Interacțiunea electromagnetică a particulelor

Acest articol va lua în considerare ceea ce se numește forțele naturii - interacțiunea electromagnetică fundamentală și principiile pe care este construită. De asemenea, vor fi discutate despre posibilitățile existenței unor noi abordări în studiul acestui subiect. Chiar și la școală în lecțiile de fizică, studenții se confruntă cu o explicație a conceptului de "putere". Ei învață că forțele pot fi cele mai diverse - forța de frecare, forța de atracție, forța elasticității și așa mai departe. Nu toate acestea pot fi numite fundamentale, deoarece foarte des fenomenul forței este secundar (forța de frecare, de exemplu, prin interacțiunea dintre molecule). Interacțiunea electromagnetică poate fi, de asemenea, secundară, ca o consecință. Fizica moleculară citează forța van der Waals ca exemplu. Multe exemple sunt date și de fizica particulelor elementare.

În natură

Aș dori să ajung la nucleul proceselor care au loc în natură, când forțează interacțiunea electromagnetică. Care este exact forța fundamentală care determină toate forțele secundare construite de ea? Toată lumea știe că interacțiunea electromagnetică sau, așa cum se mai numește, forțele electrice, este fundamentală. Acest lucru este indicat de legea lui Coulomb, care are o generalizare proprie, care rezultă din ecuațiile lui Maxwell. Acestea din urmă descriu toate natura magnetică și forțele electrice. De aceea se demonstrează că interacțiunea câmpurilor electromagnetice este forța fundamentală a naturii. Următorul exemplu este forța gravitației. Chiar și elevii știu despre legea gravitației universale Isaac Newton, care, de asemenea, recent a primit o generalizare corectă a ecuațiilor lui Einstein, și, conform teoriei lui de greutate, forța interacțiunea electromagnetică este fundamentală în natură, de asemenea.

Odată, se credea că există doar două dintre aceste forțe fundamentale, dar știința mergea mai departe, dovedind treptat că nu era cazul deloc. De exemplu, odată cu descoperirea nucleului atomic, trebuia să introducem conceptul de forță nucleară, altfel cum să înțelegem principiul de închidere a particulelor în interiorul nucleului, de ce nu zboară în direcții diferite. Înțelegerea modului în care funcționează interacțiunea electromagnetică în natură a ajutat la măsurarea forțelor nucleare, la studiu și la descriere. Cu toate acestea, oamenii de știință mai târziu au ajuns la concluzia că forțele nucleare sunt secundare și în multe privințe seamănă cu forțele lui Van der Waals. De fapt, numai forțele care furnizează quark-uri sunt într-adevăr fundamentale, interacționând unul cu celălalt. Apoi, un efect secundar este interacțiunea câmpurilor electromagnetice între neutroni și protoni din nucleu. Cu adevărat fundamentală este interacțiunea dintre quarks, care schimbă gluoni. Astfel, oa treia forță cu adevărat fundamentală a fost descoperită în natură.

Continuarea acestei povestiri

particule elementare de degradare, grele - pe brichetă, iar dezintegrarea descrie noua puterea interacțiunii electromagnetice, care este bine numit - puterea interacțiunii slabe. De ce slab? Da, deoarece interacțiunea electromagnetică în natură este mult mai puternică. Și din nou, sa dovedit că teoria interacțiunilor slabe, atât de grațios îmbarcat în imaginea lumii și inițial descrie perfect descompunerea particulelor elementare, nu reflectă aceleași postulate, în cazul în care energia este crescută. Acesta este motivul pentru care teoria veche a fost reproiectat la alta - o teorie a interacțiunii slabe, de data aceasta sa dovedit a fi universale. Deși a fost construit pe aceleași principii ca celelalte teorii care descriu interacțiunea electromagnetică a particulelor. În timpurile moderne, există patru interacțiuni studiate și dovedite fundamentale, iar a cincea - pe drum, el va veni. Toate cele patru - gravitaționale, puternic, slab, electromagnetice - sunt construite pe un singur principiu: forța generată între particule este rezultatul unui operator de transport de partajare Pus în aplicare, sau în alt mod - mediază interacțiunea.

Ce fel de ajutor este asta? Acest foton - fara masa particulelor, dar cu toate acestea, cu succes construiește interferențe electromagnetice din cauza de a schimba un cuantum de unde electromagnetice sau cuantice de lumină. Interacțiunea electromagnetică este realizată de fotoni în domeniul de particule încărcate, care comunică cu o anumită forță, ca fiind timpul și tratează legea lui Coulomb. Există o altă particulă fără masă - gluon, există în opt soiuri, ajută la comunicarea cuarcii. Această interacțiune electromagnetică este o atracție între sarcini și se numește puternică. Da, și interacțiune slabă nu se întâmplă fără intermediari, care au devenit particule cu masă, în plus, sunt masive, adică grele. Acestea sunt bosoni vectori intermediari. Masa și greutatea lor explică slăbiciunea interacțiunii. Forța gravitațională produce un schimb de quanta a câmpului gravitațional. Aceasta este atracția interacțiunii electromagnetice de particule, nu este încă suficient studiată, chiar GRAVITON experimental nu a fost încă detectată, iar gravitația cuantică nu suntem destul de acolo, și doar pentru că trebuie să-l poate descrie nu a fost încă.

Puterea a cincea

Am examinat patru tipuri de interacțiuni fundamentale: puternice, slabe, electromagnetice, gravitaționale. Interacțiunea - este un act de schimb de particule, și nici o idee de simetrie nu se poate face, pentru că nu există nici o interacțiune care nu este asociat cu ea. Acesta determină numărul particulelor și masa lor. Cu o simetrie exactă, masa este întotdeauna zero. Deci, fotonul și gluonul nu au masa, este zero, și în graviton. Și dacă simetria este încălcată, masa zero va înceta. Astfel, bizonii vectori intermediari au o masă, deoarece simetria este ruptă. Aceste patru interacțiuni fundamentale explică tot ceea ce vedem și simțim. Restul forțelor spun că interacțiunea lor electromagnetică este secundară. Cu toate acestea, în 2012 a avut loc o descoperire în domeniul științei și a fost descoperită o altă particulă care a devenit imediat faimoasă. Revoluția din lumea științifică a fost organizată de descoperirea bosonului Higgs, care, după cum sa dovedit, servește și ca purtător al interacțiunilor între leptoni și cuarci.

Acesta este motivul pentru care fizicienii spun acum că a apărut oa cincea forță, mediată de un boson Higgs. De asemenea, simetria este ruptă aici: bosonul Higgs are o masă. Astfel, numărul interacțiunilor (acest cuvânt din fizica modernă a particulelor este înlocuit cu cuvântul "forță") a ajuns la cinci. Poate că așteptăm noi descoperiri, pentru că nu știm exact dacă există mai multe interacțiuni în afară de acestea. Este foarte posibil ca am construit, iar astăzi acest model, s-ar părea perfect explica toate fenomenele observate în lume, și nu este destul de completă. Și poate, după un timp, vor apărea noi interacțiuni sau noi forțe. Probabilitatea unei astfel există cel puțin pentru că am învățat treptat că sunt cunoscute în prezent interacțiuni fundamentale - puternice, slabe, electromagnetice, gravitaționale. La urma urmei, dacă există în particule particule supersimetrice, care sunt deja discutate în lumea științifică, aceasta înseamnă existența unei noi simetrii, iar simetria implică întotdeauna apariția de noi particule, intermediari între ei. Astfel, am auzit de o forță fundamentală anterior necunoscută, așa cum a fost odată surprins să afle că există, de exemplu, interacțiunea electromagnetică, slabă. Cunoștințele noastre despre natura noastră sunt foarte incomplete.

interconectivitate

Cea mai interesantă este că orice nouă interacțiune trebuie să conducă în mod necesar la un fenomen complet necunoscut. De exemplu, dacă nu am fi aflat despre interacțiunea slabă, nu am fi descoperit colapsul, iar în cazul în care nu a fost în cunoștințele noastre de degradare, nici un studiu de reacție nucleară ar fi fost imposibilă. Și dacă nu cunoșteam reacțiile nucleare, nu am fi înțeles cum strălucește soarele pentru noi. La urma urmei, dacă nu ar fi strălucit și viața de pe Pământ nu s-ar fi format. Prin urmare, prezența interacțiunii sugerează că acest lucru este vital. Dacă nu ar exista o interacțiune puternică și nici nucleele atomice nu ar fi stabile. Datorită interacțiunii electromagnetice, Pământul primește energie de la Soare, iar razele de lumină care vin de la el încălzesc planeta. Și toate interacțiunile cunoscute de noi sunt absolut necesare. Aici este Higgs, de exemplu. Bozonul Higgs furnizează particulei cu masă prin interacțiunea cu câmpul, fără să nu supraviețuim. Și cum putem sta pe suprafața planetei fără interacțiune gravitațională? Ar fi imposibil nu numai pentru noi, ci pentru nimic.

Absolut toate interacțiunile, chiar și cele pe care noi încă nu știu, este o necesitate pentru tot ceea ce omenirea cunoaște, înțelege și iubește acolo. Ce să nu știm? Da mult. De exemplu, știm că protonul este stabil în nucleu. Această stabilitate este foarte importantă pentru noi, altfel nu ar exista viață în același mod. Cu toate acestea, experimentele indică faptul că durata de viață a unui proton este o cantitate limitată în timp. Lung, desigur, 10³⁴ ani. Dar aceasta înseamnă că se încadrează mai devreme sau mai târziu, în afară, și protonul, iar acest lucru va necesita o nouă forță, care este o interacțiune nouă. Împotriva protonii degradare există deja teorie care presupune un grad nou, mult mai mare de simetrie, prin urmare, o nouă interacțiune ar putea exista de care noi nu știm nimic.

Marea unificare

În unitatea naturii, singurul principiu este construirea tuturor interacțiunilor fundamentale. Mulți oameni au întrebări cu privire la numărul acestora și la motivele acestei cantități particulare. Există un număr mare de versiuni construite aici și sunt foarte diferite în concluziile lor. Explicați prezența doar un astfel de număr de interacțiuni fundamentale în toate modurile posibile, dar ele sunt un singur principiu de construire a probelor. Întotdeauna cele mai diverse tipuri de interacțiuni pe care cercetătorii încearcă să le combine într-una. Prin urmare, astfel de teorii sunt numite teorii ale Marii Unificări. Ca un copac mondial ramificat: există o mulțime de ramuri, iar trunchiul este întotdeauna unul.

Toate pentru că există o idee care unifică toate aceste teorii. Rădăcina tuturor interacțiunilor cunoscute este una singură, alimentând un trunchi, care, ca rezultat al pierderii simetriei, a început să se dezvolte și a format diverse interacțiuni fundamentale pe care le putem observa experimental. Această ipoteză nu poate fi încă verificată, deoarece necesită fizică de energii incredibil de mari care sunt inaccesibile experimentelor de azi. Este posibil ca niciodată să nu stăpânească aceste energii. Dar pentru a depăși această piedică este foarte posibil.

separat

Avem universul, acest accelerator natural și toate procesele care apar în el fac posibilă testarea celor mai îndrăznețe ipoteze despre rădăcina unică a tuturor interacțiunilor cunoscute. O altă sarcină interesantă de înțelegere a interacțiunilor în natură este, poate, chiar mai complicată. Este necesar să se înțeleagă modul în care gravitatea se raportează la restul forțelor naturii. Această interacțiune fundamentală este ca și cum ar fi separat, în ciuda faptului că, conform principiului construcției, această teorie este similară cu celelalte.

Einstein sa angajat în teoria gravitației, încercând să o conecteze cu electromagnetismul. În ciuda realității aparente a rezolvării acestei probleme, teoria nu a funcționat deloc. Acum omenirea știe un pic mai mult, oricum știm despre interacțiunea puternică și slabă. Dacă terminăm acum această teorie unificată, atunci, inevitabil, lipsa cunoașterii va fi din nou afectată. Până în prezent nu a reușit să pună gravitația pe picior de egalitate cu celelalte interacțiuni, din moment ce toate supun legilor dictate de fizica cuantică și gravitația - nr. Conform teoriei cuantice, toate particulele sunt quanta unui anumit câmp. Dar gravitatea cuantică nu există, cel puțin nu încă. Cu toate acestea, numărul de interacțiuni deja deschise reamintește cu tărie că nu poate exista nicio schemă unică.

Câmp electric

Încă din 1860 fizică extraordinară Secolul al nouasprezecelea James Maxwell a reușit să creeze o teorie care explică inducția electromagnetică. Când câmpul magnetic se schimbă cu timpul, se formează un câmp electric la un anumit punct din spațiu. Și dacă se găsește un conductor închis în acest câmp, în câmpul electric apare un curent de inducție. Cu teoria câmpurilor electromagnetice, Maxwell dovedește că procesul invers este probabil, de asemenea: dacă câmpul electric într-un anumit punct al spațiului este schimbat în timp, va apărea în mod necesar un câmp magnetic. Prin urmare, orice schimbare a timpului câmpului magnetic poate fi cauzată de apariția unui câmp electric în schimbare, iar prin schimbarea electrică se poate obține un câmp magnetic variabil. Aceste variabile, care generează câmpuri între ele, formează un singur câmp - câmpul electromagnetic.

Cel mai important rezultat, care rezultă din formulele teoriei lui Maxwell, este prezicerea existenței undelor electromagnetice, adică propagarea câmpurilor electromagnetice în timp și spațiu. Sursa câmpului electromagnetic este accelerând încărcăturile electrice. Spre deosebire de undele elastice (elastice), undele electromagnetice se pot propaga în orice substanță, chiar și în vid. Interacțiunea electromagnetică în vid se propagă cu viteza luminii (c = 299.792 kilometri pe secundă). Lungimea de undă poate fi diferită. Undele electromagnetice de la zece mii de metri până la 0.005 metri sunt unde radio care ne servesc la transmiterea informațiilor, adică semnale pentru o anumită distanță fără fire. Undele radio sunt generate de curent la frecvențe înalte, care curg în antenă.

Care sunt valurile?

Dacă lungimea de undă a radiației electromagnetice este de la 0,005 metri până la 1 micrometru, adică cele care se află în intervalul dintre undele radio și lumina vizibilă, aceasta este radiația infraroșie. Emite toate corpurile încălzite: baterii, cuptoare, lămpi cu incandescență. Instrumentele speciale convertesc radiațiile infraroșii în lumină vizibilă pentru a obține imagini ale obiectelor care le emit, chiar și în întuneric absolut. Luminile vizibile emite valuri de la 770 la 380 nanometri în lungime - se transformă de la roșu la violet. Această parte a spectrului are o importanță deosebită pentru viața umană, deoarece primim o mare parte din informația despre lume cu ajutorul viziunii.

În cazul în care radiația electromagnetică are o lungime de undă mai mică decât culoarea violetă, este vorba despre un ultraviolet care ucide bacteriile patogene. Radiografiile la ochi nu sunt vizibile. Aproape că nu absorb straturile de materie care sunt opace la lumina vizibilă. Radiografia cu raze X diagnostichează bolile organelor interne ale omului și ale animalelor. Dacă radiația electromagnetică rezultă din interacțiunea dintre particulele elementare și este emisă de nucleele excitate, se obține radiația gamma. Aceasta este cea mai largă gamă din spectrul electromagnetic, deoarece nu este limitată la energii înalte. Gama de radiații poate fi moale și tare: tranzițiile de energie din interiorul nucleelor ​​atomice sunt ușoare, iar pentru reacțiile nucleare este rigidă. Aceste cuantite distrug moleculele cu ușurință, mai ales cele biologice. Este o mare fericire că radiația gamma nu poate trece prin atmosferă. Observați că cana gamma poate fi din spațiu. La energii ultrahigh, interacțiunea electromagnetică se propagă cu o viteză apropiată de cea a luminii: cuantele gamma zdrobesc nucleele atomice, spărgându-le în particule care dispar. La frânare, ele emit lumină vizibilă în telescoape speciale.

Din trecut până în viitor

Undele electromagnetice, așa cum am menționat deja, sunt prezise de Maxwell. El a studiat cu atenție și a încercat să creadă matematică imagini ușor naiv de Faraday, pe care au fost descrise fenomenele magnetice și electrice. Maxwell a descoperit lipsa de simetrie. Și el a reușit să demonstreze printr-o serie de ecuații că câmpurile electrice variabile generează câmpuri magnetice și invers. Acest lucru la determinat să creadă că astfel de câmpuri se îndepărtează de dirijori și se deplasează prin vid la o viteză gigantică. Și el a dat seama. Viteza era aproape de trei sute de mii de kilometri pe secundă.

Așa interacționează teoria și experimentul. Un exemplu este deschiderea prin care am aflat despre existența undelor electromagnetice. În ea a venit împreună cu ajutorul fizicii concepte absolut eterogene - magnetism și electricitate, așa cum este un fenomen fizic de același ordin, doar diferite părți ale acestuia sunt în comunicare. Teoriile sunt dispuse unul în spatele celuilalt, și toate acestea sunt strâns legate între ele: teoria interacțiunii electroslabe, de exemplu, în cazul în care aceeași poziție descrisă de forța slabă nucleare și electromagnetice etc. Toate acestea combină cromodinamicii cuantice, care acoperă interacțiunile puternice și electroslabe (aici, precizia în timp ce lucrarea continuă). Zonele studiate intens fizicieni, cum ar fi gravitația cuantică și teoria corzilor.

constatări

Se pare că spațiul care ne înconjoară complet impregnat cu radiații electromagnetice: stelele și soarele, luna și alte corpuri cerești, este Pământul în sine, și fiecare telefon în mâinile omului, și stațiile de antenă - toate acestea emite unde electromagnetice de nume diferite . În funcție de frecvența oscilațiilor, care radiază obiectul diferă în infraroșu, radio, lumina vizibila, razele bio-teren, raze X și altele asemenea.

Când un câmp electromagnetic se propagă, devine un val electromagnetic. Această sursă de energie este pur și simplu inepuizabilă, determinând oscilația încărcărilor electrice ale moleculelor și atomilor. Iar dacă sarcina oscilează, mișcarea se accelerează și, prin urmare, emite un val electromagnetic. Dacă se schimbă câmpul magnetic, câmpul electric vortex este excitat, ceea ce, la rândul său, excită câmpul magnetic vortex. Procesul trece prin spațiu, acoperind un punct după altul.