Електромагнитно взаимодействие на частиците

Тази статия ще разгледа това, което се нарича природните сили - фундаменталното електромагнитно взаимодействие и принципите, на които е изграден. Ще бъде разказано и за възможностите за съществуване на нови подходи към изучаването на тази тема. Дори в уроците по физика студентите се изправят пред обяснение на понятието "сила". Те научават, че силите могат да бъдат най-различни - силата на триене, силата на привличане, силата на еластичността и т.н. Не всички от тях могат да бъдат наречени фундаментални, защото много често явлението сила е вторично (фрикционна сила, например, с взаимодействието на молекулите). Електромагнитното взаимодействие може да бъде и вторично, вследствие на това. Молекулярната физика цитира ван дер Ваалс като пример. Много примери дават и физиката на елементарните частици.

В природата

Бих искал да стигна до сърцевината на процесите, които се случват в природата, когато принуждава електромагнитното взаимодействие да работи. Какво точно е основната сила, която определя всички вторични сили, изградени от нея? Всеки знае, че електромагнитното взаимодействие или, както все още се нарича, електрическите сили, е от съществено значение. Това е показано от закона Coulomb, който има своя собствена генерализация, която следва от уравненията на Максуел. Последните описват всичко природа магнитен и електрически сили. Ето защо се доказва, че взаимодействието на електромагнитните полета е фундаменталните сили на природата. Следващият пример е силата на гравитацията. Дори учениците знаят за закона за всемирното привличане Исак Нютон, който също наскоро се сдоби правилно обобщение на уравненията на Айнщайн, и според неговата теория на гравитацията, силата на електромагнитното взаимодействие е от основно значение в природата, също.

Веднъж се смяташе, че има само две от тези фундаментални сили, но науката се движи напред, като постепенно доказва, че това изобщо не е така. Например, с откриването на атомното ядро, трябваше да въведем концепцията за ядрена сила, иначе как да разберем принципа на задържането на частиците вътре в ядрото, защо те не отлетят в различни посоки. Разбирането как електромагнитното взаимодействие работи в природата помогна за измерването на ядрените сили, за изучаването и описването. По-късно обаче учените стигат до извода, че ядрените сили са вторични и в много отношения приличат на силите на Ван дер Ваалс. Всъщност само силите, които осигуряват кварките, са наистина фундаментални, взаимодействащи помежду си. След това вторичен ефект е взаимодействието на електромагнитните полета между неутроните и протоните в ядрото. Наистина фундаментално е взаимодействието на кварките, които обменят глуони. По този начин в природата е открита трета наистина фундаментална сила.

Продължаване на тази история

Елементарни частици разпад, тежък - на по-леки, и техния разпад описва новия силата на електромагнитното взаимодействие, което е добре, наречен - силата на слабото взаимодействие. Защо слаб? Да, защото електромагнитното взаимодействие в природата е много по-силно. И пак се оказа, че теорията на слабите взаимодействия, така грациозно се качили в картината на света и първоначално перфектно описва упадъка на елементарни частици, не отразяват същите постулати, ако енергията се увеличава. Така че старата теория е преработена в друга - теорията за слабото взаимодействие, този път се оказа универсален. Въпреки, че е изграден на същите принципи като другите теории, описващи електромагнитното взаимодействие на частиците. В съвременните времена има четири изследвани и доказани фундаментални взаимодействия, а петият - по пътя, ще бъде обсъден напред. Всички четири - гравитационната, силен, слаб, електромагнитни - са изградени на един принцип: силата, генерирана между частиците е резултат от носител за споделяне приложени, или по друг начин - медиират взаимодействие.

Какъв е помощникът? Това е фотон - частица без маса, но въпреки това успешно подрежда електромагнитното взаимодействие, дължащо се на обмен на квантово електромагнитни вълни или квантова светлина. Електромагнитното взаимодействие се осъществява с помощта на фотони в областта на заредените частици, които комуникират с определена сила и точно това се отнася до закона на Кулъм. Има още една безкална частица - глутон, съществува в осем разновидности, помага да се общуват кварките. Това електромагнитно взаимодействие е атракция между зарядите и се нарича силно. Да, и слабо взаимодействие това не става без посредници, които стават частици с маса, освен това са масивни, тоест тежки. Това са междинни векторни бозони. Тяхната маса и тегло обясняват слабостта на взаимодействието. Гравитационната сила произвежда обмен на кванти на гравитационното поле. Това електромагнитно взаимодействие е привличане на частици, все още не е достатъчно изучено, дори не е експериментално открито още експериментално и квантовата гравитация не е напълно възприета от нас, поради което все още не можем да го опишем.

Пета сила

Разгледахме четири типа фундаментално взаимодействие: силни, слаби, електромагнитни, гравитационни. Взаимодействието е акт на обмен на частици и няма начин да се направи без концепцията за симетрия, тъй като няма взаимодействие, което не е свързано с него. Той определя броя на частиците и тяхната маса. При точна симетрия масата е винаги нула. Така че фотонът и глуонът нямат маса, нулата е в гравитацията. И ако симетрията бъде нарушена, масата на нула ще престане. Така, междинните векторни бисончета имат маса, защото симетрията е счупена. Тези четири фундаментални взаимодействия обясняват всичко, което виждаме и чувстваме. Останалите сили твърдят, че тяхното електромагнитно взаимодействие е второстепенно. През 2012 г. обаче имаше пробив в науката и още една частица беше открита, която веднага стана известна. Революцията в научния свят се организира от откриването на богона Хигс, който, както се оказал, също служи като носител на взаимодействия между лептоните и кварките.

Ето защо физиците сега казват, че се появява пета сила, медиирана от бог на Хигс. Симеметрията също е разбита тук: богът на Хигс има маса. По този начин броят на взаимодействията (тази дума в съвременната физика на частиците се заменя с думата "сила") е достигнала пет. Може би очакваме нови открития, защото не знаем точно дали има повече взаимодействия освен тях. Възможно е моделът, който вече обмислихме и който вече изглежда напълно да обяснява всички явления, наблюдавани в света, да не е напълно завършен. И може би след известно време ще се появят нови взаимодействия или нови сили. Такава вероятност съществува, само защото постепенно сме научили, че съществуват фундаментални взаимодействия, познати днес - силни, слаби, електромагнитни и гравитационни. В крайна сметка, ако в природата има суперсиметрични частици, които вече се говорят в научния свят, това означава съществуването на нова симетрия, а симетрията винаги води до появата на нови частици, посредници между тях. По този начин ще чуем за неизвестна преди това фундаментална сила, тъй като веднъж беше изненадана да научи, че има, например, електромагнитно, слабо взаимодействие. Нашето познание за собствената ни природа е много непълно.

взаимна свързаност

Най-интересното е, че всяко ново взаимодействие трябва задължително да доведе до напълно неизвестен феномен. Например, ако не научихме за слабото взаимодействие, никога нямаше да открием гниенето и ако нямаше познания за разпад, нямаше да може да се направи проучване на ядрената реакция. И ако не познавахме ядрените реакции, нямаше да разберем как слънцето грее за нас. В края на краищата, ако не свети, и животът на Земята нямаше да се оформи. Така че наличието на взаимодействие предполага, че това е жизненоважно. Ако няма силно взаимодействие и никакви атомни ядра не биха били стабилни. Благодарение на електромагнитното взаимодействие, Земята получава енергия от Слънцето и лъчите от светлина, идващи от него, затоплят планетата. И всички познати ни взаимодействия са абсолютно необходими. Ето и Хигс, например. Хигс бозонът осигурява частицата с маса чрез взаимодействие с полето, без да не оцеляваме. И как можем да останем на повърхността на планетата без гравитационно взаимодействие? Би било невъзможно не само за нас, но и за нищо.

Абсолютно всички взаимодействия, дори тези, които все още не знаем, са необходимост за всичко, което човечеството знае, разбира и обича, съществува. Какво не можем да знаем? Да, много. Например, ние знаем, че протона е стабилен в ядрото. Тази стабилност е много важна за нас, иначе няма да има живот по същия начин. Експериментите обаче показват, че животът на протона е ограничен във времето. Дълго, разбира се, 10³⁴ години. Но това означава, че рано или късно протонът ще се разпадне и затова ще се наложи нова сила, т.е. ново взаимодействие. Що се отнася до разпадането на протона, вече съществуват теории, при които се приема нова, много по-висока степен на симетрия, поради което може да съществува ново взаимодействие, за което все още не знаем нищо.

Голямо обединение

В единството на природата единственият принцип е изграждането на всички фундаментални взаимодействия. Много хора имат въпроси относно броя им и причините за това конкретно количество. Има голям брой версии, изградени тук, и те са много различни в заключенията си. Обяснете съществуването на толкова много фундаментални взаимодействия по всякакъв начин, но всички те завършват с един принцип за изграждане на доказателства. Винаги най-разнообразните видове взаимодействия, които изследователите се опитват да комбинират в едно. Ето защо такива теории се наричат ​​теории за Великата обединение. Като световно дърво разклоняване: има много клонове, и багажника винаги е едно.

Всичко, защото има идея, обединяваща всички тези теории. Коренът на всички известни взаимодействия е единичен, захранващ един багаж, който в резултат на загубата на симетрия започва да се разклонява и формира различни фундаментални взаимодействия, които ние можем експериментално да наблюдаваме. Тази хипотеза все още не може да бъде проверена, защото изисква физики с невероятно високи енергии, които са недостъпни за днешните експерименти. Също така е възможно никога да не можем да овладеем тези енергии. Но за да преодолеете това препятствие е съвсем възможно.

отделно

Ние имаме Вселената, този естествен ускорител, и всички процеси, които се случват в него, правят възможно да се тестват дори най-дръзките хипотези за единствения корен на всички известни взаимодействия. Друга интересна задача за разбиране на взаимодействията в природата е може би още по-сложна. Необходимо е да се разбере как гравитацията се отнася до останалите сили на природата. Това фундаментално взаимодействие стои като отделно, въпреки факта, че според принципа на конструиране тази теория е подобна на всички останали.

Айнщайн се занимаваше с теорията на гравитацията, опитвайки се да я свърже с електромагнетизма. Въпреки привидната реалност на решаването на този проблем, теорията изобщо не работи. Сега човечеството знае малко повече, във всеки случай знаем за силно и слабо взаимодействие. И ако сега завършим тази унифицирана теория, неизбежно ще бъде засегната липсата на знание. Досега гравитацията не е била сравнена с други взаимодействия, тъй като всички се подчиняват на законите, продиктувани от квантовата физика, и гравитацията не е така. Според квантовата теория всички частици са кванти на определено поле. Но квантовата гравитация не съществува, поне все още не. Въпреки това, броят на вече отворените взаимодействия силно повтаря, че не може да има нито една схема.

Електрическо поле

Още през 1860 година страхотна физика Двадесети век Джеймс Максуел успява да създаде теория, която обяснява електромагнитната индукция. Когато магнитното поле се променя с времето, в определена точка в пространството се образува електрическо поле. И ако в тази област се намери затворен проводник, в електрическото поле се появява индукционен ток. С теорията си за електромагнитните полета Максуел доказва, че обратният процес също е вероятно: ако електрическото поле в определена точка от пространството се променя във времето, непременно ще се появи магнитно поле. Следователно, всяка промяна във времето на магнитното поле може да бъде причинена от появата на променящо се електрическо поле и чрез смяна на електрическото може да се получи променливо магнитно поле. Тези променливи, които генерират полета помежду си, образуват едно поле - електромагнитното поле.

Най-важният резултат, който произтича от формулите на теорията на Максуел, е прогнозата, че съществуват електромагнитни вълни, т.е. разпространение на електромагнитни полета във времето и пространството. Източникът на електромагнитното поле е ускоряване на електрическите заряди. За разлика от звуковите (еластични) вълни, електромагнитните вълни могат да се разпространяват във всяко вещество, дори във вакуум. Електромагнитното взаимодействие във вакуум се разпространява със скоростта на светлината (c = 299,792 километра в секунда). Дължината на вълната може да бъде различна. Електромагнитни вълни от десет хиляди метра до 0.005 метра са радиовълни, които ни служат за предаване на информация, т.е. сигнали за определено разстояние без никакви кабели. Радио вълните се генерират от ток при високи честоти, които протичат в антената.

Какви са вълните

Ако дължината на вълната на електромагнитното лъчение е от 0.005 метра до 1 микрометър, тоест тези, които са в диапазона между радиовълните и видимата светлина, това е инфрачервено лъчение. Излъчва всички отопляеми тела: батерии, пещи, лампи с нажежаема жичка. Специалните инструменти превръщат инфрачервеното лъчение в видима светлина, за да получат изображения на обекти, които го излъчват, дори и в абсолютна тъмнина. Видимата светлина излъчва вълни от дължина от 770 до 380 нанометра - се превръща от червено до виолетово. Тази част от спектъра има голямо значение за човешкия живот, защото получаваме огромна част от информацията за света с помощта на визия.

Ако електромагнитното лъчение има дължина на вълната по-малка от виолетовия цвят, то е ултравиолет, който убива патогенните бактерии. Рентгеновите лъчи към очите не се виждат. Те почти не абсорбират слоеве от материя, които са непрозрачни за видимата светлина. Рентгеновото излъчване диагностицира заболявания на вътрешните органи на човека и животните. Ако електромагнитното излъчване възниква от взаимодействието на елементарните частици и се излъчва от възбудени ядра, се получава гама лъчение. Това е най-широкият обхват в електромагнитния спектър, тъй като той не се ограничава до високи енергии. Радиацията на гама може да бъде мека и твърда: енергийните преходи вътре в атомните ядра са леки, а за ядрените реакции е твърда. Тези кванти лесно разкъсват молекулите и биологичните, особено. Това е голямо щастие, че гама-лъчението не може да мине през атмосферата. Наблюдавайте, че гама кванти може да бъде от пространството. При ултра високи енергии, електромагнитното взаимодействие се разпространява със скорост, близка до тази на светлината: гама кванти смачкват ядрените ядра и ги разбиват в частици, които се разпадат. При спиране те излъчват светлина в специални телескопи.

От миналото до бъдещето

Електромагнитните вълни, както вече беше споменато, се предсказват от Максуел. Той внимателно учи и се опита да вярва математиката леко наивни снимки на Фарадей, на които са изобразени магнитни и електрически феномени. Максуел беше открил липсата на симетрия. И той успя да докаже чрез редица уравнения, че променливите електрически полета генерират магнитни полета и обратно. Това го накара да мисли, че такива полета се отделят от проводниците и се движат през вакуума с някаква гигантска скорост. И той го измисли. Скоростта беше близо до триста хиляди километра в секунда.

Така взаимодействат теорията и експеримента. Пример за това е откритието, благодарение на което научихме за съществуването на електромагнитни вълни. Тя обединява с помощта на физиката напълно разнородни понятия - магнетизъм и електричество, защото този физически феномен е от същия ред, а неговите различни страни са в взаимодействие. Теориите са разположени един зад друг, както и всички от тях са тясно свързани помежду си: теорията на електрослабата взаимодействие, например, когато една и съща позиция, описана от слабата ядрена сила и електромагнитни и т.н. Всичко това съчетава квантовата хромодинамика, обхващаща силни и електрослабите взаимодействия (тук, точност докато по-долу, но работата продължава). Интензивно са изследвани такива области на физиката като квантовата гравитация и теорията на струните.

данни

Оказва се, че пространството около нас напълно проникнато електромагнитно излъчване: звездите и слънцето, луната и други небесни тела, то е самата Земя и всеки телефон в ръцете на човек, и антенни станции - всичко това излъчва електромагнитни вълни с различни имена , В зависимост от честотата на трептенията, който излъчва обекта различават инфрачервени, радио, видима светлина, био-поле лъчи, рентгенови лъчи и други подобни.

Когато се разпространява електромагнитно поле, то става електромагнитна вълна. Този източник на енергия е просто неизчерпаем, причинявайки електрическите заряди на молекулите и атомите да се колебаят. И ако зарядът осцилира, движението му се ускорява и следователно излъчва електромагнитна вълна. Ако магнитното поле се промени, електрическото поле на вихъра се възбужда, което на свой ред вълнува вихровото магнитно поле. Процесът минава през пространство, обхващайки една точка след друга.