Published in: الفيزياء

قوى الكون – القوى الكهرومغناطيسية والنووية

Author د. هالة وتار

Published on: 11 أبريل، 2024

د. هالة وتار

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

هناك أربعة قوىً أساسية (Fundamental force) أو تأثيراتٍ متبادلة أساسية، تحكم الكون، وهذه القوى تؤثر في كل ذرةٍ من ذرات الكون بما فيها ذرات أجسامنا، ولولا هذه القوى لما وجد الكون على صورته الحالية، وهذه القوى هي:

● القوى (التأثيرات المتبادلة) الكهرومغناطيسية (Electromagnetic Forces).  

● القوى النووية (التأثيرات المتبادلة) القوية (Strong Nuclear Forces).

● القوى النووية (التأثيرات المتبادلة) الضعيفة (Weak Nuclear Forces).

● القوى (التأثيرات المتبادلة) الجاذبية (Gravitational Forces).

الجسيمات التي تشارك في التأثيرات المتبادلة تتبادل الطاقة من خلال حقل وسيط، وهذا يتمُّ عن طريق تبادلٍ للجسيمات أو الكوانتات.

ما هي القوى الكهرومغناطيسية؟

هي القوى الأكثر انتشاراً، وتعمل بين الجسيمات التي تحمل شحنةً كهربائية، وهي المسؤولة عن تماسك الذرة، وتنشأ بين الجسيمات المشحونة قوة كهرومغناطيسية، وحامل هذه القوة أو الجسيم المتبادل عبارة عن جسيمٍ معتدلٍ كهربائياً يدعى الفوتون (Photon). الإلكترونان المتدافعان حسب قانون كولون يتبادلان الفوتونات، ولكن هذه الفوتونات لا يمكن الكشف عنها فهي تخيّلية (افتراضية). ^[1]

ما هي خصائص القوى الكهرومغناطيسية؟

1- تعمل القوى الكهرومغناطيسية بين الجسيمات المشحونة كهربائياً، وقد تكون قوىً تجاذبيةً أو تنافرية.

2- زمن القوى الكهرومغناطيسية حوالي 10^-20 ثانية.

3- مدى القوى الكهرومغناطيسية أو نصف قطر تأثيرها لانهائي.

4- الجسيمة المتبادلة في القوى الكهرومغناطيسية هي الفوتون.

ما هي القوى الكهرومغناطيسية المتبقية؟

تعمل القوى الكهرومغناطيسية على ربط الأجسام المشحونة مع بعضها البعض، لأنها تملك شحنةً كهربائية، فهي تعمل على ربط الإلكترونات السالبة الشحنة مع النواة الموجبة الشحنة لتشكيل الذرة، ولكن كيف يمكننا تفسير تماسك الجزيئة المكونة من ذراتٍ معتدلة.

الذرات المعتدلة كهربائياً لا تخضع للقوى الكهرومغناطيسية، والذرات لا تخضع أيضاً للقوة النووية القوية التي تعمل فقط داخل النواة، لذلك فإن الأجزاء المشحونة من ذرةٍ تتبادل التأثير مع الأجزاء المشحونة من ذرةٍ أخرى، والذرات المختلفة تترابط مع بعضها البعض بواسطة (القوى الكهرومغناطيسية المتبقية)، وبالتالي هذه القوى هي التي تسمح للذرات بالترابط مع بعضها لتشكيل الجزيئات، وبالتالي تشكيل المادة.

القوى النووية القوية

القوى النووية (التأثيرات المتبادلة) القوية تربط الكواركات مع بعضها البعض لتشكيل البروتونات والنيوترونات، والتأثيرات المتبادلة القوية المتبقية تربط البروتونات والنيوترونات مع بعضها البعض لتشكيل النواة. شحنة التأثيرات المتبادلة القوية تدعى اللون (أحمر، أزرق، أخضر)، وتُحمل من قبل الكواركات، وحامل القوة أو الجسيم المتبادل في التأثيرات المتبادلة القوية عبارةٌ عن جسيمٍ معتدلٍ كهربائياً يدعى الغلوون (Gluon).

الكواركات تتجاذب فيما بينها عن طريق إصدار وامتصاص (تبادل) الغلوونات. التأثيرات المتبادلة القوية من أقوى أنواع التأثيرات المتبادلة المعروفة في الطبيعة، وهي تعمل بين النيوكلونات أي داخل النواة والمسؤولة عن القوة النووية القوية. ^[2]

ما هي خصائص القوى النووية القوية؟

1- تعمل التأثيرات المتبادلة القوية بين النيكلونات، وتملك شحنةً لونية، وهي الكواركات والغلوونات.

2- زمن التأثيرات المتبادلة القوية حوالي 10^-23  ثانية.

3-مدى التأثيرات المتبادلة القوية لا نهائي، ولكن المدى الفعلي يساوي 10^-15 متر من رتبة قطر النواة بسبب حصر المادة النووية في النواة.

4- الجسيمة المتبادلة في التأثيرات المتبادلة القوية هي الغلوون g (Gluon).

5- القوى النووية شديدة، ولكن لا نشعر بها بسبب مجال تأثيرها المحدود جداً.

ما هي القوى النووية القوية المتبقية؟

القوة النووية القوية تجاذبية تعمل على ربط الكواركات مع بعضها البعض، لأنها تملك شحنةً لونية، فكيف يمكننا تفسير تماسك النواة؟ البروتونات موجبة الشحنة، وتتنافر فيما بينها بفعل القوة الكهرومغناطيسية، أما البروتونات والنيوترونات لا لون لها، فهي لا تخضع للقوة القوية التجاذبية، والقوة التي تعمل بين الكواركات داخل البروتون هي القوة النووية القوية.

والقوة التي تعمل بين كوركات البروتون وكواركات البروتون الآخر هي أيضاً قوة نووية قوية أشدُّ من قوى التنافر الكهرومغناطيسي بينهما، لذلك تتغلب عليها، وتمنع البروتونات من التنافر، تدعى هذه القوة الناشئة بين نيكلونات النواة بالقوة النووية القوية المتبقية، وهي المسؤولة عن تماسك النواة، ولولا ذلك لتنافرت البروتونات، ولم يكن لدينا مادة في الكون.

القوى النووية الضعيفة

القوى النووية الضعيفة هي المسؤولة عن تفكك بيتا، وتفكك الكثير من الجسيمات غير المستقرة، مثل: البيونات، والميونات، وغيرها، بالإضافة لتفكك بعض الجسيمات الغريبة، مثل: لمدا Λ، وغيرها. الجسيمات المتبادلة في التأثيرات المتبادلة الضعيفة هي جسيماتٌ مشحونةٌ ومعتدلة تدعى بالبوزونات (W^–, W⁺, Z⁰). ^[3]

ما هي خصائص القوى النووية الضعيفة؟

1- التأثيرات المتبادلة الضعيفة الوحيدة التي تؤثر على النيترنوات.

2- التأثيرات المتبادلة الضعيفة الوحيدة القادرة على تغيير النكهة.

3- زمن التأثيرات المتبادلة الضعيفة يتراوح من 10^-8 ثانية إلى 10^-10ثانية.

4- مدى التأثيرات المتبادلة الضعيفة 10^-18 متر (أصغر بحوالي 10³ مرة من مدى التأثيرات المتبادلة القوية، وهو عائد للكتلة الهائلة للبوزونات المتبادلة).

5- الجسيمة المتبادلة في التأثيرات المتبادلة الضعيفة هي البوزونات الثقيلة، وهي الجسيمات W⁺, W^–, Z⁰.

قوى الجاذبية

قوة الجاذبية هي القوة الوحيدة من القوى الأربعة التي نحس بوجودها، وهي المسؤولة على إبقاء أقدامنا على الأرض، وتثبت الأرض في مدارها حول الشمس، وتعمل قوى الجاذبية بين كل زوجٍ من الأجسام التي تملك طاقة، أو كتلة، فالفوتونات على سبيل المثال: لا تملك كتلة، ولكنها تخضع لقوى الجاذبية. الجسيمة المتبادلة في التأثيرات المتبادلة التجاذبية تدعى الغرافيتون G (Graviton).

قوى الجاذبية بين الجسيمات الأولية تكون ضعيفةً للغاية، وهي أصغر من القوى النووية الضعيفة بأكثر من 10³⁰ مرة، لذلك يهمل هذا النوع من القوى في فيزياء الجسيمات، وتؤخذ بالاعتبار في حالة الأجرام السماوية الهائلة الكتلة، فتتواجد بين الكواكب مثلاً.

الأرض تمارس علينا قوة جاذبيةٍ أكبر بكثير من القوة الكهربائية. في الحقيقة الشحنات الكهربائية على الأرض تكون متوازنةً (شحنات النوى الذرية الموجبة تساوي شحنات الإلكترونات السالبة)، ولكن كتل النوى تضاف لكتل الإلكترونات لتعطي فعلاً جاذبياً قابلاً للقياس على الأجسام الموجودة على سطح الأرض. ^[4]

ما هي خصائص قوى الجاذبية؟

1- التأثيرات المتبادلة التجاذبية تعمل بين جميع الأجسام التي تملك طاقةً أو كتلة.

2- مدى التأثيرات المتبادلة التجاذبية لانهائي.

3- الجسيمة المتبادلة في التأثيرات المتبادلة التجاذبية هي الغرافيتون G، وهي جسيمات معدومة الكتلة.

القوى الأساسية

● القوة الكهرومغناطيسية: تؤثر على الشحنات، وهي المسؤولة عن ترابط الذرات، وهي أشدُّ بكثيرٍ من قوة الجاذبية بحوالي 10³⁰ مرة.

● القوة النووية القوية: تؤثر على نوعٍ آخر من الشحنات (شحنات اللون)، وهي مسؤولة عن ترابط الكواركات في البروتون والنيوترون، وهي أشدُّ من القوة الكهرومغناطيسية بحوالي 100 مرة.

● القوة النووية الضعيفة: تؤثر على الشحنات الضعيفة (الأيزوسبين التي تلعب دور الشحنة الكهربائية والهايبرشارج Y).

● قوة الجاذبية: تؤثر على الأجسام التي تملك كتلةً أو طاقة.