من المشي في الشارع ، إلى إطلاق صاروخ في الفضاء ، إلى لصق مغناطيس على ثلاجتك ، تتصرف القوى المادية من حولنا. لكن كل القوى التي نعيشها كل يوم (والعديد من الأشياء التي لا ندرك أننا نعيشها كل يوم) يمكن أن تتقلص إلى أربع قوى أساسية فقط
- الجاذبية.
- القوة الضعيفة.
- الكهرومغناطيسية.
- القوة القوية.
تسمى هذه القوى الأربع الأساسية للطبيعة ، وهي تحكم كل ما يحدث في الكون.
الجاذبية
الجاذبية هي الجاذبية بين جسمين لهما كتلة أو طاقة ، سواء كان ذلك واضحًا في إسقاط صخرة من جسر ، أو كوكب يدور حول نجم أو القمر مما يسبب المد والجزر في المحيطات. من المحتمل أن تكون الجاذبية هي الأكثر بديهية ومألوفة للقوى الأساسية ، ولكنها كانت أيضًا واحدة من أصعب الشرح.
كان إسحاق نيوتن أول من اقترح فكرة الجاذبية ، التي يفترض أنها مستوحاة من تفاحة تسقط من شجرة. ووصف الجاذبية بأنها جاذبية حرفية بين شيئين. بعد قرون ، اقترح ألبرت أينشتاين ، من خلال نظريته في النسبية العامة ، أن الجاذبية ليست جاذبية أو قوة. بدلاً من ذلك ، إنها نتيجة لثني الأجسام الزمكان. يعمل الجسم الكبير في الزمكان مثلما تؤثر الكرة الكبيرة الموضوعة في منتصف الورقة على تلك المادة ، وتشوهها وتتسبب في سقوط أجسام أخرى أصغر على الورقة باتجاه الوسط.
على الرغم من أن الجاذبية تجمع الكواكب والنجوم والأنظمة الشمسية وحتى المجرات معًا ، إلا أنها تتحول إلى أضعف القوى الأساسية ، خاصةً على المستوى الجزيئي والذري. فكر في الأمر بهذه الطريقة: ما مدى صعوبة رفع الكرة عن الأرض؟ أو لرفع قدمك؟ أو القفز؟ كل هذه الإجراءات تتعارض مع خطورة الأرض بأكملها. وعلى المستويين الجزيئي والذري ، ليس للجاذبية تأثير تقريبًا على القوى الأساسية الأخرى.
القوة الضعيفة
القوة الضعيفة ، التي تسمى أيضًا التفاعل النووي الضعيف ، مسؤولة عن تحلل الجسيمات. هذا هو التغيير الحرفي لنوع من الجسيمات دون الذرية إلى نوع آخر. لذا ، على سبيل المثال ، يمكن للنيوترينو الذي يبتعد بالقرب من النيوترون أن يحول النيوترون إلى بروتون بينما يصبح النيوترينو إلكترونًا.
يصف الفيزيائيون هذا التفاعل من خلال تبادل الجسيمات الحاملة للقوة التي تسمى البوزونات. أنواع محددة من البوزونات هي المسؤولة عن القوة الضعيفة والقوة الكهرومغناطيسية والقوة القوية. في القوة الضعيفة ، البوزونات هي جسيمات مشحونة تسمى بوزونات W و Z. عندما تأتي الجسيمات دون الذرية مثل البروتونات والنيوترونات والإلكترونات في حدود 10 ^ -18 متر ، أو 0.1 ٪ من قطر البروتون ، بعضها البعض ، يمكنهم تبادل هذه البوزونات. ونتيجة لذلك ، تتحلل الجسيمات دون الذرية إلى جسيمات جديدة ، وفقًا لموقع HyperPhysics التابع لجامعة ولاية جورجيا.
إن القوة الضعيفة حاسمة بالنسبة لتفاعلات الاندماج النووي التي تشغل الشمس وتنتج الطاقة اللازمة لمعظم أشكال الحياة هنا على الأرض. هذا هو السبب في أن علماء الآثار يمكنهم استخدام الكربون 14 حتى الآن العظام القديمة والخشب وغيرها من القطع الأثرية الحية السابقة. يحتوي الكربون -14 على ستة بروتونات وثمانية نيوترونات. يتحلل أحد هذه النيوترونات إلى بروتون ليصنع النيتروجين -14 ، الذي يحتوي على سبعة بروتونات وسبعة نيوترونات. يحدث هذا الاضمحلال بمعدل يمكن التنبؤ به ، مما يسمح للعلماء بتحديد عمر هذه القطع الأثرية.
القوة الكهرومغناطيسية
تعمل القوة الكهرومغناطيسية ، التي تسمى أيضًا قوة لورنتز ، بين الجسيمات المشحونة ، مثل الإلكترونات المشحونة سلبًا والبروتونات المشحونة إيجابياً. تجذب الاتهامات المتقابلة بعضها البعض ، بينما تتنازل مثل التهم. كلما زادت الشحنة ، زادت القوة. ومثل الجاذبية ، يمكن الشعور بهذه القوة من مسافة لا حصر لها (وإن كانت القوة ستكون صغيرة جدًا جدًا في تلك المسافة).
كما يشير اسمها ، تتكون القوة الكهرومغناطيسية من جزأين: القوة الكهربائية والقوة المغناطيسية. في البداية ، وصف الفيزيائيون هذه القوى على أنها منفصلة عن بعضها البعض ، لكن الباحثين أدركوا فيما بعد أن الاثنين مكونان لنفس القوة.
يعمل المكون الكهربائي بين الجسيمات المشحونة سواء كانت متحركة أو ثابتة ، مما يخلق مجالًا يمكن من خلاله التأثير على بعضها البعض. ولكن بمجرد بدء الحركة ، تبدأ تلك الجسيمات المشحونة في عرض المكون الثاني ، القوة المغناطيسية. تخلق الجسيمات مجالًا مغناطيسيًا حولها أثناء تحركها. لذلك عندما تقوم الإلكترونات بالتكبير من خلال سلك لشحن الكمبيوتر أو الهاتف أو لتشغيل التلفزيون ، على سبيل المثال ، يصبح السلك مغناطيسيًا.
يتم نقل القوى الكهرومغناطيسية بين الجسيمات المشحونة من خلال تبادل بوزونات لا تحمل كتلة وتحمل القوة تسمى الفوتونات ، وهي أيضًا مكونات الجسيمات للضوء. ومع ذلك ، فإن الفوتونات الحاملة للقوة التي تتبادل بين الجسيمات المشحونة ، هي مظهر مختلف للفوتونات. إنها افتراضية وغير قابلة للكشف ، على الرغم من أنها من الناحية الفنية هي نفس الجسيمات مثل النسخة الحقيقية والقابلة للاكتشاف ، وفقًا لجامعة تينيسي ، نوكسفيل.
القوة الكهرومغناطيسية مسؤولة عن بعض الظواهر الأكثر شيوعًا: الاحتكاك والمرونة والقوة العادية والقوة التي تمسك المواد الصلبة معًا في شكل معين. إنها حتى مسؤولة عن السحب الذي تختبره الطيور والطائرات وحتى سوبرمان أثناء الطيران. يمكن أن تحدث هذه الإجراءات بسبب تفاعل الجسيمات المشحونة (أو المعادلة) مع بعضها البعض. القوة العادية التي تبقي كتابًا فوق طاولة (بدلاً من الجاذبية التي تسحب الكتاب إلى الأرض) ، على سبيل المثال ، هي نتيجة للإلكترونات في ذرات الطاولة التي تصد الإلكترونات في ذرات الكتاب.
القوة النووية القوية
القوة النووية القوية ، التي تسمى أيضًا التفاعل النووي القوي ، هي أقوى القوى الأساسية الأربع للطبيعة. وفقًا لموقع HyperPhysics على الويب ، يبلغ قوته 6 آلاف تريليون تريليون تريليون (أي 39 أصفار بعد 6!) أقوى من قوة الجاذبية. وذلك لأنه يربط الجسيمات الأساسية للمادة معًا لتشكيل جسيمات أكبر. إنها تحتوي على الكواركات التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات ، وجزء من القوة القوية يحافظ أيضًا على بروتونات ونيوترونات نواة الذرة معًا.
مثل القوة الضعيفة ، تعمل القوة القوية فقط عندما تكون الجسيمات دون الذرية قريبة جدًا من بعضها البعض. يجب أن تكون في مكان ما على مسافة 10 ^ -15 مترًا من بعضها البعض ، أو تقريبًا داخل قطر البروتون ، وفقًا لموقع HyperPhysics.
القوة القوية غريبة ، على الرغم من ذلك ، على عكس أي من القوى الأساسية الأخرى ، فإنها تصبح أضعف مع اقتراب الجسيمات دون الذرية من بعضها البعض. في الواقع ، تصل إلى أقصى قوة عندما تكون الجسيمات بعيدة جدًا عن بعضها البعض ، وفقًا لـ Fermilab. وبمجرد دخولها في النطاق ، فإن البوزونات المشحونة بلا كتل تسمى الغلوونات تنقل القوة القوية بين الكواركات وتبقيها "ملتصقة" معًا. جزء صغير من القوة القوية يسمى القوة القوية المتبقية تعمل بين البروتونات والنيوترونات. تتنافر البروتونات في النواة مع بعضها البعض بسبب شحنتها المتشابهة ، ولكن القوة القوية المتبقية يمكنها التغلب على هذا النفور ، لذلك تبقى الجزيئات ملتصقة في نواة الذرة.
توحيد الطبيعة
السؤال البارز للقوى الأساسية الأربعة هو ما إذا كانت في الواقع مظاهر لقوة عظمى واحدة فقط من الكون. إذا كان الأمر كذلك ، فيجب أن يتمكن كل منهم من الاندماج مع الآخرين ، وهناك بالفعل أدلة على قدرتهم على ذلك.
حصل الفيزيائيان شيلدون جلاشو وستيفن واينبرغ من جامعة هارفارد مع عبد السلام من إمبريال كوليدج لندن على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 1979 لتوحيد القوة الكهرومغناطيسية مع القوة الضعيفة لتشكيل مفهوم القوة الكهربائية. يهدف الفيزيائيون الذين يعملون على إيجاد ما يسمى النظرية الموحدة الكبرى إلى توحيد القوة الكهروميكانيكية بالقوة القوية لتحديد القوة النووية الإلكترونية ، التي تنبأت بها النماذج ولكن الباحثين لم يلاحظوها بعد. سيتطلب الجزء الأخير من اللغز عندئذٍ توحيد الجاذبية مع القوة النووية الإلكترونية لتطوير ما يسمى نظرية كل شيء ، إطار نظري يمكن أن يفسر الكون بأكمله.
ومع ذلك ، وجد الفيزيائيون أنه من الصعب جدًا دمج العالم المجهري مع العالم المجهري. في المقاييس الكبيرة وخاصة الفلكية ، تهيمن الجاذبية وأفضل وصف لها من خلال نظرية النسبية العامة لأينشتاين. ولكن في المقاييس الجزيئية أو الذرية أو دون الذرية ، فإن ميكانيكا الكم تصف العالم الطبيعي بشكل أفضل. وحتى الآن ، لم يتوصل أحد إلى طريقة جيدة لدمج هذين العالمين.
يهدف الفيزيائيون الذين يدرسون الجاذبية الكمية إلى وصف القوة من حيث العالم الكمي ، والتي يمكن أن تساعد في الاندماج. من الأساسي لهذا النهج هو اكتشاف الجاذبية ، البوزون النظري الحامل للقوة الجاذبية. الجاذبية هي القوة الأساسية الوحيدة التي يمكن للفيزيائيين وصفها حاليًا دون استخدام جزيئات تحمل القوة. ولكن نظرًا لأن أوصاف جميع القوى الأساسية الأخرى تتطلب جزيئات تحمل القوة ، يتوقع العلماء أن تكون الجاذبية موجودة على المستوى دون الذري - لم يجد الباحثون هذه الجسيمات حتى الآن.
ما يزيد من تعقيد القصة هو العالم الخفي للمادة المظلمة والطاقة المظلمة ، والتي تشكل ما يقرب من 95 ٪ من الكون. من غير الواضح ما إذا كانت المادة المظلمة والطاقة تتكون من جسيم واحد أو مجموعة كاملة من الجسيمات التي لها قوىها الخاصة وبوزونات الرسول.
الجسيم الأساسي للرسول الذي يثير الاهتمام الحالي هو الفوتون المظلم النظري ، والذي من شأنه أن يتوسط التفاعلات بين الكون المرئي وغير المرئي. إذا كانت الفوتونات المظلمة موجودة ، فستكون المفتاح لاكتشاف العالم الخفي للمادة المظلمة ويمكن أن تؤدي إلى اكتشاف قوة أساسية خامسة. حتى الآن ، على الرغم من ذلك ، لا يوجد دليل على وجود الفوتونات المظلمة ، وقد قدمت بعض الأبحاث أدلة قوية على أن هذه الجسيمات غير موجودة.
