Denne artikel vil overveje, hvad der kaldes naturens kræfter - den grundlæggende elektromagnetiske interaktion og de principper, som den er bygget på. Det vil også tale om mulighederne for eksistensen af nye tilgange til studiet af dette emne. Selv i skolen står eleverne i fysiktimerne over for en forklaring på begrebet "kraft". De lærer, at kræfter kan være meget forskellige - friktionskraften, tiltrækningskraften, elasticitetskraften og mange andre lignende. Ikke alle af dem kan kaldes fundamentale, da fænomenet kraft meget ofte er sekundært (friktionskraften, for eksempel med dens interaktion mellem molekyler). Elektromagnetisk interaktion kan også være sekundær - som en konsekvens. Molekylær fysik nævner Van der Waals-kraften som et eksempel. Partikelfysik giver også mange eksempler.
I naturen
Jeg vil gerne komme til bunds i de processer, der foregår i naturen, når det får den elektromagnetiske interaktion til at fungere. Hvad er egentlig den fundamentale kraft, der bestemmer alle de sekundære kræfter, den har bygget?Alle ved, at den elektromagnetiske vekselvirkning, eller, som det også kaldes, elektriske kræfter, er fundamental. Dette bevises af Coulombs lov, som har sin egen generalisering efter Maxwells ligninger. Sidstnævnte beskriver alle de magnetiske og elektriske kræfter, der findes i naturen. Det er derfor, det er blevet bevist, at interaktionen af elektromagnetiske felter er naturens grundlæggende kraft. Det næste eksempel er tyngdekraften. Selv skolebørn kender til loven om universel gravitation af Isaac Newton, som også for nylig modtog sin egen generalisering af Einsteins ligninger, og ifølge hans tyngdekraftsteori er denne kraft af elektromagnetisk vekselvirkning i naturen også fundamental.
Engang troede man, at kun disse to fundamentale kræfter eksisterer, men videnskaben har bevæget sig fremad og gradvist bevist, at det slet ikke er tilfældet. For eksempel, med opdagelsen af atomkernen, var det nødvendigt at introducere begrebet kernekraft, ellers hvordan man forstår princippet om at holde partikler inde i kernen, hvorfor de ikke flyver væk i forskellige retninger. At forstå, hvordan den elektromagnetiske kraft virker i naturen, har været med til at måle, studere og beskrive kernekræfter. Senere videnskabsmænd kom dog til den konklusion, at nukleare kræfter er sekundære og på mange måder ligner van der Waals-styrkerne. Faktisk er det kun de kræfter, som kvarker giver ved at interagere med hinanden, der er virkelig fundamentale. Så allerede - en sekundær effekt - er interaktionen af elektromagnetiske felter mellem neutroner og protoner i kernen. Virkelig fundamental er interaktionen mellem kvarker, der udveksler gluoner. Således varen tredje virkelig fundamental kraft opdaget i naturen.
Fortsættelse af denne historie
Elementærpartikler henfalder, tunge - til lettere, og deres henfald beskriver en ny kraft af elektromagnetisk interaktion, som kaldes netop det - kraften af svag interaktion. Hvorfor svag? Ja, fordi den elektromagnetiske vekselvirkning i naturen er meget stærkere. Og igen viste det sig, at denne teori om svag vekselvirkning, som så harmonisk kom ind i verdensbilledet og oprindeligt fremragende beskrev elementarpartiklernes henfald, ikke afspejlede de samme postulater, hvis energien steg. Derfor blev den gamle teori omarbejdet til en anden - teorien om svag interaktion, denne gang viste sig at være universel. Selvom det var bygget på de samme principper som andre teorier, der beskrev den elektromagnetiske interaktion mellem partikler. I moderne tid er der fire undersøgte og dokumenterede fundamentale interaktioner, og den femte er på vej, det vil blive diskuteret senere. Alle fire - gravitationel, stærk, svag, elektromagnetisk - er bygget på et enkelt princip: kraften, der opstår mellem partikler, er resultatet af en eller anden udveksling udført af en bærer, eller på anden måde - en interaktionsmediator.
Hvad er det for en hjælper? Dette er en foton - en partikel uden masse, men ikke desto mindre med succes opbygge elektromagnetisk interaktion på grund af udvekslingen af et kvante af elektromagnetiske bølger eller et kvante af lys. Elektromagnetisk interaktion udføresved hjælp af fotoner i feltet af ladede partikler, der kommunikerer med en bestemt kraft, er det netop, hvad Coulombs lov fortolker. Der er en anden masseløs partikel - gluonen, der er otte varianter af den, den hjælper kvarker med at kommunikere. Denne elektromagnetiske interaktion er en tiltrækning mellem ladninger, og den kaldes stærk. Ja, og svag interaktion er ikke komplet uden mellemled, som er partikler med masse, desuden er de massive, det vil sige tunge. Disse er mellemvektorbosoner. Deres masse og tyngde forklarer svagheden ved interaktion. Tyngdekraften frembringer en udveksling af et kvantum af gravitationsfeltet. Denne elektromagnetiske vekselvirkning er tiltrækning af partikler, den er endnu ikke blevet undersøgt nok, gravitonen er ikke engang blevet detekteret eksperimentelt endnu, og kvantetyngdekraften mærkes ikke fuldt ud af os, hvorfor vi ikke kan beskrive den endnu.
The Fifth Force
Vi har overvejet fire typer grundlæggende interaktion: stærk, svag, elektromagnetisk, gravitationel. Interaktion er en bestemt partikeludveksling, og man kan ikke undvære begrebet symmetri, da der ikke er nogen interaktion, der ikke er forbundet med det. Det er hende, der bestemmer antallet af partikler og deres masse. Med nøjagtig symmetri er massen altid nul. Så en foton og en gluon har ingen masse, den er lig med nul, og en graviton har ikke. Og hvis symmetrien er brudt, holder massen op med at være nul. Således har mellemvektorbison masse, fordi symmetrien er brudt. Disse fire grundlæggende interaktioner forklarer alt detvi ser og føler. De resterende kræfter indikerer, at deres elektromagnetiske interaktion er sekundær. Men i 2012 var der et gennembrud inden for videnskaben, og en anden partikel blev opdaget, som straks blev berømt. Revolutionen i den videnskabelige verden blev organiseret ved opdagelsen af Higgs-bosonen, som, som det viste sig, også tjener som en bærer af interaktioner mellem leptoner og kvarker.
Det er derfor, fysikere nu siger, at en femte kraft er dukket op, formidlet af Higgs-bosonen. Symmetrien er også brudt her: Higgs-bosonen har en masse. Således nåede antallet af interaktioner (ordet "kraft" erstattes af dette ord i moderne partikelfysik) fem. Måske venter vi på nye opdagelser, for vi ved ikke præcist, om der er andre interaktioner udover disse. Det er meget muligt, at den model, vi allerede har bygget, og som vi overvejer i dag, som ser ud til perfekt at forklare alle de fænomener, der observeres i verden, ikke er helt komplet. Og måske vil der efter nogen tid dukke nye interaktioner eller nye kræfter op. En sådan sandsynlighed eksisterer, om ikke andet fordi vi meget gradvist lærte, at der er grundlæggende vekselvirkninger kendt i dag - stærke, svage, elektromagnetiske, gravitationelle. Når alt kommer til alt, hvis der er supersymmetriske partikler i naturen, som der allerede tales om i den videnskabelige verden, så betyder det eksistensen af en ny symmetri, og symmetri medfører altid fremkomsten af nye partikler, mediatorer mellem dem. Således vil vi høre om en hidtil ukendt fundamental kraft, som vi engang med overraskelse erfarededer er for eksempel elektromagnetisk, svag interaktion. Vores viden om vores egen natur er meget ufuldstændig.
Connectedness
Det mest interessante er, at enhver ny interaktion nødvendigvis må føre til et fuldstændig ukendt fænomen. Hvis vi for eksempel ikke havde lært om den svage vekselvirkning, ville vi aldrig have opdaget henfald, og hvis det ikke var for vores viden om henfald, ville ingen undersøgelse af kernereaktionen være mulig. Og hvis vi ikke kendte nukleare reaktioner, ville vi ikke forstå, hvordan solen skinner for os. Når alt kommer til alt, hvis det ikke skinnede, ville livet på Jorden ikke være blevet dannet. Så tilstedeværelsen af interaktion siger, at det er afgørende. Hvis der ikke var nogen stærk vekselvirkning, ville der ikke være nogen stabile atomkerner. På grund af elektromagnetisk interaktion modtager Jorden energi fra Solen, og lysstrålerne fra den opvarmer planeten. Og alle interaktioner, vi kender, er absolut nødvendige. Her er Higgs en, for eksempel. Higgs-bosonen forsyner partiklen med masse gennem interaktion med feltet, uden hvilken vi ikke ville have overlevet. Og hvordan forbliver man på planetens overflade uden gravitationsinteraktion? Det ville være umuligt, ikke kun for os, men for ingenting overhovedet.
Absolut alle interaktioner, også dem som vi endnu ikke kender til, er en nødvendighed for at alt, hvad menneskeheden ved, forstår og elsker, kan eksistere. Hvad kan vi ikke vide? Ja en masse. For eksempel ved vi, at protonen er stabil i kernen. Det er meget, meget vigtigt for os.stabilitet, ellers ville livet ikke eksistere på samme måde. Forsøg viser dog, at en protons levetid er en tidsbegrænset størrelse. Lang, selvfølgelig, 1034 år. Men det betyder, at protonen før eller siden også vil henfalde, og det vil kræve en ny kraft, altså en ny vekselvirkning. Med hensyn til protonhenfald er der allerede teorier om, at der antages en ny, meget højere grad af symmetri, hvilket betyder, at der godt kan eksistere en ny interaktion, som vi stadig intet ved om.
Grand Unification
I naturens enhed, det eneste princip om at opbygge alle grundlæggende interaktioner. Mange mennesker har spørgsmål om antallet af dem og forklaringen på årsagerne til netop dette antal. Her er bygget rigtig mange versioner, og de er meget forskellige i forhold til de konklusioner, der drages. De forklarer tilstedeværelsen af netop sådan et antal fundamentale interaktioner på forskellige måder, men de viser sig alle at være med et enkelt princip om at bygge beviser. Forskere forsøger altid at kombinere de mest forskellige typer af interaktioner til én. Derfor kaldes sådanne teorier for Grand Unification-teorierne. Som om verdens træ grene: der er mange grene, men stammen er altid én.
Alt sammen fordi der er en idé, der forener alle disse teorier. Roden til alle kendte vekselvirkninger er den samme, idet den fodrer en stamme, som som følge af tabet af symmetri begyndte at forgrene sig og dannede forskellige fundamentale vekselvirkninger, som vi eksperimentelt kanobservere. Denne hypotese kan endnu ikke testes, fordi den kræver en utrolig højenergifysik, utilgængelig for nutidens eksperimenter. Det er også muligt, at vi aldrig vil mestre disse energier. Men det er meget muligt at komme uden om denne forhindring.
Lejlighed
Vi har universet, denne naturlige accelerator, og alle de processer, der finder sted i det, gør det muligt at teste selv de mest vovede hypoteser om den fælles rod i alle kendte interaktioner. En anden interessant opgave med at forstå samspillet i naturen er måske endnu sværere. Det er nødvendigt at forstå, hvordan tyngdekraften forholder sig til resten af naturens kræfter. Denne grundlæggende vekselvirkning adskiller sig så at sige på trods af, at denne teori ligner alle andre ved konstruktionsprincippet.
Einstein var engageret i teorien om tyngdekraft og forsøgte at forbinde den med elektromagnetisme. På trods af den tilsyneladende realitet med at løse dette problem, virkede teorien ikke dengang. Nu ved menneskeheden lidt mere, i hvert fald ved vi om de stærke og svage interaktioner. Og hvis man nu skal færdiggøre denne forenede teori, så vil manglen på viden helt sikkert have en effekt igen. Indtil nu har det ikke været muligt at sidestille tyngdekraften med andre interaktioner, da alle adlyder lovene dikteret af kvantefysikken, men det gør tyngdekraften ikke. Ifølge kvanteteorien er alle partikler kvanter af et bestemt felt. Men kvantetyngdekraften eksisterer ikke, i hvert fald ikke endnu. Antallet af allerede åbne interaktioner gentager dog højlydt, at det ikke kan andetvære en slags samlet ordning.
Elektrisk felt
Tilbage i 1860 lykkedes det den store fysiker fra det nittende århundrede, James Maxwell, at skabe en teori, der forklarer elektromagnetisk induktion. Når magnetfeltet ændrer sig over tid, dannes et elektrisk felt på et bestemt punkt i rummet. Og hvis der findes en lukket leder i dette felt, vises en induktionsstrøm i det elektriske felt. Med sin teori om elektromagnetiske felter beviser Maxwell, at den omvendte proces også er mulig: Hvis du ændrer det elektriske felt i tide på et bestemt punkt i rummet, vil der helt sikkert opstå et magnetfelt. Det betyder, at enhver ændring i magnetfeltets tid kan forårsage fremkomsten af et skiftende elektrisk felt, og en ændring i det elektriske felt kan frembringe et skiftende magnetfelt. Disse variabler, felter, der genererer hinanden, organiserer et enkelt felt - elektromagnetisk.
Det vigtigste resultat, der stammer fra formlerne i Maxwells teori, er forudsigelsen om, at der er elektromagnetiske bølger, det vil sige elektromagnetiske felter, der forplanter sig i tid og rum. Kilden til det elektromagnetiske felt er de elektriske ladninger, der bevæger sig med acceleration. I modsætning til lydbølger (elastiske) kan elektromagnetiske bølger forplante sig i ethvert stof, selv i et vakuum. Elektromagnetisk interaktion i vakuum forplanter sig med lysets hastighed (c=299.792 kilometer i sekundet). Bølgelængden kan være forskellig. Elektromagnetiske bølger fra ti tusind meter til 0,005 meter erradiobølger, der tjener os til at transmittere information, det vil sige signaler over en vis afstand uden nogen ledninger. Radiobølger skabes af strøm ved høje frekvenser, der strømmer i antennen.
Hvad er bølgerne
Hvis bølgelængden af elektromagnetisk stråling er mellem 0,005 meter og 1 mikrometer, det vil sige, at de, der er i området mellem radiobølger og synligt lys, er infrarød stråling. Det udsendes af alle opvarmede kroppe: batterier, komfurer, glødelamper. Særlige enheder konverterer infrarød stråling til synligt lys for at få billeder af genstande, der udsender den, selv i absolut mørke. Synligt lys udsender bølgelængder fra 770 til 380 nanometer - hvilket resulterer i en farve fra rød til lilla. Denne del af spektret er ekstremt vigtig for menneskers liv, fordi vi modtager en stor del af informationen om verden gennem syn.
Hvis elektromagnetisk stråling har en bølgelængde, der er kortere end violet, er den ultraviolet, som dræber sygdomsfremkaldende bakterier. Røntgenstråler er usynlige for øjet. De absorberer næsten ikke lag af stof, der er uigennemsigtige for synligt lys. Røntgenstråling diagnosticerer sygdomme i de indre organer hos mennesker og dyr. Hvis elektromagnetisk stråling opstår fra vekselvirkningen af elementarpartikler og udsendes af exciterede kerner, opnås gammastråling. Dette er det bredeste område i det elektromagnetiske spektrum, fordi det ikke er begrænset til høje energier. Gammastråling kan være blød og hård: energiovergange inde i atomkerner -blød, og i kernereaktioner - hård. Disse kvanter ødelægger let molekyler, og især biologiske. Heldigvis kan gammastråling ikke passere gennem atmosfæren. Gammastråler kan observeres fra rummet. Ved ultrahøje energier forplanter den elektromagnetiske vekselvirkning sig med en hastighed tæt på lysets hastighed: Gamma-kvanter knuser atomkerner og bryder dem til partikler, der flyver i forskellige retninger. Når de bremser, udsender de lys, der er synligt gennem specielle teleskoper.
Fra fortiden til fremtiden
Elektromagnetiske bølger, som allerede nævnt, blev forudsagt af Maxwell. Han studerede omhyggeligt og forsøgte matematisk at tro på de lidt naive billeder af Faraday, som afbildede magnetiske og elektriske fænomener. Det var Maxwell, der opdagede fraværet af symmetri. Og det var ham, der formåede at bevise med en række ligninger, at vekslende elektriske felter genererer magnetiske og omvendt. Dette førte ham til ideen om, at sådanne felter bryder væk fra lederne og bevæger sig gennem vakuumet med en gigantisk hastighed. Og han fandt ud af det. Hastigheden var tæt på tre hundrede tusinde kilometer i sekundet.
Sådan interagerer teori og eksperiment. Et eksempel er opdagelsen, takket være hvilken vi lærte om eksistensen af elektromagnetiske bølger. Ved hjælp af fysik blev fuldstændig heterogene begreber kombineret i det - magnetisme og elektricitet, da dette er et fysisk fænomen af samme orden, bare dets forskellige sider er i samspil. Teorier bygges den ene efter den anden, og det helede er tæt beslægtede med hinanden: teorien om den elektrosvage vekselvirkning, for eksempel, hvor svage nukleare og elektromagnetiske kræfter beskrives fra de samme positioner, så er alt dette forenet af kvantekromodynamik, der dækker de stærke og elektrosvage vekselvirkninger (her nøjagtigheden er stadig lavere, men arbejdet fortsætter). Sådanne områder af fysik som kvantetyngdekraft og strengteori forskes intensivt.
Konklusioner
Det viser sig, at rummet omkring os er fuldstændig gennemsyret af elektromagnetisk stråling: disse er stjernerne og Solen, Månen og andre himmellegemer, dette er selve Jorden og hver telefon i hænderne på en person, og radiostationsantenner - alt dette udsender elektromagnetiske bølger, navngivet anderledes. Afhængigt af frekvensen af vibrationer, som et objekt udsender, skelnes der mellem infrarød stråling, radiobølger, synligt lys, biofeltstråler, røntgenstråler og lignende.
Når et elektromagnetisk felt forplanter sig, bliver det til en elektromagnetisk bølge. Det er simpelthen en uudtømmelig energikilde, der får de elektriske ladninger af molekyler og atomer til at svinge. Og hvis ladningen svinger, bliver dens bevægelse accelereret og udsender derfor en elektromagnetisk bølge. Hvis magnetfeltet ændres, exciteres et elektrisk hvirvelfelt, som igen exciterer et hvirvelmagnetfelt. Processen går gennem rummet og dækker det ene punkt efter det andet.
