Tässä artikkelissa tarkastellaan niin kutsuttuja luonnonvoimia – perustavaa laatua olevaa sähkömagneettista vuorovaikutusta ja periaatteita, joille se rakentuu. Siinä puhutaan myös uusien lähestymistapojen olemassaolosta tämän aiheen tutkimiseen. Jopa koulussa, fysiikan tunneilla, opiskelijat kohtaavat selityksen "voiman" käsitteelle. He oppivat, että voimat voivat olla hyvin erilaisia - kitkavoima, vetovoima, elastisuusvoima ja monet muut vastaavat. Kaikkia niistä ei voida kutsua perustavanlaatuisiksi, koska hyvin usein voimailmiö on toissijainen (kitkavoima esimerkiksi sen molekyylien vuorovaikutuksen kanssa). Sähkömagneettinen vuorovaikutus voi olla myös toissijaista - seurauksena. Molekyylifysiikka mainitsee Van der Waalsin voiman esimerkkinä. Hiukkasfysiikka tarjoaa myös monia esimerkkejä.
Luonnossa
Haluaisin päästä luonnossa tapahtuvien prosessien ytimeen, kun se saa sähkömagneettisen vuorovaikutuksen toimimaan. Mikä tarkalleen on se perusvoima, joka määrittää kaikki sen rakentamat toissijaiset voimat?Kaikki tietävät, että sähkömagneettinen vuorovaikutus tai, kuten sitä myös kutsutaan, sähkövoimat, on perustavanlaatuinen. Tämän todistaa Coulombin laki, jolla on oma Maxwellin yhtälöistä seuraava yleistys. Jälkimmäiset kuvaavat kaikkia luonnossa esiintyviä magneettisia ja sähköisiä voimia. Siksi on todistettu, että sähkömagneettisten kenttien vuorovaikutus on luonnon perusvoima. Seuraava esimerkki on painovoima. Jopa koululaiset tietävät Isaac Newtonin, joka myös sai äskettäin oman yleistyksensä Einsteinin yhtälöillä, yleisen gravitaatiolain, ja hänen painovoimateoriansa mukaan tämä luonnon sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voima on myös perustavanlaatuinen.
Aiemmin ajateltiin, että vain nämä kaksi perusvoimaa ovat olemassa, mutta tiede on edennyt ja vähitellen osoittanut, ettei näin ole ollenkaan. Esimerkiksi atomin ytimen löytämisen yhteydessä oli tarpeen ottaa käyttöön ydinvoiman käsite, muuten kuinka ymmärtää periaate, että hiukkaset pidetään ytimen sisällä, miksi ne eivät lennä eri suuntiin. Sähkömagneettisen voiman toiminnan ymmärtäminen luonnossa on auttanut mittaamaan, tutkimaan ja kuvaamaan ydinvoimia. Myöhemmin tutkijat tulivat kuitenkin siihen tulokseen, että ydinvoimat ovat toissijaisia ja monin tavoin samanlaisia kuin van der Waalsin voimat. Itse asiassa vain ne voimat, jotka kvarkit tarjoavat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, ovat todella perustavanlaatuisia. Silloin jo - toissijainen vaikutus - on sähkömagneettisten kenttien vuorovaikutus neutronien ja protonien välillä ytimessä. Todella perustavanlaatuinen on gluoneja vaihtavien kvarkkien vuorovaikutus. Näin olikolmas todella perustavanlaatuinen voima, joka löydettiin luonnosta.
Jatkoa tälle tarinalle
Alkuainehiukkaset hajoavat, raskaat - kevyemmiksi, ja niiden hajoaminen kuvaa uutta sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimaa, jota kutsutaan juuri niin - heikon vuorovaikutuksen voimaksi. Miksi heikko? Kyllä, koska sähkömagneettinen vuorovaikutus luonnossa on paljon voimakkaampaa. Ja taas kävi ilmi, että tämä heikon vuorovaikutuksen teoria, joka niin harmonisesti tuli maailmankuvaan ja kuvasi alun perin erinomaisesti alkuainehiukkasten hajoamista, ei heijastanut samoja oletuksia, jos energia lisääntyi. Siksi vanha teoria muokattiin toiseksi - heikon vuorovaikutuksen teoriaksi, joka tällä kertaa osoittautui universaaliksi. Vaikka se rakennettiin samoille periaatteille kuin muut teoriat, jotka kuvasivat hiukkasten sähkömagneettista vuorovaikutusta. Nykyaikana on neljä tutkittua ja todistettua perustavanlaatuista vuorovaikutusta, ja viides on tulossa, siitä keskustellaan myöhemmin. Kaikki neljä - gravitaatio, voimakas, heikko, sähkömagneettinen - rakentuvat yhdelle periaatteelle: hiukkasten välille muodostuva voima on seurausta jostain kantoaineen tai muuten - vuorovaikutuksen välittäjän suorittamasta vaihdosta.
Millainen apulainen tämä on? Tämä on fotoni - hiukkanen, jolla ei ole massaa, mutta joka kuitenkin rakentaa onnistuneesti sähkömagneettista vuorovaikutusta sähkömagneettisten a altojen kvantin tai valon kvantin vaihdon vuoksi. Sähkömagneettinen vuorovaikutus suoritetaantietyllä voimalla kommunikoivien varautuneiden hiukkasten kentässä olevien fotonien avulla Coulombin laki tulkitsee juuri tämän. On toinen massaton hiukkanen - gluon, sitä on kahdeksan lajiketta, se auttaa kvarkeja kommunikoimaan. Tämä sähkömagneettinen vuorovaikutus on vetovoima varausten välillä, ja sitä kutsutaan vahvaksi. Kyllä, ja heikko vuorovaikutus ei ole täydellinen ilman välittäjiä, jotka ovat hiukkasia, joilla on massa, ja lisäksi ne ovat massiivisia, eli raskaita. Nämä ovat välivektoribosoneja. Niiden massa ja raskaus selittää vuorovaikutuksen heikkouden. Gravitaatiovoima saa aikaan gravitaatiokentän kvantin vaihdon. Tämä sähkömagneettinen vuorovaikutus on hiukkasten vetovoima, sitä ei ole vielä tutkittu tarpeeksi, gravitonia ei ole vielä edes kokeellisesti havaittu, emmekä me tunne kvanttigravitaatiota täysin, minkä vuoksi emme voi vielä kuvailla sitä.
Viides voima
Olemme tarkastelleet neljää perusvuorovaikutuksen tyyppiä: vahva, heikko, sähkömagneettinen, gravitaatio. Vuorovaikutus on tietty hiukkasten vaihto, eikä ilman symmetriakäsitettä voi tulla toimeen, koska ei ole vuorovaikutusta, joka ei liittyisi siihen. Hän määrittää hiukkasten lukumäärän ja niiden massan. Tarkalla symmetrialla massa on aina nolla. Joten fotonilla ja gluonilla ei ole massaa, se on yhtä suuri kuin nolla, ja gravitonilla ei ole. Ja jos symmetria rikkoutuu, massa lakkaa olemasta nolla. Siten välivektoribiisoneilla on massa, koska symmetria on rikki. Nämä neljä perusvuorovaikutusta selittävät kaikennäemme ja tunnemme. Loput voimat osoittavat, että niiden sähkömagneettinen vuorovaikutus on toissijaista. Vuonna 2012 tieteessä tapahtui kuitenkin läpimurto ja löydettiin toinen hiukkanen, josta tuli heti kuuluisa. Vallankumouksen tieteellisessä maailmassa järjesti Higgsin bosonin löytäminen, joka, kuten kävi ilmi, toimii myös leptonien ja kvarkkien välisten vuorovaikutusten kantajana.
Siksi fyysikot sanovat nyt, että viides voima on ilmaantunut Higgsin bosonin välittämänä. Symmetria on rikki myös tässä: Higgsin bosonilla on massa. Siten vuorovaikutusten määrä (sana "voima" korvataan tällä sanalla nykyaikaisessa hiukkasfysiikassa) saavutti viisi. Ehkä odotamme uusia löytöjä, koska emme tiedä tarkalleen, onko näiden lisäksi muita vuorovaikutuksia. On hyvin mahdollista, että jo rakentamamme ja tänään harkitsemamme malli, joka näyttäisi täydellisesti selittävän kaikki maailmassa havaitut ilmiöt, ei ole aivan täydellinen. Ja ehkä jonkin ajan kuluttua ilmaantuu uusia vuorovaikutuksia tai uusia voimia. Tällainen todennäköisyys on olemassa, jos vain siksi, että opimme hyvin vähitellen, että nykyään tunnetaan perustavanlaatuisia vuorovaikutuksia - voimakkaita, heikkoja, sähkömagneettisia, gravitaatioita. Loppujen lopuksi, jos luonnossa on supersymmetrisiä hiukkasia, joista tiedemaailmassa jo puhutaan, niin tämä tarkoittaa uuden symmetrian olemassaoloa, ja symmetria edellyttää aina uusien hiukkasten, välittäjien ilmaantumista niiden välille. Näin ollen tulemme kuulemaan aiemmin tuntemattomasta perusvoimasta, kuten kerran yllättyneenä kuulimmeon esimerkiksi sähkömagneettista, heikkoa vuorovaikutusta. Tietomme omasta luonnostamme on hyvin puutteellista.
Yhteys
Mielenkiintoisinta on, että minkä tahansa uuden vuorovaikutuksen täytyy välttämättä johtaa täysin tuntemattomaan ilmiöön. Esimerkiksi, jos emme olisi oppineet heikosta vuorovaikutuksesta, emme olisi koskaan löytäneet hajoamista, ja ilman hajoamistietoamme ei olisi mahdollista tutkia ydinreaktiota. Ja jos emme tietäisi ydinreaktioita, emme ymmärtäisi kuinka aurinko paistaa meille. Loppujen lopuksi, jos se ei loistanut, elämää maan päällä ei olisi muodostunut. Vuorovaikutuksen läsnäolo sanoo siis sen olevan elintärkeää. Jos ei olisi vahvaa vuorovaikutusta, ei olisi stabiileja atomiytimiä. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen ansiosta maapallo saa energiaa auringosta, ja siitä tulevat valonsäteet lämmittävät planeettaa. Ja kaikki meille tiedossa olevat vuorovaikutukset ovat ehdottoman välttämättömiä. Tässä on esimerkiksi Higgs. Higgsin bosoni antaa hiukkaselle massaa vuorovaikutuksen kautta kentän kanssa, jota ilman emme olisi selvinneet. Ja kuinka pysyä planeetan pinnalla ilman gravitaatiovuorovaikutusta? Se olisi mahdotonta paitsi meille, mutta ei ollenkaan.
Ehdottomasti kaikki vuorovaikutukset, myös ne, joista emme vielä tiedä, ovat välttämättömiä kaikelle, mitä ihmiskunta tietää, ymmärtää ja rakastaa. Mitä emme voi tietää? Kyllä paljon. Tiedämme esimerkiksi, että protoni on stabiili ytimessä. Tämä on meille erittäin, erittäin tärkeää.vakautta, muuten elämää ei olisi olemassa samalla tavalla. Kokeet osoittavat kuitenkin, että protonin elinikä on ajallisesti rajoitettu määrä. Pitkä, tietysti, 1034 vuotta. Mutta tämä tarkoittaa, että ennemmin tai myöhemmin myös protoni hajoaa, ja tämä vaatii uutta voimaa, eli uutta vuorovaikutusta. Protonien hajoamisesta on jo olemassa teorioita, joissa oletetaan uutta, paljon korkeampaa symmetria-astetta, mikä tarkoittaa, että voi hyvinkin olla uusi vuorovaikutus, josta emme vielä tiedä mitään.
Suuri yhdistyminen
Luonnon ykseydessä, ainoana periaatteena kaikkien perustavanlaatuisten vuorovaikutusten rakentamisessa. Monilla ihmisillä on kysymyksiä niiden lukumäärästä ja tämän nimenomaisen numeron syiden selityksestä. Täällä on rakennettu monia versioita, ja ne eroavat suuresti johtopäätösten suhteen. Ne selittävät juuri tällaisen määrän perustavanlaatuisia vuorovaikutuksia eri tavoilla, mutta ne kaikki osoittautuvat yhdellä todisteiden rakentamisperiaatteella. Tutkijat yrittävät aina yhdistää mitä erilaisimmat vuorovaikutustyypit yhdeksi. Siksi tällaisia teorioita kutsutaan Grand Unification -teorioiksi. Kuin maailmanpuu oksaa: oksia on monia, mutta runko on aina yksi.
Kaikki, koska on idea, joka yhdistää kaikki nämä teoriat. Kaikkien tunnettujen vuorovaikutusten juuret ovat samat, ruokkien yhtä runkoa, joka symmetrian menettämisen seurauksena alkoi haarautua ja muodosti erilaisia perusvuorovaikutuksia, jotka voimme kokeellisestitarkkailla. Tätä hypoteesia ei voida vielä testata, koska se vaatii uskomattoman korkean energian fysiikkaa, joka ei ole tämän päivän kokeiden käytettävissä. On myös mahdollista, että emme koskaan hallitse näitä energioita. Mutta tämä este on täysin mahdollista kiertää.
Asunto
Meillä on universumi, tämä luonnollinen kiihdytin ja kaikki siinä tapahtuvat prosessit mahdollistavat uskalimpienkin hypoteesien testaamisen kaikkien tunnettujen vuorovaikutusten yhteisestä juuresta. Toinen mielenkiintoinen tehtävä luonnon vuorovaikutusten ymmärtämisessä on ehkä vieläkin vaikeampi. On välttämätöntä ymmärtää, kuinka painovoima liittyy muihin luonnonvoimiin. Tämä perustavanlaatuinen vuorovaikutus erottuu ikään kuin siitä huolimatta, että tämä teoria on samanlainen kuin kaikki muut konstruointiperiaatteella.
Einstein harjoitti painovoimateoriaa ja yritti yhdistää sen sähkömagnetismiin. Huolimatta tämän ongelman ratkaisun näennäisestä todellisuudesta, teoria ei toiminut silloin. Nyt ihmiskunta tietää hieman enemmän, joka tapauksessa tiedämme vahvoista ja heikoista vuorovaikutuksista. Ja jos nyt tämän yhtenäisen teorian rakentaminen saatetaan päätökseen, niin tiedon puutteella on varmasti taas vaikutusta. Toistaiseksi painovoimaa ei ole voitu asettaa tasolle muiden vuorovaikutusten kanssa, koska kaikki noudattavat kvanttifysiikan sanelemia lakeja, mutta painovoima ei. Kvanttiteorian mukaan kaikki hiukkaset ovat jonkin tietyn kentän kvantteja. Mutta kvanttigravitaatiota ei ole olemassa, ainakaan vielä. Jo avoimien vuorovaikutusten määrä kuitenkin toistaa äänekkäästi, ettei se voi muuta kuinolla jonkinlainen yhtenäinen järjestelmä.
Sähkökenttä
Vuonna 1860 suuri 1800-luvun fyysikko James Maxwell onnistui luomaan teorian, joka selittää sähkömagneettisen induktion. Kun magneettikenttä muuttuu ajan myötä, sähkökenttä muodostuu tietyssä pisteessä avaruudessa. Ja jos tässä kentässä löytyy suljettu johdin, sähkökenttään ilmestyy induktiovirta. Maxwell todistaa sähkömagneettisten kenttien teoriallaan, että myös käänteinen prosessi on mahdollinen: jos muutat sähkökenttää ajassa tietyssä pisteessä avaruudessa, magneettikenttä syntyy varmasti. Tämä tarkoittaa, että mikä tahansa muutos magneettikentän ajassa voi aiheuttaa muuttuvan sähkökentän syntymisen ja sähkökentän muutos voi aiheuttaa muuttuvan magneettikentän. Nämä muuttujat, toisiaan generoivat kentät, järjestävät yhden kentän - sähkömagneettisen.
Tärkein Maxwellin teorian kaavoista johtuva tulos on ennuste, että on olemassa sähkömagneettisia a altoja, eli sähkömagneettisia kenttiä, jotka etenevät ajassa ja tilassa. Sähkömagneettisen kentän lähde on kiihtyvällä nopeudella liikkuvat sähkövaraukset. Toisin kuin ääniaallot (elastiset) sähkömagneettiset aallot voivat levitä missä tahansa aineessa, jopa tyhjiössä. Sähkömagneettinen vuorovaikutus tyhjiössä etenee valon nopeudella (c=299 792 kilometriä sekunnissa). Aallonpituus voi olla erilainen. Sähkömagneettiset aallot ovat kymmenestä tuhannesta metristä 0,005 metriinradioaallot, jotka palvelevat meitä välittämään tietoa, eli signaaleja tietyn matkan päähän ilman johtoja. Radioaallot syntyvät korkeiden taajuuksien virrasta, joka virtaa antennissa.
Mitä ovat aallot
Jos sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus on 0,005 metrin ja 1 mikrometrin välillä, eli ne, jotka ovat radioa altojen ja näkyvän valon välissä, ovat infrapunasäteilyä. Sitä säteilevät kaikki kuumennetut kappaleet: akut, uunit, hehkulamput. Erikoislaitteet muuntavat infrapunasäteilyn näkyväksi valoksi saadakseen kuvia sitä lähettävistä kohteista jopa täydellisessä pimeydessä. Näkyvä valo lähettää aallonpituuksia välillä 770-380 nanometriä, mikä johtaa väriin punaisesta purppuraan. Tämä spektrin osa on erittäin tärkeä ihmiselämän kann alta, koska saamme v altavan osan maailmaa koskevasta tiedosta näön kautta.
Jos sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus on violettia lyhyempi, se on ultraviolettisäteilyä, joka tappaa patogeeniset bakteerit. Röntgenkuvat ovat näkymättömiä silmälle. Ne eivät juurikaan absorboi ainekerroksia, jotka ovat läpinäkymättömiä näkyvälle valolle. Röntgensäteilyllä diagnosoidaan ihmisten ja eläinten sisäelinten sairaudet. Jos sähkömagneettista säteilyä syntyy alkuainehiukkasten vuorovaikutuksesta ja sitä säteilevät virittyneet ytimet, saadaan gammasäteilyä. Tämä on sähkömagneettisen spektrin laajin alue, koska se ei rajoitu korkeisiin energioihin. Gammasäteily voi olla pehmeää ja kovaa: energiasiirtymiä atomiytimien sisällä -pehmeä ja ydinreaktioissa - kova. Nämä kvantit tuhoavat helposti molekyylejä ja erityisesti biologisia. Onneksi gammasäteily ei pääse ilmakehän läpi. Gammasäteitä voidaan tarkkailla avaruudesta. Ultrakorkeilla energioilla sähkömagneettinen vuorovaikutus etenee nopeudella, joka on lähellä valonnopeutta: gamma-kvantit murskaavat atomiytimiä ja hajottavat ne eri suuntiin lentäviksi hiukkasiksi. Jarrutettaessa ne lähettävät erityisten teleskooppien läpi näkyvää valoa.
Mennestä tulevaisuuteen
Sähkömagneettiset aallot, kuten jo mainittiin, Maxwell ennusti. Hän tutki huolellisesti ja yritti matemaattisesti uskoa Faradayn hieman naiiveja kuvia, jotka kuvasivat magneettisia ja sähköisiä ilmiöitä. Maxwell havaitsi symmetrian puuttumisen. Ja juuri hän onnistui todistamaan useilla yhtälöillä, että vuorottelevat sähkökentät synnyttävät magneettisia ja päinvastoin. Tämä sai hänet ajatukseen, että tällaiset kentät irtoavat johtimista ja liikkuvat tyhjiön läpi v altavalla nopeudella. Ja hän keksi sen. Nopeus oli lähes kolmesataatuhatta kilometriä sekunnissa.
Näin teoria ja kokeilu ovat vuorovaikutuksessa. Esimerkkinä on löytö, jonka ansiosta opimme sähkömagneettisten a altojen olemassaolosta. Fysiikan avulla siihen yhdistettiin täysin heterogeeniset käsitteet - magnetismi ja sähkö, koska tämä on saman luokan fysikaalinen ilmiö, vain sen eri puolet ovat vuorovaikutuksessa. Teorioita rakennetaan yksi toisensa jälkeen, ja kaikkine liittyvät läheisesti toisiinsa: esimerkiksi teoria sähköheikosta vuorovaikutuksesta, jossa heikkoja ydin- ja sähkömagneettisia voimia kuvataan samoista kohdista, sitten kaikkea tätä yhdistää kvanttikromodynamiikka, joka kattaa vahvan ja sähköheikon vuorovaikutuksen (tässä tarkkuus on edelleen alhaisempi, mutta työ jatkuu). Sellaisia fysiikan osa-alueita kuin kvanttigravitaatio ja merkkijonoteoria tutkitaan intensiivisesti.
Johtopäätökset
Kävimme ilmi, että meitä ympäröivä avaruus on täysin sähkömagneettisen säteilyn läpäisemä: nämä ovat tähdet ja aurinko, kuu ja muut taivaankappaleet, tämä on maa itse ja jokainen puhelin ihmisen käsissä, ja radioasemien antennit - kaikki tämä lähettää sähkömagneettisia a altoja, jotka on nimetty eri tavalla. Kohteen lähettämien värähtelyjen taajuudesta riippuen erotetaan infrapunasäteily, radioaallot, näkyvä valo, biokenttäsäteet, röntgensäteet ja vastaavat.
Kun sähkömagneettinen kenttä etenee, siitä tulee sähkömagneettinen a alto. Se on yksinkertaisesti ehtymätön energialähde, joka saa molekyylien ja atomien sähkövaraukset vaihtelemaan. Ja jos varaus värähtelee, sen liike kiihtyy ja lähettää siksi sähkömagneettista a altoa. Jos magneettikenttä muuttuu, virittyy pyörteinen sähkökenttä, joka puolestaan virittää pyörteen magneettikentän. Prosessi kulkee avaruuden läpi ja kattaa yhden pisteen toisensa jälkeen.
