Acest articol va lua în considerare ceea ce se numește forțele naturii - interacțiunea electromagnetică fundamentală și principiile pe care este construită. Se va vorbi, de asemenea, despre posibilitățile existenței unor noi abordări ale studiului acestei teme. Chiar și la școală, la orele de fizică, elevii se confruntă cu o explicație a conceptului de „forță”. Ei învață că forțele pot fi foarte diverse - forța de frecare, forța de atracție, forța de elasticitate și multe altele asemenea. Nu toate pot fi numite fundamentale, deoarece de foarte multe ori fenomenul de forță este secundar (forța de frecare, de exemplu, cu interacțiunea moleculelor). Interacțiunea electromagnetică poate fi, de asemenea, secundară - ca o consecință. Fizica moleculară citează ca exemplu forța Van der Waals. Fizica particulelor oferă, de asemenea, multe exemple.
În natură
Aș dori să ajung la fundul proceselor care au loc în natură, când face ca interacțiunea electromagnetică să funcționeze. Care este exact forța fundamentală care determină toate forțele secundare pe care le-a construit?Toată lumea știe că interacțiunea electromagnetică, sau, așa cum este numită și forțele electrice, este fundamentală. Acest lucru este evidențiat de legea lui Coulomb, care are propria sa generalizare în urma ecuațiilor lui Maxwell. Acestea din urmă descriu toate forțele magnetice și electrice care există în natură. De aceea s-a dovedit că interacțiunea câmpurilor electromagnetice este forța fundamentală a naturii. Următorul exemplu este gravitația. Chiar și școlarii știu despre legea gravitației universale a lui Isaac Newton, care a primit recent și propria sa generalizare prin ecuațiile lui Einstein și, conform teoriei sale asupra gravitației, această forță de interacțiune electromagnetică din natură este, de asemenea, fundamentală.
Odinioară, se credea că doar aceste două forțe fundamentale există, dar știința a avansat, dovedind treptat că nu este deloc așa. De exemplu, odată cu descoperirea nucleului atomic, a fost necesar să se introducă conceptul de forță nucleară, altfel cum să înțelegem principiul păstrării particulelor în interiorul nucleului, de ce acestea nu zboară în direcții diferite. Înțelegerea modului în care funcționează forța electromagnetică în natură a ajutat la măsurarea, studierea și descrierea forțelor nucleare. Cu toate acestea, mai târziu oamenii de știință au ajuns la concluzia că forțele nucleare sunt secundare și în multe privințe similare cu forțele van der Waals. De fapt, doar forțele pe care quarkurile le oferă prin interacțiunea între ele sunt cu adevărat fundamentale. Atunci deja - un efect secundar - este interacțiunea câmpurilor electromagnetice dintre neutroni și protoni din nucleu. Cu adevărat fundamentală este interacțiunea cuarcilor care schimbă gluoni. Așa a fosto a treia forță cu adevărat fundamentală descoperită în natură.
Continuarea acestei povești
Particulele elementare se descompun, cele grele - în altele mai ușoare, iar dezintegrarea lor descrie o nouă forță a interacțiunii electromagnetice, care se numește tocmai așa - forța interacțiunii slabe. De ce slab? Da, pentru că interacțiunea electromagnetică în natură este mult mai puternică. Și din nou, s-a dovedit că această teorie a interacțiunii slabe, care a intrat atât de armonios în imaginea lumii și a descris inițial excelent dezintegrarea particulelor elementare, nu reflecta aceleași postulate dacă energia creștea. De aceea vechea teorie a fost reelaborată într-o alta - teoria interacțiunii slabe, de data aceasta s-a dovedit a fi universală. Deși a fost construit pe aceleași principii ca și alte teorii care descriau interacțiunea electromagnetică a particulelor. În vremurile moderne, există patru interacțiuni fundamentale studiate și dovedite, iar a cincea este pe drum, despre care se va discuta mai târziu. Toate cele patru - gravitaționale, puternice, slabe, electromagnetice - sunt construite pe un singur principiu: forța care ia naștere între particule este rezultatul unui schimb efectuat de un purtător sau, altfel, - un mediator de interacțiune.
Ce fel de ajutor este acesta? Acesta este un foton - o particulă fără masă, care totuși construiește cu succes interacțiunea electromagnetică datorită schimbului unui cuantum de unde electromagnetice sau al unui cuantum de lumină. Interacțiunea electromagnetică se realizeazăprin intermediul fotonilor din câmpul particulelor încărcate care comunică cu o anumită forță, tocmai asta interpretează legea lui Coulomb. Există o altă particulă fără masă - gluonul, există opt soiuri ale acestuia, care ajută quarcii să comunice. Această interacțiune electromagnetică este o atracție între sarcini și se numește puternică. Da, iar interacțiunea slabă nu este completă fără intermediari, care sunt particule cu masă, în plus, sunt masive, adică grele. Aceștia sunt bosoni vectori intermediari. Masa și greutatea lor explică slăbiciunea interacțiunii. Forța gravitațională produce un schimb de cuantum al câmpului gravitațional. Această interacțiune electromagnetică este atracția particulelor, nu a fost încă studiată suficient, gravitonul nici măcar nu a fost detectat experimental, iar gravitația cuantică nu este simțită pe deplin de noi, motiv pentru care nu o putem descrie încă.
A cincea forță
Am luat în considerare patru tipuri de interacțiuni fundamentale: puternică, slabă, electromagnetică, gravitațională. Interacțiunea este un anumit act de schimb de particule și nu se poate face fără conceptul de simetrie, deoarece nu există interacțiune care să nu fie asociată cu acesta. Ea este cea care determină numărul de particule și masa lor. Cu simetrie exactă, masa este întotdeauna zero. Deci, un foton și un gluon nu au masă, este egal cu zero, iar un graviton nu. Și dacă simetria este întreruptă, masa încetează să mai fie zero. Astfel, bizonii vectori intermediari au masă deoarece simetria este întreruptă. Aceste patru interacțiuni fundamentale explică tot ceea cevedem și simțim. Forțele rămase indică faptul că interacțiunea lor electromagnetică este secundară. Cu toate acestea, în 2012 a avut loc o descoperire în știință și a fost descoperită o altă particulă, care a devenit imediat faimoasă. Revoluția în lumea științifică a fost organizată de descoperirea bosonului Higgs, care, după cum sa dovedit, servește și ca purtător al interacțiunilor dintre leptoni și quarci.
De aceea, fizicienii spun acum că a apărut o a cincea forță, mediată de bosonul Higgs. Simetria este ruptă și aici: bosonul Higgs are o masă. Astfel, numărul de interacțiuni (cuvântul „forță” este înlocuit cu acest cuvânt în fizica modernă a particulelor) a ajuns la cinci. Poate că așteptăm noi descoperiri, pentru că nu știm exact dacă există și alte interacțiuni în afară de acestea. Este foarte posibil ca modelul pe care l-am construit deja și pe care îl luăm în considerare astăzi, care ar părea să explice perfect toate fenomenele observate în lume, să nu fie complet complet. Și poate, după ceva timp, vor apărea noi interacțiuni sau noi forțe. O astfel de probabilitate există, fie și doar pentru că am aflat foarte treptat că există interacțiuni fundamentale cunoscute astăzi - puternice, slabe, electromagnetice, gravitaționale. La urma urmei, dacă există particule supersimetrice în natură, despre care se vorbește deja în lumea științifică, atunci aceasta înseamnă existența unei noi simetrii, iar simetria implică întotdeauna apariția de noi particule, mediatoare între ele. Astfel, vom auzi despre o forță fundamentală necunoscută anterior, așa cum am aflat cândva cu surprindere căexistă, de exemplu, interacțiuni electromagnetice, slabe. Cunoașterea noastră despre propria natură este foarte incompletă.
Conexiune
Cel mai interesant lucru este că orice interacțiune nouă trebuie să ducă neapărat la un fenomen complet necunoscut. De exemplu, dacă nu am fi aflat despre interacțiunea slabă, nu am fi descoperit niciodată dezintegrarea, iar dacă nu ar fi fost cunoștințele noastre despre dezintegrare, nu ar fi posibil niciun studiu al reacției nucleare. Și dacă nu am cunoaște reacțiile nucleare, nu am înțelege cum strălucește soarele pentru noi. La urma urmei, dacă nu ar străluci, viața pe Pământ nu s-ar fi format. Deci prezența interacțiunii spune că este vitală. Dacă nu ar exista o interacțiune puternică, nu ar exista nuclee atomice stabile. Datorită interacțiunii electromagnetice, Pământul primește energie de la Soare, iar razele de lumină care vin din acesta încălzesc planeta. Și toate interacțiunile cunoscute de noi sunt absolut necesare. Iată-l pe cel Higgs, de exemplu. Bosonul Higgs furnizează particulei masă prin interacțiunea cu câmpul, fără de care nu am fi supraviețuit. Și cum să rămâneți pe suprafața planetei fără interacțiune gravitațională? Ar fi imposibil nu numai pentru noi, ci pentru nimic.
Absolut toate interacțiunile, chiar și cele despre care nu știm încă, sunt o necesitate pentru ca tot ceea ce umanitatea știe, înțelege și iubește să existe. Ce nu putem ști? Da mult. De exemplu, știm că protonul este stabil în nucleu. Acest lucru este foarte, foarte important pentru noi.stabilitate, altfel viața nu ar exista în același mod. Cu toate acestea, experimentele arată că viața unui proton este o cantitate limitată în timp. Lung, desigur, 1034 ani. Dar asta înseamnă că, mai devreme sau mai târziu, protonul se va descompune, iar acest lucru va necesita o nouă forță, adică o nouă interacțiune. În ceea ce privește dezintegrarea protonilor, există deja teorii în care se presupune un nou grad de simetrie, mult mai mare, ceea ce înseamnă că poate exista o nouă interacțiune, despre care încă nu știm nimic.
Marea Unificare
În unitatea naturii, singurul principiu al construirii tuturor interacțiunilor fundamentale. Mulți oameni au întrebări cu privire la numărul acestora și explicația motivelor pentru acest număr special. Aici au fost construite foarte multe versiuni și sunt foarte diferite în ceea ce privește concluziile trase. Ele explică prezența unui astfel de număr de interacțiuni fundamentale în diferite moduri, dar toate se dovedesc a fi cu un singur principiu de construire a dovezilor. Cercetătorii încearcă întotdeauna să combine cele mai diverse tipuri de interacțiuni într-una singură. Prin urmare, astfel de teorii sunt numite teoriile Marii Unificări. De parcă ramurile copacului lumii: sunt multe ramuri, dar trunchiul este întotdeauna unul singur.
Toate pentru că există o idee care unește toate aceste teorii. Rădăcina tuturor interacțiunilor cunoscute este aceeași, hrănind un trunchi, care, ca urmare a pierderii simetriei, a început să se ramifică și a format diferite interacțiuni fundamentale, pe care le putem experimental.observa. Această ipoteză nu poate fi încă testată, deoarece necesită o fizică incredibil de în altă de energie, inaccesibilă experimentelor de astăzi. De asemenea, este posibil să nu stăpânim niciodată aceste energii. Dar este foarte posibil să ocoliți acest obstacol.
Apartament
Avem Universul, acest accelerator natural și toate procesele care au loc în el fac posibilă testarea chiar și a celor mai îndrăznețe ipoteze privind rădăcina comună a tuturor interacțiunilor cunoscute. O altă sarcină interesantă de înțelegere a interacțiunilor din natură este, poate, și mai dificilă. Este necesar să înțelegem modul în care gravitația se raportează la restul forțelor naturii. Această interacțiune fundamentală se deosebește, așa cum ar fi, în ciuda faptului că această teorie este similară cu toate celel alte prin principiul construcției.
Einstein a fost implicat în teoria gravitației, încercând să o conecteze cu electromagnetismul. În ciuda realității aparente a rezolvării acestei probleme, teoria nu a funcționat atunci. Acum omenirea știe puțin mai mult, în orice caz, știm despre interacțiunile puternice și slabe. Și dacă acum să terminăm de construit această teorie unificată, atunci lipsa de cunoștințe va avea cu siguranță efect din nou. Până acum nu s-a putut pune gravitația la egalitate cu alte interacțiuni, din moment ce toată lumea respectă legile dictate de fizica cuantică, dar gravitația nu. Conform teoriei cuantice, toate particulele sunt cuante ale unui anumit câmp. Dar gravitația cuantică nu există, cel puțin nu încă. Cu toate acestea, numărul de interacțiuni deja deschise se repetă cu voce tare că nu poate decâtsă fie un fel de schemă unificată.
Câmp electric
În 1860, marele fizician al secolului al XIX-lea James Maxwell a reușit să creeze o teorie care explică inducția electromagnetică. Când câmpul magnetic se modifică în timp, se formează un câmp electric într-un anumit punct din spațiu. Și dacă în acest câmp se găsește un conductor închis, atunci în câmpul electric apare un curent de inducție. Cu teoria sa a câmpurilor electromagnetice, Maxwell demonstrează că procesul invers este posibil și: dacă schimbi câmpul electric în timp într-un anumit punct din spațiu, va apărea cu siguranță un câmp magnetic. Aceasta înseamnă că orice modificare în timp a câmpului magnetic poate provoca apariția unui câmp electric în schimbare, iar o modificare a câmpului electric poate produce un câmp magnetic în schimbare. Aceste variabile, câmpuri care se generează reciproc, organizează un singur câmp - electromagnetic.
Cel mai important rezultat care decurge din formulele teoriei lui Maxwell este predicția că există unde electromagnetice, adică câmpuri electromagnetice care se propagă în timp și spațiu. Sursa câmpului electromagnetic o reprezintă sarcinile electrice care se deplasează cu accelerație. Spre deosebire de undele sonore (elastice), undele electromagnetice se pot propaga în orice substanță, chiar și în vid. Interacțiunea electromagnetică în vid se propagă cu viteza luminii (c=299.792 kilometri pe secundă). Lungimea de undă poate fi diferită. Undele electromagnetice de la zece mii de metri la 0,005 metri suntunde radio care ne servesc pentru a transmite informații, adică semnale pe o anumită distanță fără fire. Undele radio sunt create de curentul la frecvențe în alte care circulă în antenă.
Care sunt valurile
Dacă lungimea de undă a radiației electromagnetice este între 0,005 metri și 1 micrometru, adică cele care se află în intervalul dintre undele radio și lumina vizibilă sunt radiații infraroșii. Este emis de toate corpurile încălzite: baterii, sobe, lămpi cu incandescență. Dispozitivele speciale convertesc radiația infraroșie în lumină vizibilă pentru a obține imagini ale obiectelor care o emit, chiar și în întuneric absolut. Lumina vizibilă emite lungimi de undă cuprinse între 770 și 380 de nanometri - rezultând o culoare de la roșu la violet. Această secțiune a spectrului este extrem de importantă pentru viața umană, deoarece primim o mare parte a informațiilor despre lume prin viziune.
Dacă radiația electromagnetică are o lungime de undă mai scurtă decât violetul, este ultravioletă, care ucide bacteriile patogene. Razele X sunt invizibile pentru ochi. Aproape că nu absorb straturi de materie care sunt opace la lumina vizibilă. Radiațiile cu raze X diagnostichează bolile organelor interne ale oamenilor și animalelor. Dacă radiația electromagnetică provine din interacțiunea particulelor elementare și este emisă de nucleele excitate, se obține radiația gamma. Aceasta este cea mai largă gamă din spectrul electromagnetic, deoarece nu se limitează la energii în alte. Radiațiile gamma pot fi moi și dure: tranzițiile energetice în interiorul nucleelor atomice -moale, iar în reacțiile nucleare - dure. Aceste cuante distrug cu ușurință moleculele, și în special pe cele biologice. Din fericire, radiațiile gamma nu pot trece prin atmosferă. Razele gamma pot fi observate din spațiu. La energii ultraîn alte, interacțiunea electromagnetică se propagă cu o viteză apropiată de viteza luminii: cuante gamma zdrobesc nucleele atomilor, rupându-le în particule care zboară în direcții diferite. La frânare, ele emit lumină vizibilă prin telescoape speciale.
Din trecut în viitor
Undele electromagnetice, așa cum sa menționat deja, au fost prezise de Maxwell. El a studiat cu atenție și a încercat să creadă matematic imaginile ușor naive ale lui Faraday, care descriu fenomene magnetice și electrice. Maxwell a fost cel care a descoperit absența simetriei. Și el a fost cel care a reușit să demonstreze printr-o serie de ecuații că câmpurile electrice alternante generează unele magnetice și invers. Acest lucru l-a condus la ideea că astfel de câmpuri se desprind de conductori și se deplasează prin vid cu o viteză gigantică. Și și-a dat seama. Viteza era aproape de trei sute de mii de kilometri pe secundă.
Așa interacționează teoria și experimentul. Un exemplu este descoperirea, datorită căreia am aflat despre existența undelor electromagnetice. Cu ajutorul fizicii, în ea au fost combinate concepte complet eterogene - magnetism și electricitate, deoarece acesta este un fenomen fizic de același ordin, doar părțile sale diferite sunt în interacțiune. Teoriile se construiesc una după alta, și toatesunt strâns legate între ele: teoria interacțiunii electroslabe, de exemplu, unde forțele nucleare și electromagnetice slabe sunt descrise din aceleași poziții, apoi toate acestea sunt unite de cromodinamica cuantică, acoperind interacțiunile puternice și electroslabe (aici precizia este încă mai scăzut, dar lucrările continuă). Asemenea domenii ale fizicii precum gravitația cuantică și teoria corzilor sunt cercetate intens.
Concluzii
Se pare că spațiul din jurul nostru este complet pătruns de radiații electromagnetice: acestea sunt stelele și Soarele, Luna și alte corpuri cerești, acesta este Pământul însuși și fiecare telefon în mâinile unei persoane., și antene de stații radio - toate acestea emite unde electromagnetice, denumite diferit. În funcție de frecvența vibrațiilor pe care le emite un obiect, se disting radiațiile infraroșii, undele radio, lumina vizibilă, razele biocâmpului, razele X și altele asemenea.
Când un câmp electromagnetic se propagă, el devine o undă electromagnetică. Este pur și simplu o sursă inepuizabilă de energie, care provoacă fluctuația sarcinilor electrice ale moleculelor și atomilor. Și dacă sarcina oscilează, mișcarea sa este accelerată și, prin urmare, emite o undă electromagnetică. Dacă câmpul magnetic se modifică, un câmp electric vortex este excitat, care, la rândul său, excită un câmp magnetic vortex. Procesul trece prin spațiu, acoperind un punct după altul.
