Denne artikkelen tar for seg det som kalles naturkreftene - den grunnleggende elektromagnetiske interaksjonen og prinsippene den er bygget på. Den vil også snakke om mulighetene for eksistensen av nye tilnærminger til studiet av dette emnet. Selv på skolen, i fysikktimene, blir elevene møtt med en forklaring på begrepet "kraft". De lærer at krefter kan være svært forskjellige - friksjonskraften, tiltrekningskraften, elastisitetskraften og mange andre lignende. Ikke alle av dem kan kalles grunnleggende, siden veldig ofte er kraftfenomenet sekundært (friksjonskraften, for eksempel med dens interaksjon av molekyler). Elektromagnetisk interaksjon kan også være sekundær - som en konsekvens. Molekylær fysikk nevner Van der Waals-kraften som et eksempel. Partikkelfysikk gir også mange eksempler.
I naturen
Jeg vil gjerne komme til bunns i prosessene som skjer i naturen, når det får den elektromagnetiske interaksjonen til å fungere. Hva er egentlig den grunnleggende kraften som bestemmer alle sekundærkreftene den har bygget?Alle vet at den elektromagnetiske interaksjonen, eller, som det også kalles, elektriske krefter, er grunnleggende. Dette er bevist av Coulombs lov, som har sin egen generalisering som følger av Maxwells ligninger. Sistnevnte beskriver alle de magnetiske og elektriske kreftene som finnes i naturen. Det er derfor det er bevist at samspillet mellom elektromagnetiske felt er den grunnleggende naturkraften. Det neste eksempelet er tyngdekraften. Til og med skolebarn vet om loven om universell gravitasjon til Isaac Newton, som også nylig mottok sin egen generalisering av Einsteins ligninger, og ifølge hans gravitasjonsteori er denne kraften av elektromagnetisk interaksjon i naturen også grunnleggende.
En gang trodde man at det bare var disse to grunnleggende kreftene som eksisterer, men vitenskapen har gått fremover og beviser gradvis at dette slett ikke er tilfelle. For eksempel, med oppdagelsen av atomkjernen, var det nødvendig å introdusere konseptet kjernekraft, ellers hvordan man skal forstå prinsippet om å holde partikler inne i kjernen, hvorfor de ikke flyr bort i forskjellige retninger. Å forstå hvordan den elektromagnetiske kraften virker i naturen har bidratt til å måle, studere og beskrive kjernekrefter. Senere forskere kom imidlertid til den konklusjon at kjernefysiske krefter er sekundære og på mange måter lik van der Waals-styrkene. Faktisk er det bare kreftene som kvarker gir ved å samhandle med hverandre som er virkelig grunnleggende. Da allerede - en sekundær effekt - er samspillet mellom elektromagnetiske felt mellom nøytroner og protoner i kjernen. Virkelig grunnleggende er samspillet mellom kvarker som utveksler gluoner. Slik ble deten tredje virkelig grunnleggende kraft oppdaget i naturen.
Fortsettelse av denne historien
Elementærpartikler forfaller, tunge - til lettere, og deres forfall beskriver en ny kraft av elektromagnetisk interaksjon, som kalles nettopp det - kraften til svak interaksjon. Hvorfor svak? Ja, fordi det elektromagnetiske samspillet i naturen er mye sterkere. Og igjen viste det seg at denne teorien om svak interaksjon, som så harmonisk kom inn i verdensbildet og i utgangspunktet utmerket beskrev forfallet til elementærpartikler, ikke reflekterte de samme postulatene hvis energien økte. Det er derfor den gamle teorien ble omarbeidet til en annen - teorien om svak interaksjon, denne gangen viste seg å være universell. Selv om den ble bygget på de samme prinsippene som andre teorier som beskrev den elektromagnetiske interaksjonen mellom partikler. I moderne tid er det fire studerte og påviste fundamentale interaksjoner, og den femte er på vei, den vil bli diskutert senere. Alle fire - gravitasjon, sterk, svak, elektromagnetisk - er bygget på ett enkelt prinsipp: kraften som oppstår mellom partikler er et resultat av en eller annen utveksling utført av en bærer, eller på annen måte - en interaksjonsformidler.
Hva slags hjelper er dette? Dette er et foton - en partikkel uten masse, men likevel vellykket å bygge elektromagnetisk interaksjon på grunn av utveksling av et kvante av elektromagnetiske bølger eller et kvante av lys. Elektromagnetisk interaksjon utføresved hjelp av fotoner i feltet av ladede partikler som kommuniserer med en viss kraft, er det nettopp dette Coulombs lov tolker. Det er en annen masseløs partikkel - gluonet, det er åtte varianter av det, det hjelper kvarker med å kommunisere. Denne elektromagnetiske interaksjonen er en tiltrekning mellom ladninger, og den kalles sterk. Ja, og svak interaksjon er ikke komplett uten mellomledd, som er partikler med masse, dessuten er de massive, det vil si tunge. Dette er mellomvektorbosoner. Deres masse og tyngde forklarer svakheten ved samhandling. Gravitasjonskraften produserer en utveksling av et kvantum av gravitasjonsfeltet. Denne elektromagnetiske interaksjonen er tiltrekningen av partikler, den er ennå ikke studert nok, gravitonen er ikke engang blitt oppdaget eksperimentelt ennå, og kvantetyngdekraften føles ikke fullt ut av oss, og derfor kan vi ikke beskrive den ennå.
The Fifth Force
Vi har vurdert fire typer grunnleggende interaksjon: sterk, svak, elektromagnetisk, gravitasjon. Interaksjon er en viss handling av partikkelutveksling, og man kan ikke klare seg uten begrepet symmetri, siden det ikke er noen interaksjon som ikke er assosiert med det. Det er hun som bestemmer antall partikler og deres masse. Med nøyaktig symmetri er massen alltid null. Så, et foton og et gluon har ingen masse, det er lik null, og en graviton har ikke. Og hvis symmetrien brytes, slutter massen å være null. Dermed har mellomvektorbison masse fordi symmetrien er brutt. Disse fire grunnleggende interaksjonene forklarer alt detvi ser og føler. De gjenværende kreftene indikerer at deres elektromagnetiske interaksjon er sekundær. I 2012 ble det imidlertid et gjennombrudd innen vitenskapen og en annen partikkel ble oppdaget, som umiddelbart ble berømt. Revolusjonen i den vitenskapelige verden ble organisert ved oppdagelsen av Higgs-bosonet, som, som det viste seg, også fungerer som en bærer av interaksjoner mellom leptoner og kvarker.
Det er derfor fysikere nå sier at en femte kraft har dukket opp, formidlet av Higgs-bosonet. Symmetrien brytes også her: Higgs-bosonet har en masse. Dermed nådde antallet interaksjoner (ordet "kraft" er erstattet av dette ordet i moderne partikkelfysikk) fem. Kanskje venter vi på nye funn, for vi vet ikke nøyaktig om det er andre interaksjoner ved siden av disse. Det er veldig mulig at modellen vi allerede har bygget og som vi vurderer i dag, som ser ut til å forklare alle fenomenene som er observert i verden perfekt, ikke er helt komplett. Og kanskje, etter en tid, vil nye interaksjoner eller nye krefter dukke opp. En slik sannsynlighet eksisterer, om så bare fordi vi veldig gradvis lærte at det er grunnleggende interaksjoner kjent i dag - sterke, svake, elektromagnetiske, gravitasjonsmessige. Tross alt, hvis det er supersymmetriske partikler i naturen som allerede snakkes om i den vitenskapelige verden, betyr dette eksistensen av en ny symmetri, og symmetri innebærer alltid utseendet av nye partikler, mediatorer mellom dem. Dermed vil vi høre om en tidligere ukjent fundamental kraft, som vi en gang med overraskelse fikk vite detdet er for eksempel elektromagnetisk, svak interaksjon. Vår kunnskap om vår egen natur er svært ufullstendig.
Connectedness
Det mest interessante er at enhver ny interaksjon nødvendigvis må føre til et helt ukjent fenomen. Hvis vi for eksempel ikke hadde lært om den svake interaksjonen, ville vi aldri ha oppdaget forfall, og hvis det ikke var for vår kunnskap om forfall, ville ingen studier av kjernefysisk reaksjon vært mulig. Og hvis vi ikke visste kjernefysiske reaksjoner, ville vi ikke forstå hvordan solen skinner for oss. Tross alt, hvis det ikke skinnet, ville ikke livet på jorden ha blitt dannet. Så tilstedeværelsen av interaksjon sier at det er viktig. Hvis det ikke var noen sterk interaksjon, ville det ikke vært noen stabile atomkjerner. På grunn av elektromagnetisk interaksjon mottar jorden energi fra solen, og lysstrålene som kommer fra den varmer planeten. Og alle interaksjoner kjent for oss er helt nødvendige. Her er Higgs-en, for eksempel. Higgs-bosonet gir partikkelen masse gjennom interaksjon med feltet, uten som vi ikke ville ha overlevd. Og hvordan holde seg på overflaten av planeten uten gravitasjonsinteraksjon? Det ville være umulig ikke bare for oss, men for ingenting i det hele tatt.
Absolutt alle interaksjoner, også de som vi ennå ikke vet om, er en nødvendighet for at alt menneskeheten vet, forstår og elsker skal eksistere. Hva kan vi ikke vite? Ja mye. For eksempel vet vi at protonet er stabilt i kjernen. Dette er veldig, veldig viktig for oss.stabilitet, ellers ville ikke livet eksistert på samme måte. Eksperimenter viser imidlertid at levetiden til et proton er en tidsbegrenset mengde. Lang, selvfølgelig, 1034 år. Men dette betyr at før eller siden vil protonet også forfalle, og dette vil kreve noe ny kraft, det vil si en ny interaksjon. Når det gjelder protonnedbrytning finnes det allerede teorier hvor det antas en ny, mye høyere grad av symmetri, noe som betyr at det godt kan eksistere en ny interaksjon som vi fortsatt ikke vet noe om.
Grand Unification
I naturens enhet, det eneste prinsippet for å bygge alle grunnleggende interaksjoner. Mange har spørsmål om antallet og forklaringen på årsakene til dette tallet. Her er det bygget svært mange versjoner, og de er svært forskjellige når det gjelder konklusjonene som trekkes. De forklarer tilstedeværelsen av akkurat et slikt antall fundamentale interaksjoner på forskjellige måter, men de viser seg alle å være med et enkelt prinsipp for å bygge bevis. Forskere prøver alltid å kombinere de mest forskjellige typene interaksjoner til én. Derfor kalles slike teorier Grand Unification-teoriene. Som om verdens tre grener: det er mange grener, men stammen er alltid én.
Alt fordi det er en idé som forener alle disse teoriene. Roten til alle kjente interaksjoner er den samme, og mater en stamme, som, som et resultat av tapet av symmetri, begynte å forgrene seg og dannet forskjellige fundamentale interaksjoner, som vi kan eksperimenteltobservere. Denne hypotesen kan ennå ikke testes, fordi den krever en utrolig høyenergifysikk, utilgjengelig for dagens eksperimenter. Det er også mulig at vi aldri vil mestre disse energiene. Men det er fullt mulig å omgå dette hinderet.
Leilighet
Vi har universet, denne naturlige akseleratoren, og alle prosessene som finner sted i det, gjør det mulig å teste selv de mest vågale hypotesene om den felles roten til alle kjente interaksjoner. En annen interessant oppgave med å forstå samspillet i naturen er kanskje enda vanskeligere. Det er nødvendig å forstå hvordan tyngdekraften forholder seg til resten av naturkreftene. Denne grunnleggende interaksjonen skiller seg så å si ut til tross for at denne teorien ligner alle andre ved konstruksjonsprinsippet.
Einstein var engasjert i gravitasjonsteorien og prøvde å koble den med elektromagnetisme. Til tross for den tilsynelatende realiteten med å løse dette problemet, fungerte ikke teorien da. Nå vet menneskeheten litt mer, i alle fall vet vi om de sterke og svake interaksjonene. Og hvis nå for å fullføre byggingen av denne enhetlige teorien, så vil mangelen på kunnskap sikkert ha en effekt igjen. Til nå har det ikke vært mulig å sette tyngdekraften på linje med andre interaksjoner, siden alle adlyder lovene som dikteres av kvantefysikken, men tyngdekraften gjør det ikke. I følge kvanteteorien er alle partikler kvanter av et bestemt felt. Men kvantetyngdekraften eksisterer ikke, i hvert fall ikke ennå. Imidlertid gjentar antallet allerede åpne interaksjoner høyt at det ikke kan annetvære en slags enhetlig ordning.
Elektrisk felt
Tilbake i 1860 klarte den store fysikeren fra det nittende århundre, James Maxwell, å lage en teori som forklarer elektromagnetisk induksjon. Når magnetfeltet endres over tid, dannes et elektrisk felt på et bestemt punkt i rommet. Og hvis en lukket leder er funnet i dette feltet, vises en induksjonsstrøm i det elektriske feltet. Med sin teori om elektromagnetiske felt beviser Maxwell at den omvendte prosessen også er mulig: Hvis du endrer det elektriske feltet i tid på et bestemt punkt i rommet, vil det definitivt dukke opp et magnetisk felt. Dette betyr at enhver endring i tid av magnetfeltet kan forårsake fremveksten av et skiftende elektrisk felt, og en endring i det elektriske feltet kan produsere et skiftende magnetfelt. Disse variablene, felt som genererer hverandre, organiserer et enkelt felt - elektromagnetisk.
Det viktigste resultatet som kommer fra formlene til Maxwells teori er spådommen om at det er elektromagnetiske bølger, det vil si elektromagnetiske felt som forplanter seg i tid og rom. Kilden til det elektromagnetiske feltet er de elektriske ladningene som beveger seg med akselerasjon. I motsetning til lydbølger (elastiske) kan elektromagnetiske bølger forplante seg i alle stoffer, selv i vakuum. Elektromagnetisk interaksjon i vakuum forplanter seg med lysets hastighet (c=299 792 kilometer per sekund). Bølgelengden kan være forskjellig. Elektromagnetiske bølger fra ti tusen meter til 0,005 meter erradiobølger som tjener oss til å overføre informasjon, det vil si signaler over en viss avstand uten noen ledninger. Radiobølger skapes av strøm ved høye frekvenser som strømmer i antennen.
Hva er bølgene
Hvis bølgelengden til elektromagnetisk stråling er mellom 0,005 meter og 1 mikrometer, det vil si at de som er i området mellom radiobølger og synlig lys er infrarød stråling. Det slippes ut av alle oppvarmede kropper: batterier, ovner, glødelamper. Spesielle enheter konverterer infrarød stråling til synlig lys for å få bilder av objekter som sender ut den, selv i absolutt mørke. Synlig lys sender ut bølgelengder fra 770 til 380 nanometer – noe som resulterer i en farge fra rød til lilla. Denne delen av spekteret er ekstremt viktig for menneskers liv, fordi vi mottar en stor del av informasjonen om verden gjennom syn.
Hvis elektromagnetisk stråling har en bølgelengde som er kortere enn fiolett, er den ultrafiolett, som dreper sykdomsfremkallende bakterier. Røntgenstråler er usynlige for øyet. De absorberer nesten ikke lag av materie som er ugjennomsiktig for synlig lys. Røntgenstråling diagnostiserer sykdommer i de indre organene til mennesker og dyr. Hvis elektromagnetisk stråling oppstår fra samspillet mellom elementærpartikler og sendes ut av eksiterte kjerner, oppnås gammastråling. Dette er det bredeste området i det elektromagnetiske spekteret fordi det ikke er begrenset til høye energier. Gammastråling kan være myk og hard: energioverganger inne i atomkjerner -myk, og i kjernefysiske reaksjoner - hard. Disse kvantene ødelegger lett molekyler, og spesielt biologiske. Heldigvis kan ikke gammastråling passere gjennom atmosfæren. Gammastråler kan observeres fra verdensrommet. Ved ultrahøye energier forplanter den elektromagnetiske interaksjonen seg med en hastighet nær lysets hastighet: gammakvanter knuser atomkjernene og bryter dem til partikler som flyr i forskjellige retninger. Ved bremsing sender de ut lys som er synlig gjennom spesielle teleskoper.
Fra fortid til fremtid
Elektromagnetiske bølger, som allerede nevnt, ble spådd av Maxwell. Han studerte nøye og prøvde å matematisk tro på de litt naive bildene av Faraday, som skildret magnetiske og elektriske fenomener. Det var Maxwell som oppdaget fraværet av symmetri. Og det var han som klarte å bevise med en rekke ligninger at vekslende elektriske felt genererer magnetiske og omvendt. Dette førte ham til ideen om at slike felt løsner fra lederne og beveger seg gjennom vakuumet med en gigantisk hastighet. Og han skjønte det. Hastigheten var nærmere tre hundre tusen kilometer i sekundet.
Dette er hvordan teori og eksperiment samhandler. Et eksempel er oppdagelsen, takket være hvilken vi lærte om eksistensen av elektromagnetiske bølger. Ved hjelp av fysikk ble helt heterogene konsepter kombinert i den - magnetisme og elektrisitet, siden dette er et fysisk fenomen av samme rekkefølge, bare de forskjellige sidene er i samspill. Teorier bygges etter hverandre, og allede er nært beslektet med hverandre: teorien om den elektrosvake interaksjonen, for eksempel, hvor svake kjernefysiske og elektromagnetiske krefter beskrives fra de samme posisjonene, så er alt dette forent av kvantekromodynamikk, som dekker de sterke og elektrosvake interaksjonene (her nøyaktigheten er fortsatt lavere, men arbeidet fortsetter). Slike områder av fysikk som kvantetyngdekraft og strengteori forskes intensivt på.
Konklusjoner
Det viser seg at rommet rundt oss er fullstendig gjennomsyret av elektromagnetisk stråling: dette er stjernene og solen, månen og andre himmellegemer, dette er selve jorden, og hver telefon i hendene på en person, og radiostasjonsantenner - alt dette sender ut elektromagnetiske bølger, navngitt annerledes. Avhengig av frekvensen av vibrasjoner som et objekt sender ut, skilles infrarød stråling, radiobølger, synlig lys, biofeltstråler, røntgen og lignende.
Når et elektromagnetisk felt forplanter seg, blir det en elektromagnetisk bølge. Det er rett og slett en uuttømmelig energikilde, som får de elektriske ladningene til molekyler og atomer til å svinge. Og hvis ladningen svinger, blir bevegelsen akselerert, og sender derfor ut en elektromagnetisk bølge. Hvis magnetfeltet endres, eksiteres et elektrisk virvelfelt, som igjen eksiterer et virvelmagnetfelt. Prosessen går gjennom verdensrommet og dekker det ene punktet etter det andre.
