Ten artykuł rozważy to, co nazywa się siłami natury - fundamentalne oddziaływanie elektromagnetyczne i zasady, na których jest ono zbudowane. Opowie także o możliwościach istnienia nowych podejść do badania tego tematu. Nawet w szkole, na lekcjach fizyki, uczniowie mają do czynienia z wyjaśnieniem pojęcia „siły”. Uczą się, że siły mogą być bardzo zróżnicowane – siła tarcia, siła przyciągania, siła sprężystości i wiele innych tego typu. Nie wszystkie z nich można nazwać fundamentalnymi, ponieważ bardzo często zjawisko siły jest drugorzędne (na przykład siła tarcia z jej interakcją cząsteczek). Oddziaływanie elektromagnetyczne może być również wtórne - w konsekwencji. Fizyka molekularna podaje jako przykład siłę Van der Waalsa. Fizyka cząstek również dostarcza wielu przykładów.
W naturze
Chciałbym dotrzeć do sedna procesów zachodzących w przyrodzie, kiedy to powoduje, że oddziaływanie elektromagnetyczne działa. Jaka dokładnie jest podstawowa siła, która określa wszystkie drugorzędne siły, które zbudowała?Wszyscy wiedzą, że oddziaływanie elektromagnetyczne lub, jak to się nazywa, siły elektryczne, ma fundamentalne znaczenie. Świadczy o tym prawo Coulomba, które ma swoje uogólnienie wynikające z równań Maxwella. Te ostatnie opisują wszystkie siły magnetyczne i elektryczne występujące w przyrodzie. Dlatego udowodniono, że oddziaływanie pól elektromagnetycznych jest podstawową siłą natury. Następnym przykładem jest grawitacja. Nawet dzieci w wieku szkolnym wiedzą o prawie powszechnego ciążenia Izaaka Newtona, który również niedawno otrzymał własne uogólnienie za pomocą równań Einsteina, a zgodnie z jego teorią grawitacji, ta siła oddziaływania elektromagnetycznego w przyrodzie jest również fundamentalna.
Kiedyś uważano, że istnieją tylko te dwie podstawowe siły, ale nauka posunęła się naprzód, stopniowo udowadniając, że wcale tak nie jest. Na przykład wraz z odkryciem jądra atomowego konieczne było wprowadzenie pojęcia siły jądrowej, inaczej jak rozumieć zasadę utrzymywania cząstek wewnątrz jądra, dlaczego nie odlatują one w różnych kierunkach. Zrozumienie, jak działa siła elektromagnetyczna w przyrodzie, pomogło zmierzyć, zbadać i opisać siły jądrowe. Jednak późniejsi naukowcy doszli do wniosku, że siły jądrowe są drugorzędne i pod wieloma względami podobne do sił van der Waalsa. W rzeczywistości tylko siły, które kwarki dostarczają poprzez wzajemne oddziaływanie, są naprawdę fundamentalne. Wtedy już - efekt wtórny - jest oddziaływanie pól elektromagnetycznych między neutronami i protonami w jądrze. Naprawdę fundamentalna jest interakcja kwarków wymieniających gluony. Tak byłotrzecia prawdziwie fundamentalna siła odkryta w przyrodzie.
Kontynuacja tej historii
Cząstki elementarne rozpadają się, ciężkie - na lżejsze, a ich rozpad opisuje nową siłę oddziaływania elektromagnetycznego, którą właśnie tak nazywamy - siłę oddziaływania słabego. Dlaczego słaby? Tak, ponieważ oddziaływanie elektromagnetyczne w przyrodzie jest znacznie silniejsze. I znowu okazało się, że ta teoria oddziaływania słabego, która tak harmonijnie weszła w obraz świata i początkowo doskonale opisywała rozpady cząstek elementarnych, nie odzwierciedlała tych samych postulatów, jeśli energia wzrastała. Dlatego stara teoria została przerobiona na inną - teorię oddziaływań słabych, tym razem uniwersalną. Chociaż został zbudowany na tych samych zasadach, co inne teorie opisujące oddziaływanie elektromagnetyczne cząstek. W czasach nowożytnych istnieją cztery zbadane i sprawdzone fundamentalne interakcje, a piąta jest w drodze, o czym będzie mowa później. Wszystkie cztery – grawitacyjna, silna, słaba, elektromagnetyczna – zbudowane są na jednej zasadzie: siła powstająca między cząstkami jest wynikiem wymiany dokonywanej przez nośnik lub inaczej – mediatora interakcji.
Co to za pomocnik? To foton - cząstka bez masy, ale z powodzeniem budująca oddziaływanie elektromagnetyczne dzięki wymianie kwantu fal elektromagnetycznych lub kwantu światła. Przeprowadzane jest oddziaływanie elektromagnetyczneza pomocą fotonów w polu naładowanych cząstek, które komunikują się z określoną siłą, właśnie to interpretuje prawo Coulomba. Jest jeszcze jedna bezmasowa cząstka - gluon, występuje w ośmiu jego odmianach, pomaga kwarkom w komunikacji. To oddziaływanie elektromagnetyczne jest przyciąganiem między ładunkami i nazywa się je silnym. Tak, a oddziaływanie słabe nie jest kompletne bez pośredników, którymi są cząstki o masie, ponadto są masywne, czyli ciężkie. Są to pośrednie bozony wektorowe. Ich masa i ciężkość wyjaśnia słabość interakcji. Siła grawitacyjna powoduje wymianę kwantu pola grawitacyjnego. To oddziaływanie elektromagnetyczne jest przyciąganiem cząstek, nie zostało jeszcze wystarczająco zbadane, grawiton nie został jeszcze nawet wykryty eksperymentalnie, a grawitacja kwantowa nie jest przez nas w pełni odczuwalna, dlatego nie możemy jej jeszcze opisać.
Piąta Siła
Rozważyliśmy cztery typy oddziaływań fundamentalnych: silne, słabe, elektromagnetyczne i grawitacyjne. Interakcja jest pewnym aktem wymiany cząstek i nie można obejść się bez koncepcji symetrii, ponieważ nie ma interakcji, która nie jest z nią związana. To ona określa liczbę cząstek i ich masę. Przy dokładnej symetrii masa zawsze wynosi zero. Tak więc foton i gluon nie mają masy, jest ona równa zeru, a grawiton nie. A jeśli symetria zostanie zerwana, masa przestaje wynosić zero. Tak więc żubr pośredni ma masę, ponieważ symetria jest zerwana. Te cztery podstawowe interakcje wyjaśniają wszystko, cowidzimy i czujemy. Pozostałe siły wskazują, że ich oddziaływanie elektromagnetyczne jest wtórne. Jednak w 2012 roku nastąpił przełom w nauce i odkryto kolejną cząsteczkę, która natychmiast stała się sławna. Rewolucję w świecie naukowym zorganizowało odkrycie bozonu Higgsa, który, jak się okazało, służy również jako nośnik interakcji między leptonami a kwarkami.
Dlatego fizycy mówią teraz, że pojawiła się piąta siła, za pośrednictwem bozonu Higgsa. Również tutaj symetria jest zerwana: bozon Higgsa ma masę. W ten sposób liczba oddziaływań (słowo „siła” zostaje zastąpione tym słowem we współczesnej fizyce cząstek elementarnych) osiągnęła pięć. Być może czekamy na nowe odkrycia, ponieważ nie wiemy dokładnie, czy poza tymi są jeszcze inne interakcje. Bardzo możliwe, że model, który już zbudowaliśmy i który dzisiaj rozważamy, który zdawałby się doskonale wyjaśniać wszystkie zjawiska obserwowane na świecie, nie jest do końca kompletny. I być może za jakiś czas pojawią się nowe interakcje lub nowe siły. Takie prawdopodobieństwo istnieje, choćby dlatego, że bardzo stopniowo nauczyliśmy się, że znane są dziś oddziaływania fundamentalne - silne, słabe, elektromagnetyczne, grawitacyjne. Wszakże jeśli w przyrodzie występują cząstki supersymetryczne, o których już się mówi w świecie naukowym, to oznacza to istnienie nowej symetrii, a symetria zawsze pociąga za sobą pojawienie się nowych cząstek, pośredników między nimi. W ten sposób usłyszymy o nieznanej wcześniej fundamentalnej sile, o czym kiedyś ze zdziwieniem dowiedzieliśmy sięsą na przykład oddziaływania elektromagnetyczne, słabe. Nasza wiedza o własnej naturze jest bardzo niekompletna.
Połączenie
Najbardziej interesujące jest to, że każda nowa interakcja musi koniecznie prowadzić do zupełnie nieznanego zjawiska. Na przykład, gdybyśmy nie dowiedzieli się o oddziaływaniu słabym, nigdy byśmy nie odkryli rozpadu, a gdyby nie nasza wiedza o rozpadzie, żadne badanie reakcji jądrowej nie byłoby możliwe. A gdybyśmy nie znali reakcji jądrowych, nie zrozumielibyśmy, jak świeci dla nas słońce. W końcu gdyby nie świeciło, życie na Ziemi by się nie uformowało. Tak więc obecność interakcji mówi, że jest to niezbędne. Gdyby nie było oddziaływania silnego, nie byłoby stabilnych jąder atomowych. Dzięki oddziaływaniu elektromagnetycznemu Ziemia otrzymuje energię od Słońca, a promienie światła z niej pochodzące ogrzewają planetę. A wszystkie znane nam interakcje są absolutnie konieczne. Oto przykład Higgsa. Bozon Higgsa dostarcza cząstce masę poprzez oddziaływanie z polem, bez którego nie przeżylibyśmy. A jak pozostać na powierzchni planety bez oddziaływania grawitacyjnego? Byłoby to niemożliwe nie tylko dla nas, ale za nic.
Absolutnie wszystkie interakcje, nawet te, o których jeszcze nie wiemy, są niezbędne do istnienia wszystkiego, co ludzkość wie, rozumie i kocha. Czego nie możemy wiedzieć? Tak, dużo. Na przykład wiemy, że proton jest stabilny w jądrze. To dla nas bardzo, bardzo ważne.stabilność, inaczej życie nie istniałoby w ten sam sposób. Jednak eksperymenty pokazują, że czas życia protonu jest wielkością ograniczoną w czasie. Długie, oczywiście, 1034 lat. Ale to oznacza, że prędzej czy później proton również się rozpadnie, a to będzie wymagało nowej siły, czyli nowego oddziaływania. Jeśli chodzi o rozpad protonu, istnieją już teorie, w których zakłada się nowy, znacznie wyższy stopień symetrii, co oznacza, że może istnieć nowe oddziaływanie, o którym nadal nic nie wiemy.
Wielkie Zjednoczenie
W jedności natury, jedyna zasada budowania wszystkich fundamentalnych interakcji. Wiele osób ma pytania dotyczące ich liczby i wyjaśnienia przyczyn tej konkretnej liczby. Zbudowano tu bardzo wiele wersji i bardzo różnią się one pod względem wyciąganych wniosków. Tłumaczą one obecność właśnie takiej liczby fundamentalnych interakcji na różne sposoby, ale wszystkie okazują się mieć jedną zasadę budowania dowodów. Badacze zawsze starają się łączyć najróżniejsze rodzaje interakcji w jedną. Dlatego takie teorie nazywane są teoriami Wielkiej Unifikacji. Jakby gałęzie drzewa świata: jest wiele gałęzi, ale pień jest zawsze jeden.
Wszystko dlatego, że istnieje idea, która łączy wszystkie te teorie. Korzeń wszystkich znanych oddziaływań jest ten sam, zasilając jeden pień, który w wyniku utraty symetrii zaczął się rozgałęziać i formować różne oddziaływania fundamentalne, które możemy eksperymentalnieprzestrzegać. Tej hipotezy nie można jeszcze przetestować, ponieważ wymaga ona fizyki niezwykle wysokoenergetycznej, niedostępnej dla dzisiejszych eksperymentów. Możliwe też, że nigdy nie opanujemy tych energii. Ale jest całkiem możliwe ominięcie tej przeszkody.
Mieszkanie
Mamy Wszechświat, ten naturalny akcelerator i wszystkie procesy, które w nim zachodzą, pozwalają przetestować nawet najśmielsze hipotezy dotyczące wspólnego źródła wszystkich znanych interakcji. Inne interesujące zadanie polegające na zrozumieniu interakcji w przyrodzie jest być może nawet trudniejsze. Konieczne jest zrozumienie, w jaki sposób grawitacja odnosi się do pozostałych sił natury. Ta fundamentalna interakcja wyróżnia się niejako, pomimo faktu, że teoria ta jest podobna do wszystkich innych na zasadzie konstrukcji.
Einstein zajmował się teorią grawitacji, próbując połączyć ją z elektromagnetyzmem. Mimo pozornej realności rozwiązania tego problemu, teoria nie sprawdziła się wtedy. Teraz ludzkość wie trochę więcej, w każdym razie wiemy o oddziaływaniach silnych i słabych. A jeśli teraz skończymy budować tę zunifikowaną teorię, to brak wiedzy z pewnością odbije się ponownie. Do tej pory nie było możliwe zrównanie grawitacji z innymi interakcjami, ponieważ wszyscy przestrzegają praw dyktowanych przez fizykę kwantową, ale grawitacja nie. Zgodnie z teorią kwantową wszystkie cząstki są kwantami określonego pola. Ale grawitacja kwantowa nie istnieje, przynajmniej jeszcze nie. Jednak liczba już otwartych interakcji głośno powtarza, że nie może niebyć jakimś ujednoliconym schematem.
Pole elektryczne
W 1860 roku wielki dziewiętnastowieczny fizyk James Maxwell zdołał stworzyć teorię wyjaśniającą indukcję elektromagnetyczną. Kiedy pole magnetyczne zmienia się w czasie, w pewnym punkcie przestrzeni powstaje pole elektryczne. A jeśli w tym polu znajduje się zamknięty przewodnik, wówczas w polu elektrycznym pojawia się prąd indukcyjny. Swoją teorią pól elektromagnetycznych Maxwell udowadnia, że możliwy jest również proces odwrotny: jeśli zmienisz w czasie pole elektryczne w określonym punkcie przestrzeni, na pewno pojawi się pole magnetyczne. Oznacza to, że każda zmiana w czasie pola magnetycznego może spowodować pojawienie się zmiennego pola elektrycznego, a zmiana pola elektrycznego może wytworzyć zmieniające się pole magnetyczne. Te zmienne, pola generujące się nawzajem, organizują jedno pole - elektromagnetyczne.
Najważniejszym wynikiem wynikającym ze wzorów teorii Maxwella jest przewidywanie, że istnieją fale elektromagnetyczne, czyli pola elektromagnetyczne rozchodzące się w czasie i przestrzeni. Źródłem pola elektromagnetycznego są poruszające się z przyspieszeniem ładunki elektryczne. W przeciwieństwie do fal dźwiękowych (elastycznych), fale elektromagnetyczne mogą rozchodzić się w dowolnej substancji, nawet w próżni. Oddziaływanie elektromagnetyczne w próżni rozchodzi się z prędkością światła (c=299 792 kilometrów na sekundę). Długość fali może być inna. Fale elektromagnetyczne od dziesięciu tysięcy metrów do 0,005 metra sąfale radiowe, które służą nam do przesyłania informacji, czyli sygnałów na pewną odległość bez żadnych przewodów. Fale radiowe są tworzone przez prąd o wysokich częstotliwościach, który płynie w antenie.
Jakie są fale
Jeśli długość fali promieniowania elektromagnetycznego wynosi od 0,005 metra do 1 mikrometra, to znaczy te, które znajdują się w zakresie między falami radiowymi a światłem widzialnym, są promieniowaniem podczerwonym. Emitowane jest przez wszystkie nagrzane korpusy: baterie, kuchenki, żarówki. Specjalne urządzenia przetwarzają promieniowanie podczerwone na światło widzialne, aby uzyskać obrazy obiektów, które je emitują, nawet w absolutnej ciemności. Światło widzialne emituje fale o długości od 770 do 380 nanometrów - co daje kolor od czerwonego do fioletowego. Ta część spektrum jest niezwykle ważna dla ludzkiego życia, ponieważ ogromną część informacji o świecie otrzymujemy poprzez wizję.
Jeśli promieniowanie elektromagnetyczne ma krótszą długość fali niż fiolet, jest to ultrafiolet, który zabija bakterie chorobotwórcze. Promienie rentgenowskie są niewidoczne dla oka. Prawie nie pochłaniają warstw materii, które są nieprzezroczyste dla światła widzialnego. Promieniowanie rentgenowskie diagnozuje choroby narządów wewnętrznych ludzi i zwierząt. Jeżeli promieniowanie elektromagnetyczne powstaje w wyniku oddziaływania cząstek elementarnych i jest emitowane przez wzbudzone jądra, otrzymuje się promieniowanie gamma. Jest to najszerszy zakres w widmie elektromagnetycznym, ponieważ nie ogranicza się do wysokich energii. Promieniowanie gamma może być miękkie i twarde: przejścia energii w jądrach atomowych -miękkie, aw reakcjach jądrowych - twarde. Te kwanty z łatwością niszczą molekuły, zwłaszcza biologiczne. Na szczęście promieniowanie gamma nie może przejść przez atmosferę. Promienie gamma można obserwować z kosmosu. Przy ultrawysokich energiach oddziaływanie elektromagnetyczne rozchodzi się z prędkością zbliżoną do prędkości światła: kwanty gamma kruszą jądra atomów, rozbijając je na cząstki lecące w różnych kierunkach. Podczas hamowania emitują światło widoczne przez specjalne teleskopy.
Od przeszłości do przyszłości
Fale elektromagnetyczne, jak już wspomniano, zostały przewidziane przez Maxwella. Uważnie studiował i próbował matematycznie uwierzyć w nieco naiwne obrazy Faradaya, które przedstawiały zjawiska magnetyczne i elektryczne. To Maxwell odkrył brak symetrii. I to on zdołał udowodnić szeregiem równań, że zmienne pola elektryczne generują pola magnetyczne i odwrotnie. To doprowadziło go do pomysłu, że takie pola odrywają się od przewodników i poruszają się w próżni z gigantyczną prędkością. I on to rozgryzł. Prędkość była bliska trzystu tysięcy kilometrów na sekundę.
Tak współdziałają teoria i eksperyment. Przykładem jest odkrycie, dzięki któremu dowiedzieliśmy się o istnieniu fal elektromagnetycznych. Za pomocą fizyki połączono w nim całkowicie niejednorodne koncepcje - magnetyzm i elektryczność, ponieważ jest to zjawisko fizyczne tego samego rzędu, tylko jego różne strony wchodzą w interakcję. Teorie budowane są jedna po drugiej i wszystkiesą ze sobą ściśle powiązane: teoria oddziaływania elektrosłabego, na przykład, gdzie słabe siły jądrowe i elektromagnetyczne są opisane z tych samych pozycji, to wszystko to łączy chromodynamika kwantowa, obejmująca oddziaływania silne i elektrosłabe (tutaj dokładność jest jeszcze niższy, ale prace trwają). Takie dziedziny fizyki jak grawitacja kwantowa i teoria strun są intensywnie badane.
Wnioski
Okazuje się, że otaczająca nas przestrzeń jest całkowicie przesiąknięta promieniowaniem elektromagnetycznym: to gwiazdy i Słońce, Księżyc i inne ciała niebieskie, to sama Ziemia i każdy telefon w rękach człowieka, oraz anteny stacji radiowych – wszystko to emituje fale elektromagnetyczne, inaczej nazwane. W zależności od częstotliwości drgań, które emituje obiekt, rozróżnia się promieniowanie podczerwone, fale radiowe, światło widzialne, promienie biopola, promieniowanie rentgenowskie i tym podobne.
Kiedy rozchodzi się pole elektromagnetyczne, staje się falą elektromagnetyczną. Jest to po prostu niewyczerpane źródło energii, powodujące wahania ładunków elektrycznych cząsteczek i atomów. A jeśli ładunek oscyluje, jego ruch zostaje przyspieszony, a zatem emituje falę elektromagnetyczną. Jeśli zmienia się pole magnetyczne, wzbudzane jest wirowe pole elektryczne, które z kolei wzbudza wirowe pole magnetyczne. Proces przebiega przez przestrzeń, obejmując jeden punkt po drugim.
