Ovaj članak će razmotriti ono što se naziva silama prirode - temeljnu elektromagnetsku interakciju i principe na kojima je izgrađena. Također će se govoriti o mogućnostima postojanja novih pristupa proučavanju ove tematike. Čak iu školi, na satovima fizike, učenici se suočavaju s objašnjenjem pojma "sila". Uče da sile mogu biti vrlo različite - sila trenja, sila privlačenja, sila elastičnosti i mnoge druge slične. Ne mogu se svi nazvati temeljnim, jer je vrlo često fenomen sile sekundaran (sila trenja, na primjer, s interakcijom molekula). Elektromagnetska interakcija također može biti sekundarna - kao posljedica. Molekularna fizika kao primjer navodi Van der Waalsovu silu. Fizika čestica također nudi mnogo primjera.
U prirodi
Želio bih doći do dna procesa koji se događaju u prirodi, kada elektromagnetska interakcija funkcionira. Koja je zapravo temeljna sila koja određuje sve sekundarne sile koje je izgradila?Svi znaju da je elektromagnetska interakcija, ili, kako se još naziva, električne sile, temeljna. O tome svjedoči Coulombov zakon, koji ima svoju generalizaciju koja proizlazi iz Maxwellovih jednadžbi. Potonji opisuju sve magnetske i električne sile koje postoje u prirodi. Zato je dokazano da je interakcija elektromagnetskih polja temeljna sila prirode. Sljedeći primjer je gravitacija. Čak i školarci znaju za zakon univerzalne gravitacije Isaaca Newtona, koji je također nedavno dobio vlastitu generalizaciju Einsteinovim jednadžbama, a, prema njegovoj teoriji gravitacije, ova sila elektromagnetske interakcije u prirodi također je temeljna.
Nekoć se smatralo da postoje samo ove dvije temeljne sile, ali znanost je krenula naprijed, postupno dokazujući da to uopće nije tako. Primjerice, otkrićem atomske jezgre bilo je potrebno uvesti pojam nuklearne sile, inače kako razumjeti princip zadržavanja čestica unutar jezgre, zašto one ne odlijeću u različitim smjerovima. Razumijevanje kako elektromagnetska sila djeluje u prirodi pomoglo je mjerenju, proučavanju i opisivanju nuklearnih sila. Međutim, kasniji su znanstvenici došli do zaključka da su nuklearne sile sekundarne i u mnogočemu slične van der Waalsovim silama. Zapravo, temeljne su samo sile koje kvarkovi daju međusobnom interakcijom. Tada je već - sekundarni učinak - interakcija elektromagnetskih polja između neutrona i protona u jezgri. Doista je temeljna interakcija kvarkova koji izmjenjuju gluone. Tako je bilotreća uistinu temeljna sila otkrivena u prirodi.
Nastavak ove priče
Elementarne čestice se raspadaju, teške - u lakše, a njihov raspad opisuje novu silu elektromagnetske interakcije koja se upravo tako zove - sila slabe interakcije. Zašto slaba? Da, jer je elektromagnetska interakcija u prirodi mnogo jača. I opet se pokazalo da ova teorija slabe interakcije, koja je tako skladno ušla u sliku svijeta i u početku izvrsno opisivala raspade elementarnih čestica, nije odražavala iste postulate ako bi se energija povećala. Zato je stara teorija prerađena u drugu - teoriju slabe interakcije, ovoga puta se pokazala univerzalnom. Iako je izgrađena na istim principima kao i druge teorije koje su opisivale elektromagnetsku interakciju čestica. U moderno doba postoje četiri proučavane i dokazane temeljne interakcije, a peta je na putu, o njoj će biti riječi kasnije. Sva četiri - gravitacijska, jaka, slaba, elektromagnetska - izgrađena su na jednom principu: sila koja nastaje između čestica rezultat je neke izmjene koju provodi nosač, ili inače - posrednik interakcije.
Kakav je ovo pomoćnik? Ovo je foton - čestica bez mase, ali ipak uspješno gradi elektromagnetsku interakciju zbog razmjene kvanta elektromagnetskih valova ili kvanta svjetlosti. Provodi se elektromagnetska interakcijapomoću fotona u polju nabijenih čestica koje komuniciraju određenom silom, upravo to tumači Coulombov zakon. Postoji još jedna čestica bez mase - gluon, postoji osam njegovih varijanti, pomaže kvarkovima da komuniciraju. Ova elektromagnetska interakcija je privlačnost između naboja i naziva se jakom. Da, i slaba interakcija nije potpuna bez posrednika, koji su čestice s masom, štoviše, one su masivne, odnosno teške. To su srednji vektorski bozoni. Njihova masa i težina objašnjava slabost interakcije. Gravitacijska sila proizvodi izmjenu kvanta gravitacijskog polja. Ova elektromagnetska interakcija je privlačenje čestica, još nije dovoljno proučena, graviton još nije čak ni eksperimentalno otkriven, a kvantnu gravitaciju ne osjećamo u potpunosti, zbog čega je još ne možemo opisati.
Peta sila
Razmotrili smo četiri vrste temeljne interakcije: jaku, slabu, elektromagnetsku, gravitacijsku. Interakcija je određeni čin razmjene čestica, a ne može se bez pojma simetrije, jer ne postoji interakcija koja nije povezana s njom. Ona je ta koja određuje broj čestica i njihovu masu. Uz točnu simetriju, masa je uvijek nula. Dakle, foton i gluon nemaju masu, jednaka je nuli, a graviton nema. A ako je simetrija narušena, masa prestaje biti nula. Dakle, srednji vektor bizona ima masu jer je simetrija narušena. Ove četiri temeljne interakcije objašnjavaju sve tovidimo i osjećamo. Preostale sile pokazuju da je njihova elektromagnetska interakcija sekundarna. Međutim, 2012. godine dogodio se iskorak u znanosti i otkrivena je još jedna čestica koja je odmah postala poznata. Revoluciju u znanstvenom svijetu organiziralo je otkriće Higgsovog bozona, koji, kako se pokazalo, služi i kao nositelj interakcija između leptona i kvarkova.
Zato fizičari sada govore da se pojavila peta sila, posredovana Higgsovim bozonom. I ovdje je simetrija narušena: Higgsov bozon ima masu. Tako je broj interakcija (riječ "sila" zamijenjena ovom riječju u modernoj fizici čestica) dosegao pet. Možda čekamo nova otkrića, jer ne znamo točno postoje li druge interakcije osim ovih. Vrlo je moguće da model koji smo već izgradili i koji danas razmatramo, a koji bi, čini se, savršeno objašnjavao sve fenomene promatrane u svijetu, nije sasvim potpun. A možda će se nakon nekog vremena pojaviti nove interakcije ili nove snage. Takva vjerojatnost postoji, makar samo zato što smo vrlo postupno naučili da danas postoje temeljne interakcije - jake, slabe, elektromagnetske, gravitacijske. Uostalom, ako u prirodi postoje supersimetrične čestice, o kojima se već govori u znanstvenom svijetu, onda to znači postojanje nove simetrije, a simetrija uvijek podrazumijeva pojavu novih čestica, posrednika između njih. Tako ćemo čuti o dotad nepoznatoj temeljnoj sili, kako smo to jednom s iznenađenjem saznalipostoje, na primjer, elektromagnetska, slaba interakcija. Naše znanje o vlastitoj prirodi vrlo je nepotpuno.
Povezanost
Najzanimljivije je da svaka nova interakcija nužno mora dovesti do potpuno nepoznatog fenomena. Na primjer, da nismo naučili o slaboj interakciji, nikada ne bismo otkrili raspad, a da nije bilo našeg znanja o raspadu, ne bi bilo moguće proučavanje nuklearne reakcije. A da ne poznajemo nuklearne reakcije, ne bismo razumjeli kako nam sunce sja. Uostalom, da nije sjao, život na Zemlji ne bi se formirao. Dakle, prisutnost interakcije govori da je ona vitalna. Da nema jake interakcije, ne bi bilo ni stabilnih atomskih jezgri. Zbog elektromagnetske interakcije, Zemlja prima energiju od Sunca, a zrake svjetlosti koje dolaze iz nje zagrijavaju planet. A sve nam poznate interakcije su apsolutno neophodne. Evo na primjer onaj Higgsov. Higgsov bozon daje čestici masu kroz interakciju s poljem, bez koje ne bismo preživjeli. I kako ostati na površini planeta bez gravitacijske interakcije? To bi bilo nemoguće ne samo za nas, nego ni za što.
Apsolutno sve interakcije, čak i one za koje još ne znamo, nužne su za postojanje svega što čovječanstvo zna, razumije i voli. Što ne možemo znati? Da puno. Na primjer, znamo da je proton stabilan u jezgri. Ovo nam je jako, jako važno.stabilnost, inače život ne bi postojao na isti način. Međutim, eksperimenti pokazuju da je život protona vremenski ograničena veličina. Dugo, naravno, 1034 godina. Ali to znači da će se prije ili kasnije i proton raspasti, a to će zahtijevati neku novu silu, odnosno novu interakciju. Što se tiče raspada protona, već postoje teorije u kojima se pretpostavlja novi, puno viši stupanj simetrije, što znači da bi mogla postojati nova interakcija, o kojoj još uvijek ništa ne znamo.
Veliko ujedinjenje
U jedinstvu prirode, jedini princip izgradnje svih temeljnih interakcija. Mnogi ljudi imaju pitanja o njihovom broju i objašnjenju razloga za taj broj. Ovdje je izgrađeno mnogo verzija, koje su vrlo različite u smislu izvedenih zaključaka. Oni na različite načine objašnjavaju prisutnost upravo tolikog broja temeljnih interakcija, ali se ispostavilo da su svi s jednim principom izgradnje dokaza. Istraživači uvijek pokušavaju spojiti najrazličitije vrste interakcija u jednu. Stoga se takve teorije nazivaju teorijama Velikog ujedinjenja. Kao da svjetsko drvo grane: ima mnogo grana, ali deblo je uvijek jedno.
Sve zato što postoji ideja koja objedinjuje sve ove teorije. Korijen svih poznatih interakcija je isti, hrani jedno deblo koje se, kao rezultat gubitka simetrije, počelo granati i formiralo različite temeljne interakcije, koje možemo eksperimentalnopromatrati. Ova hipoteza se još ne može provjeriti, jer zahtijeva fiziku nevjerojatno visokih energija, nedostupnu današnjim eksperimentima. Također je moguće da nikada nećemo ovladati tim energijama. Ali sasvim je moguće zaobići ovu prepreku.
Apartman
Imamo Univerzum, ovaj prirodni akcelerator, i svi procesi koji se u njemu odvijaju omogućuju testiranje čak i najodvažnijih hipoteza o zajedničkom korijenu svih poznatih interakcija. Još jedan zanimljiv zadatak razumijevanja interakcija u prirodi je, možda, još teži. Potrebno je razumjeti kako se gravitacija odnosi na ostale prirodne sile. Ova temeljna interakcija takoreći se izdvaja, unatoč činjenici da je ova teorija slična svim ostalim po principu konstrukcije.
Einstein se bavio teorijom gravitacije, pokušavajući je povezati s elektromagnetizmom. Unatoč prividnoj realnosti rješavanja ovog problema, teorija tada nije funkcionirala. Sada čovječanstvo zna malo više, u svakom slučaju, znamo za jake i slabe interakcije. A ako sada završiti izgradnju ove jedinstvene teorije, onda će nedostatak znanja sigurno opet imati učinka. Do sada nije bilo moguće staviti gravitaciju u ravan s drugim interakcijama, budući da svi poštuju zakone koje diktira kvantna fizika, ali gravitacija ne. Prema kvantnoj teoriji, sve čestice su kvanti nekog određenog polja. Ali kvantna gravitacija ne postoji, barem ne još. No, broj već otvorenih interakcija glasno ponavlja da ne može nebiti neka vrsta jedinstvene sheme.
Električno polje
Daleke 1860. godine, veliki fizičar iz devetnaestog stoljeća James Maxwell uspio je stvoriti teoriju koja objašnjava elektromagnetsku indukciju. Kada se magnetsko polje mijenja tijekom vremena, u određenoj točki prostora nastaje električno polje. A ako se u ovom polju pronađe zatvoreni vodič, tada se u električnom polju pojavljuje indukcijska struja. Maxwell svojom teorijom elektromagnetskih polja dokazuje da je moguć i obrnuti proces: promijenite li električno polje u vremenu u određenoj točki prostora, magnetsko polje će se sigurno pojaviti. To znači da svaka promjena u vremenu magnetskog polja može uzrokovati pojavu promjenjivog električnog polja, a promjena električnog polja može proizvesti promjenjivo magnetsko polje. Ove varijable, polja koja generiraju jedno drugo, organiziraju jedno polje - elektromagnetno.
Najvažniji rezultat koji proizlazi iz formula Maxwellove teorije je predviđanje da postoje elektromagnetski valovi, odnosno elektromagnetska polja koja se šire u vremenu i prostoru. Izvor elektromagnetskog polja su električni naboji koji se kreću ubrzano. Za razliku od zvučnih (elastičnih) valova, elektromagnetski valovi mogu se širiti u bilo kojoj tvari, čak i u vakuumu. Elektromagnetska interakcija u vakuumu širi se brzinom svjetlosti (c=299 792 kilometara u sekundi). Valna duljina može biti različita. Elektromagnetski valovi od deset tisuća metara do 0,005 metara suradio valovi koji nam služe za prijenos informacija, odnosno signala na određenu udaljenost bez ikakvih žica. Radio valove stvara struja visokih frekvencija koja teče u anteni.
Kakvi su valovi
Ako je valna duljina elektromagnetskog zračenja između 0,005 metara i 1 mikrometar, to jest, ona koja su u rasponu između radio valova i vidljive svjetlosti su infracrveno zračenje. Emitiraju ga sva zagrijana tijela: baterije, peći, žarulje sa žarnom niti. Posebni uređaji pretvaraju infracrveno zračenje u vidljivo svjetlo kako bi se dobile slike objekata koji ga emitiraju, čak i u apsolutnoj tami. Vidljivo svjetlo emitira valne duljine u rasponu od 770 do 380 nanometara - što rezultira bojom od crvene do ljubičaste. Ovaj dio spektra izuzetno je važan za ljudski život, jer ogroman dio informacija o svijetu primamo putem vizije.
Ako elektromagnetsko zračenje ima valnu duljinu kraću od ljubičaste, to je ultraljubičasto, koje ubija patogene bakterije. X-zrake su nevidljive oku. Gotovo ne upijaju slojeve materije koji su neprozirni za vidljivu svjetlost. Rentgensko zračenje dijagnosticira bolesti unutarnjih organa ljudi i životinja. Ako elektromagnetsko zračenje nastaje međudjelovanjem elementarnih čestica, a emitiraju ga pobuđene jezgre, dobiva se gama zračenje. Ovo je najširi raspon u elektromagnetskom spektru jer nije ograničen na visoke energije. Gama zračenje može biti meko i tvrdo: energetski prijelazi unutar atomskih jezgri -mekana, a u nuklearnim reakcijama - tvrda. Ti kvanti lako uništavaju molekule, a posebno biološke. Srećom, gama zračenje ne može proći kroz atmosferu. Gama zrake se mogu promatrati iz svemira. Pri ultravisokim energijama, elektromagnetska interakcija širi se brzinom bliskom brzini svjetlosti: gama kvanti drobe jezgre atoma, razbijajući ih na čestice koje lete u različitim smjerovima. Prilikom kočenja emitiraju svjetlo vidljivo kroz posebne teleskope.
Iz prošlosti u budućnost
Elektromagnetske valove, kao što je već spomenuto, predvidio je Maxwell. Pomno je proučavao i pokušavao matematički vjerovati pomalo naivnim Faradayevim slikama koje su prikazivale magnetske i električne pojave. Maxwell je bio taj koji je otkrio odsutnost simetrije. I upravo je on uspio nizom jednadžbi dokazati da izmjenična električna polja generiraju magnetska i obrnuto. To ga je dovelo do ideje da se takva polja odvajaju od vodiča i kreću kroz vakuum nekom divovskom brzinom. I on je to shvatio. Brzina je bila blizu tri stotine tisuća kilometara u sekundi.
Ovako je interakcija između teorije i eksperimenta. Primjer je otkriće, zahvaljujući kojem smo saznali za postojanje elektromagnetskih valova. Uz pomoć fizike u njemu su spojeni potpuno heterogeni pojmovi - magnetizam i elektricitet, budući da je riječ o fizičkom fenomenu istog reda, samo su njegove različite strane u interakciji. Teorije se grade jedna za drugom, i sveoni su međusobno usko povezani: teorija elektroslabe interakcije, na primjer, gdje su slabe nuklearne i elektromagnetske sile opisane s istih pozicija, onda je sve to ujedinjeno kvantnom kromodinamikom, pokrivajući jake i elektroslabe interakcije (ovdje je točnost još je niža, ali se rad nastavlja). Područja fizike kao što su kvantna gravitacija i teorija struna intenzivno se istražuju.
Zaključci
Ispostavilo se da je prostor koji nas okružuje potpuno prožet elektromagnetskim zračenjem: to su zvijezde i Sunce, Mjesec i druga nebeska tijela, ovo je sama Zemlja, i svaki telefon u rukama osobe, i antene radio stanica - sve to emitira elektromagnetske valove, drugačije nazvane. Ovisno o frekvenciji vibracija koje objekt emitira, razlikuje se infracrveno zračenje, radio valovi, vidljiva svjetlost, zrake biopolja, rendgenske zrake i slično.
Kada se elektromagnetno polje širi, ono postaje elektromagnetski val. To je jednostavno neiscrpni izvor energije, koji uzrokuje fluktuaciju električnih naboja molekula i atoma. A ako naboj oscilira, njegovo kretanje se ubrzava i stoga emitira elektromagnetski val. Ako se magnetsko polje promijeni, pobuđuje se vrtložno električno polje, koje zauzvrat pobuđuje vrtložno magnetsko polje. Proces ide kroz prostor, pokrivajući jednu točku za drugom.
