Elektromagnetni interakcijah delcev

V tem članku bomo upoštevali, kako se imenujejo sile narave - temeljna elektromagnetna interakcija in načela, na katerih je zgrajena. Prav tako bomo govorili o možnostih obstoja novih pristopov k študiji te teme. Celo v šoli v pouku fizike se učenci soočajo z razlago pojma "moč". Spoznajo, da so sile lahko najbolj raznolike - sila trenja, sila privlačnosti, sila elastičnosti in tako naprej. Vsi ti ne morejo biti imenovani kot temeljni, saj je zelo pogosto pojav sile sekundaren (sila trenja, na primer z interakcijo molekul). Posledično je lahko tudi elektromagnetna interakcija sekundarna. Molekularna fizika kot primer navede silo van der Waals. Veliko primerov daje tudi fizika osnovnih delcev.

V naravi

Rad bi prišel do jedra procesov, ki potekajo v naravi, ko sili elektromagnetno interakcijo na delo. Kaj natančno je temeljna sila, ki določa vse sekundarne sile, ki jih je zgradila? Vsi vedo, da je elektromagnetna interakcija, ali, kot je še vedno imenovana, električne sile, temeljna. To je označeno s kulonovim zakonom, ki ima lastno generalizacijo, ki izhaja iz Maxwellovih enačb. Slednje opisujejo vse magnetne in električne sile, ki obstajajo v naravi. Zato je dokazano, da so interakcije elektromagnetnih polj temeljne sile narave. Naslednji primer je sila teže. Celo šolarje se zavedajo zakona univerzalne gravitacije Isaca Newtona, ki je pred kratkim v Einsteinovi enačbi dobil svojo lastno generalizacijo in po svoji teoriji gravitacije tudi ta sila elektromagnetne interakcije v naravi.

Nekoč so verjeli, da je obstajalo le dve od teh temeljnih sil, vendar se je znanost gibala naprej, postopoma dokazuje, da to sploh ni bilo. Na primer, z odkritjem atomskega jedra je bilo treba uvesti koncept jedrske sile, sicer kako razumeti načelo zadrževanja delcev v jedru, zakaj ne letijo v različnih smereh. Razumevanje, kako deluje elektromagnetna interakcija v naravi, je pomagalo pri merjenju jedrskih sil, študijah in opisovanju. Vendar so kasneje znanstveniki prišli do zaključka, da so jedrske sile sekundarne in v mnogih pogledih spominjale na sile van der Waals. Pravzaprav so bistvene samo sile, ki jih zagotavljajo kvarki, ki se medsebojno kombinirajo. Potem je sekundarni učinek interakcija elektromagnetnih polj med nevtroni in protoni v jedru. Resnično temeljna je interakcija kvarkov, ki izmenjujejo gluone. Tako je v naravi odkrila tretjo resnično temeljno silo.

Nadaljevanje te zgodbe

Razgradnja osnovnih delcev se razgradi, težki delci se razgradijo, njihovo razpadanje pa opisuje novo silo elektromagnetne interakcije, ki se imenuje - sila šibke interakcije. Zakaj šibka? Da, ker je elektromagnetna interakcija v naravi veliko močnejša. In spet se je izkazalo, da ta teorija šibke interakcije, ki je tako usklajeno vstopala v sliko sveta in prvotno popolnoma opisala razpoke elementarnih delcev, ni odražala istih postulatov, če se je energija dvignila. Tako je bila stara teorija preračunana v drugo - teorija šibke interakcije, tokrat se je izkazalo za univerzalno. Čeprav je bila zgrajena na istih načelih kot druge teorije, ki opisujejo elektromagnetno interakcijo delcev. V sodobnem času obstajajo štiri preučene in dokazane temeljne interakcije, peto - na poti, se bo razpravljalo naprej. Vsi štirje - gravitacijski, močni, šibki, elektromagnetni - so zgrajeni na enem samem principu: sila, ki nastane med delci, je rezultat neke vrste izmenjave, ki jo opravi nosilec ali drugače - posrednik interakcije.

Kakšen pomočnik je to? To je foton - delec brez mase, kljub temu pa uspešno organizira elektromagnetno interakcijo zaradi izmenjave kvantnega števila elektromagnetnih valov ali kvantne svetlobe. Elektromagnetna interakcija se izvaja s pomočjo fotonov na področju polnjenih delcev, ki komunicirajo z določeno silo, in to ravno tisto, kar obravnava Coulombov zakon. Obstaja še en brezvodni delec - gluon, obstaja v osmih sortah, pomaga pri komuniciranju s kvarkami. Ta elektromagnetna interakcija je privlačnost med stroški in se imenuje močna. In šibke interakcije ne morejo storiti brez posrednikov, ki so postali delci z maso, poleg tega so masivni, to je težki. To so vmesni vektorski bozoni. Njihova masa in teža pojasnjujeta šibkost interakcije. Gravitacijska sila povzroči izmenjavo kvantov gravitacijskega polja. Ta elektromagnetna interakcija je privlačnost delcev, še ni bila dovolj raziskana, graviton še ni bil eksperimentiran, kvantna gravitacija pa nas ni popolnoma zaznala, zato ga še ne moremo opisati.

Peta moč

Preučili smo štiri tipe temeljnih interakcij: močni, šibki, elektromagnetni, gravitacijski. Interakcija je dejanje izmenjave delcev in ni mogoče storiti brez koncepta simetrije, ker ni interakcije, ki ni povezano z njim. Določa število delcev in njihovo maso. Z natančno simetrijo je masa vedno enaka nič. Torej, za foton in gluon ni mase, to je nič, tudi za graviton. In če je simetrija kršena, se bo masa nič ustavila. Tako imajo vmesni vektorski bisoni maso, ker je simetrija prekinjena. Te štiri temeljne interakcije pojasnjujejo vse, kar vidimo in čutimo. Preostale sile kažejo, da je njihova elektromagnetna interakcija sekundarna. Vendar pa je v letu 2012 prišlo do preboj v znanosti in odkril je še en delec, ki je takoj postal znan. Revolucijo v znanstvenem svetu je organizirala odkritje Higgsovega bozona, ki se je izkazal kot nosilec interakcij med leptoni in kvarki.

Zato fiziki zdaj pravijo, da se je pojavila peta sila, ki jo je posredoval Higgsov bozon. Simetrija je prav tako kršena: Higgsov bozon ima maso. Tako je število interakcij (ta beseda v sodobni fiziki delcev nadomesti z besedo "sila") dosegla pet. Morda čakamo na nova odkritja, ker ne vemo točno, ali obstaja več interakcij poleg teh. Zelo verjetno je, da model, ki ga trenutno razmišljamo, in ki se zdi, da zdaj popolnoma razlaga vse pojave v svetu, ni povsem popolna. In mogoče je, da se čez nekaj časa pojavijo nove interakcije ali nove sile. Takšna verjetnost obstaja, če le zato, ker smo se postopoma naučili, da obstajajo temeljne interakcije danes, močne, šibke, elektromagnetne in gravitacijske. Konec koncev, če obstajajo v naravi supersimetrični delci, ki so že govorili v znanstvenem svetu, to pomeni obstoj nove simetrije, simetrija pa vedno pomeni pojav novih delcev, posrednikov med njimi. Tako bomo slišali o prej neznani temeljni sili, saj je bila nekoč presenečena, ko je izvedela, da obstajajo, na primer, elektromagnetna, šibka interakcija. Naše znanje o lastni naravi je zelo nepopolno.

Povezava

Najbolj zanimiva stvar je, da mora vsaka nova interakcija nujno pripeljati do popolnoma neznanega pojava. Če na primer ne bi izvedeli o šibki interakciji, nikoli ne bi odkrili razpada, in če v našem znanju o propadu ni bilo, nobena študija o jedrski reakciji ne bi bila mogoča. In če nismo poznali jedrskih reakcij, ne bi razumeli, kako nam sonce sije. Navsezadnje, če ne bi bilo svetlobe, življenje na Zemlji pa se ne bi oblikovalo. Torej prisotnost interakcije kaže na to, da je to bistveno pomembno. Če ni bilo močne interakcije, ne bi bilo stabilnih atomskih jeder. Zahvaljujoč elektromagnetni interakciji, Zemlja prejme energijo iz Sonca in žarki svetlobe, ki prihajajo iz nje, segrejejo planet. In vse znane interakcije so nujno potrebne. Tukaj je Higgs, na primer. Higgsov bozon zagotavlja delec z maso skozi interakcijo s poljem, ne da bi ga ne bi preživeli. In kako lahko ostane na površini planeta brez gravitacijske interakcije? Bilo bi nemogoče ne samo za nas, ampak tudi za nič.

Absolutno vse interakcije, tudi tiste, ki jih še ne poznamo, so nujnost za vse, kar človek ve, razume in ljubi, obstajal. Kaj ne moremo vedeti? Da, veliko. Na primer, vemo, da je proton stabilen v jedru. Ta stabilnost je za nas zelo pomembna, v nasprotnem primeru ne bi bilo življenja na enak način. Vendar poskusi kažejo, da je življenjska doba protona časovno omejena količina. Dolga, seveda, 10 ³⁴ let. Toda to pomeni, da bo prej ali slej proton razpadel in za to bo potrebna nova sila, to je nova interakcija. Kar zadeva razpad protona, že obstajajo teorije, v katerih se domneva nova, precej višja stopnja simetrije, zato lahko obstaja nova interakcija, o kateri še ne vemo ničesar.

Velika združitev

V enotnosti narave je edino načelo konstrukcija vseh temeljnih interakcij. Mnogi ljudje imajo vprašanja o številu in razlogih za to določeno količino. Tukaj je zgrajeno veliko število izvedb, ki se v svojih sklepih zelo razlikujejo. Pojasnite prisotnost tako številnih temeljnih interakcij na vse vrste načinov, vendar vsi na koncu sestavljajo enotno načelo gradnje dokazov. Vedno najbolj raznolike vrste interakcij, ki jih raziskovalci poskušajo združiti v eno. Zato te teorije imenujemo teorije Velike združitve. Kot veje svetovnega drevesa: obstaja veliko vej, vendar je prtljažnik vedno eden.

Vse, ker obstaja ideja, ki združuje vse te teorije. Koren vseh znanih interakcij je samski, hranjenje ene debla, ki je zaradi izgube simetrije začelo razvejati in oblikovati različne temeljne interakcije, ki jih lahko opazujemo eksperimentalno. Te hipoteze še ni mogoče preveriti, ker zahteva fiziko izjemno visokih energij, ki so današnjim eksperimentom nedostopne. Možno je tudi, da teh energij nikoli ne bomo obvladali. Toda da bi se oviralo, je to mogoče.

Razen

Imamo vesolje, to naravno pospeševalo in vsi procesi, ki se pojavljajo v njej, omogočajo testiranje tudi najgloblje hipoteze o samem korenu vseh znanih interakcij. Druga zanimiva naloga razumevanja interakcij v naravi je morda še bolj zapletena. Treba je razumeti, kako se gravitacija nanaša na preostale sile narave. Ta temeljna interakcija je, kot da bi bila ločeno, kljub dejstvu, da je po načelu gradnje ta teorija podobna vsem drugim.

Einstein se je ukvarjal s teorijo gravitacije in se poskušal povezati z elektromagnetizmom. Kljub navidezni resničnosti reševanja tega problema teorija ni uspela. Zdaj človeštvo ve malo več, v vsakem primeru pa vemo o močni in šibki interakciji. In če bomo zdaj dokončali to eno samo teorijo, potem bo neizogibno vplivalo na pomanjkanje znanja. Do zdaj gravitacija ni bila enakovredna drugim interakcijam, saj se vsi držijo zakonov, ki jih narekuje kvantna fizika, in gravitacija ne. Glede na kvantno teorijo so vsi delci kvanti določenega polja. Ampak kvantna gravitacija ne obstaja, vsaj za zdaj. Vendar pa število že odprtih interakcij glasno pravi, da ne more biti nobene sheme.

Električno polje

Leta 1860 je veliki fizik devetnajstega stoletja, James Maxwell, uspel ustvariti teorijo, ki pojasnjuje elektromagnetno indukcijo. Ko se magnetno polje s časom spremeni, se na določeni točki v prostoru oblikuje električno polje. In če je v tem polju prisoten zaprti prevodnik, se v električnem polju pojavi indukcijski tok. S svojo teorijo o elektromagnetnih poljih Maxwell dokaže, da je tudi obratni proces verjeten: če se električno polje v določeni točki prostora spremeni v času, se bo nujno pojavilo magnetno polje. To pomeni, da lahko vsako spremembo časa magnetnega polja povzroči videz spremenljivega električnega polja in s spreminjanjem električne energije lahko dobimo spreminjanje magnetnega polja. Te spremenljivke, ki ustvarjajo polja drug drugemu, tvorijo eno polje - elektromagnetno.

Najpomembnejši rezultat, ki izhaja iz formul Maxwellove teorije, je napoved, da obstajajo elektromagnetni valovi, to je, razmnoževanje elektromagnetnih polj v času in prostoru. Vir elektromagnetnega polja so električni naboji, ki se premikajo s pospeševanjem. V nasprotju z zvočnimi (elastičnimi) valovi se elektromagnetni valovi lahko propagirajo v kateri koli snovi, tudi v vakuumu. Elektromagnetna interakcija v vakuumu se širi s hitrostjo svetlobe (c = 299.792 kilometrov na sekundo). Valovna dolžina je lahko drugačna. Elektromagnetni valovi od desetih tisoč do 0,005 metra so radijski valovi, ki nam služijo za prenos informacij, to je signale za določeno razdaljo brez žic. Radijske valove nastajajo pri visokih frekvencah, ki tečejo v anteni.

Kakšni so valovi

Če je valovna dolžina elektromagnetnega sevanja od 0,005 metra do 1 mikrometra, to je tistih, ki so v območju med radijskimi valovi in vidno svetlobo, infrardeče sevanje. Odpušča vsa ogrevana telesa: baterije, peči, žarnice. Posebne naprave pretvarjajo infrardeče sevanje v vidno svetlobo, da dobijo slike predmetov, ki oddajajo, tudi v absolutni temi. Vidna svetloba oddaja valove od 770 do 380 nanometrov v dolžino - od rdeče do vijolične. Ta del spektra ima zelo velik pomen za človeško življenje, saj z vizijo dobimo ogromen del informacij o svetu.

Če je elektromagnetno sevanje valovna dolžina manjša od vijoličaste barve, je ultravijolična, ki ubija patogene bakterije. X-žarki za oči niso vidni. Skoraj ne absorbirajo slojev snovi, ki so nepregledne za vidno svetlobo. Rentgensko sevanje diagnosticira bolezni notranjih organov človeka in živali. Če pride do elektromagnetnega sevanja zaradi interakcije elementarnih delcev in ga oddajajo vzburjena jedra, dobimo gama sevanje. To je najširši obseg v elektromagnetnem spektru, ker ni omejen na visoke energije. Gamma sevanje je lahko mehko in trdo: prehodi energije znotraj atomskih jeder so blagi in za jedrske reakcije je togo. Te kvante zlahka raztrgajo molekule, predvsem pa biološke. Velika sreča je, da gama sevanje ne more skozi atmosfero. Opazujte gama kvanto lahko iz vesolja. Pri ultrahitrih energijah se elektromagnetna interakcija propagira s hitrostjo, ki je blizu svetlobni svetlobi: gama kvanta zdrobi jedra atomov, jih razdeli v delce, ki letijo narazen. Ko zavirajo, oddajajo svetlobo na posebnih teleskopih.

Iz preteklosti v prihodnost

Elektromagnetni valovi, kot je bilo že omenjeno, napovedujejo Maxwell. On skrbno študiral in poskušal verjeti v matematiki nekoliko naivni slike Faradayeve, na katerih so upodobljeni magnetne in električne pojave. To je bil Maxwell odkrili pomanjkanje simetrije. In to mu je uspelo dokazati, število enačb, ki izmenično električno polje ustvarjajo magnetno in obratno. To ga je pripeljalo do verjamejo, da se takšna polja in odstranite iz so vodniki premakne skozi vakuum z nekaj velikan hitrosti. In on je ugotovil. Hitrost je bila blizu trohstam tisoč kilometrov na sekundo.

To je teorija interakcije in eksperiment. Primer je odprtina, skozi katero smo se naučili o obstoju elektromagnetnih valov. V njej so se zbrali s pomočjo fizike popolnoma heterogenih konceptov - magnetizma in elektrike, saj je fizični pojav istem vrstnem redu, le različne strani njem so v sporočilu. Teorije so razporejeni drug za drugim, in vsi so tesno povezane med seboj: teorija elektrošibke interakcije, na primer, če je enako stališče šibko jedrsko silo in elektromagnetno, itd Vse to združuje kvantnih kromodinamika, ki zajema močne in elektrošibke interakcije (tukaj, natančnost je opisan medtem nižja, vendar operacija nadaljuje). Intenzivno preučevali področjih, fizikov kot kvantne gravitacije in teorije strun.

ugotovitve

Izkazalo se je, da je prostor za nas obdaja popolnoma prežeta z elektromagnetnim sevanjem: zvezd in sonca, lune in drugih nebesnih teles, je Zemlja sama, in vsak telefon v rokah človeka, in antenske postaje - vse to oddaja elektromagnetne valove različnih imen . Odvisno od frekvence nihanja, ki izžareva predmet razlikujejo infrardečo radio, vidno svetlobo, biopolja žarki, rentgenske žarke in podobno.

Ko je elektromagnetno polje porazdeljeno, da postane elektromagnetno valovanje. To je preprosto neizčrpen vir energije, vibrira električnih nabojev od molekul in atomov. In če je naboj spreminja, je njena gibanje pospešeno, zato oddaja elektromagnetne valove. Če magnetnih sprememb na terenu, je polje navdušeni električnega vrtinca, ki v zameno, vznemirja polje magnetno vrtinčenja. Postopek gre skozi prostor, ki zajemajo eno točko za drugo.