Elektromagnetska interakcija čestica

Ovaj članak će razmotriti ono što se naziva silama prirode - temeljnom elektromagnetskom interakcijom i načelima na kojima se gradi. Također će se reći io mogućnostima postojanja novih pristupa proučavanju ove teme. Čak iu školi u nastavi fizike, učenici se suočavaju s objašnjenjem pojma "moći". Uče da snage mogu biti najrazličitije - sila trenja, sila privlačnosti, sila elastičnosti i tako dalje. Nisu svi od njih mogu biti nazvani temeljnim, jer vrlo često fenomen sile je sekundaran (sila trenja, na primjer, s njezinom interakcijom molekula). Elektromagnetska interakcija može također biti sekundarna, kao posljedica. Molekularna fizika navodi van der Waalsovu silu kao primjer. Mnogo primjera daje i fizika elementarnih čestica.

U prirodi

Želio bih doći do jezgre procesa koji se odvijaju u prirodi, kada djeluje na elektromagnetsku interakciju. Što je upravo ona temeljna sila koja određuje sve sekundarne sile koje je izgradila? Svatko zna da je elektromagnetska interakcija, ili, kako se još uvijek zove, električne sile, temeljna. To je naznačeno Coulombovim zakonom, koji ima svoju vlastitu generalizaciju, koja slijedi iz Maxwellovih jednadžbi. Potonji opisuju sve magnetska priroda i električnih sila. Zato se dokazuje da je interakcija elektromagnetskih polja temeljna sila prirode. Sljedeći primjer je sila gravitacije. Čak i školska djeca znaju o zakonu univerzalne gravitacije Isaaca Newtona, koji je također nedavno dobio pravilan generalizaciju Einsteinovih jednadžbi, te je, prema njegovoj teoriji gravitacije, sila elektromagnetskog međudjelovanja je od temeljne važnosti u prirodi, previše.

Jednom davno vjerovalo se da postoje samo dvije od tih temeljnih sila, ali znanost je napredovala, postupno dokazivši da to uopće nije slučaj. Na primjer, s otkrićem atomske jezgre morali smo uvesti koncept nuklearne sile, inače kako razumjeti načelo zadržavanja čestica unutar jezgre, zašto ne odletjeti u različitim smjerovima. Razumijevanje kako elektromagnetska interakcija djeluje u prirodi pomogla je mjeriti nuklearne sile, proučavati ih i opisati. Međutim, kasniji znanstvenici došli su do zaključka da su nuklearne snage sekundarne, i na mnogo načina podsjećaju na snage Van der Waala. Zapravo, samo one sile koje pružaju kvarke su stvarno temeljne, međusobno djelujući. Zatim, sekundarni efekt je interakcija elektromagnetskih polja između neutrona i protona u jezgri. Doista je temeljna interakcija kvarkova, koja zamjenjuju gluon. Tako je u prirodi otkrivena treća doista fundamentalna sila.

Nastavak ove priče

Elementarnih čestica propadanja, teška - na lakši, a njihova propadanja opisuje novu snagu elektromagnetskog međudjelovanja, koji je dobro pod nazivom - snagom slabe interakcije. Zašto slabo? Da, jer je elektromagnetska interakcija u prirodi puno jača. I opet, ispostavilo se da je teorija slabe interakcije, tako graciozno krenula na slici svijeta i izvorno savršeno opisuje propadanje elementarnih čestica, ne odražavaju iste postulate, ako se povećava energija. Tako je stara teorija preoblikovana u drugu - teoriju slabe interakcije, ovaj put se pokazalo univerzalnim. Iako je izgrađena na iste principe kao i druge teorije koje opisuju elektromagnetsku interakciju čestica. U modernim vremenima, postoje četiri studirao i dokazano temeljne interakcije, a peti - na putu, o njemu će doći. Sva četiri - gravitacijska, jak, slab, elektromagnetsko - izgrađene su na jednom principu: Sila koja se stvara između čestica je rezultat dijeljenja Provodi prijevoznika, ili na drugi način - posreduje interakciju.

Kakav je to pomoćnik? Ovo je foton - čestica bez mase, ali ipak uspješno uređuje elektromagnetsku interakciju zbog razmjene kvantnih elektromagnetskih valova ili kvantnog svjetla. Elektromagnetska interakcija provodi se pomoću fotona u polju nabijenih čestica, koje komuniciraju s određenom silom, a upravo je to ono što Coulombov zakon tretira. Postoji još jedna čestica bez masom - gluon, postoji u osam varijanti, pomaže u komuniciranju kvarkova. Ova elektromagnetska interakcija je atrakcija između naboja i zove se jaka. Da, i slaba interakcija ne bez posrednika, čime čeličnih čestica s masom, štoviše, oni su masivni, tj teški. To su međusobni vektorski bozoni. Njihova masa i težina objašnjavaju slabost interakcije. Gravitacijska sila proizvodi razmjenu kvage gravitacijskog polja. To je atrakcija elektromagnetske interakcije čestica, to još uvijek nije dovoljno proučavao, čak i graviton eksperimentalno još nije otkriven, a kvantna gravitacija nismo baš tu, i samo zato moramo ga mogu opisati, ali nije.

Peta snaga

Ispitali smo četiri vrste temeljnih interakcija: jaka, slaba, elektromagnetska, gravitacijska. Interakcija je čin razmjene čestica, a nema pojma simetrije jer nema interakcije koja nije povezana s njom. Određuje broj čestica i njihovu masu. S točno simetričnošću, masa je uvijek nula. Dakle, foton i gluon nemaju masu, to je nula, čak iu gravitonu. A ako se krši simetrija, masa nulte prestaje. Dakle, srednji vektorski bisoni imaju masu, jer je slomljena simetrija. Ove četiri temeljne interakcije objašnjavaju sve što vidimo i osjećamo. Ostali snage kažu da je njihova elektromagnetska interakcija sekundarna. Međutim, u 2012 je došlo do prodora u znanosti i drugu česticu je otkriveno da je odmah postao poznat. Revolucija u znanstvenom svijetu organizirana je otkrićem Higgsova bozona, koji je, kako se ispostavilo, služi i kao nositelj interakcija između leptona i kvarkova.

Zato sada fizičari govore da se pojavila peta sila, posredovana Higgsovim bozonom. Simetrija je također prekinuta ovdje: Higgs boson ima masu. Tako je broj interakcija (riječ u modernoj fizici čestica zamjenjuje se riječju „sila”) dosegao pet. Možda čekamo nova otkrića jer ne znamo postoji li više interakcija osim ovih. Vrlo je moguće da smo izgradili, a danas ovaj model, to bi savršeno izgledaju objašnjava sve pojave uočene u svijetu, a nije sasvim potpun. I možda, nakon nekog vremena, pojavit će se nove interakcije ili nove sile. Vjerojatnost takva postoji barem zato što smo vrlo postupno naučili da su trenutno poznati temeljne interakcije - jake, slabe, elektromagnetsko, gravitacijsko. Uostalom, ako postoji u prirodi supersimetrične čestica, koje se spominju u znanstvenom svijetu, to znači da je postojanje novog simetrije i simetrija uvijek podrazumijeva nastanak novih čestica koje posreduju između njih. Dakle, čujemo od prethodno nepoznatom temeljne sile, kao što je nekad bio iznenađen kako bi saznali da postoje, na primjer, elektromagnetske, slabe interakcije. Naše poznavanje vlastite prirode vrlo je nepotpuno.

međusobne povezanosti

Najzanimljivije je da svaka nova interakcija mora nužno dovesti do potpuno nepoznate pojave. Na primjer, ako nismo saznali o slaboj interakciji, nikada ne bismo otkrili propadanje, a ako u našem znanju nije bilo propadanja, ne bi bilo moguće proučiti nuklearnu reakciju. A ako ne znamo nuklearne reakcije, ne bismo razumjeli kako sunce zasja za nas. Uostalom, ako nije sjao, a život na Zemlji ne bi se formirao. Dakle, prisutnost interakcije sugerira da je to vitalno važno. Ako nije bilo jake interakcije, a niti atomske jezgre ne bi bile stabilne. Zahvaljujući elektromagnetskoj interakciji Zemlja dobiva energiju od Sunca, a zrake svjetlosti koje dolaze iz njega zagrijavaju planet. A sve nam poznate interakcije su apsolutno nužne. Evo Higgsa, na primjer. Higgsov bozon daje masu česticu kroz interakciju s poljem, bez njega ne bismo preživjeli. A kako možemo ostati na površini planete bez gravitacijske interakcije? Bilo bi nemoguće ne samo za nas, već i za ništa.

Apsolutno sve interakcije, čak i one koje još ne poznajemo, nužne su za sve što čovječanstvo zna, razumije i voli, postojalo. Što ne možemo znati? Da, mnogo. Na primjer, znamo da je protton stabilan u jezgri. Ova je stabilnost vrlo važna za nas, inače ne bi bilo života na isti način. Ipak, eksperimenti ukazuju da je život protona vremenski ograničen. Dugo, naravno, 10³⁴ godine. Ali to znači da će se prije ili kasnije proton raspadati i za to će potrajati neka nova sila, to jest nova interakcija. Što se tiče propadanja protona već postoje teorije u kojima se pretpostavlja novi, mnogo veći stupanj simetrije, stoga može postojati nova interakcija o kojoj još ne znamo ništa.

Velika ujedinjenja

U jedinstvu prirode jedino je načelo izgradnja svih temeljnih interakcija. Mnogi ljudi imaju pitanja o broju njih i razlozima za tu određenu količinu. Ovdje postoji velik broj verzija, a oni su vrlo različiti u svojim zaključcima. Objasnite postojanje samo takvih brojnih temeljnih interakcija na sve načine, ali svi oni završavaju s jednim principom izgradnje dokaza. Uvijek najrazličitije vrste istraživača interakcije pokušavaju se kombinirati u jednu. Stoga se takve teorije nazivaju teorijama Velikog Ujedinjenja. Poput stabla svijeta grananja: ima mnogo grana, a deblo je uvijek jedno.

Sve zato što postoji ideja koja ujedinjuje sve te teorije. Korijen svih poznatih interakcija jednog hranjenja prtljažnik, koji je zbog gubitka simetrije počela granati i formirati različite temeljne interakcije, koje možemo promatrati eksperimentalno. Ova hipoteza nije mogla biti potvrđena još, jer je nedostupan danas zahtijeva iznimno visoku energetsku fiziku, eksperimente. Također je moguće da nikad nećemo ovladati ovim energijama. No kako bi se ometao ovaj pothvat je sasvim moguće.

osim

Imamo Svemir, ovaj prirodni akcelerator, a svi procesi koji se pojavljuju u njemu omogućuju testiranje i najdjelotvornijih hipoteza o jednom korijenu svih poznatih interakcija. Još jedna zanimljiva zadaća razumijevanja interakcija u prirodi je, možda, još složenija. Potrebno je razumjeti kako se gravitacija odnosi na ostale sile prirode. Ova temeljna interakcija je zasebno, unatoč činjenici da je ova teorija, prema načelu gradnje, slična svim ostalima.

Einstein se bavio teorijom gravitacije, nastojeći ga povezati s elektromagnetizmom. Unatoč činjenici stvarnosti rješavanja ovog problema, teorija se uopće nije dogodila. Sada čovječanstvo zna malo više, u svakom slučaju znamo o snažnoj i slaboj interakciji. A ako sada dovršimo ovu jedinstvenu teoriju, tada će se neizbježno utječe nedostatak znanja. Do sada gravitacija nije bila usporedba s drugim interakcijama, budući da svi poštuju zakone koje diktiraju kvantna fizika, a gravitacija ne. Prema kvantnoj teoriji, sve čestice su kvantne vrijednosti određenog polja. Ali kvantna gravitacija ne postoji, barem još nije. Međutim, broj već otvorenih interakcija glasno ponavlja da ne postoji jedinstvena shema.

Električno polje

Još davne 1860. godine velika fizika Devetnaestog stoljeća James Maxwell je uspio stvoriti teoriju koja objašnjava elektromagnetsku indukciju. Kada se magnetsko polje mijenja s vremenom, na određenoj točki u prostoru nastaje električno polje. A ako se na ovom polju pronađe zatvoreni vodič, na električnom polju pojavljuje se indukcijska struja. Svojom teorijom elektromagnetskih polja Maxwell dokazuje da je obrnuti postupak također moguć: ako se električno polje u određenoj točki prostora promijeni u vremenu, nužno će se pojaviti magnetsko polje. Dakle, svaka promjena u vremenu magnetskog polja može biti uzrokovana pojavom promjenjivog električnog polja, a promjenom električnog može se dobiti različito magnetsko polje. Te varijable, koje generiraju polja jedni drugima, tvore jedno polje - elektromagnetsko polje.

Najvažniji rezultat, koji slijedi iz formule Maxwellove teorije, jest predviđanje da postoje elektromagnetski valovi, tj. Širenje elektromagnetskih polja u vremenu i prostoru. Izvor elektromagnetskog polja je ubrzavanje električnih naboja. Za razliku od zvučnih (elastičnih) valova, elektromagnetski valovi mogu se širiti u bilo kojoj tvari, čak iu vakuumu. Elektromagnetska interakcija u vakuumu propagira brzinom svjetlosti (c = 299.792 km / s). Valna duljina može biti različita. Elektromagnetski valovi od deset tisuća metara do 0,005 metara su radio valovi koji nam služe za prijenos informacija, to jest signali za određenu udaljenost bez žica. Radio valovi su generirani strujom na visokim frekvencijama, koji teče u anteni.

Koji su valovi

Ako je valna duljina elektromagnetskog zračenja od 0.005 metara do 1 mikrometra, to jest one koje su u rasponu između radio valova i vidljive svjetlosti, to je infracrveno zračenje. Emitira sva zagrijana tijela: baterije, peći, žarulje sa žarnom niti. Posebni instrumenti pretvaraju infracrveno zračenje u vidljivo svjetlo kako bi dobili slike objekata koji ga emitiraju, čak iu apsolutnoj tami. Vidljiva svjetlost emitira valove duljine od 770 do 380 nanometara - od crvene do ljubičaste boje. Ovaj dio spektra ima veliku važnost za ljudski život, jer imamo veliki dio informacija o svijetu uz pomoć vizije.

Ako je elektromagnetsko zračenje ima valnu duljinu manju od ljubičaste boje je ultraljubičasto svjetlo koje ubija bakterije. X-zrake u oku nisu vidljive. Skoro ne apsorbiraju slojeve materije koje su neprozirne na vidljivu svjetlost. Rendgensko zračenje dijagnosticira bolesti unutarnjih organa čovjeka i životinja. Ako elektromagnetsko zračenje proizlazi iz interakcije elementarnih čestica i emitira uzbudljiva jezgra, dobiva se gama zračenje. Ovo je najširi spektar u elektromagnetskom spektru, jer nije ograničen na visoke energije. Gama zračenje može biti mekan i tvrd: energetske prijelaze unutar atomske jezgre - meke, te u nuklearnim reakcijama - kruta. Ove kvage lako razgrađuju molekule, a osobito biološke. Velika je sreća da gama zračenje ne može proći kroz atmosferu. Pratite kako gama kvant može biti iz svemira. Na vrlo visokim energijama je elektromagnetsko međudjelovanje širi brzinom blizu svjetlosti: gamma atoma kvanti simpatiju nucleus ih razbije u čestice, raspršenja u različitim smjerovima. Pri kočenju, emitiraju svjetlost vidljivima u posebnim teleskopima.

Od prošlosti do budućnosti

Elektromagnetski valovi, kao što je već spomenuto, predviđaju Maxwell. Pažljivo je proučavao i pokušao vjerovati matematici malo naivne slike Faradaja, na kojima su prikazane magnetske i električne pojave. Maxwell je otkrio nedostatak simetrije. I to je onaj koji je uspio dokazati brojnim jednadžbama da varijabilna električna polja generiraju magnetska polja i obrnuto. To ga je potaknulo da pomisli kako se takva polja odvajaju od dirigenata i kreću se kroz vakuum pri nekoj ogromnoj brzini. I shvatio je. Brzina je bila blizu tristo tisuća kilometara u sekundi.

Na taj način teorija i eksperiment međusobno djeluju. Primjer je otkriće zahvaljujući čemu smo saznali o postojanju elektromagnetskih valova. U to je došao zajedno uz pomoć fizike apsolutno heterogenim koncepata - magnetizma i elektriciteta, kao što je fizički fenomen istim redoslijedom, samo različite strane to su u komunikaciji. Teorije su postavljeni jedan iza drugoga, i svi od njih su usko povezane jedna s drugom: teorija electroweak interakcije, na primjer, gdje je ista pozicija opisao slabe nuklearne sile i elektromagnetski, itd Sve to kombinira kvantne kromodinamika, pokrivajući jake i electroweak interakcije (ovdje, točnosti dok je ispod, ali posao se nastavlja). Intenzivno proučavani su takva područja fizike kao kvantna gravitacija i teorija niza.

nalazi

Ispada da je prostor koji nas okružuje u potpunosti prožet elektromagnetskog zračenja: zvijezda i sunca, Mjeseca i drugih nebeskih tijela, ona je sama Zemlja, i svaki telefon u rukama čovjeka, a antena stanice - sve to emitira elektromagnetske valove različitih imena , Ovisno o frekvenciji oscilacije, koje zrači predmet razlikuju infracrveno, radio, vidljivu svjetlost, bio-polje zrake, X-zrake i slično.

Kada se elektromagnetsko polje širi, postaje elektromagnetskim valom. Ovaj izvor energije jednostavno je neiscrpan, uzrokujući oscilirajući električni naboj molekula i atoma. A ako naboj oscilira, njegovo gibanje dobiva ubrzanje, i stoga emitira elektromagnetski val. Ako se promijeni magnetsko polje, uzbudi se električno polje vortexa, što zauzvrat potiče magnetsko polje vortexa. Proces ide kroz prostor, pokrivajući jednu točku za drugim.