موسوعة الكيمياء : التماسك في المادة و في الفضاء

التماسك في المادة و في الفضاء

توصل العلماء إلى أن كل شيء في هذا الكون من مواد مكون أساسا من أساس بنائي أولي (Building Blocks) يسمى بالجسيمات الأولية (ElementaryParticles)، يربط بين هذه الجسيمات الأولية قوى أولية. بعض هذه الجسميات الأولية مستقر ويكون المواد وبعضها غير مستقر يعيش لأجزاء من الثانية ثم ما تلبث إلى أن تستقر. ويعتقد أن هذه الجسيمات الأولية قد تواجدت مباشرة قبل الانفجار العظيم والذي يعتقد أنه أصل تكون الكون.

إن فكرة تكون المواد من الأساس البنائي كانت قبل حوالي 2000 عام، ففي ذلك الوقت كان يفترض بهذا الأساس البنائي بأن لا شكل له ولا يتكون من شيء أصغر منه

الكون كما نراه الآن

من المعلوم أن الكون مؤلف من مجرات Galaxies، وحشود مجرات Cluster of Galaxies وأن أهم هذه المجرات مجرتنا " درب اللبانة " Milky Way (وأحياناً يقال لها درب التبان) وهي تشتمل على أكثر من 100,000مليون نجم 

 من هذه النجوم شمسنا Sun ولها عدد من الكواكب planets تتبعها وتدور حولها، ولكل كوكب تابع أو أكثر يتبعه ويدور حوله، وأهم كواكبها أرضنا earth ولها تابع واحد هو القمرmoon الذي تغزل به الشعراء، وحدثه الناس، وسامره المحبين. تشكل كل شمس مع توابعها منظومة يطلق عليها "

المنظومة الشمسية "Solar القوى الأساسية

من المعلوم أنه توجد في الطبيعة أربعة أنواع من القوى [3 - 2 ] يشار إليها " بالقوى الأساسية " هي : قوة الجاذبية والقوة الكهربائية والقوة النووية الضعيفة والقوة النووية الشديدة (طبعاً قوة الرياح وقوة المدُ والجذر وما إلى هنالك من قوى لا تعتبر قوى أساسية). لكل من هذه القوى مداها ؛ أي مجال تأثيرها  ، وهي مبينة في الجدول (I).  

قوى الجاذبية

تؤثر في الأجسام المادية كافة، فنحن موجودون على سطح هذه الأرض بفعل هذه القوة، وكذلك تحجز المياه في الأنهار وتستقر في البحار والمحيطات بالفعل ذاته، وينتشر الهواء حول الأرض بتأثير الجاذبية على جزيئات الهواء وتخضع الأجسام المتأثرة بهذه القوة في حالتي الحركة والسكون إلى قوانين نيوتن وما ينتج عنها. ويمتد تأثير فعل الجاذبية هذا من أصغر الجسيمات الموجودة في الطبيعة والتي تدعى " الجسيمات الأولية " elementary particles - مثل مركبات النواة، أي البروتونات والنيترونات وجسيمات أخرى نبينها في الجدول (II) - إلى أكبر الأجسام الموجودة في الكون، أي إلى حشود المجرات.

يطلق على العلم الذي يهتم بدراسة التفاعلات أو التأثيرات المتبادل بين الجسيمات الأولية "الفيزياء الصفرية " أو " الميكرو فيزياء micro physics وعلى العلم الذي يهتم بالتفاعلات على النطاق الأكبر، أي بمجمل الأجسام المدروسة " الفيزياء الكبرية " أو العيانية أو الماكرو فيزياء macro physics.

القوى الكهربائية

تؤثرعلى الجسيمات (الأجسام) المشحونة فقط وهي إما أنها تنافرية تؤدي إلى ابتعاد الجسيمات (الأجسام) المشحونة عن بعضها إذا كان الجسيمان المتفاعلان يحملان شحنة من النوع نفسه، أو أنها تجاذبيه (تؤدي إلى اقتراب الجسيمان المتفاعلان من بعضها حتى التلامس إن أمكن) إذا كان الجسيمان المتفاعلان يحملان شحنتين من نوعين مختلفين، وذلك لأنه يوجد نوعين من الشحنات (خاصة أطلق عليها شحنة لها حالتين) موجبة وسالبة. يعبر قانون كولون في الكهرباء الساكنة عن هذه القوى وتعبر قوانين مكسويل عن الأفعال المتبادلة بين الأجسام في حالة كون الشحنات متحركة، مثل التيار الكهربائي الذي يسري في الأسلاك الكهربائية.

القوى النووية الضعيفة

اكتشف هذا النوع من القوى لأول مرة عند ملاحظة عملية نووية تعرف " بتفكك بيتا " nuclear - decay، وعلى الرغم من أن كافة الهادرونات (الباريونات) والليبتونات - الجدول (II) - تشارك في العمليات التي تخضع لهذه القوى إلا أن هذه التأثيرات تكون محجوبة (لا نشعر بها) بفعل القوى الكهرطيسية الشديدة وغيرها ومدى هذه القوى قصير جداً– الجدول (I) القوى النووية الشديدة : القوة النووية الشديدة المسؤولة عن ارتباط النيوترونات بالپروتونات في داخل نواة الذرة. كما هو معروف، النواة مشحونة إيجابيا وهي لذلك تتدافع إن تركت لشأنها بفعل القوة الكهربائية ممزقة عرى النواة وهنا تتدخل القوة الشديدة للتغلب على القوى المذكورة وتقريب البروتونات إلى بعضها محاولة لم شمل النواة ولتخلق نوع من التوازن الدقيق بينها وبين القوة الكهربائية التنافرية (repulsive) (التي تسعى إلى تفجير النواة). عندما يطلق العنان للقوة النووية الشديدة تنشأ نتائج كارثية، فمثلا عندما تشطر نواة اليورانيوم عن عمد في القنبلة الذرية تتحرر الكميات الهائلة من الطاقه الحبيسة داخل النواة في شكل انفجار نووي مروع. حيث تطلق القنبلة النووية مليون ضعف من الطاقة التي يعطيها الديناميت ويؤكد ذلك بشكل جلي حقيقة أن بإمكان القوة الشديدة توليد طاقة تتعدى طاقة المتفجرات الكيميائية التي تحكمها القوة الكهرمغنيطيسية.

تفسر القوة الشديدة أيضا سبب إضاءة النجوم بأن النجم ليس إلا فرن نووي ضخم تتحرر فيه القوة الشديدة سجينة النواة. ولو أن طاقة الشمس كانت ناجمه عن حرق الفحم بدلا من الوقود النووي لما أطلقت الشمس إلا جزءا ضئيلا من ضوئها ولخبت بسرعة متحولة إلى رماد. وبدون الشمس تبرد الأرض وتنقرض كل أشكال الحياة عليها وبدون القوة الشديدة لايمكن أن توجد الشمس وبالتالي لا يمكن أن تنشاء الحياة وترتقي. المادة في الفضاء

المادة

تتكون المادة(Matter) من أجسام والأجسام تتكون من جسيمات وكل جسيم له شحنته سواء أكانت شحنة سالبة أو موجبة كالأيونات أو متعادلة كالذرة. لكن الجسيمات التي تتكون منها الذرة لها أيضا شحناتها. ففيها الإلكترونات سالبة والبروتونات موجبة والنيترونات متعادلة لهذا فهي أكثر ثقلا من الإلكترونات والبروتونات. وهذه الشحنات بالذرة تعطي للمادة شكلا. والفضاء(Space) خواء وهو نسبي ويطلق عليه الفراغ. فنراه يوجد في أي مادة أو ذرة بالكون وله أثره علي شكل وحجم المادة.حتي الذرة بها فراغ تدور فيه الإلكترونات حول الذرة. والفضاء فيه النجوم متباعدة حتي لايرتطم بعضه ببعض. لأن حجم الفضاء يعادل 10 مليون مرة حجم ما يحتويه من نجوم. لهذا نجد أن بالفضاء متوسط المسافات بين المجرات فيه يفوق عدة مرات حجمها. والمادة والفضاء صنوان متلازمان في هيئة الكون. والمادة به هي أداة قياس البعد والسرعة والزمن فيه. وإذا فرغناه من مادته فلن يبقي منه سوي الفراغ. وهذا الفراغ لأنه لاشيء.فمن ثم لن يعطي مدلولات مادية محسوسة. لأن الكون عبارة عن مادة وفراغ وهما معا يحددان الزمكان الذي حدثنا عنه إينشتين. وهما متلازمان. فبدون الفراغ لن يكون ثمة بعد للمادة وسيتغير مفهومنا عن كتلة المادة وأبعاد الكون والزمن.لأن الفراغ يجعل للمادة معني له قيمة. فبدون الفراغ ستصبح المادة متحيزة في مكان ثابت تقاس بالأطوال العادية والزمن الذي ستعيش فيه سيكون تقويما نمطيا يعد بالسنين العادية. وسيصبح الكون بلا سرعة لأته سيكون متحيزا. ولن يكون سرعة الضوء مقياسا للزمان والمكان ولن يصبح للنظرية النسبية لاينشتين معني. وفي انعدام المادة الكونية نجد أن قوانين الفيزياء ستتواري تلقائيا. لأن مفهوم الزمكان لإينشتين وجودي تتلازم فيه المادة والفضاء معا كوحدة واحدة. فهما معا يصنعان قوانين الفيزياء.. فوجود المادة بالفضاء جعلت للكون منظورا ومعني ومظهرا. وإضاءة الأجرام فيه من نجوم جعلت له لغة. فمن خلال الضوء نراه ونقيس أبعاده ونقدر حجم أجرامه ونحس فيه بالسرعة. والفراغ الذي نتصوره كحيز خال تماما نجده يضم آلاف الأنواع من الجسيمات التي تتكون وتتحد وتتفاعل وتختفي في محيط لايعرف الهدوء أو السكون فيه. وهذه الصورة ترسمها لنا نظرية الكم التي أمكنها اكتشاف المواد الموصلة للكهرباء في المكان والزمان مما يجعلها تغير من شكل ذبذبات الفوتونات (جسيمات الإشعاع الكهرومغناطيسي) مما يجعلها تولد قوي يمكن قياسها عن طريق الموصلات الكهربائية. فالفضاء يعتبر وعاء ضخما يضم مواد الكون ولايعتبر بهيئة أجرامه خواء. والفضاء باق حتي ولو إنتزعت منه هذه الأجرام أو كل المادة الكونية. لهذا نجد الكون عبارة عن مادة وفضاء كما في نظري أن حساب عمر الكون أو معدل انتفاخه أو تمدده لايتحقق إلا من خلال تقدير متوسط سرعة تمدده في كل إتجاه لو عرفنا مركزه. لهذا كرة القدم لو حسب زمن تمددها بالانتفاخ فلا بد أن يوضع في الحسبان مقاومة حدها الجلدي والضغط الجوي الواقع عليه. ولو قدرت كتلتها لابد من مراعاة الجاذبية الأرضية.ولو حسب حجمها لابد من مراعاة الضغط الجوي ودرجة حرارة الجو. لهذا عندما حسب العلماء كتلة مادة الكون وسرعة تمدده في الفضاء خارج منظومته لم يراعوا جهلهم بكينونة هذا الفضاء الخارجي اللاكوني. وهل له تأثير يقاوم التمدد الكوني بداخل حيزه ؟. لهذا لابد أن يعرف الفضاء اللاكوني. وهل له كتلة؟. أو هو عبارة عن جسيمات لا تخضع لقوانين الطبيعة؟.فإذا كان العلماء حائرين في الكون المنظور فما بالهم باللاكون الغير منظور أو متصور أصلا ؟. لأن هذا يعتبرونه تفكيرا فيما وراء الطبيعة.أقول هذا التصور كمثل يمكن لأي شخص إتباعه في تصوره للكون والتفكير في آلائه.وهذه الفرضية أطرحها للتعود علي التفكير العلمي التحليلي التساؤلي المتسلسل.وهذا ماجعلني شخصيا أضع تصورا لنظرية الكون الأعظم من خلال التفكير المنطقي البحت.لأن القوانين الطبيعية ثابتة في كل مكان وزمان بالكون. وسم هذه النظرية ضربا من الخيال العلمي إلا أنها لن تكون خيالا علميا جامحا. ولاسيما وأ ن العلماء لن يستطيعوا الوقوف فوق حافة الكون الغائر القصي ليروا ما بعده أو حوله. فلو كان بداية كوننا ذرة ثقيلة تعادل في كتلتها كتلته مجتمعة إلا أنها أدت إلي الانفجار الكبير الذي تشكل بعده هذا الكون الذي لا يعرف ماوراءه حتي الآن.لأن تفكير علمائنا قاصر. وما يضير أن تكون هذه الذرة هي إحدي الذرات التي تبعثرت في كون أكبر؟. ولاسيما وأن القرآن حدثنا عن سبع سماوات طباقا أي يوجد سبعة أكوان في الوجود قد نشأت بانفجارات كبري تشكلت بعدها هذه السبعة أكوان. لكن السؤال هل كانت توقيتات هذه الانفجارات متزامنة وثابتة ؟. وهل معدلات شدة تفجيرها واحدة ؟. فإذا كان هذا. فمعناه أن عمرهذه الأكوان الزمني واحد وهيئاتها الفلكية واحدة وأحجامها موحدة. بعدما تشكلت لها مدارات تدور فيها حول كون أكبر يمكن أن نطلق عليه الكون الأعظم أو الكون الكبير أو الكون الأم. فيسيرها حسب بعدها عن شدة جاذبيته في مدارات كونية ثابتة. وقد تكون هذه الأكوان ضمن مجرة كونية عظمي من بين ملايين المجرات الكونية في الوجود أو قد تكون جسما فضائيا تتجه نحو كون أكبر ليجذبه في فلكه كما تجذب الأرض المذنبات من الفضاء.كل شيء وارد وكل فرضية مقبولة لو كانت منطقية. ولاشك أن الكون الأعظم يخضع لنظرية الكثافة الحرجة التي تعتبر ميزان هذا الكون وكل الأكوان الأخوات التي تدور في فلكه. فكثافاتها أقل من الكثافة الذاتية الحرجة لكل منها. فلو بلغت كثافة أي كون للكثافة الحرجة فهذا معناه التوقف التام عن التمدد الكوني. لأن الزمن سيتوقف في حالة(أوميجا)التي تعتبر نهاية الزمن ليعود الكون بعدها في الماضي حسب نظرية الانسحاق الكبيرBig crunch ويصبح كونا هشا ليتقلص ويعود لسيرته الأولي في الزمن القديم ليصل إلي الزمن صفرفي حالة(ألفا)التي تعتبر بداية الزمن. عندما كان الكون ذرة متناهية ومدمجة. ويقال أن كثافة كوننا الآن ثلث معدل الكثافة الحرجة لهذا يتمدد في الفراغ الكوني. وإذا صحت هذه النظريات. فهذا معناه أن ثوابت الكون تنطبق عليها. ومن بينها أن الكون الأعظم متناسق في هيئته الكبري وأنه يضم بلا يين البلايين من المجرات الكونية والسدم بينها والمادة المظلمة التي تعتبر مقبرة لهذه الأكوان.وإذا كان العلماء في شك من هذا فليس لديهم من شواهد أو دلائل منطقية ليتحققوامن هذه الفرضيات. لأنهم لم يروا حتي حافة الكون السحيق الذي نعيش به.فهم عاجزون حتي الآن عن الوصول إلي مهد ميلاد كوننا, وقد بلغت نظرتنا الضبابية فيه علي بعد مليار سنة ضوئية من مهده. لهذا لايمكنهم البت بقول حول ماوراء الكون وما بعده. لأن حافة الكون تبعد عنا ببلايين السنين الضوئية. فما بال مايحتمل أن يكون عليه بعد كوننا من الكون الأعظم ؟.. فلاشك سيكون بعده بلايين البلايين من بلايين السنين الضوئية مما يتعذر علي علماء الفلك رؤيته أو رصده ولو شاهدوه تصورا من فوق سطح كوننا بأدق وأكبر التلسكوبات فلن يروه لأنه سيبدو كذرة لاتري

لعلك تتذكر دوماً القصة التي تروى عن اسحق نيوتن عندما كان مستلقياً في ظل شجرة، ثم سقطت على رأسه التفاحة التي ربما تكون قد نبهته إلى أن كل الأجسام في الكون تتجاذب مع بعضها البعض. وقد قام نيوتن بعد ذلك بتحليل بعض البيانات المتعلقة بحركة القمر حول الأرض، وتوصل إلى أن القوانين الرياضية التي تنظم حركة الكواكب هي نفسها التي تحدد قوة جذب الأرض للتفاحة.

وقام اسحق نيوتن في العام 1686 بنشر قانونه في الجذب العام والذي ينص على ما يلي : " كل جسم في الكون يؤثر بقوة جذب على جسم آخر، ومقدار هذه القوة يتناسب طردياً مع حاصل ضرب الكتلتين وعكسياً مع مربع المسافة بينهما" حيث :

ك1 : كتلة الجسم الأول ك2 : كتلة الجسم الثاني ف : المسافة بين مركزي الجسمين

ق جـ : قوة الجذب المتبادلة بين الجسمين ج : ثابت الجذب العام ويساوي 6.672 × 10-11 نيوتن.م2 / كغ ويُسمى هذا القانون عادة بقانون التربيع العكسي وذلك لأن القوة تتناسب عكسياً مع مربع المسافة بين مركزي الجسمين. وإذا نظرت أدناه : لعلك تتذكر دوماً القصة التي تروى عن اسحق نيوتن عندما كان مستلقياً في ظل شجرة، ثم سقطت على رأسه التفاحة التي ربما تكون قد نبهته إلى أن كل الأجسام في الكون تتجاذب مع بعضها البعض. وقد قام نيوتن بعد ذلك بتحليل بعض البيانات المتعلقة بحركة القمر حول الأرض، وتوصل إلى أن القوانين الرياضية التي تنظم حركة الكواكب هي نفسها التي تحدد قوة جذب الأرض للتفاحة.

وقام اسحق نيوتن في العام 1686 بنشر قانونه في الجذب العام والذي ينص على ما يلي : " كل جسم في الكون يؤثر بقوة جذب على جسم آخر، ومقدار هذه القوة يتناسب طردياً مع حاصل ضرب الكتلتين وعكسياً مع مربع المسافة بينهما" حيث : بحيث ان:

m1: كتلة الجسم الأول m2: كتلة الجسم الثاني r : المسافة بين مركزي الجسمين F : قوة الجذب المتبادلة بين الجسمين G : ثابت الجذب العام ويساوي 6.672 × 10-11 نيوتن.م2 / كغ اي:

ويُسمى هذا القانون عادة بقانون التربيع العكسي وذلك لأن القوة تتناسب عكسياً مع مربع المسافة بين مركزي الجسمين.

قانون نيوتن الثالث لكل فعل ردة فعل مساوية له في المقدار معاكسة له في الأتجاه