Elektromagnetna interakcija delcev

Ta članek bo upošteval, kako se imenujejo sile narave - temeljna elektromagnetna interakcija in načela, na katerih je zgrajena. Prav tako bo povedano o možnostih obstoja novih pristopov k študiji te teme. Tudi v šoli na tečajih fizike se učenci soočajo z razlago pojma "moč". Spoznajo, da so sile lahko najbolj raznolike - sila trenja, sila privlačnosti, sila elastičnosti in tako naprej. Niso vsi lahko 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, bistvena. To je označeno s kulonovim zakonom, ki ima lastno generalizacijo, ki izhaja iz Maxwellovih enačb. Slednji opisujejo vse magnetna narava in električne sile. Zato je dokazano, da so interakcije elektromagnetnih polj temeljne sile narave. Naslednji primer je sila gravitacije. Tudi učenci vedo o zakonu univerzalne gravitacije Isaaka Newtona, ki je pred kratkim prejel svojo lastno generalizacijo z Einsteinovimi enačbami in je glede na svojo teorijo gravitacije ta sila elektromagnetne interakcije v naravi tudi temeljna.

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 smo morali uvesti koncept jedrske sile, drugače, kako razumeti načelo omejevanja delcev v jedru, zakaj ne letijo v različnih smereh. Razumevanje, kako deluje elektromagnetna interakcija v naravi, je pomagalo pri merjenju jedrskih sil, študiju in opisu. Vendar so kasneje znanstveniki prišli do zaključka, da so jedrske sile sekundarne in v mnogih pogledih podobne silam Van der Waalsa. Dejansko so samo sile, ki zagotavljajo kvarke, resnično temeljne, medsebojno sodelujejo. 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

Elementarni delci se razpadajo, težki delci razpadajo in njihovo propad 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 se tako harmonično ustvarja v sliko sveta in prvotno popolnoma opisuje 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 so štiri preučevane 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 posledica neke izmenjave, ki jo opravi nosilec, ali z drugimi besedami 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 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. Da, in šibka interakcija ne gre brez posrednikov, ki so postali delci z maso, poleg tega so veliki, to je težki. To so vmesni vektorski bozoni. Njihova masa in teža pojasnjujeta šibkost interakcije. Gravitacijska sila proizvaja izmenjavo kvantov gravitacijskega polja. Ta elektromagnetna interakcija je privlačnost delcev, še ni bila dovolj raziskana, eksperimentalno še ni eksperimentalno odkrita in kvantna gravitacija nas ni popolnoma zaznala, zato ga še ne moremo opisati.

Peta moč

Preučili smo štiri vrste osnovnih interakcij: močan, šibek, elektromagneten, gravitacijski. Interakcija je dejanje izmenjave delcev in ni mogoče storiti brez koncepta simetrije, saj ni interakcije, ki ni povezano z njim. Določa število delcev in njihovo maso. Z natančno simetrijo je masa vedno ničla. Torej, foton in gluon nimata mase, je tudi nič, tudi v gravitonu. In če je simetrija kršena, se bo masa nič ustavila. Tako imajo vmesni vektorski bisoni maso, ker je simetrija prekinjena. Te štiri temeljne interakcije razlagajo vse, kar vidimo in se počutimo. Preostale sile pravijo, 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 razčlenjena: 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 smo ga že upoštevali, in ki se zdi, da zdaj popolnoma razlaga vse pojave v svetu, ni povsem popolna. In morda bodo po določenem času nastale 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 so 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 zanimivo 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 razpadu ni bilo, nobena študija o jedrski reakciji ne bi bila mogoča. In če nismo poznali jedrskih reakcij, ne bi razumeli, kako nam sonce sije. Konec koncev, če ne bi sijalo in življenje na Zemlji se ne bi oblikovalo. Torej prisotnost interakcije kaže na to, da je to bistveno pomembno. Če ni bilo močne interakcije, nobeno atomsko jedro ne bi bilo stabilno. 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 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. Dolgo, seveda, 10³⁴ let. Toda to pomeni, da bo prej ali slej proton razpadel in za to bo potrebnih nekaj novih sil, 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, od katere še ne vemo ničesar.

Velika združitev

V enotnosti narave je edino načelo konstrukcija vseh temeljnih interakcij. Mnogi ljudje imajo vprašanja o številu njih in razlogih za to določeno količino. Tukaj je zgrajeno veliko število izvedb, ki se v svojih sklepih zelo razlikujejo. Pojasnite, da obstajajo tako številne temeljne interakcije na vse vrste načinov, vendar vsi na koncu temeljijo na enotnem načelu graditve dokazov. Vedno najbolj raznolike vrste interakcij, ki jih raziskovalci poskušajo združiti v eno. Zato te teorije imenujemo teorije Velike združitve. Kot svetovno drevo, ki veje: obstaja veliko vej, in prtljažnik je vedno eden.

Vse, ker obstaja ideja, ki združuje vse te teorije. Koren vseh znanih interakcij eno hranjenja prtljažnik, ki je zaradi izgube simetrije začel podružnico in oblikovali različne temeljne interakcije, ki jih lahko opazujemo eksperimentalno. Te hipoteze še ni mogoče preveriti, ker zahteva fiziko izjemno visokih energij, ki so današnjim poskusom nedostopne. Možno je tudi, da teh energij nikoli ne bomo obvladali. Toda da bi se oviralo, je to mogoče.

Razen

Imamo vesolje, ta naravni pospeševalnik in vsi procesi, ki se pojavljajo v njej, omogočajo testiranje celo najbolj drznih hipotez o enojnem 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 stoji, kot če 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 sploh ni delovala. Zdaj človeštvo pozna nekaj več, v vsakem primeru pa vemo o močni in šibki interakciji. In če bomo zdaj dokončali to enotno teorijo, potem bo neizogibno vplivalo na pomanjkanje znanja. Do sedaj 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. Toda kvantna gravitacija ne obstaja, vsaj še ne. Vendar število že odprtih interakcij glasno ponavlja, da ne more biti nobene sheme.

Električno polje

Še leta 1860 velika fizika Devetnajstega stoletja je James Maxwell uspel ustvariti teorijo, ki pojasnjuje elektromagnetno indukcijo. Ko se magnetno polje spreminja s časom, 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 dokazuje, da je verjeten obraten proces: če se električno polje v določeni točki prostora spremeni v času, se bo nujno pojavilo magnetno polje. Zato lahko vsako spremembo časa magnetnega polja povzroči videz spreminjajočega se električnega polja in s spremembo električnega lahko dobimo spremenljivo magnetno polje. Te spremenljivke, ki generirajo polja drug drugemu, tvorijo eno samo polje - elektromagnetno polje.

Najpomembnejši rezultat, ki izhaja iz formul Maxwellove teorije, je napoved, da obstajajo elektromagnetni valovi, to je propagiranje elektromagnetnih polj v času in prostoru. Vir elektromagnetnega polja je pospeševanje električnih nabojev. V nasprotju z zvočnimi (elastičnimi) valovi se lahko elektromagnetni valovi širijo v katero koli snov celo 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 generirajo tokovi na visokih frekvencah, ki tečejo v anteni.

Kakšni so valovi

Če dolžina elektromagnetnega sevanja v območju od 0.005 um do 1 meter, to je tistih, ki so v razponu med vidni svetlobi in radijskih valov - je infrardeče sevanje. Odpušča vsa ogrevana telesa: baterije, peči, žarnice z žarilno nitko. Posebni instrumenti pretvarjajo infrardeče sevanje v vidno svetlobo, da bi dobili slike predmetov, ki ga oddajajo, tudi v absolutni temi. Vidna svetloba oddaja valove od 770 do 380 nanometrov v dolžino - od rdečih do vijoličnih. Ta del spektra ima zelo velik pomen za človeško življenje, saj z vizijo dobimo ogromen del informacij o svetu.

Če ima elektromagnetno sevanje valovno dolžino manj kot vijoličasto barvo, je ultravijolična, ki ubija patogene bakterije. X-žarki za oko niso vidni. Skoraj ne absorbirajo plasti 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 ki ga oddajajo vzburjenimi jedri, 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. Upoštevajte, da je gama kvanta lahko iz vesolja. Pri zelo visokih energij elektromagnetno interakcijo širi s hitrostjo blizu lučki: gama atomi kvantov zdrobimo jedru, jih zrušijo v delce, sipanje v različnih smereh. Ko zavirajo, oddajajo svetlobo na posebnih teleskopih.

Iz preteklosti v prihodnost

Elektromagnetne valove, kot smo že omenili, napoveduje Maxwell. Poudaril je in poskušal verjeti matematiki rahlo naivne slike Faradayja, na katerih so bili prikazani magnetni in električni pojavi. Maxwell je odkril pomanjkanje simetrije. In to je bil on, ki je uspel s številnimi enačbami dokazati, da spremenljiva električna polja ustvarjajo magnetna polja in obratno. To je spodbudilo k temu, da razmišlja, da se takšna polja oddaljijo od vodnikov in se po nekaj velikanski hitrosti premikajo skozi vakuum. In ugotovil je. Hitrost je bila blizu tristo tisoč kilometrov na sekundo.

Tako teorija in eksperiment medsebojno vplivata. Primer je odkritje, zaradi katerega smo se naučili o obstoju elektromagnetnih valov. Združil je s pomočjo fizike popolnoma heterogene koncepte - magnetizem in električno energijo, ker je ta fizični pojav enakega reda, le njegove različne strani so v interakciji. 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 ko se delo nadaljuje). Intenzivno so proučevana področja fizike kot kvantna gravitacija in teorija nizov.

Sklepi

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 elektromagnetno polje propagira, postane elektromagnetni val. Ta vir energije je preprosto neizčrpen, zaradi česar se električni naboji molekul in atomov nihajo. In če se naboj oscilira, se njegovo gibanje pospeši in zato oddaja elektromagnetni val. Če se spremeni magnetno polje, je navdušeno električno polje vrtinčenja, kar pa vzbudi magnetno polje vrtinčenja. Proces gre skozi vesolje, ki pokriva eno točko za drugo.