Ez a cikk az úgynevezett természeti erőkkel foglalkozik – az alapvető elektromágneses kölcsönhatásokkal és azokkal az elvekkel, amelyekre ez épül. Szó lesz a téma tanulmányozására vonatkozó új megközelítések létezésének lehetőségeiről is. Még az iskolában, a fizika órákon is szembesülnek a diákok az „erő” fogalmának magyarázatával. Megtanulják, hogy az erők nagyon sokfélék lehetnek - a súrlódási erő, a vonzás, a rugalmasság és sok más hasonló erő. Nem mindegyik nevezhető alapvetőnek, mivel nagyon gyakran az erő jelensége másodlagos (a súrlódási erő például a molekulák kölcsönhatásával). Az elektromágneses kölcsönhatás másodlagos is lehet - ennek következményeként. A molekuláris fizika a Van der Waals-erőt említi példaként. A részecskefizika is sok példát kínál erre.
A természetben
Szeretnék a természetben lezajló folyamatok mélyére járni, amikor az elektromágneses kölcsönhatást működésbe hozza. Pontosan mi az az alapvető erő, amely meghatározza az összes felépített másodlagos erőt?Mindenki tudja, hogy az elektromágneses kölcsönhatás, vagy más néven elektromos erők alapvető fontosságúak. Ezt bizonyítja a Coulomb-törvény, amelynek megvan a maga általánosítása a Maxwell-egyenletekből. Ez utóbbi leírja a természetben létező összes mágneses és elektromos erőt. Éppen ezért bebizonyosodott, hogy az elektromágneses terek kölcsönhatása a természet alapvető ereje. A következő példa a gravitáció. Még az iskolások is ismerik Isaac Newton egyetemes gravitációjának törvényét, aki szintén nemrégiben Einstein egyenletei alapján általánosítást kapott, és gravitációs elmélete szerint a természetben az elektromágneses kölcsönhatásnak ez az ereje is alapvető.
Valamikor úgy gondolták, hogy csak ez a két alapvető erő létezik, de a tudomány előrelépett, fokozatosan bebizonyítva, hogy ez egyáltalán nem így van. Például az atommag felfedezésével be kellett vezetni a nukleáris erő fogalmát, különben hogyan lehet megérteni a részecskék magon belüli tartásának elvét, miért nem repülnek el különböző irányokba. Az elektromágneses erő természetben való működésének megértése segített a nukleáris erők mérésében, tanulmányozásában és leírásában. A későbbi tudósok azonban arra a következtetésre jutottak, hogy a nukleáris erők másodlagosak, és sok tekintetben hasonlóak a van der Waals-erőkhöz. Valójában csak azok az erők igazán alapvetőek, amelyeket a kvarkok egymással kölcsönhatásban biztosítanak. Ekkor már - másodlagos hatás - az elektromágneses terek kölcsönhatása a neutronok és a protonok között az atommagban. Valóban alapvető a gluonokat cserélő kvarkok kölcsönhatása. Így volta természetben felfedezett harmadik valóban alapvető erő.
A történet folytatása
Az elemi részecskék lebomlanak, a nehézek - könnyebbekké, és bomlásuk az elektromágneses kölcsönhatás új erejét írja le, amelyet csak így hívnak - a gyenge kölcsönhatás erejének. Miért gyenge? Igen, mert a természetben az elektromágneses kölcsönhatás sokkal erősebb. És ismét kiderült, hogy a gyenge kölcsönhatásnak ez az elmélete, amely oly harmonikusan került be a világ képébe, és kezdetben kiválóan írta le az elemi részecskék bomlását, nem tükrözi ugyanazokat a posztulátumokat, ha az energia nő. Ezért a régi elméletet átdolgozták egy másikra - a gyenge kölcsönhatás elméletére, amely ezúttal egyetemesnek bizonyult. Bár ugyanazokra az elvekre épült, mint más elméletek, amelyek a részecskék elektromágneses kölcsönhatását írták le. A modern időkben négy vizsgált és bizonyított alapvető kölcsönhatás létezik, és az ötödik már úton van, erről később lesz szó. Mind a négy - gravitációs, erős, gyenge, elektromágneses - egyetlen elvre épül: a részecskék között fellépő erő valamilyen hordozó vagy más módon - kölcsönhatás-közvetítő által végrehajtott csere eredménye.
Miféle segítő ez? Ez egy foton - tömeg nélküli részecske, de ennek ellenére sikeresen épít elektromágneses kölcsönhatást az elektromágneses hullámok vagy a fénykvantum cseréje miatt. Elektromágneses kölcsönhatás jön létrebizonyos erővel kommunikáló töltött részecskék területén lévő fotonok segítségével pontosan ezt értelmezi a Coulomb-törvény. Van egy másik tömeg nélküli részecske - a gluon, nyolc változata van, ez segíti a kvark kommunikációját. Ez az elektromágneses kölcsönhatás a töltések közötti vonzás, és ezt erősnek nevezik. Igen, és a gyenge kölcsönhatás nem teljes közvetítők nélkül, amelyek tömegű részecskék, ráadásul masszívak, azaz nehézek. Ezek köztes vektorbozonok. Tömegük és súlyuk megmagyarázza az interakció gyengeségét. A gravitációs erő a gravitációs tér kvantumának cseréjét idézi elő. Ez az elektromágneses kölcsönhatás a részecskék vonzása, még nem tanulmányozták kellőképpen, a gravitont még kísérletileg sem észlelték, és a kvantumgravitációt sem érezzük teljesen, ezért még nem tudjuk leírni.
Az Ötödik Erő
Az alapvető kölcsönhatások négy típusát vettük figyelembe: erős, gyenge, elektromágneses és gravitációs. A kölcsönhatás a részecskecsere bizonyos mozzanata, és nem nélkülözhetjük a szimmetria fogalmát, mivel nincs olyan kölcsönhatás, amely ne járna hozzá. Ő határozza meg a részecskék számát és tömegét. Pontos szimmetria esetén a tömeg mindig nulla. Tehát a fotonnak és a gluonnak nincs tömege, egyenlő nullával, a gravitonnak pedig nincs. És ha a szimmetria megtörik, a tömeg megszűnik nulla lenni. Így a köztes vektorbölényeknek tömege van, mert a szimmetria megsérül. Ez a négy alapvető kölcsönhatás mindent megmagyarázlátjuk és érezzük. A fennmaradó erők azt jelzik, hogy elektromágneses kölcsönhatásuk másodlagos. 2012-ben azonban áttörés történt a tudományban, és egy újabb részecskét fedeztek fel, amely azonnal híressé vált. A tudományos világ forradalmát a Higgs-bozon felfedezése szervezte meg, amely, mint kiderült, a leptonok és kvarkok közötti kölcsönhatások hordozójaként is szolgál.
Ezért a fizikusok most azt mondják, hogy megjelent egy ötödik erő a Higgs-bozon közvetítésével. A szimmetria itt is megtört: a Higgs-bozonnak van tömege. Így a kölcsönhatások száma (a modern részecskefizikában az "erő" szót ez a szó helyettesíti) elérte az ötöt. Talán új felfedezésekre várunk, mert nem tudjuk pontosan, hogy ezeken kívül van-e más kölcsönhatás. Nagyon valószínű, hogy a modell, amelyet már felépítettünk, és amelyet ma mérlegelünk, és amely úgy tűnik, tökéletesen megmagyarázná a világ összes megfigyelt jelenségét, még nem teljesen teljes. És talán egy idő után új kölcsönhatások vagy új erők jelennek meg. Ez a valószínűség már csak azért is fennáll, mert fokozatosan megtanultuk, hogy léteznek ma ismert alapvető kölcsönhatások - erős, gyenge, elektromágneses, gravitációs. Hiszen ha a természetben léteznek szuperszimmetrikus részecskék, amelyekről már a tudományos világban is beszélnek, akkor ez egy új szimmetria létezését jelenti, és a szimmetria mindig új részecskék, köztük közvetítők megjelenését vonja maga után. Így egy eddig ismeretlen alapvető erőről fogunk hallani, amit egykor meglepetéssel megtudtunkvannak például elektromágneses, gyenge kölcsönhatások. Saját természetünk ismerete nagyon hiányos.
Kapcsolatosság
A legérdekesebb az, hogy minden új interakciónak szükségszerűen teljesen ismeretlen jelenséghez kell vezetnie. Például, ha nem tanultunk volna a gyenge kölcsönhatásról, soha nem fedeztük volna fel a bomlást, és ha nem ismerjük a bomlást, a magreakció tanulmányozása nem lehetséges. És ha nem ismernénk a nukleáris reakciókat, nem értenénk, hogyan süt nekünk a nap. Hiszen ha nem ragyogna, nem alakult volna ki élet a Földön. Tehát az interakció jelenléte azt mondja, hogy ez létfontosságú. Ha nem lenne erős kölcsönhatás, nem lennének stabil atommagok. Az elektromágneses kölcsönhatás miatt a Föld energiát kap a Naptól, a belőle érkező fénysugarak pedig felmelegítik a bolygót. És minden általunk ismert interakció feltétlenül szükséges. Itt van például a Higgs. A Higgs-bozon a mezővel való kölcsönhatás révén tömeget biztosít a részecske számára, enélkül nem éltük volna túl. És hogyan lehet a bolygó felszínén maradni gravitációs kölcsönhatás nélkül? Nem csak nekünk lenne lehetetlen, de semmiért.
Abszolút minden interakció, még azok is, amelyekről még nem tudunk, szükségszerű minden létezéshez, amit az emberiség ismer, megért és szeret. Mit nem tudhatunk? Igen, sok. Például tudjuk, hogy a proton stabil az atommagban. Ez nagyon-nagyon fontos számunkra.stabilitás, különben az élet nem létezne ugyanúgy. A kísérletek azonban azt mutatják, hogy a proton élettartama időben korlátozott mennyiség. Természetesen hosszú, 1034 év. De ez azt jelenti, hogy előbb-utóbb a proton is lebomlik, és ehhez valami új erőre, vagyis új kölcsönhatásra lesz szükség. A protonbomlással kapcsolatban már léteznek olyan elméletek, amelyekben a szimmetria új, jóval magasabb fokát feltételezik, ami azt jelenti, hogy új kölcsönhatás is létezhet, amiről még semmit sem tudunk.
Nagy Egyesítés
A természet egységében, az összes alapvető kölcsönhatás kialakításának egyetlen elve. Sokaknak kérdéseik vannak a számuk és az okok magyarázatával kapcsolatban. Nagyon sok változat készült itt, és a levont következtetések tekintetében nagyon eltérőek. Különféleképpen magyarázzák az ilyen sok alapvető kölcsönhatás jelenlétét, de mindegyikről kiderül, hogy a bizonyítékok felépítésének egyetlen elvével. A kutatók mindig a legkülönfélébb interakciótípusokat igyekeznek egybe ötvözni. Ezért az ilyen elméleteket nagy egyesülési elméleteknek nevezik. Mintha a világfa elágazna: sok ág van, de a törzs mindig egy.
Minden azért, mert van egy ötlet, amely egyesíti ezeket az elméleteket. Az összes ismert kölcsönhatás gyökere ugyanaz, egy törzset táplál, amely a szimmetria elvesztése következtében elágazódni kezdett és különböző alapvető kölcsönhatásokat alakított ki, amelyeket kísérletileg tudunkmegfigyelni. Ez a hipotézis még nem tesztelhető, mert hihetetlenül nagy energiájú, a mai kísérletek számára elérhetetlen fizikát igényel. Az is lehetséges, hogy soha nem fogjuk úrrá lenni ezeken az energiákon. De ezt az akadályt nagyon is meg lehet kerülni.
Apartman
Megvan az Univerzum, ez a természetes gyorsító, és a benne végbemenő összes folyamat lehetővé teszi a legmerészebb hipotézisek tesztelését is az összes ismert kölcsönhatás közös gyökerével kapcsolatban. A természeti kölcsönhatások megértésének másik érdekes feladata talán még nehezebb. Meg kell érteni, hogy a gravitáció hogyan viszonyul a természet többi erőjéhez. Ez az alapvető kölcsönhatás mintegy eltér egymástól annak ellenére, hogy ez az elmélet a konstrukció elve alapján hasonlít az összes többihez.
Einstein a gravitáció elméletével foglalkozott, és megpróbálta összekapcsolni azt az elektromágnesességgel. A probléma megoldásának látszólagos valósága ellenére az elmélet akkor még nem működött. Most egy kicsit többet tud az emberiség, mindenesetre tudunk az erős és gyenge kölcsönhatásokról. És ha most befejezzük ennek az egységes elméletnek az építését, akkor a tudás hiánya minden bizonnyal ismét érezteti hatását. A gravitációt eddig nem lehetett más kölcsönhatásokkal egy szintre állítani, hiszen mindenki betartja a kvantumfizika által diktált törvényeket, de a gravitáció nem. A kvantumelmélet szerint minden részecske valamilyen meghatározott mező kvantumai. De a kvantumgravitáció nem létezik, legalábbis még nem. A már nyitott interakciók száma azonban hangosan ismétli, hogy nem tehet mástlegyen valami egységes séma.
Elektromos mező
1860-ban a nagy tizenkilencedik századi fizikusnak, James Maxwellnek sikerült megalkotnia az elektromágneses indukciót magyarázó elméletet. Amikor a mágneses tér idővel megváltozik, a tér egy bizonyos pontján elektromos tér jön létre. És ha zárt vezető található ebben a mezőben, akkor az elektromos mezőben indukciós áram jelenik meg. Maxwell elektromágneses terek elméletével bebizonyítja, hogy a fordított folyamat is lehetséges: ha a tér egy bizonyos pontján időben megváltoztatod az elektromos teret, akkor mindenképpen mágneses tér fog megjelenni. Ez azt jelenti, hogy a mágneses tér bármely időbeli változása változó elektromos tér megjelenését, az elektromos tér változása pedig változó mágneses teret idézhet elő. Ezek a változók, az egymást generáló mezők egyetlen – elektromágneses – mezőt szerveznek.
A Maxwell-féle elmélet képleteinek legfontosabb eredménye az elektromágneses hullámok, vagyis az időben és térben terjedő elektromágneses mezők jóslata. Az elektromágneses tér forrása a gyorsulással mozgó elektromos töltések. A hang (rugalmas) hullámoktól eltérően az elektromágneses hullámok bármilyen anyagban terjedhetnek, még vákuumban is. Az elektromágneses kölcsönhatás vákuumban fénysebességgel terjed (c=299 792 km/s). A hullámhossz eltérő lehet. Az elektromágneses hullámok tízezer métertől 0,005 méterig terjednekrádióhullámok, amelyek arra szolgálnak, hogy információt, azaz jeleket továbbítsunk egy bizonyos távolságra, vezetékek nélkül. A rádióhullámokat az antennában folyó magas frekvenciájú áram hozza létre.
Mik azok a hullámok
Ha az elektromágneses sugárzás hullámhossza 0,005 méter és 1 mikrométer között van, vagyis azok, amelyek a rádióhullámok és a látható fény közötti tartományban vannak, infravörös sugárzásnak minősülnek. Kibocsátja minden fűtött test: akkumulátorok, kályhák, izzólámpák. Speciális eszközök az infravörös sugárzást látható fénnyé alakítják, hogy képet kapjanak az azt kibocsátó tárgyakról még abszolút sötétben is. A látható fény 770 és 380 nanométer közötti hullámhosszt bocsát ki, ami a vöröstől a liláig terjedő színt eredményez. A spektrumnak ez a szakasza rendkívül fontos az emberi élet szempontjából, mivel a világról szóló információk nagy részét látás útján kapjuk.
Ha az elektromágneses sugárzás hullámhossza rövidebb, mint az ibolya, akkor ultraibolya sugárzás, amely elpusztítja a kórokozó baktériumokat. A röntgensugarak a szem számára láthatatlanok. Szinte nem szívják fel a látható fény számára átlátszatlan anyagrétegeket. A röntgensugárzás az emberek és állatok belső szerveinek betegségeit diagnosztizálja. Ha elektromágneses sugárzás keletkezik az elemi részecskék kölcsönhatásából, és gerjesztett atommagok bocsátják ki, gamma-sugárzást kapunk. Ez a legszélesebb tartomány az elektromágneses spektrumban, mert nem korlátozódik a nagy energiákra. A gammasugárzás lehet lágy és kemény: energiaátmenetek az atommagokban -lágy, és a nukleáris reakciókban - kemény. Ezek a kvantumok könnyen elpusztítják a molekulákat, különösen a biológiaiakat. Szerencsére a gamma-sugárzás nem tud átjutni a légkörön. A gamma sugarak az űrből is megfigyelhetők. Ultranagy energiáknál az elektromágneses kölcsönhatás a fénysebességhez közeli sebességgel terjed: a gamma-kvantumok szétzúzzák az atommagokat, különböző irányokba repülő részecskékre bontva azokat. Fékezéskor speciális teleszkópokon keresztül látható fényt bocsátanak ki.
A múltból a jövőbe
Az elektromágneses hullámokat, amint már említettük, Maxwell jósolta meg. Gondosan tanulmányozta és próbálta matematikailag elhinni Faraday kissé naiv képeit, amelyek mágneses és elektromos jelenségeket ábrázoltak. Maxwell volt az, aki felfedezte a szimmetria hiányát. És ő volt az, akinek sikerült számos egyenlettel igazolnia, hogy a váltakozó elektromos mezők mágneses mezőket generálnak, és fordítva. Ez arra a gondolatra vezette, hogy az ilyen mezők elszakadnak a vezetőktől, és óriási sebességgel haladnak át a vákuumon. És kitalálta. A sebesség megközelítette a háromszázezer kilométert másodpercenként.
Így hatnak egymásra az elmélet és a kísérlet. Példa erre a felfedezés, melynek köszönhetően megismertük az elektromágneses hullámok létezését. A fizika segítségével teljesen heterogén fogalmakat ötvöztek benne - mágnesesség és elektromosság, mivel ez egy azonos rendű fizikai jelenség, csak a különböző oldalai kölcsönhatásban vannak. Egymás után épülnek az elméletek, meg mindenszorosan összefüggenek egymással: például az elektrogyenge kölcsönhatás elmélete, ahol a gyenge nukleáris és elektromágneses erőket azonos pozícióból írják le, majd mindezt a kvantumkromodinamika egyesíti, lefedve az erős és az elektrogyenge kölcsönhatásokat (itt a pontosság még mindig alacsonyabb, de a munka folytatódik). A fizika olyan területeit, mint a kvantumgravitáció és a húrelmélet, intenzíven kutatják.
Következtetések
Kiderült, hogy a minket körülvevő tér teljesen át van itatva az elektromágneses sugárzástól: ezek a csillagok és a Nap, a Hold és más égitestek, ez maga a Föld, és minden telefon az ember kezében, és a rádióállomás antennái - mindez elektromágneses hullámokat bocsát ki, más néven. A tárgy által kibocsátott rezgések gyakoriságától függően az infravörös sugárzás, a rádióhullámok, a látható fény, a biomezősugarak, a röntgensugárzás és hasonlók megkülönböztethetők.
Amikor egy elektromágneses mező terjed, elektromágneses hullámmá válik. Egyszerűen egy kimeríthetetlen energiaforrás, ami a molekulák és atomok elektromos töltéseinek ingadozását okozza. És ha a töltés oszcillál, mozgása felgyorsul, és ezért elektromágneses hullámot bocsát ki. Ha a mágneses tér megváltozik, egy örvény elektromos mező gerjesztődik, ami viszont egy örvény mágneses mezőt gerjeszt. A folyamat az űrben halad, egyik pontot a másik után fedve.
