Dit artikel gaat in op wat de natuurkrachten worden genoemd - de fundamentele elektromagnetische interactie en de principes waarop deze is gebouwd. Het zal ook praten over de mogelijkheden van het bestaan van nieuwe benaderingen van de studie van dit onderwerp. Zelfs op school, in de natuurkundelessen, worden leerlingen geconfronteerd met een uitleg van het begrip "kracht". Ze leren dat krachten heel divers kunnen zijn: de wrijvingskracht, de aantrekkingskracht, de elasticiteit en nog veel meer. Ze kunnen niet allemaal fundamenteel worden genoemd, omdat het fenomeen van kracht vaak secundair is (de kracht van wrijving, bijvoorbeeld, met zijn interactie van moleculen). Elektromagnetische interactie kan ook secundair zijn - als gevolg daarvan. De moleculaire fysica noemt als voorbeeld de Van der Waals-kracht. Deeltjesfysica biedt ook veel voorbeelden.
In de natuur
Ik zou graag de processen die in de natuur plaatsvinden tot op de bodem uitzoeken, wanneer het de elektromagnetische interactie laat werken. Wat is precies de fundamentele kracht die alle secundaire krachten bepa alt die het heeft opgebouwd?Iedereen weet dat de elektromagnetische interactie, of, zoals het ook wordt genoemd, elektrische krachten, fundamenteel is. Dit wordt bewezen door de wet van Coulomb, die zijn eigen generalisatie heeft die volgt uit de vergelijkingen van Maxwell. Deze laatste beschrijven alle magnetische en elektrische krachten die in de natuur bestaan. Daarom is bewezen dat de interactie van elektromagnetische velden de fundamentele kracht van de natuur is. Het volgende voorbeeld is de zwaartekracht. Zelfs schoolkinderen kennen de wet van universele zwaartekracht van Isaac Newton, die onlangs ook zijn eigen veralgemening heeft gekregen door de vergelijkingen van Einstein, en volgens zijn zwaartekrachttheorie is deze kracht van elektromagnetische interactie in de natuur ook fundamenteel.
Er was eens gedacht dat alleen deze twee fundamentele krachten bestonden, maar de wetenschap is vooruitgegaan en bewees geleidelijk aan dat dit helemaal niet het geval is. Met de ontdekking van de atoomkern was het bijvoorbeeld noodzakelijk om het concept van kernkracht te introduceren, anders hoe het principe te begrijpen om deeltjes in de kern te houden, waarom ze niet in verschillende richtingen wegvliegen. Begrijpen hoe de elektromagnetische kracht in de natuur werkt, heeft geholpen om kernkrachten te meten, bestuderen en beschrijven. Latere wetenschappers kwamen echter tot de conclusie dat kernkrachten secundair zijn en in veel opzichten vergelijkbaar met de van der Waals-krachten. In feite zijn alleen de krachten die quarks leveren door met elkaar in wisselwerking te staan echt fundamenteel. Dan al - een secundair effect - is de interactie van elektromagnetische velden tussen neutronen en protonen in de kern. Echt fundamenteel is de interactie van quarks die gluonen uitwisselen. Zo waseen derde werkelijk fundamentele kracht ontdekt in de natuur.
Vervolg van dit verhaal
Elementaire deeltjes vervallen, zware - in lichtere, en hun verval beschrijft een nieuwe kracht van elektromagnetische interactie, die precies dat wordt genoemd - de kracht van zwakke interactie. Waarom zwak? Ja, want de elektromagnetische interactie in de natuur is veel sterker. En nogmaals, het bleek dat deze theorie van zwakke interactie, die zo harmonieus het beeld van de wereld binnenkwam en aanvankelijk uitstekend het verval van elementaire deeltjes beschreef, niet dezelfde postulaten weerspiegelde als de energie toenam. Dat is de reden waarom de oude theorie werd herwerkt in een andere - de theorie van zwakke interactie, deze keer bleek universeel te zijn. Hoewel het op dezelfde principes is gebouwd als andere theorieën die de elektromagnetische interactie van deeltjes beschreven. In de moderne tijd zijn er vier bestudeerde en bewezen fundamentele interacties, en de vijfde is onderweg, die zal later worden besproken. Alle vier - zwaartekracht, sterk, zwak, elektromagnetisch - zijn gebaseerd op één enkel principe: de kracht die ontstaat tussen deeltjes is het resultaat van een uitwisseling die wordt uitgevoerd door een drager, of anderszins - een interactiemediator.
Wat voor soort helper is dit? Dit is een foton - een deeltje zonder massa, maar toch succesvol een elektromagnetische interactie opbouwen door de uitwisseling van een kwantum van elektromagnetische golven of een kwantum van licht. Elektromagnetische interactie wordt uitgevoerddoor middel van fotonen in het veld van geladen deeltjes die met een bepaalde kracht communiceren, dat is precies wat de wet van Coulomb interpreteert. Er is nog een massaloos deeltje - het gluon, er zijn acht varianten van, het helpt quarks te communiceren. Deze elektromagnetische interactie is een aantrekkingskracht tussen ladingen en wordt sterk genoemd. Ja, en zwakke interactie is niet compleet zonder tussenpersonen, dat zijn deeltjes met massa, bovendien zijn ze enorm, dat wil zeggen zwaar. Dit zijn intermediaire vectorbosonen. Hun massa en zwaarte verklaart de zwakte van interactie. De zwaartekracht produceert een uitwisseling van een kwantum van het zwaartekrachtveld. Deze elektromagnetische interactie is de aantrekkingskracht van deeltjes, het is nog niet voldoende bestudeerd, het graviton is nog niet eens experimenteel gedetecteerd en de kwantumzwaartekracht wordt door ons niet volledig gevoeld, daarom kunnen we het nog niet beschrijven.
De Vijfde Kracht
We hebben vier soorten fundamentele interactie overwogen: sterk, zwak, elektromagnetisch, zwaartekracht. Interactie is een bepaalde handeling van deeltjesuitwisseling, en men kan niet zonder het concept van symmetrie, aangezien er geen interactie is die er niet mee geassocieerd is. Zij is het die het aantal deeltjes en hun massa bepa alt. Bij exacte symmetrie is de massa altijd nul. Dus een foton en een gluon hebben geen massa, het is gelijk aan nul, en een graviton niet. En als de symmetrie wordt verbroken, houdt de massa op nul te zijn. Dus intermediaire vector bizons hebben massa omdat de symmetrie is verbroken. Deze vier fundamentele interacties verklaren alles wat:wij zien en voelen. De overige krachten geven aan dat hun elektromagnetische interactie secundair is. In 2012 was er echter een doorbraak in de wetenschap en werd er een ander deeltje ontdekt, dat meteen beroemd werd. De revolutie in de wetenschappelijke wereld werd georganiseerd door de ontdekking van het Higgs-deeltje, dat, naar later bleek, ook dient als drager van interacties tussen leptonen en quarks.
Daarom zeggen natuurkundigen nu dat er een vijfde kracht is verschenen, gemedieerd door het Higgs-deeltje. Ook hier is de symmetrie doorbroken: het Higgsdeeltje heeft een massa. Zo bereikte het aantal interacties (het woord "kracht" is vervangen door dit woord in de moderne deeltjesfysica) vijf. Misschien wachten we op nieuwe ontdekkingen, omdat we niet precies weten of er naast deze nog andere interacties zijn. Het is heel goed mogelijk dat het model dat we al hebben gebouwd en dat we vandaag overwegen, dat alle fenomenen die in de wereld worden waargenomen perfect lijkt te verklaren, niet helemaal compleet is. En misschien zullen er na verloop van tijd nieuwe interacties of nieuwe krachten ontstaan. Zo'n kans bestaat, al was het maar omdat we heel geleidelijk hebben geleerd dat er tegenwoordig fundamentele interacties bekend zijn - sterk, zwak, elektromagnetisch, zwaartekracht. Immers, als er in de natuur supersymmetrische deeltjes zijn, waarover in de wetenschappelijke wereld al wordt gesproken, dan betekent dit het bestaan van een nieuwe symmetrie, en symmetrie brengt altijd het verschijnen van nieuwe deeltjes met zich mee, bemiddelaars daartussen. We zullen dus horen over een voorheen onbekende fundamentele kracht, zoals we ooit met verbazing hebben vernomen dat:er zijn bijvoorbeeld elektromagnetische, zwakke interacties. Onze kennis van onze eigen aard is zeer onvolledig.
Verbondenheid
Het meest interessante is dat elke nieuwe interactie noodzakelijkerwijs moet leiden tot een volledig onbekend fenomeen. Als we bijvoorbeeld niet hadden geleerd over de zwakke interactie, zouden we verval nooit hebben ontdekt, en zonder onze kennis van verval, zou geen onderzoek naar de kernreactie mogelijk zijn. En als we kernreacties niet zouden kennen, zouden we niet begrijpen hoe de zon voor ons schijnt. Immers, als het niet scheen, zou er geen leven op aarde zijn ontstaan. Dus de aanwezigheid van interactie zegt dat het van vitaal belang is. Als er geen sterke interactie zou zijn, zouden er geen stabiele atoomkernen zijn. Door elektromagnetische interactie ontvangt de aarde energie van de zon en de lichtstralen die eruit komen verwarmen de planeet. En alle bij ons bekende interacties zijn absoluut noodzakelijk. Hier is die van Higgs bijvoorbeeld. Het Higgs-deeltje voorziet het deeltje door interactie met het veld van massa, zonder welke we niet zouden hebben overleefd. En hoe blijf je op het oppervlak van de planeet zonder zwaartekrachtinteractie? Het zou niet alleen voor ons onmogelijk zijn, maar voor helemaal niets.
Absoluut alle interacties, zelfs degene die we nog niet kennen, zijn een noodzaak voor alles wat de mensheid weet, begrijpt en graag bestaat. Wat kunnen we niet weten? Ja heel veel. We weten bijvoorbeeld dat het proton stabiel is in de kern. Dit is heel, heel belangrijk voor ons.stabiliteit, anders zou het leven niet op dezelfde manier bestaan. Experimenten tonen echter aan dat de levensduur van een proton een in de tijd beperkte hoeveelheid is. Lang natuurlijk, 1034 jaar. Maar dit betekent dat vroeg of laat ook het proton zal vervallen, en daarvoor is een nieuwe kracht nodig, dat wil zeggen een nieuwe interactie. Wat betreft het verval van protonen zijn er al theorieën waarin wordt uitgegaan van een nieuwe, veel hogere mate van symmetrie, wat betekent dat er mogelijk een nieuwe interactie bestaat, waarover we nog niets weten.
Grote Eenwording
In de eenheid van de natuur, het enige principe om alle fundamentele interacties op te bouwen. Veel mensen hebben vragen over het aantal en de verklaring van de redenen voor dit specifieke aantal. Er zijn hier heel veel versies gebouwd, en die zijn heel verschillend in termen van de getrokken conclusies. Ze verklaren de aanwezigheid van zo'n aantal fundamentele interacties op verschillende manieren, maar ze blijken allemaal te berusten op één enkel principe van bewijsmateriaal. Onderzoekers proberen altijd de meest uiteenlopende soorten interacties te combineren tot één. Daarom worden dergelijke theorieën de Grand Unification-theorieën genoemd. Alsof de wereldboom vertakt: er zijn veel takken, maar de stam is er altijd één.
Allemaal omdat er een idee is dat al deze theorieën verenigt. De wortel van alle bekende interacties is hetzelfde en voedt één stam, die, als gevolg van het verlies van symmetrie, begon te vertakken en verschillende fundamentele interacties vormde, die we experimenteel kunnenobserveren. Deze hypothese kan nog niet worden getest, omdat het ongelooflijk hoge energiefysica vereist, ontoegankelijk voor de experimenten van vandaag. Het is ook mogelijk dat we deze energieën nooit de baas zullen worden. Maar het is heel goed mogelijk om dit obstakel te omzeilen.
Appartement
We hebben het heelal, deze natuurlijke versneller en alle processen die daarin plaatsvinden, maken het mogelijk om zelfs de meest gewaagde hypothesen over de gemeenschappelijke wortel van alle bekende interacties te testen. Een andere interessante taak om de interacties in de natuur te begrijpen, is misschien nog moeilijker. Het is noodzakelijk om te begrijpen hoe de zwaartekracht zich verhoudt tot de rest van de natuurkrachten. Deze fundamentele interactie staat als het ware apart, ondanks het feit dat deze theorie door het constructieprincipe vergelijkbaar is met alle andere.
Einstein hield zich bezig met de theorie van de zwaartekracht en probeerde deze in verband te brengen met elektromagnetisme. Ondanks de schijnbare realiteit van het oplossen van dit probleem, werkte de theorie toen niet. Nu weet de mensheid iets meer, in ieder geval weten we over de sterke en zwakke interacties. En als we nu klaar zijn met het bouwen van deze verenigde theorie, dan zal het gebrek aan kennis zeker weer een effect hebben. Tot nu toe was het niet mogelijk om zwaartekracht op één lijn te brengen met andere interacties, aangezien iedereen de wetten gehoorzaamt die door de kwantumfysica worden gedicteerd, maar de zwaartekracht niet. Volgens de kwantumtheorie zijn alle deeltjes quanta van een bepaald veld. Maar kwantumzwaartekracht bestaat niet, althans nog niet. Het aantal reeds geopende interacties herha alt echter luid dat het niet anders kaneen soort verenigd schema zijn.
Elektrisch veld
In 1860 slaagde de grote negentiende-eeuwse natuurkundige James Maxwell erin een theorie te creëren die elektromagnetische inductie verklaart. Wanneer het magnetische veld in de loop van de tijd verandert, wordt op een bepaald punt in de ruimte een elektrisch veld gevormd. En als in dit veld een gesloten geleider wordt gevonden, verschijnt er een inductiestroom in het elektrische veld. Met zijn theorie van elektromagnetische velden bewijst Maxwell dat het omgekeerde ook mogelijk is: als je op een bepaald punt in de ruimte het elektrische veld in de tijd verandert, ontstaat er zeker een magnetisch veld. Dit betekent dat elke verandering in de tijd van het magnetische veld het ontstaan van een veranderend elektrisch veld kan veroorzaken, en een verandering in het elektrische veld kan een veranderend magnetisch veld produceren. Deze variabelen, velden die elkaar genereren, organiseren een enkel veld - elektromagnetisch.
Het belangrijkste resultaat dat voortkomt uit de formules van Maxwells theorie is de voorspelling dat er elektromagnetische golven zijn, dat wil zeggen elektromagnetische velden die zich voortplanten in tijd en ruimte. De bron van het elektromagnetische veld zijn de elektrische ladingen die met versnelling bewegen. In tegenstelling tot (elastische) geluidsgolven, kunnen elektromagnetische golven zich in elke stof voortplanten, zelfs in een vacuüm. Elektromagnetische interactie in vacuüm plant zich voort met de snelheid van het licht (c=299.792 kilometer per seconde). De golflengte kan verschillen. Elektromagnetische golven van tienduizend meter tot 0,005 meter zijnradiogolven die ons dienen om informatie te verzenden, dat wil zeggen signalen over een bepaalde afstand zonder kabels. Radiogolven worden gecreëerd door stroom met hoge frequenties die in de antenne stromen.
Wat zijn de golven
Als de golflengte van elektromagnetische straling tussen 0,005 meter en 1 micrometer ligt, dat wil zeggen dat de straling tussen radiogolven en zichtbaar licht infrarode straling is. Het wordt uitgestraald door alle verwarmde lichamen: batterijen, fornuizen, gloeilampen. Speciale apparaten zetten infraroodstraling om in zichtbaar licht om beelden te krijgen van objecten die deze straling uitzenden, zelfs in absolute duisternis. Zichtbaar licht zendt golflengten uit van 770 tot 380 nanometer, wat resulteert in een kleur van rood naar paars. Dit deel van het spectrum is uiterst belangrijk voor het menselijk leven, omdat we een groot deel van de informatie over de wereld door middel van visie ontvangen.
Als elektromagnetische straling een golflengte heeft die korter is dan violet, is het ultraviolet, dat pathogene bacteriën doodt. Röntgenstralen zijn onzichtbaar voor het oog. Ze absorberen bijna geen lagen materie die ondoorzichtig zijn voor zichtbaar licht. Röntgenstraling diagnosticeert ziekten van de inwendige organen van mens en dier. Als elektromagnetische straling ontstaat door de interactie van elementaire deeltjes en wordt uitgezonden door geëxciteerde kernen, wordt gammastraling verkregen. Dit is het breedste bereik in het elektromagnetische spectrum omdat het niet beperkt is tot hoge energieën. Gammastraling kan zacht en hard zijn: energietransities binnen atoomkernen -zacht, en bij kernreacties - hard. Deze quanta vernietigen gemakkelijk moleculen, en vooral biologische. Gelukkig kan gammastraling niet door de atmosfeer. Gammastraling kan vanuit de ruimte worden waargenomen. Bij ultrahoge energieën plant de elektromagnetische interactie zich voort met een snelheid die dicht bij de lichtsnelheid ligt: gammaquanta verpletteren de kernen van atomen en breken ze in deeltjes die in verschillende richtingen vliegen. Bij het remmen stralen ze licht uit dat zichtbaar is door speciale telescopen.
Van het verleden naar de toekomst
Elektromagnetische golven, zoals reeds vermeld, werden voorspeld door Maxwell. Hij bestudeerde en probeerde wiskundig de enigszins naïeve foto's van Faraday, die magnetische en elektrische verschijnselen afbeeldden, wiskundig te geloven. Het was Maxwell die de afwezigheid van symmetrie ontdekte. En hij was het die met een aantal vergelijkingen wist te bewijzen dat wisselende elektrische velden magnetische velden opwekken en omgekeerd. Dit bracht hem op het idee dat dergelijke velden loskomen van de geleiders en met een gigantische snelheid door het vacuüm bewegen. En hij begreep het. De snelheid was bijna driehonderdduizend kilometer per seconde.
Dit is hoe theorie en experiment samenwerken. Een voorbeeld is de ontdekking, waardoor we het bestaan van elektromagnetische golven leerden kennen. Met behulp van de natuurkunde werden er volledig heterogene concepten in gecombineerd - magnetisme en elektriciteit, aangezien dit een fysiek fenomeen van dezelfde orde is, alleen de verschillende kanten ervan zijn in interactie. Theorieën worden de een na de ander gebouwd, en allemaalze zijn nauw verwant aan elkaar: de theorie van de elektrozwakke interactie, bijvoorbeeld, waar zwakke nucleaire en elektromagnetische krachten worden beschreven vanuit dezelfde posities, dan wordt dit alles verenigd door de kwantumchromodynamica, die de sterke en elektrozwakke interacties omvat (hier de nauwkeurigheid is nog steeds lager, maar het werk gaat door). Natuurgebieden als kwantumzwaartekracht en snaartheorie worden intensief onderzocht.
Conclusies
Het blijkt dat de ruimte om ons heen volledig doordrongen is van elektromagnetische straling: dit zijn de sterren en de zon, de maan en andere hemellichamen, dit is de aarde zelf, en elke telefoon in de handen van een persoon, en antennes van radiostations - dit alles zendt elektromagnetische golven uit, anders genoemd. Afhankelijk van de frequentie van trillingen die een object uitzendt, worden infraroodstraling, radiogolven, zichtbaar licht, bioveldstralen, röntgenstralen en dergelijke onderscheiden.
Wanneer een elektromagnetisch veld zich voortplant, wordt het een elektromagnetische golf. Het is gewoon een onuitputtelijke bron van energie, waardoor de elektrische ladingen van moleculen en atomen fluctueren. En als de lading oscilleert, wordt de beweging ervan versneld en zendt daarom een elektromagnetische golf uit. Als het magnetische veld verandert, wordt een elektrisch veld van een vortex opgewekt, dat op zijn beurt een magnetisch vortex-veld opwekt. Het proces gaat door de ruimte en bestrijkt het ene punt na het andere.
