الطاقة التي تربط كل شيء معًا

في مقالتي حول الطاقة والكتلة والمفاهيم ذات الصلة ، ركزت على الجسيمات - اضطرابات المجال - والمعادلات التي ربط بها أينشتاين طاقتها وزخمها وكتلتها. لكن الطاقة تنشأ في أماكن أخرى ، ليس فقط بسبب الجسيمات. من أجل فهم الكون حقًا وكيفية عمله ، من الضروري أن نفهم أن الطاقة يمكن أن تظهر بسبب تفاعل المجالات المختلفة ، أو حتى بسبب التفاعل مع المجال نفسه. إن البنية الكاملة لعالمنا - البروتونات والذرات والجزيئات والأجسام والجبال والكواكب والنجوم والمجرات - هي نتيجة لوجود هذا النوع من الطاقة. في الواقع ، العديد من أنواع الطاقة التي نتحدث عنها كما لو كانت مختلفة عن بعضها البعض - الطاقة الكيميائية ، والطاقة النووية ، والطاقة الكهرومغناطيسية - إما شكل من أشكال طاقة التفاعل أو ترتبط بطريقة أو بأخرى.

عندما يبدأ الطلاب بتدريس الفيزياء ، يتضمن هذا النوع من الطاقة ما يسميه المعلمون "الطاقة الكامنة". ولكن بما أن كلمة "محتمل" باللغتين الإنجليزية والروسية لا تعني نفس المعنى في الفيزياء ، وبما أن طريقة تقديم هذا المفهوم مختلفة تمامًا عن وجهة النظر المادية الحديثة ، فإنني أفضل استخدام اسم آخر لهذه الطاقة - حتى لا تتصل بتصورات القارئ صحيحة أم خاطئة.

بالإضافة إلى ذلك ، في مقال حول الكتلة والطاقة ، دعوت طاقة التفاعل "طاقة العلاقات". أدناه سوف يتضح لماذا - لكنني قررت أنها كانت فكرة سيئة ، وانتقلت إلى اتفاقية تسمية أخرى.

الديباجة: مراجعة المفاهيم

من وجهة النظر الحالية ، التي يفضلها الفيزيائيون ويتم التحقق منها في التجارب ، يتكون العالم كله من الحقول. المثال الأكثر بديهية للحقل هو الريح:

• يمكن قياسه في كل مكان ،
• يمكن أن تكون صفراً أو غير صفرية ،
• يمكن أن تمر الأمواج (التي نسميها الصوت).

يمكن أن تتكون الموجات في معظم المجالات ، وبفضل ميكانيكا الكم ، لا يمكن أن تكون هذه الموجات صغيرة بشكل تعسفي في الارتفاع.

تسمى موجة أصغر ارتفاع ممكن - إما أصغر اتساع وأقل قوة - "كمومي" ، أو غالبًا "جسيم" - ومع ذلك ، يؤدي الخيار الأخير أحيانًا إلى الارتباك.

الفوتون هو كم ، أو جزيء ضوء ("الضوء" هنا يعني كلاً من الجزء المرئي من الطيف والاختلافات الأخرى). هذا هو أضعف جزء ممكن من الضوء ، وهو أقل موجة قوية في المجال الكهربائي والمغناطيسي الذي يمكن إنشاؤه. يمكنك إنشاء فوتونين ، ثلاثة أو اثنين وستين. لا يمكنك إنشاء ثلث الفوتون أو اثنين ونصف. تم تصميم عينيك لامتصاص فوتون واحد في كل مرة.

وينطبق الشيء نفسه على الإلكترونات والميونات والكواركات وجسيمات W وجسيم هيجز وكل شيء آخر. هذه كلها كميات من حقولهم.

في هذه الحالة ، فإن الكم ، على الرغم من أنه سيكون اضطرابًا في المجال ، يتصرف مثل الجسيم:

• يحافظ على السلامة عند التحرك في مساحة فارغة.
• لها قوة مؤكدة ، وإن كانت تعتمد على المراقب والطاقة والزخم.
• لها كتلة معينة مستقلة عن المراقب.
• قد يتم إشعاعها أو امتصاصها ككل.

دعني أذكرك أنه في فيزياء الجسيمات ، من المعتاد أن نفهم بالكتلة ما كان يُطلق عليه سابقًا "كتلة الراحة" ، والتي يتم فيها تلبية المعادلة E = mc ² فقط إذا كان الجسيم في حالة راحة. بالنسبة للجسيم المتحرك ، E> mc ² ، لأن طاقة كتلته هي mc ² ، وطاقة الحركة إيجابية دائمًا. يجب أن يوضع هذا التعريف في الاعتبار عند قراءة هذا المقال.

طاقة المجالات المتفاعلة

لننتقل الآن إلى أكثر أشكال الطاقة مراوغة. تتكون طاقة الجسيمات من طاقة الكتلة وطاقة الحركة. تذكر أن الجسيم هو اضطراب في المجال ، أي موجة محددة جيدًا.


التين. 1: رسم تخطيطي لكيفية وجود كمية من حقل واحد (موجة زرقاء) يخلق اضطرابًا في المجال الثاني (أخضر) ، ويصل إلى أكبر كثافة حول الاضطراب وينخفض ​​إلى الصفر عند الابتعاد.

لكن الحقول قادرة على القيام بالكثير من الأشياء ، وليس فقط إحداث اضطرابات. على سبيل المثال ، يمكن أن يتسبب الاضطراب في أحد الحقول في تغيير غير الموجة في حقل آخر. في الشكل. 1 وجهت مثل هذه الحالة - موجة كمية زرقاء لمجال واستجابة مجال آخر.

لنفترض أن لدينا جسيمين - فليكن الاضطراب في مجالين مختلفين. في الشكل. 2 ميزتهم بموجات زرقاء وبرتقالية. يتفاعل كلا هذين الحقلين مع الحقل الأخضر. ثم يصبح تغيير الحقل الأخضر أكثر صعوبة. هذا رسم تخطيطي ، وليس انعكاسًا دقيقًا لما يصعب تصويره ، لكنه يعطي فكرة.

ما هي طاقة هذا النظام من جزأين - اثنين من الاضطرابات في مجالين مختلفين والمجال الثالث يتفاعلان مع كلاهما؟

الاضطرابات هي كميات أو جزيئات. لديهم كتلة وطاقة الحركة ، وكلا هاتين الكميتين إيجابية.


التين. 2

تغيير الحقل الأخضر له نوع من الطاقة. كما أنها إيجابية ، على الرغم من أنها غالبًا ما تكون صغيرة جدًا مقارنة بطاقة الجسيمات. غالبًا ما تسمى الطاقة الميدانية.

ولكن في علاقات المجالات المختلفة ، هناك طاقة إضافية. الطاقة هي المكان الذي تكون فيه الحقول الزرقاء والخضراء قوية ، وكذلك حيث تكون الحقول البرتقالية والخضراء قوية. وهنا الغرابة. إذا قارنا التين. 1 مع التين. 2 ، ستكون هناك طاقة في كل من المجالات الزرقاء والخضراء قوية. لكن وجود اضطرابات في الحقل البرتقالي القريب يغير المجال الأخضر ، وبالتالي يغير الطاقة في المنطقة التي يقع فيها الحقل الأزرق ، كما هو موضح في الشكل. 3.


التين. 3

اعتمادًا على كيفية تفاعل الحقول البرتقالية والخضراء مع بعضها البعض ، وكيفية تفاعل الحقول الزرقاء والخضراء ، يمكن أن يكون التغيير في الطاقة إيجابيًا أو سلبيًا. سأدعو هذا تغيير طاقة التفاعل.

إن احتمال حدوث تغيير سلبي في طاقة التفاعل بين الحقول الزرقاء والخضراء بسبب وجود اضطراب برتقالي (والعكس صحيح) هو احتمال أن تكون طاقة التفاعل سلبية هي الحقيقة الأكثر أهمية ، والتي يصبح من الممكن أن توجد جميع الهياكل في الكون ، من النوى الذرية إلى الأجسام البشرية والمجرات. هذا ما تم وصفه أدناه.

الأرض والقمر

من الواضح أن الأرض ليست جسيمًا. هذه مجموعة ضخمة من الجسيمات ، واضطرابات في مختلف المجالات. لكن كل ما سبق ينطبق على العديد من الاضطرابات ، وليس واحدة فقط ، وكلها تتفاعل مع مجالات الجاذبية.

تخيل الأرض بمفردها. يخلق وجودها اضطرابًا في مجال الجاذبية (والذي ، من وجهة نظر أينشتاين ، هو تشويه للمكان والزمان المحليين ، لكن هذا ليس بالغ الأهمية بالنسبة لنا). الآن نضع بالقرب من القمر. كما أنه يشوه مجال الجاذبية. ويتغير مجال الجاذبية حول الأرض بسبب وجود القمر. تضمن تفاصيل كيفية تفاعل الجاذبية مع الجسيمات والحقول التي تتكون منها الأرض أن الطاقة السلبية للتفاعل بين مجال الجاذبية والأرض تظهر نتيجة لتأثير القمر. العكس صحيح أيضا.

هذا هو السبب في أن القمر والأرض لا يمكنهما التحليق عن بعضهما البعض والبقاء محاصرين ، مرتبطين ببعضهما البعض بإحكام كما لو كانا موصولين بواسطة كابل عملاق. إذا كان القمر بعيدًا جدًا عن الأرض ، فإن طاقة التفاعل للنظام - الأرض والقمر ومجال الجاذبية - ستكون صفرًا ، وليست سلبية. لكن يجب الحفاظ على الطاقة. لذلك ، من أجل نقل القمر بعيدًا عن الأرض مقارنة بموقعه الحالي ، من الضروري أخذ كمية كبيرة من الطاقة الإيجابية في مكان ما - من أجل زيادة طاقة التفاعل السلبي إلى الصفر. يمتلك القمر والأرض طاقة حركة إيجابية بسبب الحركة في المدارات ، ولكنهما لا يكفيان للانتثار.


التين. 4: القياس المطلق مع الشكل. 3

بالإضافة إلى اصطدام كوكب آخر بالقمر ، لا توجد طريقة للحصول على مثل هذه الطاقة الضخمة ، عن طريق الخطأ أو عن قصد ، من مصادر قريبة. إن قوة جميع الأسلحة التي تراكمت لدى البشرية ليست كافية. لذلك ، لا يمكن للقمر أن يتحرك فجأة بعيدًا عن الأرض - فهو موجود هنا لفترة طويلة ، حتى تحطمها كارثة مثيرة للإعجاب خارج المدار.

قد تعلم أن نظرية اصطدام جسمين بحجم كوكب - الأرض الأولية الكبيرة وجسم بحجم المريخ - تعتبر النظرية الأكثر شيوعًا لتكوين الأرض والقمر. تشرح هذه النظرية العديد من الألغاز المعقدة المرتبطة بالقمر. في فجر النظام الشمسي ، حدثت تصادمات عالية الطاقة بالتأكيد على مقاييس الكواكب ، حيث تشكلت الشمس والكواكب منذ أكثر من 4 مليارات سنة! لكن مثل هذه الاشتباكات لم تكن موجودة منذ وقت طويل.

يفسر المنطق نفسه سبب بقاء الأقمار الصناعية للأرض الاصطناعية في المدار ، ولماذا ترتبط الأرض بالشمس ، والشمس لدرب التبانة ، المدينة التي يعيش فيها تريليون نجم.

ذرة الهيدروجين

على نطاق أصغر ومع عواقب أقل وضوحًا ، يبقى الإلكترون والبروتون الذي يتكون من ذرة الهيدروجين متصلاً ببعضهما البعض ، ما لم تأتي الطاقة من الخارج لتغيير حالتها. في هذه الحالة ، يتم تنفيذ العمل الرئيسي بواسطة المجال الكهربائي. في وجود إلكترون ، تكون طاقة التفاعل بين المجال الكهربائي والبروتون (والعكس صحيح) سالبة. ونتيجة لذلك ، بعد تكوين ذرة هيدروجين من إلكترون وبروتون (وانتظرت جزءًا صغيرًا من الثانية حتى استقرت إلى التكوين المفضل ، حالة الأرض) ، ستكون كمية الطاقة اللازمة لفصلها حوالي 14 فولت. نسميها طاقة ربط الهيدروجين.


التين. 5 ( ليس على نطاق! الإلكترون والبروتون أصغر بكثير). داخل ذرة الهيدروجين ، ينتشر اضطراب الإلكترون على شكل سحابة حول البروتون. طاقة التفاعل ، بما في ذلك مجال البروتون والإلكترون والإلكترون ، هي -28 eV ، ويتم تعويضها جزئيًا (ويرجع ذلك أساسًا إلى طاقة حركة الإلكترون) وتعطي طاقة ربط تبلغ -14 eV.

يمكننا قياس طاقة الربط عن طريق إضاءة ذرات الهيدروجين بالأشعة فوق البنفسجية (الفوتونات ذات الطاقة الكبيرة جدًا بحيث لا يمكن للعين رؤيتها) ، ومن خلال النظر إلى حجم طاقة الفوتون من أجل تفتيت ذرة الهيدروجين. يمكننا أيضًا حسابها باستخدام معادلات ميكانيكا الكم - والتنبؤ الناجح لهذه الكمية هو أحد أبسط الاختبارات للنظرية الحديثة لفيزياء الكم.

لكن الآن أريد أن أعود إلى ما ذكرته في المقالة حول الكتلة والطاقة ، إلى إحدى أفكار أينشتاين الرئيسية التي اكتسبها من خلال العمل مع عواقب معادلاته. إذا كان لديك نظام من الأشياء ، فلن تكون كتلة النظام مساوية لمجموع كتل الأشياء الموجودة فيه. حتى أنها لا تتناسب مع مجموع طاقات الجسيمات الموجودة فيه. ستكون مساوية للطاقة الإجمالية للنظام مقسومة على c ² من وجهة نظر المراقب في حالة الراحة بالنسبة لهذا النظام. (بالنسبة للمراقب المتحرك ، سيكون للنظام أيضًا طاقة حركة لا تضيف كتلة إلى النظام). تشمل هذه الطاقة الإجمالية:

• طاقة كتلة الجسيمات (تقلبات المجال) ،
• طاقات حركة الجسيمات ،
• مصادر أخرى للطاقة الميدانية الناتجة عن الاضطرابات غير الموجية ،
• طاقات التفاعل الميداني.

ما الذي تعلمناه من حقيقة أن 14 فولتًا مطلوبة لتدمير ذرة الهيدروجين؟ حسنًا ، بعد كسر هذا النظام ، ستجد نفسك مع بروتون وإلكترون في يديك ، بعيدًا عن بعضها البعض ، ولا تتحرك بسرعة خاصة. في تلك اللحظة ، ستكون طاقة النظام:

• طاقات كتلة الجسيمات = طاقة كتلة الإلكترون + طاقة كتلة البروتون = 510 999 eV + 938272013 eV
• طاقة الجسيمات = 0
• مصادر الطاقة الميدانية الأخرى الناتجة عن الاضطرابات غير الموجية = 0
• طاقات التفاعل الميداني = 0

لكننا نعلم أنه قبل ذلك كانت طاقة ذرة الهيدروجين أقل من 14 فولت.

دائمًا ما تكون طاقة كتلة الإلكترون 510999 eV ، والبروتون 938272013 eV ، بغض النظر عما يفعلونه. لذلك ، فإن مساهمة طاقة كتلة الهيدروجين في إجمالي الطاقة هي نفس مساهمة الإلكترون والبروتون المخفف على الجانبين. يجب الحصول على ما يلي:

• طاقة حركة الجسيمات داخل الهيدروجين ،
• بالإضافة إلى مصادر أخرى للطاقات الميدانية من الاضطرابات غير الموجية (صغيرة للغاية) ،
• طاقة تفاعل المجال الإضافية ،
• يجب أن تكون طاقات الربط -14 eV متساوية.

وإذا قمت بإجراء جميع الحسابات ، فإن الأرقام هي شيء من هذا القبيل:

• طاقة الجسيمات = +14 eV ،
• مصادر أخرى للطاقات الميدانية من الاضطرابات غير الموجية = صغيرة للغاية ،
• طاقة التفاعل الميداني = -28 eV ،

ومجموع كل هذا يساوي -14 eV.

حقيقة أن طاقة التفاعل تساوي -2 * طاقة الحركة ، لا يوجد أي حادث. تقريبا ، هذا يتبع قانون المربعات العكسية للمجالات الكهربائية. على وجه التحديد ، هذا يتبع من النظرية الفيروسية .

إذن ما هي كتلة ذرة الهيدروجين؟

كتلة الإلكترون + كتلة البروتون + طاقة الربط / ج ²

وبما أن طاقة الربط سلبية بسبب المعامل الكبير وطاقة التفاعل السلبية ، فقد اتضح

$$

$$m_ {hydrogen} <m_ {proton} + m_ {electron}$$

هذه واحدة من أهم حقائق الكون!

لماذا لا تتحلل ذرة الهيدروجين

الآن سأقول لك نفس الشيء ، ولكن بلغة مختلفة قليلاً ، لغة فيزياء الجسيمات.

الهيدروجين هو جسم مركب مستقر ، يتكون من بروتون وإلكترون ، متصل من خلال التفاعل مع المجال الكهربائي.

لماذا هي مستقرة؟

سوف يتحلل أي كائن غير مستقر. الاضمحلال ممكن فقط إذا كان مجموع كتل الجسيمات التي يتحلل فيها الجسم الأساسي أقل من كتلة الجسم الأولي. ويتبع ذلك قوانين الحفاظ على الطاقة والزخم .

أصغر الأشياء التي يمكن أن تتحللها ذرة الهيدروجين هي البروتون والإلكترون. لكن كتلة ذرة الهيدروجين أقل (بسبب طاقة الربط 14 فولت) السلبية من مجموع كتل الإلكترون والبروتون. مرة أخرى ، هذا مهم:

$$

$$m_ {hydrogen} <m_ {proton} + m_ {electron}$$

لكن الهيدروجين لا يمكن أن يتحلل إلى أي شيء آخر ، وبالتالي لا يمكن أن يتحلل الهيدروجين على الإطلاق.

كل هذا يعمل حتى يتحلل البروتون ، والذي ، إذا حدث ، نادر للغاية - لم نر مثل هذا الحدث. نحن نعلم بالفعل على وجه اليقين أن هذا حدث نادر لدرجة أنه خلال حياتك لن يتحلل بروتون واحد في جسمك. لذلك سوف نسقط هذه الفرصة.

وينطبق الشيء نفسه على الذرات المتبقية. الذرات مستقرة لأن طاقة التفاعل بين الإلكترونات والنوى الذرية سلبية. كتلة الذرة أقل من مجموع كتل مكوناتها ، لذا لا يمكن للذرة أن تنهار إلى إلكترونات ونواة.

صيد واحد: يمكن للذرة أن تنهار بشكل مختلف ، نتيجة للانحلال النووي. وإذا كان البروتون لا يمكن أن يتحلل (أو نادراً ما يحدث ذلك) ، فبالنسبة لمعظم النوى يكون الوضع مختلفًا تمامًا.

وهذا يقودنا إلى قضايا مهمة.

• لماذا النيوترون ، نفسه غير مستقر ، مستقر في النواة الذرية؟
• لماذا بعض النوى الذرية مستقرة والبعض الآخر لا؟
• لماذا يكون البروتون مستقراً ، على الرغم من كونه أثقل من الكواركات التي يحتوي عليها؟