Hierdie artikel sal kyk na wat genoem word die kragte van die natuur - die fundamentele elektromagnetiese interaksie en die beginsels waarop dit gebou is. Dit sal ook praat oor die moontlikhede van die bestaan van nuwe benaderings tot die bestudering van hierdie onderwerp. Selfs op skool, in fisika-lesse, word studente gekonfronteer met 'n verduideliking van die konsep van "krag". Hulle leer dat kragte baie uiteenlopend kan wees – die wrywingskrag, die aantrekkingskrag, die krag van elastisiteit en vele ander van die aard. Nie almal van hulle kan fundamenteel genoem word nie, aangesien die verskynsel van krag baie dikwels sekondêr is (die krag van wrywing, byvoorbeeld, met sy interaksie van molekules). Elektromagnetiese interaksie kan ook sekondêr wees - as gevolg daarvan. Molekulêre fisika noem die Van der Waals-krag as voorbeeld. Deeltjiefisika verskaf ook baie voorbeelde.
In die natuur
Ek wil graag na die onderkant van die prosesse wat in die natuur plaasvind, wanneer dit die elektromagnetiese interaksie laat werk, kom. Wat presies is die fundamentele krag wat al die sekondêre kragte bepaal wat dit opgebou het?Almal weet dat die elektromagnetiese interaksie, of, soos dit ook genoem word, elektriese kragte, fundamenteel is. Dit word bewys deur Coulomb se wet, wat sy eie veralgemening het na aanleiding van Maxwell se vergelykings. Laasgenoemde beskryf al die magnetiese en elektriese kragte wat in die natuur bestaan. Dit is hoekom dit bewys is dat die interaksie van elektromagnetiese velde die fundamentele krag van die natuur is. Die volgende voorbeeld is swaartekrag. Selfs skoolkinders weet van die wet van universele gravitasie van Isaac Newton, wat ook onlangs sy eie veralgemening deur Einstein se vergelykings ontvang het, en volgens sy teorie van swaartekrag is hierdie krag van elektromagnetiese interaksie in die natuur ook fundamenteel.
Daar is eens op 'n tyd gedink dat net hierdie twee fundamentele kragte bestaan, maar die wetenskap het vorentoe beweeg en geleidelik bewys dat dit glad nie die geval is nie. Byvoorbeeld, met die ontdekking van die atoomkern, was dit nodig om die konsep van kernkrag bekend te stel, anders hoe om die beginsel te verstaan om deeltjies binne die kern te hou, hoekom hulle nie in verskillende rigtings wegvlieg nie. Om te verstaan hoe die elektromagnetiese krag in die natuur werk, het gehelp om kernkragte te meet, te bestudeer en te beskryf. Latere wetenskaplikes het egter tot die gevolgtrekking gekom dat kernkragte sekondêr is en in baie opsigte soortgelyk aan die van der Waals-kragte. Trouens, slegs die kragte wat kwarks verskaf deur met mekaar in wisselwerking te wees, is werklik fundamenteel. Dan reeds - 'n sekondêre effek - is die interaksie van elektromagnetiese velde tussen neutrone en protone in die kern. Werklik fundamenteel is die interaksie van kwarks wat gluone uitruil. So was'n derde werklik fundamentele krag wat in die natuur ontdek is.
Voortsetting van hierdie storie
Elementêre deeltjies verval, swaar - in ligter, en hul verval beskryf 'n nuwe krag van elektromagnetiese interaksie, wat net dit genoem word - die krag van swak interaksie. Hoekom swak? Ja, want die elektromagnetiese interaksie in die natuur is baie sterker. En weer het dit geblyk dat hierdie teorie van swak interaksie, wat so harmonieus die wêreldbeeld betree het en aanvanklik die verval van elementêre deeltjies uitstekend beskryf het, nie dieselfde postulate weerspieël as die energie toeneem nie. Daarom is die ou teorie in 'n ander verwerk - die teorie van swak interaksie, hierdie keer het geblyk universeel te wees. Alhoewel dit op dieselfde beginsels gebou is as ander teorieë wat die elektromagnetiese interaksie van deeltjies beskryf het. In moderne tye is daar vier bestudeerde en bewese fundamentele interaksies, en die vyfde is op pad, dit sal later bespreek word. Al vier - gravitasie, sterk, swak, elektromagneties - is op 'n enkele beginsel gebou: die krag wat tussen deeltjies ontstaan, is die resultaat van een of ander uitruiling wat deur 'n draer uitgevoer word, of andersins - 'n interaksiebemiddelaar.
Watter soort helper is dit? Dit is 'n foton - 'n deeltjie sonder massa, maar tog suksesvol die bou van elektromagnetiese interaksie as gevolg van die uitruil van 'n kwantum van elektromagnetiese golwe of 'n kwantum van lig. Elektromagnetiese interaksie word uitgevoerdeur middel van fotone in die veld van gelaaide deeltjies wat met 'n sekere krag kommunikeer, dit is presies wat Coulomb se wet interpreteer. Daar is nog 'n massalose deeltjie - die gluon, daar is agt variëteite daarvan, dit help kwarks om te kommunikeer. Hierdie elektromagnetiese interaksie is 'n aantrekking tussen ladings, en dit word sterk genoem. Ja, en swak interaksie is nie volledig sonder tussengangers nie, wat deeltjies met massa is, bowendien is hulle massief, dit wil sê swaar. Dit is intermediêre vektorbosone. Hul massa en swaarmoedigheid verklaar die swakheid van interaksie. Die gravitasiekrag veroorsaak 'n uitruiling van 'n kwantum van die gravitasieveld. Hierdie elektromagnetiese interaksie is die aantrekking van deeltjies, dit is nog nie genoeg bestudeer nie, die graviton is nog nie eers eksperimenteel opgespoor nie, en kwantumswaartekrag word nie ten volle deur ons gevoel nie, en daarom kan ons dit nog nie beskryf nie.
The Fifth Force
Ons het vier tipes fundamentele interaksie oorweeg: sterk, swak, elektromagneties, gravitasie. Interaksie is 'n sekere daad van deeltjie-uitruiling, en 'n mens kan nie sonder die konsep van simmetrie klaarkom nie, aangesien daar geen interaksie is wat nie daarmee geassosieer word nie. Dit is sy wat die aantal deeltjies en hul massa bepaal. Met presiese simmetrie is die massa altyd nul. Dus, 'n foton en 'n gluon het geen massa nie, dit is gelyk aan nul, en 'n graviton het nie. En as die simmetrie gebreek word, hou die massa op om nul te wees. Dus, tussenvektor bison het massa omdat die simmetrie gebreek is. Hierdie vier fundamentele interaksies verduidelik alles watons sien en voel. Die oorblywende kragte dui aan dat hul elektromagnetiese interaksie sekondêr is. In 2012 was daar egter 'n deurbraak in die wetenskap en 'n ander deeltjie is ontdek, wat dadelik bekend geword het. Die rewolusie in die wetenskaplike wêreld is georganiseer deur die ontdekking van die Higgs-boson, wat, soos dit geblyk het, ook dien as 'n draer van interaksies tussen leptone en kwarke.
Dit is hoekom fisici nou sê dat 'n vyfde krag verskyn het, bemiddel deur die Higgs-boson. Die simmetrie word ook hier gebreek: die Higgs-boson het 'n massa. Dus het die aantal interaksies (die woord "krag" in moderne deeltjiefisika deur hierdie woord vervang) vyf bereik. Miskien wag ons vir nuwe ontdekkings, want ons weet nie presies of daar ander interaksies behalwe hierdie is nie. Dit is baie moontlik dat die model wat ons reeds gebou het en wat ons vandag oorweeg, wat blykbaar al die verskynsels wat in die wêreld waargeneem word perfek verduidelik, nie heeltemal volledig is nie. En miskien, na 'n geruime tyd, sal nuwe interaksies of nuwe kragte verskyn. So 'n waarskynlikheid bestaan, al is dit net omdat ons baie geleidelik geleer het dat daar fundamentele interaksies vandag bekend is - sterk, swak, elektromagneties, gravitasie. As daar immers supersimmetriese deeltjies in die natuur is, waaroor reeds in die wetenskaplike wêreld gepraat word, dan beteken dit die bestaan van 'n nuwe simmetrie, en simmetrie behels altyd die verskyning van nuwe deeltjies, bemiddelaars tussen hulle. Ons sal dus hoor van 'n voorheen onbekende fundamentele krag, soos ons dit eens met verbasing geleer hetdaar is byvoorbeeld elektromagnetiese, swak interaksie. Ons kennis van ons eie aard is baie onvolledig.
Verbondenheid
Die interessantste ding is dat enige nuwe interaksie noodwendig tot 'n heeltemal onbekende verskynsel moet lei. As ons byvoorbeeld nie van die swak interaksie geleer het nie, sou ons nooit verval ontdek het nie, en as dit nie vir ons kennis van verval was nie, sou geen studie van die kernreaksie moontlik wees nie. En as ons nie kernreaksies geken het nie, sou ons nie verstaan hoe die son vir ons skyn nie. As dit nie geskyn het nie, sou lewe op aarde immers nie gevorm het nie. Die teenwoordigheid van interaksie sê dus dat dit noodsaaklik is. As daar geen sterk interaksie was nie, sou daar geen stabiele atoomkerne wees nie. As gevolg van elektromagnetiese interaksie ontvang die Aarde energie van die Son, en die ligstrale wat daaruit kom, verhit die planeet. En alle interaksies wat aan ons bekend is, is absoluut noodsaaklik. Hier is die Higgs een, byvoorbeeld. Die Higgs-boson voorsien die deeltjie van massa deur interaksie met die veld, waarsonder ons nie sou oorleef het nie. En hoe om op die oppervlak van die planeet te bly sonder gravitasie-interaksie? Dit sou onmoontlik wees nie net vir ons nie, maar vir niks.
Absoluut alle interaksies, selfs dié waarvan ons nog nie weet nie, is 'n noodsaaklikheid vir alles wat die mensdom weet, verstaan en liefhet om te bestaan. Wat kan ons nie weet nie? Ja, baie. Ons weet byvoorbeeld dat die proton stabiel in die kern is. Dit is vir ons baie, baie belangrik.stabiliteit, anders sou lewe nie op dieselfde manier bestaan nie. Eksperimente toon egter dat die lewe van 'n proton 'n tydsbeperkte hoeveelheid is. Lank, natuurlik, 1034 jaar. Maar dit beteken dat die proton vroeër of later ook sal verval, en dit sal 'n nuwe krag vereis, dit wil sê, 'n nuwe interaksie. Wat protonverval betref, is daar reeds teorieë waar 'n nuwe, veel hoër graad van simmetrie veronderstel word, wat beteken dat 'n nuwe interaksie heel moontlik kan bestaan, waarvan ons nog niks weet nie.
Groot Eenwording
In die eenheid van die natuur, die enigste beginsel van die bou van alle fundamentele interaksies. Baie mense het vrae oor die aantal van hulle en die verduideliking van die redes vir hierdie spesifieke getal. 'n Groot aantal weergawes is hier gebou, en hulle verskil baie in terme van die gevolgtrekkings wat gemaak word. Hulle verduidelik die teenwoordigheid van net so 'n aantal fundamentele interaksies op verskillende maniere, maar dit blyk almal te wees met 'n enkele beginsel van die bou van bewyse. Navorsers probeer altyd om die mees uiteenlopende tipes interaksies in een te kombineer. Daarom word sulke teorieë die Grand Unification-teorieë genoem. Asof die wêreld boom vertak: daar is baie takke, maar die stam is altyd een.
Alles omdat daar 'n idee is wat al hierdie teorieë verenig. Die wortel van alle bekende interaksies is dieselfde, en voed een stam, wat, as gevolg van die verlies aan simmetrie, begin vertak het en verskillende fundamentele interaksies gevorm het, wat ons eksperimenteel kanwaarneem. Hierdie hipotese kan nog nie getoets word nie, want dit verg ongelooflike hoë-energie fisika, ontoeganklik vir vandag se eksperimente. Dit is ook moontlik dat ons nooit hierdie energieë sal bemeester nie. Maar dit is heel moontlik om hierdie struikelblok te omseil.
Woonstel
Ons het die Heelal, hierdie natuurlike versneller, en al die prosesse wat daarin plaasvind, maak dit moontlik om selfs die mees gewaagde hipoteses oor die gemeenskaplike wortel van alle bekende interaksies te toets. Nog 'n interessante taak om die interaksies in die natuur te verstaan, is miskien selfs moeiliker. Dit is nodig om te verstaan hoe swaartekrag met die res van die natuurkragte verband hou. Hierdie fundamentele interaksie staan as 't ware apart ten spyte van die feit dat hierdie teorie volgens die beginsel van konstruksie soortgelyk is aan alle ander.
Einstein was besig met die teorie van swaartekrag en het probeer om dit met elektromagnetisme te verbind. Ten spyte van die skynbare werklikheid om hierdie probleem op te los, het die teorie toe nie gewerk nie. Nou weet die mensdom 'n bietjie meer, in elk geval, ons weet van die sterk en swak interaksies. En as om nou klaar te bou aan hierdie verenigde teorie, dan sal die gebrek aan kennis beslis weer 'n effek hê. Tot nou toe was dit nie moontlik om swaartekrag op gelyke voet met ander interaksies te plaas nie, aangesien almal die wette gehoorsaam wat deur kwantumfisika bepaal word, maar swaartekrag nie. Volgens die kwantumteorie is alle deeltjies kwanta van 'n spesifieke veld. Maar kwantumswaartekrag bestaan nie, ten minste nog nie. Die aantal reeds oop interaksies herhaal egter hard dat dit nie anders kan as niewees 'n soort verenigde skema.
Elektriese veld
Terug in 1860 het die groot negentiende-eeuse fisikus James Maxwell daarin geslaag om 'n teorie te skep wat elektromagnetiese induksie verduidelik. Wanneer die magnetiese veld oor tyd verander, word 'n elektriese veld op 'n sekere punt in die ruimte gevorm. En as 'n geslote geleier in hierdie veld gevind word, dan verskyn 'n induksiestroom in die elektriese veld. Met sy teorie van elektromagnetiese velde bewys Maxwell dat die omgekeerde proses ook moontlik is: as jy die elektriese veld betyds op 'n sekere punt in die ruimte verander, sal 'n magneetveld beslis verskyn. Dit beteken dat enige verandering in tyd van die magnetiese veld die ontstaan van 'n veranderende elektriese veld kan veroorsaak, en 'n verandering in die elektriese veld kan 'n veranderende magnetiese veld produseer. Hierdie veranderlikes, velde wat mekaar genereer, organiseer 'n enkele veld - elektromagneties.
Die belangrikste resultaat wat uit die formules van Maxwell se teorie voortspruit, is die voorspelling dat daar elektromagnetiese golwe is, dit wil sê elektromagnetiese velde wat in tyd en ruimte voortplant. Die bron van die elektromagnetiese veld is die elektriese ladings wat met versnelling beweeg. Anders as klank (elastiese) golwe, kan elektromagnetiese golwe in enige stof voortplant, selfs in 'n vakuum. Elektromagnetiese interaksie in vakuum versprei teen die spoed van lig (c=299 792 kilometer per sekonde). Die golflengte kan anders wees. Elektromagnetiese golwe van tienduisend meter tot 0,005 meter isradiogolwe wat ons dien om inligting oor te dra, dit wil sê seine oor 'n sekere afstand sonder enige drade. Radiogolwe word geskep deur stroom by hoë frekwensies wat in die antenna vloei.
Wat is die golwe
As die golflengte van elektromagnetiese straling tussen 0,005 meter en 1 mikrometer is, dit wil sê, dié wat in die reeks tussen radiogolwe en sigbare lig is, is infrarooi straling. Dit word deur alle verhitte liggame vrygestel: batterye, stowe, gloeilampe. Spesiale toestelle skakel infrarooi straling om in sigbare lig om beelde te verkry van voorwerpe wat dit uitstraal, selfs in absolute duisternis. Sigbare lig straal golflengtes uit wat wissel van 770 tot 380 nanometer - wat lei tot 'n kleur van rooi tot pers. Hierdie gedeelte van die spektrum is uiters belangrik vir menselewe, want ons ontvang 'n groot deel van die inligting oor die wêreld deur middel van visie.
As elektromagnetiese straling 'n golflengte korter as violet het, is dit ultraviolet, wat patogene bakterieë doodmaak. X-strale is onsigbaar vir die oog. Hulle absorbeer amper nie lae materie wat ondeursigtig is vir sigbare lig nie. X-straalbestraling diagnoseer siektes van die interne organe van mense en diere. As elektromagnetiese straling uit die interaksie van elementêre deeltjies ontstaan en deur opgewekte kerne uitgestraal word, word gammastraling verkry. Dit is die wydste reeks in die elektromagnetiese spektrum omdat dit nie beperk is tot hoë energieë nie. Gammastraling kan sag en hard wees: energie-oorgange binne atoomkerne -sag, en in kernreaksies - hard. Hierdie kwanta vernietig maklik molekules, en veral biologiese. Gelukkig kan gammastraling nie deur die atmosfeer beweeg nie. Gammastrale kan vanuit die ruimte waargeneem word. By ultrahoë energieë gaan die elektromagnetiese interaksie voort teen 'n spoed naby aan die spoed van lig: gamma quanta verpletter die kerne van atome en breek hulle in deeltjies wat in verskillende rigtings vlieg. Wanneer hulle gerem word, straal hulle lig uit wat deur spesiale teleskope sigbaar is.
Van die verlede na die toekoms
Elektromagnetiese golwe, soos reeds genoem, is deur Maxwell voorspel. Hy het die effens naïewe prente van Faraday, wat magnetiese en elektriese verskynsels uitgebeeld het, noukeurig bestudeer en wiskundig probeer glo. Dit was Maxwell wat die afwesigheid van simmetrie ontdek het. En dit was hy wat daarin geslaag het om deur 'n aantal vergelykings te bewys dat afwisselende elektriese velde magnetiese velde genereer en omgekeerd. Dit het hom tot die idee gelei dat sulke velde van die geleiers wegbreek en teen 'n reusagtige spoed deur die vakuum beweeg. En hy het dit uitgepluis. Die spoed was naby aan driehonderdduisend kilometer per sekonde.
Dit is hoe teorie en eksperiment interaksie het. 'n Voorbeeld is die ontdekking, waardeur ons geleer het oor die bestaan van elektromagnetiese golwe. Met behulp van fisika is heeltemal heterogene konsepte daarin gekombineer - magnetisme en elektrisiteit, aangesien dit 'n fisiese verskynsel van dieselfde orde is, is net die verskillende kante daarvan in wisselwerking. Teorieë word een na die ander gebou, en almalhulle is nou verwant aan mekaar: die teorie van die elektroswak interaksie, byvoorbeeld, waar swak kern- en elektromagnetiese kragte vanuit dieselfde posisies beskryf word, dan word dit alles verenig deur kwantumchromodinamika, wat die sterk en elektroswak interaksies dek (hier die akkuraatheid is steeds laer, maar werk gaan voort). Sulke areas van fisika soos kwantumswaartekrag en snaarteorie word intensief nagevors.
Gevolgtrekkings
Dit blyk dat die ruimte rondom ons heeltemal deurtrek is met elektromagnetiese straling: dit is die sterre en die Son, die Maan en ander hemelliggame, dit is die Aarde self, en elke foon in die hande van 'n mens, en radiostasie antennas - dit alles straal elektromagnetiese golwe uit, anders genoem. Afhangende van die frekwensie van vibrasies wat 'n voorwerp uitstraal, word infrarooi straling, radiogolwe, sigbare lig, bioveldstrale, x-strale en dies meer onderskei.
Wanneer 'n elektromagnetiese veld voortplant, word dit 'n elektromagnetiese golf. Dit is bloot 'n onuitputlike bron van energie, wat veroorsaak dat die elektriese ladings van molekules en atome fluktueer. En as die lading ossilleer, word die beweging daarvan versnel, en gee daarom 'n elektromagnetiese golf uit. As die magneetveld verander, word 'n draaikolk-elektriese veld opgewek, wat op sy beurt 'n draaikolk-magnetiese veld opwek. Die proses gaan deur die ruimte en dek een punt na die ander.
