحقل الكمومي، التي عانت من مشاكل في التعريف، كانت غير متسقة جوهريًا عند الطاقات العالية. ورأى البعض أنه لا توجد سوى نظرية واحدة متسقة تتطلب عددًا لا نهائيًا من أنواع الجسيمات، ويمكن إيجاد شكلها من خلال الاتساق وحده. لكن من المعروف اليوم أن هذا غير صحيح، إذ توجد نظريات عديدة متسقة غير اضطرابية، لكل منها مصفوفة S خاصة بها. وبدون تقريب الرنين الضيق، لم يكن لبرنامج بوتستراب مُعامل توسيع واضح، وكانت معادلات الاتساق غالبًا معقدة وغير عملية، مما حدّ من نجاح هذه الطريقة. وقد أدى ذلك إلى تطوير نظرية الأوتار.

درس جيفري تشو نوعين من فرضيات التكرار الذاتي، الفرضية الجزئية المطبقة على الهادرونات، وفرضية التكرار الذاتي الكاملة. تؤكد الأخيرة أن "الطبيعة على ما هي عليه لأنها الطبيعة الوحيدة الممكنة والمتسقة مع ذاتها". يتشابه هذا التفسير الميتافيزيقي مع فلسفة غوتفريد فيلهلم لايبنتز . مع ذلك، لم يطور تشو فلسفة تكرار ذاتي كاملة، وفي أوقات مختلفة اعتبر هذه الفرضية الواسعة غير مجدية وغير علمية. ^{[ 4 ]}

أُعيد توظيف فلسفة التأسيس الذاتي من قِبل مجموعة الفيزياء الأساسية ، وتحديدًا هنري ستاب وفريتجوف كابرا . في كتابه "طاو الفيزياء" الصادر عام ١٩٧٥ عن دار نشر " نيو إيج "، أيّد كابرا فلسفة نظرية المصفوفة S الديمقراطية ، التي ربطها بالبوذية الماهايانية ، على حساب نظرية الحقل الكمومي. ورأى كابرا أن فلسفة التأسيس الذاتي تمثل "قطيعة جذرية في المنهج الغربي للعلوم الأساسية"، وأنها لا تقل تأثيرًا، بل ربما تفوق، تأثير نظرية النسبية أو ميكانيكا الكم . ^{[ ٤ ]}

ناقش علماء ما بعد الحداثة والبنائية الاجتماعية نظرية الاعتماد على الذات. ورأى أستاذ الأدب الإنجليزي روبرت ماركلي أن تراجع برنامج الاعتماد على الذات كان ذا طابع أيديولوجي أكثر منه علمي. ^{[ 4 ]}

• توليو ريجي
• ستانلي ماندلستام
• التمهيد المطابق

• جي. تشيو (1962). نظرية المصفوفة S للتفاعلات القوية . نيويورك: دبليو إيه بنجامين.
• د. كايزر (2002). "الديمقراطية النووية: المشاركة السياسية، والإصلاح التربوي، وفيزياء الجسيمات في أمريكا ما بعد الحرب." إيزيس ، 93، 229-268.

• وولتشوفر، ناتالي (9 ديسمبر 2019). "لماذا قوانين الفيزياء حتمية" . مجلة كوانتا .