تطبيقات القوى الأساسية للفيزياء في حياتنا اليومية

يمكن تفسير جميع التفاعلات المرئية في الطبيعة بالاستناد إلى أربع قوى أساسية فقط. يعتقد معظم الفيزيائيين أن هذه القوى الأربع لابد وأن تكون قد انفصلت مع توسع الكون، ولكن يجب أن تكون هي نفسها في الأساس في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة التي كانت موجودة في الانفجار العظيم.

ولهذا السبب يبحث العلماء يبحثون عن نظرية لكل شيء من شأنها أن توحد القوى الأربعة وتكشف عن فهم كامل للكون. نظرية الأوتار والنموذج القياسي هما نظريتان كبيرتان للتوحيد تهدفان إلى القيام بذلك ولكنهما لم تنجحا حتى الآن.

في هذا المقال، سنلقي نظرة على كيفية تطبيق القوى الأساسية الأربعة في الحياة اليومية. اثنان من هذه القوى هما الجاذبية والكهرومغناطيسية التي ندركها جميعًا جيدًا. هذا لأنها قوى أساسية تعمل مع مقياس واسعة النطاق في حين أن القوى الضعيفة والقوية، تعمل على مقياس صغير (المقياس الذري)، بالكاد تلفت انتباهنا.

القوى الكهرومغناطيسية

هذه القوة الأساسية في الواقع هي توحيد قوتين: القوى الكهربائية والقوى المغناطيسية. من التجارب الرائدة لمايكل فاراداي، قام عالم الرياضيات العبقري جيمس كليرك ماكسويل ببناء مجموعة من المعادلات التي جمعت بين القوتين في واحدة.

واحدة من أولى الصور الملونة التي التقطها ماكسويل عام 1861

أينما نظرت في عالمنا المعاصر، تظهر القوة الكهرومغناطيسية. تشمل الأمثلة البارزة التلفزيون والراديو والكمبيوتر. مع التقدم التكنولوجي، أصبحت أجهزتنا أصغر حجمًا وبدأت تتناسب مع راحة أيدينا. بنقرة زر واحدة، نتواصل مع العالم عبر الإنترنت، والذي يعد مرة أخرى هدية كهرومغناطيسية للبشرية جمعاء.

أيضًا، يتم استخدام العديد من الموجات الكهرومغناطيسية للعلاج الطبي أيضًا. أمثلة: لتكوين صورة لنشاط الدماغ، تستخدم آلة التصوير بالرنين المغناطيسي موجات الراديو أو يمكن رؤية العظم المكسور بالأشعة السينية أو الأشعة فوق البنفسجية التي تعالج أمراض مثل اليرقان أو أشعة جاما التي تستخدم لقتل الخلايا السرطانية.

علاوة على ذلك، ما نراه بأعيننا هو الضوء المرئي، وهو جزء صغير من الطيف الكامل، والألوان من البنفسجي إلى الأحمر، كما هو الحال في قوس قزح. هذا هو السبب في أن القوة الكهرومغناطيسية هي القوة التي نعرفها كثيرًا لأنها يمكن رؤيتها في كل مكان؛ سواء في الصور الشخصية أو الأفلام.

قوى الجاذبية

تدور الأرض حول الشمس مرة واحدة في السنة لأنها تقع في مجال جاذبية الشمس. إذا لم تكن هناك جاذبية لإبقاء الأرض تدور، فهل سنحتفل بالعام الجديد مع أصدقائنا وعائلتنا؟

الكواكب والمذنبات والكويكبات وغيرها من الحطام كلها مرتبطة ببعضها البعض بفعل جاذبية الشمس. هذا يشير إلى أن الجاذبية قوة بعيدة المدى. ومع ذلك، هناك حد لها مثل مع زيادة المسافة، تنخفض قوة الجاذبية بشكل كبير في قوتها.

ستيفن هوكينغ يقوم برحلة تنعدم فيها الجاذبية

في هذه اللحظة، هناك مئات الأقمار الصناعية تدور حول الأرض، 24 منها مخصصة بالكامل لتقنية GPS. فكر في هذا: بدون الجاذبية التي تبقيهم في مدار مستقر، لن تكون هناك خرائط جوجل وسنضيع بدون اتجاه في مكان غريب!

القانون العالمي للجاذبية هو توحيد لميكانيكا الأرض والسماء كما فعل السير إسحاق نيوتن في القرن السابع عشر. اليوم، يمكننا أن نفهم أصل الكون من خلال معرفة أسباب الجاذبية. يمكن لبعض الفيزيائيين أيضًا التوقع بالكيفية التي قد ينتهي بها الكون من خلال دراسة كيفية استجابة الجاذبية ضد قوى الطبيعة الأخرى.

القوى الضعيفة

كان من المعروف لعامة الناس أن داخل الأرض كان دافئًا وذائبًا نظرًا لوجود البراكين التي تطلق حمم منصهرة من باطن الأرض. ثم اكتشف العلماء أن عمر الأرض يبلغ أربع مليارات سنة مما جعلهم في حيرة من أمرهم لأنه كيف يمكن أن تظل دافئة لفترة طويلة؟ وأيضًا، ما الذي أبقى الحديد ذائبًا في اللب ومكّن المجال المغناطيسي للأرض؟

في القرن العشرين، وُجد أن هناك الكثير من العناصر المشعة داخل الأرض، مثل اليورانيوم والثوريوم، والتي تتحلل تلقائيًا وبالتالي تحافظ على دفء الأرض من الداخل. تم تفسير الطاقة من هذه التفاعلات من خلال معادلة آينشتاين الشهيرة التي تنص على أن الكتلة والطاقة متكافئتان.

في عملية الاضمحلال، تنبعث النيوترينوات التي تتفاعل فقط عن طريق القوة الضعيفة. تم اكتشاف هذه الجسيمات عالية السرعة لأول مرة في عام 2005 من قبل العلماء في KamLAND ومقره اليابان. وبالتالي، يتم تفسير الحرارة ودرجة الحرارة الكامنة في لب الأرض من خلال التفاعل الضعيف.

إذا لم يكن الأمر كذلك، فلن يكون هناك حديد منصهر، وبالتالي لا يوجد مجال مغناطيسي حول الأرض لحمايته من الرياح الشمسية الحارقة. نتيجة لذلك، ستختفي طبقة الأوزون وسنُقتل جميعًا. وبالتالي، فإن اضمحلال بيتا، وهو مظهر من مظاهر القوة الضعيفة، أمر أساسي لوجودنا.

علاوة على ذلك، فإن القوة الضعيفة مسؤولة أيضًا عن التحلل الإشعاعي الذي يساعد على توليد الضوء في الشمس والذي يساعد على تحديد عمر الاحافير على الأرض.

القوى الشديدة

نظرًا لأن البروتونات عبارة عن شحنة موجبة وبما أن الشحنات المتشابهة تتنافر مع بعضها البعض ولأن المسافة بينها داخل النواة صغيرة جدًا، يجب أن يكون التنافر الكهربائي مرتفعًا جدًا بحيث يجب أن تتباعد! إذن ما الذي يربطهم معًا؟

القوى الشديدة هي مادة الغراء التي تربط النوى معًا؛ لذلك، بطبيعة الحال، يجب أن تكون قوة قصيرة المدى للغاية ولكنها اكبر بكثير من القوة الكهرومغناطيسية. وأنت تعرف ما هو المثير للاهتمام؟ معظم كتلة البروتون (أو النيوترون) ناتجة عن طاقة مجال القوى الشديدة. هذا يعني أن معظم كتلتنا هي مجرد مظهر من مظاهر نفس الطاقة.

الحياة بدون القوى الشديدة لن تكون موجودة لأنه بدونها لن تتجمع البروتونات في المقام الأول. ولكن، بسبب القوى الشديدة، يمكن للبروتونات أن تتحد معًا لتصبح هيليوم غير مستقر، والذي يتحلل بتوجيه من القوة الضعيفة وينتج عنه الضوء المرئي الذي تستخدمه المملكة النباتية في انتاج غذائها ومنها يتمكن الانسان والحيوان من الحصول على غذائه.

القوى الضعيفة والشديدة على حد سواء هي قوى تعمل على مقياس صغير بخلاف القوى الكهرومغناطيسية وقوى الجاذبية، ولهذا السبب ليس لديها تطبيقات تكنولوجية واسعة النطاق ولكننا نعلم على وجه اليقين أنه لن يكون هناك شيء بدونها!

الخلاصة

تتحكم قوتان في جميع أنشطة المقياس الواسع للكون بينما تحكم القوتان الأخريان الأكثر أهمية في العالم المتناهي الصغير. كما ذكرنا من قبل، يبحث العلماء عن نظرية لكل شيء من شأنها أن توحد جميع قوى الطبيعة الأربعة في نظام واحد متماسك. لكن ماذا لو كانت هناك قوة خامسة للطبيعة؟