Rzecz piękna – siła elektromagnetycznaCzas czytania: 6 min

W serii poświęconej czterem fundamentalnym siłom przyrody, które kształtują Wszechświat, dochodzimy w końcu do siły, której wpływ na nasze życie jest najwyraźniejszy. Grawitacja formuje wielkoskalowe struktury Wszechświata, utrzymując materię w formie gwiazd i planet¹. Z kolei silne oddziaływanie jądrowe łączy nukleony w niezbędne dla życia pierwiastki, uwalniając tym samym ogromne ilości energii, która sprawia, że gwiazdy świecą². Dzięki sile elektromagnetycznej odkrywamy nie tylko istotę struktury atomowej, ale możemy dostrzec też kształty i podziwiać piękno wszystkiego, co materialnie istnieje.

Struktura atomowa determinowana jest przez siłę elektromagnetyczną, ponieważ jedynie ta siła utrzymuje elektrony na ich orbitach wokół jądra. Grawitacja i silne oddziaływanie jądrowe nie odgrywają żadnej roli z punktu widzenia właściwości chemicznych i interakcji między atomami. Siła elektromagnetyczna między elektronami i protonami daleko przewyższa siłę grawitacji (o fenomenalne 10³⁶ razy!), a siła jądrowa nie ma żadnego wpływu na elektrony.

Subtelniejsze własności atomów

Mechanika kwantowa opisuje szczegóły budowy atomów, ponieważ ich rozmiary są tak małe, że falowych własności elektronów nie da się pominąć. Dlatego mechanika newtonowska, traktująca cząsteczki jako dające się zlokalizować, stałe „bryłki” materii, nie radzi sobie z uchwyceniem większości z co bardziej subtelnych właściwości atomów. Niemniej nawet w równaniach mechaniki kwantowej (przede wszystkim w równaniu Schrödingera) to właśnie siła elektryczna nadaje określony charakter strukturze atomów.

Oddziaływanie elektromagnetyczne sprawia, że atomy wchodzą ze sobą w interakcje, tworząc materię wszystkiego, co widzimy i czym jesteśmy. „Mokrość” wody, gładkie zimno stali, twardość kamienia, słoność soli i wszystkie inne własności materii istnieją dzięki tym przejawom siły elektromagnetycznej między naładowanymi cząsteczkami, z których składa się materia.

Pola zielonej trawy

Faktura przedmiotów zależy od oddziaływania elektromagnetycznego. A oddziaływanie przedmiotów ze światłem nadaje im to, co odbieramy jako barwę (jest to konsekwencja odbijanych, a nie pochłanianych długości fal). Dlaczego pola trawy są zielone podobnie jak liście czy igły drzew? Pewną rolę odgrywa tu cząsteczka chlorofilu, ale właściwą przyczyną cieszącej oko barwy jest natura i wielkość siły elektromagnetycznej, dostrojona w ten sposób, aby zdolna była pochłaniać czerwone i niebieskie światło, a odbijać światło zielone z tęczowego widma Słońca. Co więcej, interakcja chlorofilu ze światłem napędza fotosyntezę – proces, dzięki któremu rośliny pozyskują energię i wytwarzają tlen jako produkt uboczny:

Z punktu widzenia podtrzymania życia na Ziemi nie da się przecenić wagi fotosyntezy […] gdyby fotosyntezy zabrakło, wkrótce nie byłoby też jedzenia i jakiejkolwiek materii organicznej³.

Rola siły elektromagnetycznej w tym procesie polega na przyciąganiu cząstek dodatnich i ujemnych (odpowiednio: protonów i elektronów), z których składa się fizyczna materia. W procesie pochłaniania fal światła niezbędne jest szczególne „dopasowanie” albo rezonans między energią poszczególnej długości fali (czyli tego, a nie innego koloru światła) i poziomami dostępnej energii w ramach stanów elektronowych danej substancji. To dopasowanie zależy od wielkości siły, o której tu mowa.

Proste urządzenie znane ze szkoły

W fizyce oddziaływania elektryczne i magnetyczne ujmuje się łącznie jako jedno oddziaływanie. Na tę jedność wskazywać może choćby proste urządzenie, które zapewne budowaliśmy w liceum – czyli elektromagnes. Trzeba okręcić trochę drutu wokół żelaznego gwoździa, podłączyć końce drutu do baterii latarki – i oto mamy magnes zdolny podnosić małe przedmioty takie jak spinacze. Następnie wystarczy przeskalować urządzenie i mamy elektromagnes zdolny przenosić wraki samochodów na składowisku złomu. W obu przypadkach wskutek ruchu ładunków elektrycznych – czyli elektryczności przepływającej przez drut – tworzy się pole magnetyczne.

W pierwszej połowie XIX wieku Michael Faraday odkrył, że zmienne w czasie pole magnetyczne może wytwarzać prąd elektryczny. Symetria jest tu posunięta jeszcze dalej i da się ją sformułować w następujący sposób – zmiana w polu elektrycznym powoduje zmianę w polu magnetycznym, a zmiana w polu magnetycznym powoduje zmianę w polu elektrycznym. Jeśli myślicie, że zapędzam się tu daleko w fizyczne roztrząsania, zwróćcie uwagę, że to, co właśnie opisałem, to zasada działania fal radiowych czy jakiegokolwiek promieniowania elektromagnetycznego, włącznie ze światłem.

Głęboko zaprojektowana przyroda

W różnych materiałach, z których składa się nasz fizyczny świat, to właśnie dokładna siła oddziaływania elektrycznego na najbardziej zewnętrzne (walencyjne) elektrony decyduje o tym, czy dany materiał zachowuje się jak izolator, przewodnik czy półprzewodnik. To, że udaje nam się wypracować opartą na elektryczności technologię⁴ i konstruować złożone urządzenia elektryczne, zależy dokładnie od dostępności tych trzech rodzajów materiałów – brak choćby jednego z nich sprawiłby, że znana nam technologia byłaby niemożliwa, a przynajmniej bardzo ograniczona.

Siła elektromagnetyczna odpowiedzialna jest za właściwości światła; determinuje ona również sposób, w jaki światło reaguje z atomami i cząsteczkami – tworząc zasadniczą bazę jakiegokolwiek życia. Wszechobecne, kluczowe własności oddziaływania elektromagnetycznego stanowią podstawę każdej reakcji chemicznej, umożliwiając precyzyjną i złożoną biochemię wewnątrz naszych komórek, dzięki której mogą one prawidłowo funkcjonować i utrzymywać nas przy życiu. Jako fizyk, a także jako ktoś zainteresowany tym, by pozostać przy życiu – odczuwam głęboki podziw wobec wyraźnie zaprojektowanej natury oddziaływania elektromagnetycznego.

Eric Hedin

Oryginał: A Thing of Beauty – The Electromagnetic Force, „Science & Culture Today” 2025, November 24 [dostęp: 13 II 2026].

Przekład z języka angielskiego: Krystian Brzeski

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 13.2.2026

Literatura: