En skjønnhet - Den elektromagnetiske kraften

Av Eric Hedin 24. november 2025. Oversatt herfra {kursiv, understreking og {kommentarer} ved oversetter.}

I denne serien om de fire grunnleggende naturkreftene som former universet vårt, kommer vi nå til den kraften som mest uttrykkelig påvirker livene våre. Vi har sett hvordan tyngdekraften former de storskala strukturene i universet vårt -lenke, og trekker materie sammen for å danne stjerner og planeter. Den sterke kjernekraften gjør sin del for å kombinere nukleoner til elementer som er essensielle for liv, og frigjør sine enorme energier som får stjerner til å skinne -lenke. Med den elektromagnetiske kraften oppdager vi essensen av ikke bare atomstrukturen, men også av formen og den synlige skjønnheten til alt som materielt eksisterer.

Bilde 1. Atom -strukturen bestemmes av den elektromagnetiske kraft

Atomstrukturen bestemmes av den elektromagnetiske kraften siden denne kraften alene holder elektronene i bane rundt kjernen. Tyngdekraften og den sterke kjernekraften spiller ingen rolle i de kjemiske egenskapene og interaksjonene til atomer. Tyngdekraften er langt overgått i styrke av den elektriske kraften mellom elektroner og protoner (med en enorm faktor på 10^36), og kjernekraften virker ikke engang på elektroner.

Atomenes finere egenskaper
Kvantemekanikk styrer detaljene i atomstrukturen fordi atomstørrelsesskalaen er så liten at elektronenes bølgeegenskaper ikke kan ignoreres. Derfor klarer ikke Newtonsk mekanikk, som behandler partikler som lokaliserte, faste biter av materie, å fange opp de fleste av de finere egenskapene til atomer. Likevel, selv i kvantemekanikkens ligninger (hovedsakelig Schrödinger-ligningen), gir styrken til den elektomagnetiske kraften de spesifikke utfallene av atomenes natur.
Styrt av den elektromagnetiske kraften, samhandler atomer med hverandre for å danne substansen i alt vi ser og er. Vannets "fuktighet", stålets glatte kulde, steinens hardhet, saltets saltinnhold og alle andre egenskaper ved materie skylder sin eksistens til manifestasjoner av den elektromagnetiske kraften, mellom de ladede partiklene som materien er sammensatt av.

Bilde 2. Gønne vekster - fargerefleksjon muliggjort av elektromagnetisk kraft

Levende åkre med grønt gress
Ikke bare avhenger teksturen til materielle objekter av den elektromagnetiske kraften, men også deres interaksjon med lys, noe som gir oss deres tilsynelatende farge i bølgelengdene til lyset som objektene reflekterer i stedet for å absorbere. Hvorfor er levende åkre med gress (og blader og trenåler) grønne? Vi vet kanskje at molekylet klorofyll spiller en rolle i å produsere denne behagelige fargen, men i bunn ligger naturen og styrken til den elektromagnetiske kraften, innstilt for å la vegetasjon absorbere rødt og blått lys og reflektere grønt lys fra regnbuespekteret til solen vår. Klorofylls interaksjon med lys driver fotosyntese, der planter utvinner energi og produserer oksygen som et biprodukt, noe som gir en betydelig fordel -lenke.

"Det ville være umulig å overvurdere viktigheten av fotosyntese for å opprettholde liv på jorden ... Hvis fotosyntesen opphørte, ville det snart være lite mat eller annet organisk materiale på jorden."
Den elektromagnetiske kraften spiller inn gjennom styrken av tiltrekningen mellom de positive og negative partiklene (henholdsvis protoner og elektroner) som utgjør fysisk materie. Ved absorpsjon av lys må det finnes en harmonisert samsvar, eller resonans, mellom energien til en bestemt bølgelengde eller lysfarge og de tilgjengelige energinivåene til elektrontilstandene i stoffet. Dette samsvaret avhenger av styrken til vår fremhevede (elektromagnetiske) kraft.

En enkel enhet fra ungdomsskolen
I fysikk er de elektriske og magnetiske kreftene samlet i kategorien én kraft. Vi ser noen hint om denne enheten i en enkel enhet vi kanskje har laget i naturfagtimene på ungdomsskolen – en elektromagnet. Surr en ledning rundt en jernspiker, koble endene til et lommelyktbatteri, og du har en magnet som kan plukke opp små ting som binders. Eller skaler dette opp, og du kan lage en elektromagnet som er sterk nok til å plukke opp gamle biler på en skraphaug. I begge tilfeller skaper bevegelige elektriske ladninger (elektrisitet som strømmer gjennom ledningen) et magnetfelt.

På 1800-tallet oppdaget Michael Faraday at et bevegelig (eller skiftende) magnetfelt kan skape elektrisitet. Symmetrien går enda lenger og kan uttrykkes slik: et skiftende elektrisk felt skaper et skiftende magnetfelt, og et skiftende magnetfelt skaper et skiftende elektrisk felt. Hvis du tror jeg har gått for dypt inn i fysikkens kjerneområder, har jeg nettopp beskrevet radiobølger, eller enhver form for elektromagnetisk stråling, inkludert lys.

Bilde 3. Elektromagnetisk-spekter

En dypt utformet natur
I de forskjellige materialene som utgjør vår fysiske verden, bestemmer den nøyaktige styrken til den elektromagnetiske kraften på de ytterste (valens-)elektronene om materialet fungerer som en isolator, leder eller halvleder. Vår suksess med å utvikle elektrisk teknologi og kompleks elektronikk avhenger av tilgjengeligheten av alle tre materialtyper. Mangel på bare én av de tre ville gjøre elektrisk teknologi umulig eller sterkt begrenset. {Og vi ville fremdeles vært i middelalderen, teknologisk sett -oversetters tilføyelse.}

Den elektromagnetiske kraften er ansvarlig for lysets egenskaper, og den bestemmer også hvordan lys samhandler med atomer og molekyler, og gir grunnleggende næring for livet {som i fotosyntesen -oversetters tilføyelse.}. De gjennomgripende essensielle egenskapene til den elektromagnetiske kraften ligger til grunn for enhver kjemisk interaksjon, slik at den presise og komplekse biokjemien i cellene våre kan fungere ordentlig og holde oss i live. Som fysiker og én med egeninteresse av å være i live, står jeg i ærefrykt for den dypt utformede naturen til den elektromagnetiske kraften.

Eric Hedin

Eric R. Hedin fikk sin doktorgrad i eksperimentell plasmafysikk fra University of Washington og gjennomførte postdoktoral forskning ved Royal Institute of Technology i Stockholm, Sverige. Han har fungert som professor i fysikk og astronomi ved Taylor University og Ball State University i Indiana, og ved Biola University i Sør -California. Hos Ball State fokuserte hans forskningsinteresser på beregningsmessig nano-elektronikk og høyere dimensjonal fysikk.

Oversettelse, via google oversetter, og bilder ved Asbjørn E. Lund