Elektromagnetilise interaktsiooni osakesed

See artikkel kaalub seda, mida nimetatakse loodusjõududeks - põhiline elektromagnetiline koostoime ja põhimõtted, millel see on ehitatud. Samuti räägime selle teema uurimiseks uute lähenemisviiside võimalustest. Isegi füüsikaõpetaja koolides seisavad õpilased silmitsi mõistega "võimu". Nad õpivad, et jõud võivad olla kõige mitmekesisemad - hõõrdejõud, jõuallikas, elastsusjõud jne. Neid kõiki ei saa nimetada fundamentaalseks, sest väga sageli on jõudude nähtus sekundaarne (hõõrdejõud, näiteks molekulide vastasmõju). Selle tagajärjel võib elektromagnetiline koostoime olla ka teisene. Molekulaarfüüsika näitab van der Waalsi jõudu. Paljusid näiteid annab ka elementaarosakeste füüsika.

Looduses

Ma tahaksin jõuda looduses toimuvate protsesside keskmesse, kui see sunnib elektromagnetilist vastasmõju tööle. Mis täpselt on põhiline jõud, mis määrab kindlaks kõik selle poolt loodud teisese jõu? Kõik teavad, et elektromagnetiline koostoime või, nagu seda ikka veel nimetatakse, elektrilised jõud, on fundamentaalne. Seda näitab Coulombi seadus, millel on oma üldistus, mis tuleneb Maxwelli võrranditest. Viimased kirjeldavad kõiki looduses esinevaid magnet- ja elektrilisi jõude. Sellepärast on tõestatud, et elektromagnetväljade omavaheline seos on looduse peamised jõud. Järgmine näide on gravitatsiooni jõud. Isegi koolilapsed on teadlikud Iisaki Newtoni universaalse gravitatsiooni seadusest, kes sai ka hiljuti Einsteini võrranditest oma üldistuse ja oma raskusastme teooria kohaselt on see elektromagnetilise vastasmõju looduses ka fundamentaalne.

Kordagi arvasin, et seal oli ainult kaks põhilisi jõude, kuid teaduse areng oli edasi, järk-järgult tõestades, et see nii ei juhtunud. Näiteks aatomtuuma avastamisega oli vaja tuuma jõu mõistet tuua, muidu kuidas mõista põhimõtet, kuidas osakesi tuuma sees hoitakse, miks nad ei lendu eri suundades. Mõiste, kuidas elektromagnetiline koostoime looduses toimib, aitas mõõta tuumajõude, uurida ja kirjeldada. Kuid hiljem teadlased jõudsid järeldusele, et tuumajõud on sekundaarsed ja mitmel moel sarnased van der Waalsi jõududega. Tegelikult on ainult need jõud, mis kvarkid pakuvad, omavahel suheldes on tõepoolest ülioluline. Siis on sekundaarne efekt elektromagnetväljade vastasmõju tuuma neutronite ja protoonide vahel. Tõsi põhiline on kvarte, mis vahetavad gluunid, vastasmõju. Seega looduses leiti kolmas tõeliselt põhiline jõud.

Selle loo jätkamine

Elementaarsete osakeste lagunemine, rasked osakesed lagunevad ja nende lagunemine kirjeldab uut elektromagnetilise koostoime jõudu, mida nimetatakse - nõrga suhtluse jõuks. Miks nõrk? Jah, kuna elektromagnetiline koostoime looduses on palju tugevam. Ja jällegi selgus, et see nõrga suhtlemise teooria, mis harmooniliselt sattus maailma pilti ja kirjeldas elementaarsetest osakestest lagunemisest ideaalselt kirjeldatut, ei peegeldanud samu postuleme, kui energia tõuseb. Nii et vana teooria muudeti teiseks - nõrga suhtlemise teooria sel ajal osutus universaalseks. Kuigi see oli ehitatud samadel põhimõtetel kui teised osakesi elektromagnetilise vastasmõju kirjeldavad teooriad. Tänapäeval on neli uuritud ja tõestatud põhilist suhtlemist, ja viies - muide, seda arutatakse edasi. Kõik neli - gravitatsiooniline, tugev, nõrk, elektromagnetiline - on üles ehitatud ühele põhimõttele: osakeste vahel tekkiv jõud tuleneb mingisugusest vahetusest, mida viib läbi vedaja, või vastasel juhul - vahendajaks.

Milline see abiline on? See on footon - osakese ilma massita, kuid sellegipoolest edukalt korraldab elektromagnetilist vastasmõju elektromagnetlainete kvanttivahetuse või valguse kvantki vahetamise tõttu. Elektromagnetiline interaktsioon toimub fotonite abil laetud osakeste valdkonnas, mis suhtuvad teatud jõuga, ja just seda tegeleb Coulombi seadus. On veel üks massless particulate - gluon, see eksisteerib kaheksast sorti, see aitab edastada kvarkid. See elektromagnetiline koostoime on kulude vaheline atraktiiv ja seda nimetatakse tugevaks. Ja nõrk suhtlemine ei saa toimuda ilma vahendajateta, mis sai massiosakesteks, pealegi on need massiivsed, st rasked. Need on keskmise vektori bosonid. Nende mass ja kaal selgitavad koostoime nõrkust. Gravitatsiooniline jõud tekitab gravitatsiooniala kvantitatiivse vahetuse. See elektromagnetiline koostoime on osakeste atraktiivsus, seda pole veel piisavalt uuritud, gravitooni ei ole veel eksperimentaalselt veel avastatud ja kvantgravitust meid täielikult ei tajuta, mistõttu me ei saa seda veel kirjeldada.

Viies jõud

Uurisime nelja tüüpi põhilist suhtlemist: tugev, nõrk, elektromagnetiline, gravitatsiooniline. Koostoime on osakestevahetuse tegu ja mingit võimalust ilma sümmeetria mõisteta ei toimu, kuna puudub interaktsioon, mis pole sellega seotud. See määrab osakeste arvu ja nende massi. Täpse sümmeetria korral on mass alati null. Nii et footoni ja gluuni jaoks ei ole gravitooni jaoks ühtegi massi, see on null. Ja kui sümmeetriat rikutakse, siis nullmass lõpeb. Seega on vahevektori bisoonidel mass, sest sümmeetria on katki. Need neli põhilist suhtlemist selgitavad kõike, mida me näeme ja tunneme. Ülejäänud jõud viitavad sellele, et nende elektromagnetiline koostoime on teisene. Kuid 2012. aastal oli teaduses läbimurre ja leiti veel üks osakest, mis sai kohe kuulsaks. Teadusliku maailma revolutsiooni korraldas Higgsi boksi avastamine, mis, nagu selgus, toimib ka leptonide ja kvarkide vastastikuse mõjul.

Sellepärast on füüsikud nüüd öelnud, et viies vägi ilmus, vahendatud Higso bosoniga. Siin rikutakse ka sümmeetriat: Higsi boonusel on mass. Seega on vastastikmõjude arv (see sõna kaasaegses osakeste füüsikas asendatakse sõna "jõud") on jõudnud viis. Võib-olla ootame uusi avastusi, sest me ei tea täpselt, kas lisaks nendele on rohkem vastasmõjusid. On väga võimalik, et mudel, mida me praegu kaalume ja mis näib olevat nüüd täiesti selgitanud kõiki maailmas täheldatavaid nähtusi, ei ole täiesti täielik. Ja on võimalik, et mõne aja pärast ilmnevad uued vastasmõjud või uued jõud. Selline tõenäosus eksisteerib, kui ainult sellepärast, et me oleme järk-järgult teada saanud, et täna on teada põhilisi koostoimeid - tugev, nõrk, elektromagnetiline ja gravitatsiooniline. Lõppude lõpuks, kui teaduses on juba räägitud supersümmeetrilised osakesed, siis see tähendab uue sümmeetria olemasolu ja sümmeetria tähendab alati uute osakeste ilmumist, vahendajatena nende vahel. Seega kuuleme me varem tundmatut põhilist jõudu, sest just siis oli üllatunud teada saada, et on näiteks elektromagnetiline, nõrk suhtlemine. Meie teadmised oma olemusest on väga puudulikud.

Sidumine

Kõige huvitavam on see, et igasugune uus interaktsioon toob tingimata kaasa täiesti tundmatu nähtuse. Näiteks kui me ei õpi nõrga suhtlemise kohta, ei oleks me kunagi avastanud lagunemist ja kui me ei tunneks lagunemist, ei oleks tuumareaktsiooni uurimine võimalik. Ja kui me ei teadnud tuumareaktsioone, ei mõistnud me, kuidas meie jaoks päike paistab. Lõppude lõpuks, kui see ei oleks kerge ja elu Maal ei oleks moodustunud. Nii et suhtluse olemasolu näitab, et see on eluliselt tähtis. Kui tugevat vastasmõju ei toimu ja stabiilseid aatomi tuumaid ei oleks. Tänu elektromagnetilisele vastastikmõjule saab Maa päikeseenergiast ning selle tulevad valguse kiirgused soojendavad planeedi. Ja kõik meie teadaolevad koostoimed on hädavajalikud. Siin on näiteks Higgs. Higso boson annab osakese massiga vastastikmõju kaudu väljal, ilma et me oleksime ellu jäänud. Ja kuidas me saame püsida planeedi pinnal ilma gravitatsioonilise koostoimeta? See oleks võimatu mitte ainult meie jaoks, vaid ka üldse mitte.

Absoluutselt kõik vastasmõjud, isegi need, mida me veel ei tea, on vajadus kõike, mida inimkond teab, mõistab ja armastab, eksisteerib. Mida me ei tea? Jah palju. Näiteks teame, et prooton on tuumas stabiilne. See stabiilsus on meile väga tähtis, vastasel juhul ei oleks elu samamoodi elus. Kuid eksperimendid näitavad, et prootoni elu on ajaliselt piiratud koguses. Pikk, muidugi, 10 ³⁴ aastat. Kuid see tähendab, et varem või hiljem laguneb prooton ja selleks on vaja mõnda uut jõudu, st uut suhtlust. Mis puutub prootoni lagunemisse, siis on olemas juba teooriad, kus eeldatakse uut, palju kõrgemat sümmeetriaat, seega võib tekkida uus koostoime, millest me veel midagi ei tea.

Suur unifikatsioon

Looduse ühtsuses on ainus põhimõte kõikide põhiliste koostoimete ülesehitamine. Paljudel inimestel on küsimusi nende arvu ja selle konkreetse koguse põhjuste kohta. Siin on ehitatud palju versioone ja nende järeldused on väga erinevad. Selgitage just niisuguste hulga põhiliste vastastikmõjude esinemist mitmel erineval viisil, kuid nad kõik viivad tõestuse rajamise ühe põhimõtteni. Teadlased üritavad alati kõige mitmekesisemat tüüpi vastastikmõju ühendada. Seepärast nimetatakse selliseid teooriaid Suur Ühingu teooriatena. Nagu maailma puu hargnevad: seal on palju filiaale, kuid pagasiruum on alati üks.

Kõik seepärast, et on olemas mõte ühendada kõik need teooriad. Kõigi teadaolevate interaktsioonide juur on üksik, toites üks pagasiruumi, mis sümmeetria kaotamise tõttu hakkas harutama ja moodustasid mitmesugused põhilised vastastikused toimed, mida me saame katseliselt jälgida. Seda hüpoteesi pole veel võimalik kontrollida, sest see nõuab väga suurte energiate füüsikat, mis on tänapäeva katsetest kättesaamatud. Samuti on võimalik, et me kunagi ei võta neid energiaid kunagi. Aga selle takistuse ületamine on täiesti võimalik.

Peale

Meil on universum, see looduslik kiirendus, ja kõik selles toimuvad protsessid võimaldavad testida isegi kõige julgemaid hüpoteese kõigi teadaolevate interaktsioonide ühe juuri kohta. Teine huvitav ülesanne mõista loodusvahelisi suhteid on ehk veelgi keerulisem. On vaja mõista, kuidas gravitatsioon on seotud ülejäänud looduse jõududega. See põhiline koostoime on nii nagu eraldi, hoolimata sellest, et ehituse põhimõtte kohaselt on see teooria sarnane kõigile teistele.

Einstein tegeles gravitatsiooni teooriaga, püüdes seda ühendada elektromagnetismiga. Vaatamata selle probleemi lahendamise näilisele tegelikkusele pole see teooria välja töötatud. Nüüd inimkond teab veidi rohkem, igal juhul me teame tugevast ja nõrgest suhtest. Ja kui me lõpetame selle üheainsa teooria, siis paratamatult mõjutab see teadmiste puudumist ka edaspidi. Siiani ei ole gravitatsiooniga seotud teisi vastasmõjusid, kuna kõik järgivad kvantfüüsika poolt määratud nõudeid ja gravitatsiooni ei tee. Kvantteooria kohaselt on kõik osakesed teatud väljakute kvantiteedid. Kuid kvantkiirgust pole vähemalt praeguseks olemas. Kuid juba avatud suhtlemiste arv ütleb valjusti, et ei saa olla ühtegi kava.

Elektrivälja

Juba 1860. aastal suutis end 19. sajandi suur füüsik James Maxwell luua teooriat, mis selgitas elektromagnetilist induktsiooni. Kui magnetväli aja jooksul muutub, tekib kosmosesse teatud ruumis elektrivälja. Ja kui sellel väljal leitakse suletud juht, siis ilmub elektriväljale induktsioonivool. Maxwelli elektromagnetväljade teooria abil tõestab, et ka pöördprotsess on tõenäoline: kui ajahetkel teatud ajahetkel muutub elektriväli, ilmub tingimata magnetväli. Seega võib kõik magnetvälja muutused olla tingitud muutuva elektrivälja välimusest ja elektrienergia vahetamise teel võib saada erineva magnetvälja. Need muutujad, mis genereerivad üksteise välju, moodustavad ühe välju - elektromagnetilised.

Kõige olulisem tulemus, mis tuleneb Maxwelli teooria valemitest, on ennustus, et elektromagnetlained, st elektromagnetväljade paljundamine ajas ja ruumis. Elektromagnetvälja allikas on kiirendusega liigutatavad elektrikulud. Erinevalt heli (elastsest) lainest võivad elektromagnetlained levida mis tahes ainetes, isegi vaakumis. Elektromagnetiline koostoime vaakumis levib valguse kiirusega (c = 299,792 kilomeetrit sekundis). Lainepikkus võib olla erinev. Elektromagnetlained 10 000 meetrist kuni 0,005 meetrit on raadiolaineid, mis teenivad meid teabe edastamiseks, see tähendab signaale kindlale kaugusele ilma juhtmeteta. Raadiinlained tekitavad voolu kõrgetel sagedustel, mis voolavad antennile.

Millised on lained

Kui elektromagnetilise kiirguse lainepikkus on 0,005 m kuni 1 mikromeeter, see tähendab, et raadiolainete ja nähtava valguse vahemikus on infrapunakiirgus. See kiirgab kõik kuumutatud korpused: akud, ahjud, hõõglambid. Spetsiaalsed seadmed teisendavad infrapunakiirgust nähtavasse valgust, et saada pildid objektidest, mis seda kiirgavad, isegi absoluutses pimeduses. Nähtav valgus kiirgab laineid pikkusega 770-380 nanomeetrit - punaselt violetse. Sellel spektriosal on inimelu jaoks väga oluline tähendus, sest me saame nägemuse kaudu tohutu osa maailma kohta käivast teabest.

Kui elektromagnetilise kiirguse lainepikkus on väiksem kui lilla värvus, on see ultraviolett, mis tapab patogeenseid baktereid. X-rays silma jaoks ei ole nähtav. Nad peaaegu ei ima kihti matt läbipaistmatu nähtava valguse. Röntgenikiirgus diagnoosib inimese ja loomade siseorganite haigusi. Kui elektromagnetilist kiirgust tekib elementaarosakeste vastasmõju ja kiirgab põletav tuum, saadakse gammakiirgus. See on elektromagnetilise spektri kõige laiem valik, kuna see ei piirdu suure energiaga. Gamma kiirgus võib olla pehme ja kõva: aatomituumides paiknevad energiaülemad on kerged ja tuumareaktsioonide puhul on see jäik. Need kvartid kergesti purustavad molekule ja eriti bioloogilisi. Hea õnnega on see, et gammakiirgus ei saa atmosfääri läbi viia. Jälgige gamma-kvantaate saab kosmosest. Ülikõrge energia korral levib elektromagnetiline koostoime valguse lähedale kiirusega: gamma-kvantitaadid purustavad aatomite tuumad, purustades need lahkuvaid osakesi. Pidurdamisel kiirgavad nad spetsiaalsetes teleskoopides nähtavat valgust.

Minevikust tulevikku

Elektromagnetlaineid, nagu öeldud, on ennustatud Maxwell. Ta hoolikalt uuritud ja püüdis uskuda matemaatika veidi naiivne pilte Faraday, mille magnetilise ja elektrilise nähtused kujutatud. See oli Maxwell avastanud sümmeetria puudumine. Ja et ta suutis tõestada mitmeid valemeid, et vahelduvvoolu väljad tekitada magnetvälja ja vastupidi. See sundis teda uskuda, et sellistes valdkondades ning eemaldada siinid on liikunud läbi vaakumis mõned hiiglane kiirus. Ja ta arvasin seda. Kiirus oli lähedal trohstam tuhandeid kilomeetreid sekundis.

See koostoime teooria ja eksperiment. Näiteks on avaus, millest saime teada olemasolu elektromagnetlaineid. Seal tuli koos abiga füüsika täiesti heterogeense mõisted - magnetism ja elekter, sest see on füüsiline nähtus samas järjekorras, vaid erinevaid külgi see on kommunikatsioon. Teooriad on paigutatud üksteise taga, ja need kõik on tihedalt seotud üksteist: teooria elektronõrga interaktsiooni, näiteks juhul, kui sama seis kirjeldatud nõrk tuuma jõud ja elektromagnetiline jne Kõik see ühendab quantum chromodynamics, mis katab tugev ja elektronõrga vastasmõju (siin, täpsus samas väiksem, kuid operatsiooni jätkub). Intensiivselt uuritud valdkondades nagu füüsikud nagu Kvantgravitatsiooni ja stringiteooria.

järeldused

Tuleb välja, et meid ümbritsevast ruumist täiesti läbi imbunud elektromagnetkiirguse: tähed ja päike, kuu ja muud taevakehad on Maa ise ja iga telefoni kätte mees, ja antenn jaamad - kõik see kiirgab elektromagnetlaineid erinevate nimedega . Sõltuvalt võnkumiste sagedus, mis kiirgab objekti erinevad infrapuna, raadio, nähtavat valgust, biovälja kiirte röntgenkiirgust ja muu taoline.

Kui elektromagnetvälja levitatakse, muutub see elektromagnetilise laine. See on lihtsalt ammendamatu energiaallikas põrutatakse elektri eest molekulide ja aatomitega. Ja kui tasu võngub selle liikumise kiireneb ning seetõttu kiirgab elektromagnetlaineid. Kui magnetvälja muudatusi, valdkonnas ergastatakse elektriline pööris, mis omakorda ergutab magnetvälja keerise valdkonnas. Protsess läheb läbi ruumi, mis hõlmab ühe punkti teise järel.