Artikel ini akan mempertimbangkan apa yang dipanggil kuasa alam semula jadi - interaksi elektromagnet asas dan prinsip ia dibina. Ia juga akan membincangkan tentang kemungkinan kewujudan pendekatan baru untuk kajian topik ini. Malah di sekolah, dalam pelajaran fizik, pelajar berhadapan dengan penjelasan tentang konsep "daya". Mereka belajar bahawa daya boleh menjadi sangat pelbagai - daya geseran, daya tarikan, daya keanjalan dan banyak lagi seperti itu. Tidak semuanya boleh dipanggil asas, kerana selalunya fenomena daya adalah sekunder (daya geseran, contohnya, dengan interaksi molekulnya). Interaksi elektromagnet juga boleh menjadi sekunder - sebagai akibatnya. Fizik molekul memetik daya Van der Waals sebagai contoh. Fizik zarah juga menyediakan banyak contoh.
Di alam semula jadi
Saya ingin mengetahui bahagian bawah proses yang berlaku di alam semula jadi, apabila ia menjadikan interaksi elektromagnet berfungsi. Apakah sebenarnya daya asas yang menentukan semua daya sekunder yang telah dibinanya?Semua orang tahu bahawa interaksi elektromagnet, atau, kerana ia juga dipanggil, daya elektrik, adalah asas. Ini dibuktikan oleh undang-undang Coulomb, yang mempunyai generalisasi sendiri berikutan daripada persamaan Maxwell. Yang terakhir menerangkan semua daya magnet dan elektrik yang wujud dalam alam semula jadi. Itulah sebabnya telah terbukti bahawa interaksi medan elektromagnet adalah daya asas alam semula jadi. Contoh seterusnya ialah graviti. Malah pelajar sekolah tahu tentang undang-undang graviti universal Isaac Newton, yang juga baru-baru ini menerima generalisasi sendiri oleh persamaan Einstein, dan, menurut teori gravitinya, daya interaksi elektromagnet dalam alam semula jadi ini juga asas.
Pada suatu masa dahulu, dianggap hanya dua kuasa asas ini wujud, tetapi sains telah bergerak ke hadapan, secara beransur-ansur membuktikan bahawa ini tidak sama sekali. Sebagai contoh, dengan penemuan nukleus atom, adalah perlu untuk memperkenalkan konsep daya nuklear, jika tidak, bagaimana untuk memahami prinsip mengekalkan zarah di dalam nukleus, mengapa mereka tidak terbang ke arah yang berbeza. Memahami cara daya elektromagnet berfungsi dalam alam semula jadi telah membantu mengukur, mengkaji dan menerangkan daya nuklear. Walau bagaimanapun, saintis kemudian membuat kesimpulan bahawa kuasa nuklear adalah sekunder dan dalam banyak cara serupa dengan kuasa van der Waals. Sebenarnya, hanya kuasa yang disediakan oleh quark dengan berinteraksi antara satu sama lain adalah benar-benar asas. Kemudian sudah - kesan sekunder - adalah interaksi medan elektromagnet antara neutron dan proton dalam nukleus. Benar-benar asas ialah interaksi kuark yang menukar gluon. Demikianlahkuasa asas ketiga yang ditemui dalam alam semula jadi.
Sambungan cerita ini
Zarah asas mereput, yang berat - menjadi yang lebih ringan, dan pereputannya menggambarkan daya baharu interaksi elektromagnet, yang dipanggil begitu sahaja - daya interaksi yang lemah. kenapa lemah? Ya, kerana interaksi elektromagnet dalam alam adalah lebih kuat. Dan sekali lagi, ternyata teori interaksi yang lemah ini, yang begitu harmoni memasuki gambaran dunia dan pada mulanya dengan cemerlang menggambarkan pereputan zarah asas, tidak mencerminkan postulat yang sama jika tenaga meningkat. Itulah sebabnya teori lama diolah semula menjadi yang lain - teori interaksi yang lemah, kali ini ternyata universal. Walaupun ia dibina berdasarkan prinsip yang sama seperti teori lain yang menggambarkan interaksi elektromagnet zarah. Pada zaman moden, terdapat empat interaksi asas yang dikaji dan terbukti, dan yang kelima sedang dalam perjalanan, ia akan dibincangkan kemudian. Keempat-empat - graviti, kuat, lemah, elektromagnet - dibina berdasarkan satu prinsip: daya yang timbul antara zarah adalah hasil daripada beberapa pertukaran yang dilakukan oleh pembawa, atau sebaliknya - pengantara interaksi.
Pembantu jenis apakah ini? Ini adalah foton - zarah tanpa jisim, tetapi bagaimanapun berjaya membina interaksi elektromagnet disebabkan oleh pertukaran kuantum gelombang elektromagnet atau kuantum cahaya. Interaksi elektromagnet dijalankanmelalui foton dalam bidang zarah bercas yang berkomunikasi dengan daya tertentu, inilah yang ditafsirkan oleh undang-undang Coulomb. Terdapat satu lagi zarah tidak berjisim - gluon, terdapat lapan jenisnya, ia membantu quark berkomunikasi. Interaksi elektromagnet ini adalah tarikan antara cas, dan ia dipanggil kuat. Ya, dan interaksi yang lemah tidak lengkap tanpa perantara, yang merupakan zarah dengan jisim, lebih-lebih lagi, mereka besar-besaran, iaitu berat. Ini adalah boson vektor perantaraan. Jisim dan berat mereka menerangkan kelemahan interaksi. Daya graviti menghasilkan pertukaran kuantum medan graviti. Interaksi elektromagnet ini ialah tarikan zarah, ia masih belum cukup dikaji, graviton masih belum dikesan secara eksperimen, dan graviti kuantum tidak dapat dirasai sepenuhnya oleh kita, itulah sebabnya kita tidak dapat menerangkannya lagi.
Angkatan Kelima
Kami telah mempertimbangkan empat jenis interaksi asas: kuat, lemah, elektromagnet, graviti. Interaksi adalah tindakan pertukaran zarah tertentu, dan seseorang tidak boleh melakukannya tanpa konsep simetri, kerana tidak ada interaksi yang tidak dikaitkan dengannya. Dialah yang menentukan bilangan zarah dan jisimnya. Dengan simetri yang tepat, jisim sentiasa sifar. Jadi, foton dan gluon tidak mempunyai jisim, ia sama dengan sifar, dan graviton tidak. Dan jika simetri rosak, jisim berhenti menjadi sifar. Oleh itu, bison vektor perantaraan mempunyai jisim kerana simetrinya rosak. Empat interaksi asas ini menerangkan segala-galanyakita lihat dan rasa. Daya yang selebihnya menunjukkan bahawa interaksi elektromagnet mereka adalah sekunder. Walau bagaimanapun, pada tahun 2012 terdapat satu kejayaan dalam sains dan zarah lain ditemui, yang segera menjadi terkenal. Revolusi dalam dunia saintifik dianjurkan oleh penemuan boson Higgs, yang ternyata, juga berfungsi sebagai pembawa interaksi antara lepton dan quark.
Itulah sebabnya ahli fizik kini mengatakan bahawa kuasa kelima telah muncul, ditengahkan oleh boson Higgs. Simetri juga rosak di sini: boson Higgs mempunyai jisim. Oleh itu, bilangan interaksi (perkataan "daya" digantikan dengan perkataan ini dalam fizik zarah moden) mencapai lima. Mungkin kita sedang menunggu penemuan baru, kerana kita tidak tahu sama ada terdapat interaksi lain selain ini. Adalah sangat mungkin bahawa model yang telah kita bina dan yang sedang kita pertimbangkan hari ini, yang nampaknya menerangkan dengan sempurna semua fenomena yang diperhatikan di dunia, tidak cukup lengkap. Dan mungkin, selepas beberapa ketika, interaksi baru atau kuasa baru akan muncul. Kebarangkalian sedemikian wujud, jika hanya kerana kita secara beransur-ansur mengetahui bahawa terdapat interaksi asas yang diketahui hari ini - kuat, lemah, elektromagnet, graviti. Lagipun, jika terdapat zarah supersimetri dalam alam semula jadi, yang sudah dibincangkan dalam dunia saintifik, maka ini bermakna kewujudan simetri baru, dan simetri sentiasa memerlukan kemunculan zarah baru, perantara di antara mereka. Oleh itu, kita akan mendengar tentang kuasa asas yang tidak diketahui sebelum ini, seperti yang pernah kita ketahui dengan terkejutterdapat, sebagai contoh, elektromagnet, interaksi yang lemah. Pengetahuan kita tentang sifat kita sendiri sangat tidak lengkap.
Keterkaitan
Perkara yang paling menarik ialah sebarang interaksi baharu semestinya membawa kepada fenomena yang tidak diketahui sama sekali. Sebagai contoh, jika kita tidak mengetahui tentang interaksi yang lemah, kita tidak akan pernah menemui pereputan, dan jika bukan kerana pengetahuan kita tentang pereputan, tiada kajian tentang tindak balas nuklear akan dapat dilakukan. Dan jika kita tidak mengetahui tindak balas nuklear, kita tidak akan memahami bagaimana matahari bersinar untuk kita. Lagipun, jika ia tidak bersinar, kehidupan di Bumi tidak akan terbentuk. Jadi kehadiran interaksi mengatakan bahawa ia adalah penting. Sekiranya tiada interaksi yang kuat, tidak akan ada nukleus atom yang stabil. Oleh kerana interaksi elektromagnet, Bumi menerima tenaga daripada Matahari, dan sinaran cahaya yang datang daripadanya menghangatkan planet ini. Dan semua interaksi yang kita ketahui adalah sangat diperlukan. Inilah yang Higgs, sebagai contoh. Boson Higgs membekalkan zarah dengan jisim melalui interaksi dengan medan, tanpanya kita tidak akan bertahan. Dan bagaimana untuk kekal di permukaan planet tanpa interaksi graviti? Ia adalah mustahil bukan sahaja untuk kita, tetapi untuk apa-apa.
Semestinya semua interaksi, walaupun yang belum kita ketahui, adalah satu keperluan untuk semua yang manusia tahu, faham dan suka wujud. Apa yang kita tidak boleh tahu? Ya, banyak. Sebagai contoh, kita tahu bahawa proton adalah stabil dalam nukleus. Ini sangat, sangat penting kepada kami.kestabilan, jika tidak, kehidupan tidak akan wujud dengan cara yang sama. Walau bagaimanapun, eksperimen menunjukkan bahawa hayat proton adalah kuantiti terhad masa. Lama, sudah tentu, 1034 tahun. Tetapi ini bermakna lambat laun proton juga akan reput, dan ini memerlukan sedikit kuasa baru, iaitu interaksi baru. Mengenai pereputan proton, sudah ada teori di mana tahap simetri baharu yang lebih tinggi diandaikan, yang bermaksud bahawa interaksi baharu mungkin wujud, yang kita masih tidak tahu apa-apa.
Penyatuan Besar
Dalam perpaduan alam, satu-satunya prinsip membina semua interaksi asas. Ramai orang mempunyai soalan tentang bilangan mereka dan penjelasan sebab nombor tertentu ini. Banyak versi telah dibina di sini, dan ia sangat berbeza dari segi kesimpulan yang dibuat. Mereka menerangkan kehadiran hanya beberapa interaksi asas dalam pelbagai cara, tetapi semuanya ternyata dengan satu prinsip membina bukti. Penyelidik sentiasa cuba menggabungkan jenis interaksi yang paling pelbagai menjadi satu. Oleh itu, teori-teori tersebut dipanggil teori Penyatuan Besar. Seolah-olah pokok dunia bercabang: terdapat banyak cabang, tetapi batangnya sentiasa satu.
Semuanya kerana ada idea yang menyatukan semua teori ini. Akar semua interaksi yang diketahui adalah sama, memberi makan satu batang, yang, sebagai akibat daripada kehilangan simetri, mula bercabang dan membentuk interaksi asas yang berbeza, yang kita boleh secara eksperimen.memerhati. Hipotesis ini belum lagi boleh diuji, kerana ia memerlukan fizik tenaga yang sangat tinggi, tidak boleh diakses oleh eksperimen hari ini. Mungkin juga kita tidak akan pernah menguasai tenaga ini. Tetapi adalah mustahil untuk melepasi halangan ini.
Apartmen
Kita mempunyai Alam Semesta, pemecut semula jadi ini, dan semua proses yang berlaku di dalamnya memungkinkan untuk menguji walaupun hipotesis yang paling berani mengenai punca umum semua interaksi yang diketahui. Satu lagi tugas yang menarik untuk memahami interaksi dalam alam semula jadi adalah, mungkin, lebih sukar. Ia adalah perlu untuk memahami bagaimana graviti berkaitan dengan seluruh kuasa alam. Interaksi asas ini menonjol, seolah-olah, walaupun pada hakikatnya teori ini serupa dengan semua yang lain dengan prinsip pembinaan.
Einstein terlibat dalam teori graviti, cuba menghubungkannya dengan elektromagnetisme. Walaupun realiti yang kelihatan untuk menyelesaikan masalah ini, teori itu tidak berfungsi ketika itu. Sekarang manusia tahu lebih sedikit, dalam apa jua keadaan, kita tahu tentang interaksi yang kuat dan lemah. Dan jika sekarang untuk selesai membina teori bersatu ini, maka kekurangan ilmu pasti akan memberi kesan lagi. Sehingga kini, tidak mungkin untuk meletakkan graviti setanding dengan interaksi lain, kerana semua orang mematuhi undang-undang yang ditentukan oleh fizik kuantum, tetapi graviti tidak. Menurut teori kuantum, semua zarah adalah kuanta dari beberapa medan tertentu. Tetapi graviti kuantum tidak wujud, sekurang-kurangnya belum. Walau bagaimanapun, bilangan interaksi yang sudah terbuka berulang dengan kuat bahawa ia tidak boleh tetapijadilah sejenis skema bersatu.
Medan elektrik
Pada tahun 1860, ahli fizik abad kesembilan belas yang hebat James Maxwell berjaya mencipta teori yang menerangkan aruhan elektromagnet. Apabila medan magnet berubah dari semasa ke semasa, medan elektrik terbentuk pada titik tertentu dalam ruang. Dan jika konduktor tertutup ditemui dalam medan ini, maka arus aruhan muncul dalam medan elektrik. Dengan teori medan elektromagnetnya, Maxwell membuktikan bahawa proses sebaliknya juga mungkin: jika anda menukar medan elektrik dalam masa pada titik tertentu di angkasa, medan magnet pasti akan muncul. Ini bermakna bahawa sebarang perubahan dalam masa medan magnet boleh menyebabkan kemunculan medan elektrik yang berubah, dan perubahan dalam medan elektrik boleh menghasilkan medan magnet yang berubah. Pembolehubah ini, medan yang menjana satu sama lain, menyusun satu medan - elektromagnet.
Hasil terpenting yang timbul daripada formula teori Maxwell ialah ramalan bahawa terdapat gelombang elektromagnet, iaitu medan elektromagnet yang merambat dalam masa dan ruang. Sumber medan elektromagnet ialah cas elektrik yang bergerak dengan pecutan. Tidak seperti gelombang bunyi (anjal), gelombang elektromagnet boleh merambat dalam sebarang bahan, walaupun dalam vakum. Interaksi elektromagnet dalam vakum merambat pada kelajuan cahaya (c=299,792 kilometer sesaat). Panjang gelombang boleh berbeza. Gelombang elektromagnet dari sepuluh ribu meter hingga 0.005 meter adalahgelombang radio yang berfungsi untuk menghantar maklumat, iaitu isyarat pada jarak tertentu tanpa sebarang wayar. Gelombang radio dicipta oleh arus pada frekuensi tinggi yang mengalir dalam antena.
Apakah itu ombak
Jika panjang gelombang sinaran elektromagnet adalah antara 0.005 meter dan 1 mikrometer, iaitu, yang berada dalam julat antara gelombang radio dan cahaya kelihatan ialah sinaran inframerah. Ia dipancarkan oleh semua badan yang dipanaskan: bateri, dapur, lampu pijar. Peranti khas menukar sinaran inframerah kepada cahaya yang boleh dilihat untuk mendapatkan imej objek yang memancarkannya, walaupun dalam kegelapan mutlak. Cahaya boleh dilihat memancarkan panjang gelombang antara 770 hingga 380 nanometer - menghasilkan warna dari merah hingga ungu. Bahagian spektrum ini amat penting untuk kehidupan manusia, kerana kita menerima sebahagian besar maklumat tentang dunia melalui penglihatan.
Jika sinaran elektromagnet mempunyai panjang gelombang lebih pendek daripada ungu, ia adalah ultraungu, yang membunuh bakteria patogen. X-ray tidak dapat dilihat oleh mata. Mereka hampir tidak menyerap lapisan jirim yang legap kepada cahaya yang boleh dilihat. Sinaran X-ray mendiagnosis penyakit organ dalaman manusia dan haiwan. Jika sinaran elektromagnet timbul daripada interaksi zarah asas dan dipancarkan oleh nukleus teruja, sinaran gamma diperoleh. Ini adalah julat terluas dalam spektrum elektromagnet kerana ia tidak terhad kepada tenaga tinggi. Sinaran gamma boleh menjadi lembut dan keras: peralihan tenaga di dalam nukleus atom -lembut, dan dalam tindak balas nuklear - keras. Kuanta ini mudah memusnahkan molekul, dan terutamanya molekul biologi. Mujurlah, sinaran gamma tidak dapat melalui atmosfera. Sinar gama boleh diperhatikan dari angkasa. Pada tenaga ultratinggi, interaksi elektromagnet merambat pada kelajuan yang hampir dengan kelajuan cahaya: gamma quanta menghancurkan nukleus atom, memecahkannya menjadi zarah yang terbang ke arah yang berbeza. Apabila membrek, ia mengeluarkan cahaya yang boleh dilihat melalui teleskop khas.
Dari masa lalu ke masa depan
Gelombang elektromagnet, seperti yang telah disebutkan, telah diramalkan oleh Maxwell. Dia mengkaji dengan teliti dan cuba mempercayai secara matematik gambar-gambar Faraday yang sedikit naif, yang menggambarkan fenomena magnet dan elektrik. Maxwell yang menemui ketiadaan simetri. Dan dialah yang berjaya membuktikan dengan beberapa persamaan bahawa medan elektrik berselang-seli menghasilkan medan magnet dan sebaliknya. Ini membawanya kepada idea bahawa medan sedemikian terlepas dari konduktor dan bergerak melalui vakum pada kelajuan yang sangat besar. Dan dia memikirkannya. Kelajuannya hampir tiga ratus ribu kilometer sesaat.
Beginilah cara teori dan eksperimen berinteraksi. Contohnya ialah penemuan, berkat yang kami pelajari tentang kewujudan gelombang elektromagnet. Dengan bantuan fizik, konsep heterogen sepenuhnya digabungkan di dalamnya - kemagnetan dan elektrik, kerana ini adalah fenomena fizikal dengan susunan yang sama, hanya sisi yang berbeza dalam interaksi. Teori dibina satu demi satu, dan semuamereka berkait rapat antara satu sama lain: teori interaksi elektrolemah, contohnya, di mana daya nuklear dan elektromagnet yang lemah diterangkan dari kedudukan yang sama, maka semua ini disatukan oleh kromodinamik kuantum, meliputi interaksi yang kuat dan elektrolemah (di sini ketepatan masih lebih rendah, tetapi kerja diteruskan). Bidang fizik seperti graviti kuantum dan teori rentetan sedang dikaji secara intensif.
Kesimpulan
Ternyata ruang di sekeliling kita diserap sepenuhnya dengan sinaran elektromagnet: ini adalah bintang dan Matahari, Bulan dan benda angkasa yang lain, ini adalah Bumi itu sendiri, dan setiap telefon di tangan seseorang, dan antena stesen radio - semua ini memancarkan gelombang elektromagnet, dinamakan berbeza. Bergantung pada kekerapan getaran yang dipancarkan objek, sinaran inframerah, gelombang radio, cahaya boleh dilihat, sinar biofield, sinar-x dan seumpamanya dibezakan.
Apabila medan elektromagnet merambat, ia menjadi gelombang elektromagnet. Ia hanyalah sumber tenaga yang tidak habis-habis, menyebabkan cas elektrik molekul dan atom berubah-ubah. Dan jika cas berayun, pergerakannya akan dipercepatkan, dan oleh itu memancarkan gelombang elektromagnet. Jika medan magnet berubah, medan elektrik vorteks teruja, yang seterusnya, merangsang medan magnet vorteks. Proses ini melalui ruang, meliputi satu demi satu titik.
