Den här artikeln kommer att överväga vad som kallas naturens krafter - den grundläggande elektromagnetiska interaktionen och principerna som den bygger på. Det kommer också att tala om möjligheterna för att det finns nya metoder för att studera detta ämne. Även i skolan, på fysiklektionerna, ställs eleverna inför en förklaring av begreppet "kraft". De lär sig att krafter kan vara väldigt olika - friktionskraften, attraktionskraften, elasticitetens kraft och många andra liknande. Inte alla av dem kan kallas grundläggande, eftersom fenomenet kraft ofta är sekundärt (friktionskraften, till exempel med dess interaktion av molekyler). Elektromagnetisk interaktion kan också vara sekundär – som en konsekvens. Molekylär fysik nämner Van der Waals-kraften som ett exempel. Partikelfysik ger också många exempel.
I naturen
Jag skulle vilja gå till botten med de processer som sker i naturen när det får den elektromagnetiska interaktionen att fungera. Vad exakt är den fundamentala kraften som bestämmer alla sekundära krafter som den har byggt upp?Alla vet att den elektromagnetiska interaktionen, eller, som det också kallas, elektriska krafter, är grundläggande. Detta bevisas av Coulombs lag, som har sin egen generalisering som följer av Maxwells ekvationer. De senare beskriver alla magnetiska och elektriska krafter som finns i naturen. Det är därför det har bevisats att interaktionen mellan elektromagnetiska fält är naturens grundläggande kraft. Nästa exempel är gravitationen. Även skolbarn känner till Isaac Newtons universella gravitationslag, som också nyligen fick sin egen generalisering av Einsteins ekvationer, och enligt hans gravitationsteori är denna kraft av elektromagnetisk interaktion i naturen också grundläggande.
En gång i tiden trodde man att bara dessa två grundläggande krafter existerade, men vetenskapen har gått framåt och gradvis bevisat att så inte alls är fallet. Till exempel, med upptäckten av atomkärnan, var det nödvändigt att introducera begreppet kärnkraft, annars hur man förstår principen om att hålla partiklar inuti kärnan, varför de inte flyger iväg i olika riktningar. Att förstå hur den elektromagnetiska kraften fungerar i naturen har hjälpt till att mäta, studera och beskriva kärnkrafter. Senare forskare kom dock till slutsatsen att kärnkrafterna är sekundära och på många sätt liknar van der Waals-styrkorna. Faktum är att bara de krafter som kvarkar tillhandahåller genom att interagera med varandra är verkligen grundläggande. Då redan - en sekundär effekt - är interaktionen av elektromagnetiska fält mellan neutroner och protoner i kärnan. Verkligen grundläggande är interaktionen mellan kvarkar som utbyter gluoner. Så var deten tredje verkligt fundamental kraft upptäckt i naturen.
Fortsättning på den här berättelsen
Elementarpartiklar sönderfaller, tunga - till lättare, och deras sönderfall beskriver en ny kraft av elektromagnetisk interaktion, som kallas just det - kraften av svag interaktion. Varför svag? Ja, eftersom den elektromagnetiska interaktionen i naturen är mycket starkare. Och återigen visade det sig att denna teori om svag interaktion, som så harmoniskt kom in i världsbilden och till en början utmärkt beskrev elementarpartiklarnas sönderfall, inte speglade samma postulat om energin ökade. Det är därför den gamla teorin omarbetades till en annan - teorin om svag interaktion, den här gången visade sig vara universell. Även om det byggdes på samma principer som andra teorier som beskrev den elektromagnetiska interaktionen mellan partiklar. I modern tid finns det fyra studerade och bevisade grundläggande interaktioner, och den femte är på väg, den kommer att diskuteras senare. Alla fyra - gravitationell, stark, svag, elektromagnetisk - är byggda på en enda princip: kraften som uppstår mellan partiklar är resultatet av något utbyte utfört av en bärare, eller på annat sätt - en interaktionsförmedlare.
Vad är detta för slags hjälpare? Detta är en foton - en partikel utan massa, men ändå framgångsrikt bygga elektromagnetisk interaktion på grund av utbytet av ett kvantum av elektromagnetiska vågor eller ett kvantum av ljus. Elektromagnetisk interaktion utförsmed hjälp av fotoner i fältet av laddade partiklar som kommunicerar med en viss kraft, det är just detta som Coulombs lag tolkar. Det finns en annan masslös partikel - gluonen, det finns åtta varianter av den, den hjälper kvarkar att kommunicera. Denna elektromagnetiska interaktion är en attraktion mellan laddningar, och den kallas stark. Ja, och svag interaktion är inte komplett utan mellanhänder, som är partiklar med massa, dessutom är de massiva, det vill säga tunga. Dessa är mellanliggande vektorbosoner. Deras massa och tyngd förklarar interaktionens svaghet. Gravitationskraften producerar ett utbyte av ett kvantum av gravitationsfältet. Denna elektromagnetiska interaktion är attraktionen av partiklar, den har ännu inte studerats tillräckligt, gravitonen har inte ens upptäckts experimentellt ännu, och kvantgravitationen känns inte helt av oss, varför vi inte kan beskriva den ännu.
The Fifth Force
Vi har övervägt fyra typer av grundläggande interaktion: stark, svag, elektromagnetisk, gravitationell. Interaktion är en viss handling av partikelutbyte, och man kan inte klara sig utan symmetribegreppet, eftersom det inte finns någon interaktion som inte är förknippad med det. Det är hon som bestämmer antalet partiklar och deras massa. Med exakt symmetri är massan alltid noll. Så, en foton och en gluon har ingen massa, den är lika med noll, och en graviton har inte. Och om symmetrin bryts upphör massan att vara noll. Således har mellanvektor bison massa eftersom symmetrin är bruten. Dessa fyra grundläggande interaktioner förklarar allt dettavi ser och känner. De återstående krafterna indikerar att deras elektromagnetiska interaktion är sekundär. Men 2012 skedde ett genombrott inom vetenskapen och en annan partikel upptäcktes, som omedelbart blev känd. Revolutionen i den vetenskapliga världen organiserades av upptäckten av Higgs-bosonen, som, som det visade sig, också fungerar som en bärare av interaktioner mellan leptoner och kvarkar.
Det är därför fysiker nu säger att en femte kraft har dykt upp, förmedlad av Higgs-bosonen. Symmetrin bryts också här: Higgs-bosonen har en massa. Således nådde antalet interaktioner (ordet "kraft" ersätts av detta ord i modern partikelfysik) fem. Kanske väntar vi på nya upptäckter, för vi vet inte exakt om det finns andra interaktioner förutom dessa. Det är mycket möjligt att den modell vi redan har byggt och som vi överväger idag, som verkar perfekt förklara alla fenomen som observeras i världen, inte är helt komplett. Och kanske, efter en tid, kommer nya interaktioner eller nya krafter att dyka upp. En sådan sannolikhet existerar, om så bara för att vi mycket gradvis lärt oss att det finns grundläggande interaktioner kända idag - starka, svaga, elektromagnetiska, gravitationella. När allt kommer omkring, om det finns supersymmetriska partiklar i naturen, som det redan talas om i den vetenskapliga världen, betyder det att det finns en ny symmetri, och symmetri innebär alltid uppkomsten av nya partiklar, förmedlare mellan dem. Således kommer vi att få höra om en tidigare okänd fundamental kraft, som vi en gång med förvåning fick veta attdet finns till exempel elektromagnetisk, svag interaktion. Vår kunskap om vår egen natur är mycket ofullständig.
Connectedness
Det mest intressanta är att varje ny interaktion med nödvändighet måste leda till ett helt okänt fenomen. Om vi till exempel inte hade lärt oss om den svaga växelverkan skulle vi aldrig ha upptäckt sönderfallet, och om det inte vore för vår kunskap om sönderfall skulle ingen studie av kärnreaktionen vara möjlig. Och om vi inte kände till kärnreaktioner skulle vi inte förstå hur solen skiner för oss. Trots allt, om det inte lyste, skulle livet på jorden inte ha bildats. Så närvaron av interaktion säger att den är livsviktig. Om det inte fanns någon stark interaktion skulle det inte finnas några stabila atomkärnor. På grund av elektromagnetisk interaktion får jorden energi från solen, och ljusstrålarna som kommer från den värmer planeten. Och alla interaktioner som vi känner till är absolut nödvändiga. Här är Higgs-en, till exempel. Higgs-bosonen förser partikeln med massa genom interaktion med fältet, utan vilken vi inte skulle ha överlevt. Och hur kan man stanna på planetens yta utan gravitationsinteraktion? Det skulle vara omöjligt, inte bara för oss, utan för ingenting alls.
Absolut alla interaktioner, även de som vi ännu inte känner till, är en nödvändighet för att allt som mänskligheten vet, förstår och älskar ska existera. Vad kan vi inte veta? Ja mycket. Till exempel vet vi att protonen är stabil i kärnan. Det här är väldigt, väldigt viktigt för oss.stabilitet, annars skulle livet inte existera på samma sätt. Experiment visar dock att en protons livslängd är en tidsbegränsad kvantitet. Lång, naturligtvis, 1034 år. Men detta betyder att protonen förr eller senare också kommer att sönderfalla, och detta kommer att kräva någon ny kraft, det vill säga en ny interaktion. Angående protonsönderfall finns det redan teorier där en ny, mycket högre grad av symmetri antas, vilket gör att en ny interaktion mycket väl kan existera, som vi fortfarande inte vet något om.
Grand Unification
I naturens enhet, den enda principen för att bygga alla grundläggande interaktioner. Många människor har frågor om antalet av dem och förklaringen av orsakerna till just detta antal. Det har byggts väldigt många versioner här, och de skiljer sig mycket åt vad gäller de slutsatser som dragits. De förklarar förekomsten av just ett sådant antal grundläggande interaktioner på olika sätt, men de visar sig alla vara med en enda princip för att bygga bevis. Forskare försöker alltid kombinera de mest olika typerna av interaktioner till en. Därför kallas sådana teorier för Grand Unification-teorierna. Som om världens träd grenar: det finns många grenar, men stammen är alltid en.
Allt för att det finns en idé som förenar alla dessa teorier. Roten till alla kända interaktioner är densamma och matar en stam, som, som ett resultat av förlusten av symmetri, började förgrena sig och bildade olika grundläggande interaktioner, som vi experimentellt kanobservera. Denna hypotes kan ännu inte testas, eftersom den kräver oerhört högenergifysik, otillgänglig för dagens experiment. Det är också möjligt att vi aldrig kommer att bemästra dessa energier. Men det är fullt möjligt att komma runt det här hindret.
Lägenhet
Vi har universum, denna naturliga accelerator, och alla processer som äger rum i det gör det möjligt att testa även de mest vågade hypoteserna om den gemensamma roten till alla kända interaktioner. En annan intressant uppgift att förstå samspelet i naturen är kanske ännu svårare. Det är nödvändigt att förstå hur gravitationen förhåller sig till resten av naturens krafter. Denna grundläggande interaktion skiljer sig så att säga, trots att denna teori liknar alla andra genom konstruktionsprincipen.
Einstein var engagerad i gravitationsteorin och försökte koppla den till elektromagnetism. Trots den skenbara verkligheten att lösa detta problem fungerade inte teorin då. Nu vet mänskligheten lite mer, i alla fall vet vi om de starka och svaga interaktionerna. Och om nu för att slutföra byggandet av denna enhetliga teori, så kommer bristen på kunskap säkerligen att få effekt igen. Hittills har det inte varit möjligt att jämställa gravitationen med andra interaktioner, eftersom alla lyder de lagar som dikteras av kvantfysiken, men gravitationen gör det inte. Enligt kvantteorin är alla partiklar kvanta av ett visst fält. Men kvantgravitationen existerar inte, åtminstone inte ännu. Men antalet redan öppna interaktioner upprepar högt att det inte kan annat änvara något slags enhetligt schema.
Elektriskt fält
Tidigare 1860 lyckades den store 1800-talsfysikern James Maxwell skapa en teori som förklarar elektromagnetisk induktion. När magnetfältet förändras över tiden bildas ett elektriskt fält vid en viss punkt i rymden. Och om en sluten ledare finns i detta fält, uppträder en induktionsström i det elektriska fältet. Med sin teori om elektromagnetiska fält bevisar Maxwell att den omvända processen också är möjlig: om du ändrar det elektriska fältet i tid vid en viss punkt i rymden kommer ett magnetfält definitivt att uppstå. Detta innebär att varje förändring i tid av magnetfältet kan orsaka uppkomsten av ett föränderligt elektriskt fält, och en förändring i det elektriska fältet kan producera ett föränderligt magnetfält. Dessa variabler, fält som genererar varandra, organiserar ett enda fält - elektromagnetiskt.
Det viktigaste resultatet som härrör från formlerna i Maxwells teori är förutsägelsen att det finns elektromagnetiska vågor, det vill säga elektromagnetiska fält som fortplantar sig i tid och rum. Källan till det elektromagnetiska fältet är de elektriska laddningarna som rör sig med acceleration. Till skillnad från ljudvågor (elastiska) kan elektromagnetiska vågor fortplantas i vilket ämne som helst, även i vakuum. Elektromagnetisk interaktion i vakuum fortplantar sig med ljusets hastighet (c=299 792 kilometer per sekund). Våglängden kan vara olika. Elektromagnetiska vågor från tio tusen meter till 0,005 meter ärradiovågor som hjälper oss att överföra information, det vill säga signaler över ett visst avstånd utan några ledningar. Radiovågor skapas av ström vid höga frekvenser som flödar i antennen.
Vilka är vågorna
Om våglängden för elektromagnetisk strålning är mellan 0,005 meter och 1 mikrometer, det vill säga de som ligger i intervallet mellan radiovågor och synligt ljus är infraröd strålning. Det avges av alla uppvärmda kroppar: batterier, spisar, glödlampor. Särskilda enheter omvandlar infraröd strålning till synligt ljus för att få bilder av föremål som avger den, även i absolut mörker. Synligt ljus avger våglängder som sträcker sig från 770 till 380 nanometer - vilket resulterar i en färg från rött till lila. Denna del av spektrumet är oerhört viktig för mänskligt liv, eftersom vi får en stor del av informationen om världen genom syn.
Om elektromagnetisk strålning har en våglängd som är kortare än violett är den ultraviolett, vilket dödar patogena bakterier. Röntgenstrålar är osynliga för ögat. De absorberar nästan inte materiallager som är ogenomskinliga för synligt ljus. Röntgenstrålning diagnostiserar sjukdomar i inre organ hos människor och djur. Om elektromagnetisk strålning uppstår från växelverkan mellan elementarpartiklar och emitteras av exciterade kärnor, erhålls gammastrålning. Detta är det bredaste området i det elektromagnetiska spektrumet eftersom det inte är begränsat till höga energier. Gammastrålning kan vara mjuk och hård: energiövergångar inuti atomkärnor -mjuk, och i kärnreaktioner - hård. Dessa kvanta förstör lätt molekyler, och särskilt biologiska. Lyckligtvis kan inte gammastrålning passera genom atmosfären. Gammastrålar kan observeras från rymden. Vid ultrahöga energier fortplantar sig den elektromagnetiska interaktionen med en hastighet nära ljusets hastighet: gammakvanta krossar atomernas kärnor och bryter dem till partiklar som flyger i olika riktningar. När de bromsar avger de ljus som är synligt genom speciella teleskop.
Från det förflutna till framtiden
Elektromagnetiska vågor, som redan nämnts, förutspåddes av Maxwell. Han studerade noggrant och försökte matematiskt tro på de lite naiva bilderna av Faraday, som skildrade magnetiska och elektriska fenomen. Det var Maxwell som upptäckte frånvaron av symmetri. Och det var han som lyckades bevisa med ett antal ekvationer att alternerande elektriska fält genererar magnetiska och vice versa. Detta ledde honom till idén att sådana fält bryter sig loss från ledarna och rör sig genom vakuumet i någon gigantisk hastighet. Och han kom på det. Hastigheten var nära trehundratusen kilometer per sekund.
Så här samverkar teori och experiment. Ett exempel är upptäckten, tack vare vilken vi lärde oss om förekomsten av elektromagnetiska vågor. Med hjälp av fysiken kombinerades helt heterogena begrepp i den - magnetism och elektricitet, eftersom detta är ett fysiskt fenomen av samma ordning, bara dess olika sidor samverkar. Teorier byggs upp en efter en, och allade är nära besläktade med varandra: teorin om den elektrosvaga interaktionen, till exempel, där svaga kärnkrafter och elektromagnetiska krafter beskrivs från samma positioner, då förenas allt detta av kvantkromodynamik, som täcker de starka och elektrosvaga interaktionerna (här exaktheten är fortfarande lägre, men arbetet fortsätter). Sådana områden inom fysiken som kvantgravitation och strängteori forskas intensivt.
slutsatser
Det visar sig att rymden som omger oss är helt genomsyrad av elektromagnetisk strålning: det här är stjärnorna och solen, månen och andra himlakroppar, det här är jorden själv och varje telefon i händerna på en person, och radiostationsantenner - allt detta avger elektromagnetiska vågor, namngivna på ett annat sätt. Beroende på frekvensen av vibrationer som ett föremål avger, särskiljs infraröd strålning, radiovågor, synligt ljus, biofältstrålar, röntgenstrålar och liknande.
När ett elektromagnetiskt fält utbreder sig blir det en elektromagnetisk våg. Det är helt enkelt en outtömlig energikälla som får de elektriska laddningarna av molekyler och atomer att fluktuera. Och om laddningen svänger, blir dess rörelse accelererad, och avger därför en elektromagnetisk våg. Om magnetfältet förändras exciteras ett virvelelektriskt fält, vilket i sin tur exciterar ett virvelmagnetfält. Processen går genom rymden och täcker den ena punkten efter den andra.
