فهم أصل الكتلة والطاقة في نواة الذرات والشحنة اللونية

هذا الفيديو برعاية حذف مي. انقر فوق الرابط الموجود في الوصف للحصول على عرض خاص جدًا لمشاهدي Arvin Ash. لنفترض أنك تقود سيارة تسير بسرعة 100 كم/ساعة. يجب أن يكون من السهل أن ترى أن سيارتك تتمتع بالطاقة،

طاقة الحركة. وهذا ما يسمى الطاقة الحركية. في الفيزياء الكلاسيكية، هذه معادلة بسيطة ½ mv^2 أو نصف ضرب الكتلة في مربع السرعة. وبما أنك تجلس في تلك السيارة التي تتحرك أيضًا بسرعة 100 كم/ساعة، فستكون لديك طاقة أيضًا. إذا كان وزنك

80 كجم، يمكنك استخدام المعادلة لتجد أن طاقتك تساوي حوالي 3.1*10^4 جول. لكن هل تعلم أن الطاقة التي لديك ثابتة على الأرض، ولا تتحرك على الإطلاق، تزيد عن مائة تريليون ضعف ذلك، أي أكثر من 6*10^18 جول.

كيف يكون هذا ممكنا؟ نعم، أعرف ما تفكر فيه بالفعل. سأقوم باستدعاء E=mc^2. نعم، نعم، الكتلة هي نفس الطاقة. إذن الطاقة موجودة في كتلتي . لقد سمعت هذا ألف مرة. ربما سمعت أيضًا أن معظم تلك

الكتلة ترتبط في شكل طاقة داخل نواة الذرات. ولكن هل فكرت يوما ما هي هذه الطاقة في الواقع؟ كيف ولماذا هو في النواة. هل هو بسبب الحركة؟ هل هو نتيجة للقوى المؤثرة على شيء ما؟ ما هي بالضبط طبيعة هذه الطاقة ولماذا هي موجودة؟ كيف

يمكن أن تكون الكتلة مساوية لهذه الطاقة؟ إذا كانت كلها طاقة، فهل الكتلة شيء حقيقي؟ سأسأل كيف ولماذا، مرارا وتكرارا، مثل طفل، حتى نحصل على إجابة نهائية. وهذا سيأخذنا في رحلة علمية وفلسفية إلى عقل الكون.

لنذهب في هذه الرحلة معًا، سنأتي الآن... قد يكون وزن شخص يبلغ وزنه 80 كجم هو نفس وزن هذه الصخرة. لا شيء يتحرك، لذا لا توجد طاقة حركية. وليس هناك حرارة منبعثة من

الصخر يمكننا رؤيتها. لكن كلاهما لديه نفس الكمية من الطاقة تقريبًا. بالتالي ماذا حدث؟ أين هذه الطاقة؟ حسنا، انها في الكتلة. أين تقع هذه الكتلة؟ وأين الطاقة الموجودة في هذه الكتلة بالضبط؟ دعونا نجيب على السؤال الأول أولا،

ثم سنجيب على السؤال الثاني قبل أن نتعمق أكثر. ما نسميه الكتلة يتكون من جميع الذرات الموجودة في الصخر. تقع كل كتلة الذرة تقريبًا، عادة أكثر من 99.99%، في مركزها الصغير، في نواتها، التي تشكل

جزءًا صغيرًا من حجمها الإجمالي. والباقي موجود في الإلكترونات التي تحيط بالذرة، لتشكل بقية الحجم. هناك مصدران للكتلة. إن الكتلة المعروفة للجسيمات الأساسية، وهي الجسيمات الأولية التي

يتكون منها كل شيء في الكون، تأتي من تفاعلها مع مجال هيجز. يمكنك التفكير في هذا المجال كشبكة طاقة موجودة في كل مكان في الكون. تأخذ الجسيمات الأولية المختلفة كميات مختلفة من الطاقة من هذه الشبكة. كلما زادت الطاقة التي يأخذونها

، زادت كتلتهم. على سبيل المثال، الكوارك السفلي الذي تبلغ كتلته 4.7 ميجا إلكترون فولت يتفاعل بشكل أكثر كثافة ويأخذ طاقة من حقل هيجز أكثر من الإلكترون الذي تبلغ كتلته حوالي 0.5 ميجا إلكترون فولت. وبالمثل، فإن جميع الجسيمات الأولية التي لها كتلة تتفاعل مع المجال إلى حد ما.

لماذا تتفاعل بعض الجسيمات مع مجال هيغز أكثر من غيرها مما يؤدي إلى اكتسابها كتلة أكبر؟ لا نعرف الجواب على ذلك. يبدو أنها خاصية أساسية لأنواع الجسيمات المختلفة. ولكن ليس كل الجسيمات تتفاعل مع

مجال هيغز. الفوتونات والجلونات التي ليس لها كتلة، لا تتفاعل معها. النيوترينوات هي نوع من الغموض. لا يبدو أنها تتفاعل مع مجال هيغز، ولكن يبدو أن التجارب تشير إلى أنها لا بد أن تكون كتلتها طفيفة جدًا. لا نعرف السبب حتى الآن. تلك قصة أخرى ليوم آخر.

المصدر الثاني للكتلة يكمن في نواة الذرات. وهي لا تكمن في كتلة الجسيمات الأولية التي تشكل مكونات البروتونات والنيوترونات، بل في الطاقة التي تبقيها متماسكة، وتحفظها من الانهيار.

ماذا أعني بهذا؟ لنأخذ أبسط نواة، وهي ذرة الهيدروجين. وتتكون هذه الذرة من بروتون واحد فقط، وهو النواة، ويحيط بها إلكترون واحد. وتبلغ كتلة هذه النواة حوالي 938 MeV. يمكنني أيضًا أن أشير إلى ذلك بوحدة كتلة ذرية واحدة، أو بالجرام،

سيكون حوالي 1.67*10^-24 جم. ولكن لإبقاء الأمور متسقة وأقل إرباكًا، سأذكر كل شيء فيما يتعلق بـ MeV. يتكون البروتون من 2 كوارك وواحد أسفل الكوارك. تبلغ كتلة الكوارك العلوي حوالي 2.2 MeV، بينما تبلغ كتلة الكوارك السفلي حوالي 4.7

MeV. لذا، إذا جمعنا كل كتل كل جزء من الأجزاء الثلاثة المكونة، فسنحصل على إجمالي 9.1 ميجا إلكترون فولت فقط. وهذا يمثل حوالي 1% فقط من كتلة البروتون المقاسة، 938 ميجا إلكترون فولت. فأين الـ99% المتبقية من الكتلة؟ لقد أثبتنا للتو أن مجال هيغز

مسؤول عن حوالي 1% فقط. والباقي لا يزال في النواة في مكان ما. كيف وأين يتم إخفاء الـ 99% المتبقية من الكتلة؟ قبل أن نصل إلى ذلك، هل تعلم أن هويتك ومعلوماتك الشخصية ليست مخفية. في الواقع، هناك العشرات من

وسطاء البيانات الذين يبيعون معلوماتك، مثل الاسم والعنوان والبريد الإلكتروني والأقارب ومعلومات وسائل التواصل الاجتماعي، وحتى قيمة الممتلكات، ومجموعة كاملة من الأشياء الأخرى من أجل الربح. هذا هو المكان الذي يمكن أن تساعد فيه شركة RemoveMe، الجهة الراعية لدينا، في حماية خصوصيتك وتقليل مخاطر الملاحقة والمضايقة

وعمليات التصيد الاحتيالي وسرقة الهوية. سيقومون بإزالة بياناتك من مئات مواقع وسطاء البيانات. لقد استخدمت خدمتهم مؤخرًا للقيام بذلك... لأنه من خلال تواجدي على الإنترنت، يمكنك تخيل المخاطر التي أتعرض لها. هذه فقط بعض المواقع التي

أزالوا معلوماتي منها، تمامًا مثلي، لديك الحق في الحفاظ على خصوصيتك وحماية نفسك. ومع برنامجdeleteMe، يمكنك الحصول على القدرة على تحقيق ذلك. ما عليك سوى التسجيل عبر الإنترنت، وهم يقومون

بكل العمل. وفي الوقت الحالي، يحصل مشاهدو Arvin Ash على خصم 20% على خطة المستهلك الأمريكية لـDeleteMe عندما تذهب إلى JoinDeleteMe.com/ARVINASH20 وتستخدم الرمز الترويجي ARVINASH20. هذا هو JoinDeleteme.com/ARVINASH20 أو الرمز ARVINASH20. أو يمكنك ببساطة النقر على الرابط في الوصف.

والآن نعود إلى سر الـ 99% المخفية من الكتلة. الآن نصل إلى جوهر الفيديو الخاص بنا. 99٪ يرجع إلى القوة التي تحافظ على الكواركات ملتصقة ببعضها البعض داخل البروتون.

ما هيك أتحدث عنه؟ هناك قوة أساسية في الطبيعة تسمى القوة الشديدة التي تبقي هذه الكواركات مرتبطة ببعضها البعض لتشكل نواة البروتون. تتوسط هذه القوة غلوونات. نحن نعلم أن الغلوونات عديمة الكتلة،

فكيف تكون مسؤولة عن كل هذه الكتلة؟ حسنًا، تربط الغلوونات الكواركات معًا. وكلاهما لديه نوع من الشحنة يسمى شحنة اللون. هذه الشحنة هي كيفية عمل القوة القوية. هذه الشحنة هي كيفية عمل القوة القوية. إنه مشابه إلى حد ما للشحنة الكهربائية

حيث أن الإلكترون سالب الشحنة على سبيل المثال يحيط ببروتون موجب الشحنة مما يجعل الذرة محايدة. أما في الكواركات، فإننا نتعامل مع شحنات الألوان الأحمر والأزرق والأخضر التي تتحد لتشكل لونًا محايدًا. أريد أن أشير إلى أن هذه ليست

ألوانًا بصرية حرفيًا، ولكننا نستخدم مصطلح "شحنة اللون" لأن هذه الشحنة مجازيًا، تعمل بشكل مشابه للطريقة التي يمكن أن تتحد بها الألوان الضوئية الحمراء والزرقاء والخضراء لتشكل لونًا محايدًا أو أبيض. الطريقة التي تعمل بها شحنة اللون هي أن

لون كل كوارك يتغير باستمرار. ويتبادلون الألوان فيما بينهم. ستلاحظ أنه على الرغم من أن الألوان تتغير دائمًا داخل البروتون أو النيوترون، إلا أنها تتغير بطريقة تجعل المجموعات الثلاث حمراء، وخضراء، وزرقاء بشكل ثابت لتشكل محايدة.

يتم تبادل الألوان هذا بواسطة الغلوونات، أي أن الغلوونات تحمل مجموعة من الشحنات اللونية والشحنات المضادة للألوان بحيث يمكنها تغيير ألوان الكواركات. وهذا التفاعل، وهو التبادل المستمر للألوان بين الكواركات، هو الذي يبقيها مرتبطة ببعضها البعض.

الآن قد تتساءل، لماذا يبقيهم تبادل الألوان مقيدين؟ حسنًا، هذا سؤال جيد. وهذا له علاقة بفكرة تسمى الحبس. ما يعنيه هذا في الأساس هو أن الجسيم المشحون بالألوان لا يمكن أن يوجد بمفرده. الكواركات والغلوونات هي جسيمات مشحونة بالألوان.

لقد أكدت جميع التجارب عدم وجود كواركات حرة أو غلوونات حرة، فهي موجودة دائمًا مرتبطة بكواركات وغلوونات أخرى. لماذا؟ لأن شحنات الألوان موجودة بطريقة تجعل مجموعة الألوان محايدة دائمًا. هذه الحاجة إلى وجود مجموعة من

الشحنات على أنها محايدة، تجذب الجزيئات المشحونة باللون الأحمر والأزرق والأخضر إلى بعضها البعض. يمكن أيضًا أن توجد الجسيمات المشحونة بالألوان كأزواج ملونة/مضادة للألوان. على سبيل المثال، يمكن أن يتواجد كوارك مشحون باللون الأزرق مع كوارك مشحون مضاد للأزرق ليشكل أيضًا

لونًا محايدًا. وهذا مشابه للطريقة التي في الكهرومغناطيسية، ينجذب دائمًا جسيم موجب الشحنة إلى جسيم سالب الشحنة. إذا كنت فضوليًا مثل الأطفال، فقد تتساءل، لماذا يجب أن تتحد الألوان لتشكل ألوانًا محايدة؟

حسنًا، يبدو أن هذه هي الطريقة التي تعمل بها الشحنات الملونة، تمامًا كما تعمل الشحنات الكهربائية الموجبة والسالبة. يمكنك أن تسأل أيضًا، حسنًا، ما هي شحنة اللون الرتق على أي حال؟ حسنًا، إنه رقم كمي يساعدنا في تفسير سلوك بعض الجسيمات الكمومية. يمكننا

تفسير ذلك باستخدام الرياضيات، وعلى وجه التحديد نظرية القياس، ولكن بشكل أساسي، ما هو الأمر حقًا، كما هو الحال في الجسيم الذي يسبب هذا السلوك الجذاب للغاية، لا نعرف. مثلما أننا لا نعرف حقًا ما

هي الشحنة الكهربائية السلبية أو الإيجابية في الأساس. إنها مجرد خاصية لبعض الجسيمات التي تساعدنا على تفسير سلوكها. إذا فهمت ما قلته حتى الآن، فتهانينا أنك تفهم أساسيات الديناميكا اللونية الكمومية. إنه علم الطريقة التي تعمل بها القوة القوية للحفاظ على الكواركات

داخل نوى الذرات مرتبطة ببعضها البعض بإحكام. وهذه القوة هي المسؤولة عن 99% من كتلة الذرة. والسؤال الآن هو: كيف تخلق هذه القوة الكتلة؟ حسنًا، لكي تفهم هذا، عليك أن تدرك أن الكتلة هي في الحقيقة مجرد طاقة مقيدة. وبعبارة أخرى، فإن

الكتلة الباقية لجسم ما هي محتواه الجوهري من الطاقة. إنه نوع من الطاقة المحتملة. يساهم أي شكل من أشكال الطاقة في كتلة الجسم، سواء كانت محتملة أو حركية. طبيعة هذه الطاقة لا يهم. على سبيل المثال، الزنبرك المضغوط أثقل قليلًا

من نفس الزنبرك بدون طاقة الوضع المخزنة في ضغطه. المقلاة الساخنة أثقل من نفس المقلاة عندما تكون باردة. تكون بطارية هاتفك المشحونة بالكامل أثقل قليلاً من البطارية الفارغة. لن تلاحظ هذا الاختلاف في الكتلة لأنه

في موازيننا، تساهم هذه الطاقات بشكل ضئيل جدًا في الكتلة، لكنها موجودة. قد لا يكون هذا قابلاً للقياس لأنه عليك أن تتذكر أن الكتلة = E/c^2 – لذا فإن أي زيادة في الطاقة يتم قسمتها على عدد كبير جدًا. يمكنك أن تتخيل أن

بضعة جولات من الطاقة الإضافية لن تقدم مساهمة كبيرة في الكتلة. القوة القوية التي تربط الكواركات معًا هي شكل من أشكال الطاقة الكامنة. وتسمى القوة "القوية" لأنها أقوى من جميع القوى الأساسية الأخرى،

الكهرومغناطيسية، والقوة الضعيفة، والجاذبية. لذلك عندما تجمع ثلاثة كواركات معًا لتكوين بروتون أو نيوترون، ينتهي بك الأمر إلى ربط كثافة طاقة هائلة في منطقة صغيرة في الفضاء. أي نوع من الطاقة يحني الزمكان، وبعبارة أخرى، فإنه يخلق الجاذبية. وبالتالي فإن الطاقة المحدودة،

والتي عرفناها على أنها كتلة الجسم، تخلق الجاذبية. إن الطاقة الموجودة داخل الجسم، أي محتواه من الطاقة الجوهرية، هي التي تحدد كتلته حقًا. ومن المثير للاهتمام أن E=mc^2 لم تظهر أبدًا في بحث أينشتاين الشهير عام 1905. ما ظهر هو m=E/c^2،

أي أن الكتلة هي مقياس لمحتوى الطاقة في الجسم. هذا هو المهم. في النهاية، 99% من كتلة الأجسام تأتي من طاقة الغلوونات التي تحصر الكواركات داخل نوى الذرات. وهي جزيئات عديمة الكتلة. ولكن عندما

تكون محصورة في حدود البروتونات أو النيوترونات، فإن طاقتها تترجم إلى كتلة. بشكل عام، أي طاقة محصورة في نقطة واحدة تصبح نوعًا من طاقة الراحة للجسم، وهي ما هي الكتلة. ولهذا السبب يكون الجسم الساخن أثقل من نفس الجسم عندما يكون باردًا.

إحدى الطرق الفلسفية للتفكير في هذا هي أن كتلة الكون بأكملها هي طريقة الطبيعة لحصر الكثير من الطاقة الهائلة للكون، بطريقة تصنع جزيئات مفيدة يمكنها خلق الأشياء، وفي النهاية خلق كائنات حية واعية مثل نحن. إن

الطاقة اللازمة للحفاظ على الجسيمات المشحونة بالألوان من التواجد بحرية من تلقاء نفسها هي في نهاية المطاف معظم كتلة الكون حقًا. وهذه القوة القوية أدت إلى الحياة كما نعرفها. الشيء الوحيد الذي لم أغطيه، والذي يتعلق بالقوة الشديدة هو القوة التي تبقي البروتونات والنيوترونات

ملتصقة ببعضها البعض داخل نواة الذرات الأكبر حجمًا. يُشار إلى هذه عادةً بالقوة النووية القوية، وهي تختلف عن القوة القوية التي تُبقي الكواركات ملتصقة ببعضها البعض. وهذا أيضًا شكل من أشكال الطاقة الكامنة، ويشكل أيضًا جزءًا من كتلة الذرة

. لذلك اسمحوا لي أن أغطي ذلك بإيجاز هنا. كما وصفت حتى الآن، فإن القوة الشديدة التي يتوسطها تبادل الغلوونات تجعل الكواركات المشحونة معًا داخل النيوكليون، هذا بروتون أو نيوترون. لكن إذا تم سحب الكوارك من النوكليون لمسافة كافية، فإن

الطاقة الكامنة الناتجة عن هذا الامتداد ستكون كافية لإنشاء زوج جديد من الكوارك والكوارك المضاد. عندما يحدث هذا، يسقط الكوارك الممتد مرة أخرى إلى النوكليون، لكن زوج الكوارك والكوارك المضاد يشكل جسيمًا جديدًا قصير العمر يسمى الميزون. يتمتع هذا الميزون بمدى أطول قليلًا

من الغلوون -عادةً ما يقارب قطر النواة- لذا يمكن تبادله بين النيوكليونات كجهاز إرسال للقوة. وهذه القوة، التي تنتقل عن طريق الميزونات في النواة، هي "القوة النووية الشديدة". وهو يجمع البروتونات مع النيوترونات

ضد تنافرها الكهرومغناطيسي. هذه القوة أو الطاقة التي تمنع البروتونات من التطاير هي أيضًا جزء من كتلة الذرات. ويعتبر التأثير المتبقي للقوة القوية. في الواقع، هذه الكتلة، وهي الكتلة الناتجة عن القوة النووية القوية التي

تربط النيوكليونات معًا، هي التي يتم إطلاقها كطاقة في قنبلة نووية. الكتلة الناتجة عن القوة القوية التي تربط الكواركات معًا ليست هي الطاقة المنطلقة في القنبلة. إذن ما تراه عندما ترى صور قنبلة نووية يرجع إلى القوة النووية الشديدة.

إذا وجدت هذا الفيديو مثيرًا للاهتمام، فتأكد من مشاهدة مقاطع الفيديو التفصيلية الخاصة بي حول الديناميكا اللونية الكمومية. أراكم في الفيديو التالي يا صديقي.