هل يمكنك أن تفسر لي لماذا كل جسم يمتلك كتلة؟

إجابة
rate image أضف إجابة
حقل النص مطلوب.
يرجى الانتظار
إلغاء
profile image
بيان أحمد ماجستير في الفيزياء (٢٠١٨-حالياً) . 1616323237
 إن كتلة الجسيم هي خاصية مهمة يجب علينا فهمها، لأنها تضرب بجذورها إلى أرض فيزياء الجسيمات الأساسية.

وفي البداية، دعنا نتساءل سوياً، ما هي الكتلة إذاً بالمعنى المادي؟ لماذا بعض الجسيمات لها كتلة والبعض الآخر ليس كذلك؟ وبينما قد لا تعتقد أن هذا سيكون مهمًا، لكن السؤال الأكبر هو: لماذا تمتلك الجسيمات كتلة بالأصل؟

للإجابة على هذه الأسئلة، سوف نتجاوز ما عرفه ألبرت أينشتاين عن الكتلة، لذا دعنا نتعمق في فيزياء الجسيمات والنسبية العامة.

مقياس الكتلة..

أخبرني أستاذ ذات مرة أن أفضل تعريف للخاصية المادية هو طريقة قياسها. بعد هذا التعريف، دعونا نرى كيف نقيس الكتلة.

عندما تخطو على الميزان، سواء أعجبك ذلك أم لا، فإنه يسجل وزنك. هذا لأن الأرض تجذبك بقوة الجاذبية. حيث توجد قوة بينك وبين الأرض، وهذا لأن لك وللأرض كتلة.

ولكن، إذا خطوت على نفس الميزان على القمر، فسوف يسجل الميزان جزءًا من وزنك على الأرض. أي حوالي السدس، على وجه الدقة. (أي أنه لم تكن هناك خطة نظام غذائي أكثر فاعلية حين تواجدت على سطح القمر، كل ما هنالك أنك تفقد 83% من وزن جسمك بمجرد السفر إلى القمر).

إن وزن قمرك أقل لأن كتلة القمر أقل من كتلة الأرض، ومن المتعارف عليه أن قوة الجاذبية بينك وبين هذا السطح تتناسب مع كتلة السطح (M) وكتلتك (m). يتم الحصول على ذلك من خلال الصيغة F = GMm / (R2) حيث إن R هو نصف قطر القمر (أو الأرض، أي بالمجمل هو نصف قطر السطح الذي تقف عليه) و G يسمى ثابت الجاذبية لنيوتن.

إن الكتلة هي شحنة تفاعل الجاذبية وبدونها لن يكون هناك وجود لقوة الجاذبية. يشير الفيزيائيون إلى تحقق الكتلة بهذا المظهر على أنه كتلة الجاذبية.

عندما تفتح بابًا، فإنه يتعيّن عليك دفعه بقوة، وإلا فلن يتحرك الباب. هذا لأن الباب يتجلى في شكل قصور، أي أنه يقوم بصدك كرد فعل على محاولة تغيير حالته الحركية.

ينص قانون نيوتن الثاني على أن القوة التي تحتاجها لتغيير حالة حركة الجسم تتناسب مع كتلته بالقصور الذاتي (F = ma). لذا سيكون من الأسهل عليك دفع باب (خفيف) أكثر من دفع باب (ثقيل) بنفس التسارع.

توحيد المفهوم الرئيسيّ للكتلة..

ربط أينشتاين كتلة الجاذبية والقصور الذاتي عبر مبدأ الجاذبية الخاص به -مبدأ التكافؤ-، إن مبدأ التكافؤ يقول ببساطة أن كتلة القصور والجاذبية هما نفس الشيء.

ومع ذلك، فإن هذا البيان البسيط، إلى جانب الفكرة الرياضية القائلة بأن معادلات الفيزياء لا ينبغي أن تعتمد على الإطار المرجعي، يقودنا بعيدًا جدًا. إن النتيجة الرئيسية لمبدأ التكافؤ كانت معادلات الجاذبية لأينشتاين. وتحدد هذه المعادلات التي تقوم بها الكتلة -أيّاً كانت- بإحناء الزمكان (نسيج الزمان والمكان).

إن معنى معادلات الجاذبية لأينشتاين بسيط: الكتلة تقوم بحني الزمكان والمكان، والزمكان المنحني بدوره يقوم بتحريك الكتلة حول هذا الانحناء. إذا سبق لك أن رأيت عملة معدنية أو كرة صغيرة تتدحرج بداخل طبق نصف كروي، فأنت تعلم حتماً ما الذي أتحدث عنه.

وفقًا لصورة أينشتاين الهندسية للجاذبية، تدور الأرض حول الشمس لأن الشمس تخلق بئر جاذبية على شكل قمع في نسيج الزمكان وتدور الأرض فيه تمامًا كما تدور العملة في بئر الأمنيات أو الكرة بداخل الصحن.

إذا لم يكن للشمس كتلة، فلن يتواجد إنحناء للجاذبية حولها وستتطاير الأرض على الفور. إذا لم يكن للأرض كتلة، فلن تشعر بانحناء البئر وستتطاير بعيدًا في خط مستقيم. هذه هي النسبية العامة.

عرف أينشتاين كل هذا وأكثر من ذلك بكثير. وبعد كل شيء، كتب كتبًا عن النسبية - الخاصة والعامة.

يتم تغليف العلاقة الأولى من خلال معادلات مجال الجاذبية الخاصة به، والثانية هي E = mc2 المعروفة على نطاق واسع. لسوء الحظ، لم تتح له الفرصة لمعرفة سبب امتلاك أي جسم لخاصية الكتلة.

هناك المزيد عن الكتلة..

أعطتنا فيزياء الجسيمات الأساسية الحديثة الإجابة في عام 2012 عندما تم اكتشاف جسيمات بوزون-هيغز أخيرًا.

السؤال مهم إلى حد ما لأنه، كما رأينا سوياً سابقًا، لا توجد جاذبية بدون كتلة. أم أنها ممكن أن توجد؟ حسنًا، في الواقع، الجواب نعم يمكن أن تتواجد.

خذ الفوتون على سبيل المثال. الفوتون هو جوهر انعدام الكتلة. وفقًا لفهمنا الحالي، إن أحد أعمق القوانين الأساسية لفيزياء الجسيمات، يسمى مقياس التناظر، يمنع أي جسيمات حاملة للقوة، بما في ذلك الفوتونات، من الحصول حتى على أصغر كتلة.

ومع ذلك، فإن الفوتون ينجذب إلى الشمس. تظهر الملاحظات بوضوح أنه يمكن ملاحظة الضوء القادم من مجرة ​​بعيدة بعيدة عن الشمس تمامًا، على جانبي الشمس. تم استخدام حقيقة أن مجال جاذبية الشمس يقوم بتشكيل الإنحناء للضوء لإثبات أن النسبية العامة كانت صحيحة في عام 1919.

يتفاعل الضوء مع حقول الجاذبية بسبب E = mc2. تخبرنا هذه المعادلة، من منظور الجاذبية، أن الطاقة والكتلة متساويتان. يحمل الفوتون قدرًا ضئيلًا من الطاقة، لذلك ينجذب قليلاً إلى الشمس.

إن حقيقة أن الطاقة تنجذب مهمة، لأن الجزء الأكبر من الكتلة من حولنا هو في الواقع طاقة. من المعروف أن جميع الأجزاء المرئية من المجرات والنجوم تتكون في الغالب من الهيدروجين، وهذا العنصر هو مجرد بروتونات وإلكترونات.

تتكون الأرض من العديد من الذرات المختلفة، ولكنها تتكون فقط من النيوكليونات (البروتونات والنيوترونات) والإلكترونات. تعد الإلكترونات أخف بمقدار 2000 مرة من النيوكليونات، لذا فهي تجلب أقل بكثير إلى الطاولة من حيث الكتلة. ومن اللافت للنظر أن معظم كتلة البروتونات والنيوترونات هي طاقة مخزنة في الصمغ.

الغراء (أو الغلوون gluons، من الناحية العلمية) هو المادة التي تحافظ على البروتونات والنيوترونات معًا. إنها حاملة القوة الشديدة التي تحافظ على البناء الداخلي للنواة. تشكل طاقة الربط المخزنة في الغلوونات معظم كتلة البروتونات والنيوترونات والهيدروجين وأيّ ذرة لهذه المادة.

دور بوزون-هيغز..

يمكننا التوقف هنا، لأننا الآن صرنا نفهم أصل معظم الكتلة المرئية في الكون. لم يعرف أينشتاين من أين أتت كتلة الأجسام بشكل عام، لكن فيزياء الجسيمات كشفت عن ذلك في أواخر القرن العشرين.

ومع ذلك، هناك تطور آخر في القصة. وربما تطور أكثر روعة. لو علم أينشتاين بذلك، لكان قد أحبها بالتأكيد.

إنه دور بوزون هيغز في تكوين الكتلة. إن بوزون هيغز، وهو نتاج إثارة مجال هيغز، هو ما يوفر الكتلة على المستوى الأساسي: فهو يضفي كتلة على الجسيمات الأولية.

بدأت قصة هيغز بمشكلة خطيرة في فيزياء الجسيمات. بحلول أواخر القرن العشرين، كان من الواضح أن مقاييس التماثل، المذكورة سابقًا، هي قوانين أساسية وتحظر أي كتلة من ناقلات القوة.

ومع ذلك، في عام 1983، تم اكتشاف البوزونات W و Z بواسطة قوة كبيرة تحمل قوة هائلة (LEP) (المصادم الذي سبق مصادم الهادرونات الكبير (LHC)).

كان هذا لغزًا خطيرًا: أحد أكثر قوانين الطبيعة جوهرية، كان قياس الثبات على المحك. كان التخلي عن ثبات المقياس يعني بدء فيزياء الجسيمات من الصفر.

ومع ذلك، فإن مساهمة كتلة الإلكترون أو الكوارك أو النيوترينو الأساسية لا تذكر مقارنة بالكتلة الناتجة عن الروابط من حولنا. فهل هذا يعني أن هيجز مهمل على المستوى الذري؟

الجواب لا! بدون بوزون هيغز، لن يكون للإلكترونات كتلة وستتفكك جميع الذرات. لن تتحلل النيوترونات، لذا حتى النوى الذرية ستبدو مختلفة تمامًا. إجمالاً، سيكون الكون مكانًا مختلفًا تمامًا، يفتقر إلى المجرات والنجوم والكواكب.
12 مشاهدة
share تأييد