ما هي القوى الأربع الأساسية في الكون

ما هي القوة

تعني ببساطة القوة المؤثرة في اتجاه معين، وهي وصف كمي للتفاعل الذي يسبب تغييرا في حركة الجسم، حيث يمكن أن تسرع أو تبطئ الجسم أو تغير اتجاهه بسبب قوة مؤثرة. وبشكل أساسي، القوة هي أي فعل يرغب في الحفاظ على حركة الجسم أو تغييرها أو تشويهها، حيث يتم دفع الأشياء أو سحبها بواسطة القوى المؤثرة عليها، وتنقسم إلى قوى اتصال وقوى عدم اتصال

• تعرف القوة الناتجة عن الاتصال بأنها القوة التي تمارس عندما يتلامس جسمان ماديان مباشرة مع بعضهما البعض، ويمكن للقوى الأخرى مثل الجاذبية والقوى الكهرومغناطيسية أن تمارس نفسها حتى عبر الفراغ في الفضاء.
• قوى عدم الاتصال: يمكن تصنيف القوى التي تحدث عندما لا يتلامس جسمان إلى ثلاثة أنواع: الجاذبية، والكهربائية، والمغناطيسية.

أنواع القوى في الطبيعة

القوى الأساسية في الطبيعة هي التفاعلات الأساسية للفيزياء، وهي الطرق التي تتفاعل بها الجسيمات الفردية مع بعضها البعض، وتم تقسيم كل تفاعل في الكون إلى أربعة أنواع من التفاعلات الأساسية

• الجاذبية
• الكهرومغناطيسية
• تفاعل ضعيف (أو قوة نووية ضعيفة)
• تفاعل قوي (أو قوة نووية قوية)

القوى الأربع الأساسية في الكون

هناك أربع قوى رئيسية تحكم تفاعلات الأنظمة الفيزيائية، ويستمر العلماء في اتباع نظرية موحدة لهذه القوى، وتكون القوى الأساسية في الفيزياء على النحو التالي:

الجاذبية

من بين القوى الأساسية، تمتلك الجاذبية أقصى مدى، لكنها الأضعف في الحجم الفعلي. إنها قوة جذابة بحتة تصل حتى عبر الخلاء “الفارغ” من الفضاء لجذب كتلتين تجاه بعضهما البعض، وتحافظ على الكواكب في مدار حول الشمس والقمر في مدار حول الأرض.

في إطار نظرية النسبية العامة، يتم وصف الجاذبية على أنها انحناء الزمكان حول جسم ذو كتلة، وهذا الانحناء يخلق موقعًا يكون فيه مسار أقل طاقة باتجاه جسم آخر ذو كتلة.

الكهرومغناطيسية

تتمثل الكهرومغناطيسية في تفاعل الجسيمات مع الشحنة الكهربائية، حيث تتفاعل الجسيمات المشحونة في السكون عن طريق القوى الكهروستاتيكية، وتتفاعل أثناء الحركة بواسطة القوى الكهربائية والمغناطيسية، ولفترة طويلة، كانت القوى الكهربائية والمغناطيسية مختلفة، ولكن تم توحيدها في النهاية بواسطة جيمس كلارك ماكسويل في عام 1864 من خلال معادلاته، وفي الأربعينيات من القرن الماضي، أضافت الديناميكا الكهربائية الكمومية الكهرومغناطيسية مع فيزياء الك.

ربما تكون الكهرومغناطيسية هي القوة الأكثر انتشارًا في عالمنا، إذ يمكنها التأثير على الأشياء على مسافة معقولة وبقدر معقول من القوة.

تفاعل ضعيف

التفاعل الضعيف هو قوة جبارة جداً تعمل على نطاق النواة الذرية، ويسبب ظواهر مثل تسوس بيتا، وتم توحيده مع الكهرومغناطيسية كتفاعل فردي يسمى التفاعل الكهروضعيف.

تفاعل قوي

أقوى القوى هو التفاعل القوي المسمى على نحو مناسب ، وهو القوة التي من بين أمور أخرى ، تحافظ على ارتباط النيوكليونات (البروتونات والنيوترونات) ببعضها البعض ، في ذرة الهيليوم ، على سبيل المثال ، تكون قوية بما يكفي لربط بروتونين معًا على الرغم من أن شحناتهما الكهربائية الموجبة تجعلهما يتنافران.

في الجوهر ، يسمح التفاعل القوي لجسيمات تسمى الغلوونات بربط الكواركات معًا لتكوين النيوكليونات في المقام الأول ، ويمكن أن تتفاعل الغلوونات أيضًا مع الغلوونات الأخرى ، مما يعطي التفاعل القوي مسافة غير محدودة نظريًا ، على الرغم من أن مظاهره الرئيسية كلها على المستوى دون الذري.

توحيد القوى الأساسية

يعتقد العديد من الفيزيائيين أن جميع القوى الأساسية الأربعة هي في الواقع مظاهر لقوة أساسية واحدة (أو موحدة)، ولكن لم يتم اكتشاف ذلك بعد، مثلما تم توحيد الكهرباء والمغناطيسية والقوة الضعيفة في التفاعل الكهروضعيف، ويعملون حاليًا على توحيد جميع القوى الأساسية.

يفسر النموذج الميكانيكي الكمومي الحالي لتلك القوى أن الجسيمات لا تتفاعل مباشرة مع بعضها البعض، ولكنها تتداخل وتتوسط بواسطة جسيمات افتراضية خلال التفاعلات الفعلية، حيث يتم دمج جميع القوى باستثناء الجاذبية في “النموذج القياسي” للتفاعل.

يُطلق على الجهد المبذول لتوحيد الجاذبية مع القوى الأساسية الثلاثة الأخرى الجاذبية الكمية ، إنه يفترض وجود جسيم افتراضي يسمى الجرافيتون ، والذي سيكون العنصر الوسيط في تفاعلات الجاذبية ، حتى الآن ، لم يتم اكتشاف الجرافيتونات ، ولم تنجح أي نظريات حول الجاذبية الكمية أو تم تبنيها عالميًا.

لماذا الجاذبية هي أقوى القوى

الجاذبية هي في الواقع أضعف القوى الأساسية الأربعة، وتصنفالقوى حسب قوتها من الأقوى إلى الأضعف كالتالي: القوة النووية القوية، القوة الكهرومغناطيسية، القوة النووية الضعيفة، ثم الجاذبية.

إذا أخذت بروتونين وحملتهما بالقرب من بعضهما البعض، فسوف يتفاعلون ويتأثرون ببعضهما البعض بالعديد من القوى، ونظرا لأن كل منهما لديه كتلة وشحنة موجبة، فإن البروتونين سيتجاذبان كهرومغناطيسيا وسيتنافران، بالإضافة إلى أن لديهما شحنة “ملونة” داخلية وبالتالي يتأثران بقوة الجاذبية النووية القوية. ونظرا لأن القوة النووية القوية هي الأقوى على مسافات قصيرة، فإنها تسود القوى الأخرى ويصبح البروتونان مرتبطين معا، ويشكلان نواة الهيليوم (عادة ما يكون وجود نيوترونات أيضا ضروريا لاستقرار نواة الهيليوم). وتكون الجاذبية ضعيفة جدا على المستوى الذري، حتى يكون بإمكان العلماء تجاهلها عادة دون تأثير كبير في حساباتهم.

وعلى الرغم من ذلك، في المقاييس الفلكية، تفوق قوة الجاذبية على القوى الأخرى، وهناك سببان لذلك:

• الجاذبية لها مدى طويل
• لا يوجد شيء اسمه كتلة سالبة

بمعنى، تموت كل قوة عندما يصبح الجسمان اللذان يواجهان القوة أكثر انفصالًا ، والقوى النووية القوية والضعيفة قصيرة المدى للغاية ، مما يعني أنه خارج نوى الذرات الصغيرة ، تنخفض هذه القوى بسرعة إلى الصفر ، والحجم الصغير لنوى الذرات هو نتيجة مباشرة للمدى القصير للغاية للقوى النووية ، فجسيمان تفصل بينهما نانومتر بعيدان جدًا عن بعضهما البعض لممارسة قوة نووية ملحوظة على بعضهما البعض ، وإذا كانت القوى النووية ضعيفة جدًا بالنسبة لجسيمين لا يفصل بينهما سوى نانومتر ، فيجب أن يكون واضحًا أن القوى النووية أقل أهمية في المقاييس الفلكية.

على سبيل المثال، تبعد الأرض والشمس مسافات شاسعة عن بعضهما البعض (بمليارات الأمتار)، وتحتاج قوى النووية لهما للوصول إلى بعضهما البعض، بينما تتميز القوة الكهرومغناطيسية والجاذبية بمدى فعال لا نهائي، وهذا يعني أنها تعمل على مسافات بعيدة دون الحاجة إلى الاقتراب من بعضها البعض.