Elektromagnetiska interaktionspartiklar

Denna artikel kommer att överväga vad som kallas naturens krafter - den grundläggande elektromagnetiska interaktionen och de principer som den bygger på. Vi kommer också att prata om möjligheterna att det finns nya tillvägagångssätt för studien av detta ämne. Även i skolan i fysiklektioner står eleverna inför förklaringen av begreppet "makt". De lär sig att krafter kan vara de mest olika - friktionskraften, attraktionskraften, elasticitetsstyrkan och så vidare. Inte alla kan kallas grundläggande, för ofta är fenomenet kraft sekundärt (friktionskraft, till exempel med dess växelverkan av molekyler). Elektromagnetisk interaktion kan också vara sekundär, som en konsekvens. Molekylär fysik citerar van der Waals-kraften som ett exempel. Många exempel ges också av fysiken hos elementära partiklar.

I naturen

Jag skulle vilja komma till kärnan i de processer som äger rum i naturen, när det tvingar den elektromagnetiska interaktionen att fungera. Vad är exakt den grundläggande kraften som bestämmer alla sekundära krafter som den byggt? Alla vet att den elektromagnetiska interaktionen eller, som den fortfarande kallas, elektriska krafter, är grundläggande. Detta indikeras av Coulomb-lagen, som har sin egen generalisering, som följer av Maxwells ekvationer. Det senare beskriver alla magnetiska och elektriska krafter som finns i naturen. Det är därför som det bevisas att interaktionen mellan elektromagnetiska fält är naturens grundläggande krafter. Nästa exempel är tyngdkraften. Även skolbarn är medvetna om lagen om universell gravitation av Isaac Newton, som nyligen också fått sin egen generalisering av Einsteins ekvationer, och enligt sin gravitationsteori är denna kraft av elektromagnetisk interaktion i naturen också grundläggande.

En gång i tiden trodde man att det bara fanns två av dessa grundläggande krafter, men vetenskapen gick framåt, vilket visade sig att det inte var fallet alls. Till exempel, med upptäckten av atomkärnan var det nödvändigt att införa begreppet nukleär kraft, annars hur man förstår principen att behålla partiklar inuti kärnan, varför de inte flyger i olika riktningar. Att förstå hur elektromagnetisk interaktion fungerar i naturen hjälpte till att mäta kärnkrafterna, att studera och beskriva. Senare kom dock vetenskapsmännen till slutsatsen att kärnkrafterna är sekundära och på många sätt liknade van der Waals-styrkor. Faktum är att bara de krafter som kvarkar ger, interagerar med varandra, är verkligen grundläggande. Därefter är en sekundär effekt interaktionen mellan elektromagnetiska fält mellan neutroner och protoner i kärnan. Verkligen grundläggande är växelverkan mellan kvarker, vilka utbyter gluoner. Således upptäcktes en tredje verkligt grundläggande kraft i naturen.

Fortsättning av denna historia

Elementära partiklar förfallna, tunga - till lättare, och deras förfall beskriver en ny kraft av elektromagnetisk interaktion, som kallas - kraften i svag interaktion. Varför svag? Ja, för den elektromagnetiska interaktionen i naturen är mycket starkare. Och igen visade det sig att denna teori om svag interaktion, så harmoniskt att komma in i världens bild och ursprungligen fullständigt beskriver nedbrytningarna av elementära partiklar, inte speglade samma postulat, om energin stod upp. Så den gamla teorin omarbetades till en annan - teorin om svag interaktion, den här tiden visade sig vara universell. Även om det byggdes på samma principer som andra teorier som beskriver partikelns elektromagnetiska interaktion. I modern tid finns det fyra studerade och beprövade grundläggande interaktioner, och den femte - undervejs kommer det att diskuteras framåt. Alla fyra gravitationella, starka, svaga, elektromagnetiska - bygger på en enda princip: Den kraft som uppkommer mellan partiklar är resultatet av någon form av utbyte som utförs av bäraren eller på annat sätt - en förmedlare av interaktion.

Vilken typ av hjälpar är detta? Detta är en foton - en partikel utan massa, men ändå lyckas arrangera den elektromagnetiska interaktionen på grund av utbytet av en kvant elektromagnetiska vågor eller en ljuskvantitet. Elektromagnetisk interaktion utförs med hjälp av fotoner inom laddade partiklar, som kommunicerar med en viss kraft, och detta är just vad Coulombs lag behandlar. Det finns en annan masslös partikel - gluon, den finns i åtta sorter, det hjälper till att kommunicera kvarker. Denna elektromagnetiska interaktion är en attraktion mellan avgifter, och den kallas stark. Och svag interaktion kan inte göra utan mellanhänder, som blev partiklar med massa, dessutom är de massiva, det vill säga tunga. Dessa är mellanliggande vektorbosoner. Deras vikt och vikt förklarar svagheten i interaktionen. Gravitationsstyrkan ger en utbyte av kvant av gravitationsfältet. Denna elektromagnetiska interaktion är en attraktion av partiklar, den har inte studerats tillräckligt, men graviton har inte ens detekterats experimentellt ändå, och kvant gravitationen är inte helt uppfattad av oss, varför vi inte kan beskriva det ännu.

Femte kraften

Vi undersökte fyra typer av grundläggande interaktion: stark, svag, elektromagnetisk, gravitation. Interaktion är en handling av partikelutbyte, och det finns inget sätt att göra utan symmetribegreppet, eftersom det inte finns någon interaktion som inte är kopplad till den. Det bestämmer antalet partiklar och deras massa. Med exakt symmetri är massan alltid noll. Så, för en foton och en gluon finns det ingen massa, det är noll, för en graviton - också. Och om symmetrin bryts kommer massan av noll att upphöra. Sålunda har mellanliggande vektorbisoner en massa, eftersom symmetrin är trasig. Dessa fyra grundläggande interaktioner förklarar allt vi ser och känner. Resten av krafterna indikerar att deras elektromagnetiska interaktion är sekundär. Men under 2012 fanns ett genombrott i vetenskapen och en annan partikel upptäcktes som omedelbart blev känd. Revolutionen i den vetenskapliga världen organiserades genom upptäckten av Higgs bosonen, som, som det visade sig, också fungerar som en bärare av växelverkan mellan leptoner och kvarkar.

Det är därför som forskare nu säger att den femte kraften uppträdde, förmedlad av en Higgs boson. Symmetri bryts också här: Higgs boson har en massa. Således har antalet interaktioner (detta ord i modern partikelfysik ersatts av ordet "kraft") nått fem. Kanske väntar vi på nya upptäckter, för vi vet inte exakt om det finns fler interaktioner utöver dessa. Det är mycket möjligt att den modell som vi för närvarande överväger, och som verkar vara helt förklarande för alla fenomen som observeras i världen, är inte helt komplett. Och det är möjligt att efter ett tag kommer nya interaktioner eller nya krafter att dyka upp. En sådan sannolikhet finns, om bara för att vi gradvis har lärt oss att det finns grundläggande interaktioner kända idag, starka, svaga, elektromagnetiska och gravitationella. Om det finns naturliga supersymmetriska partiklar, som redan talas i den vetenskapliga världen, betyder det att det finns en ny symmetri, och symmetri innebär alltid att nya partiklar, mellanhänder uppträder. Således kommer vi att höra om en tidigare okänd grundläggande kraft, som en gång blev det förvånat att veta att det till exempel finns elektromagnetisk, svag interaktion. Vår kunskap om vår egen natur är väldigt ofullständig.

sammankoppling

Det mest intressanta är att varje ny interaktion nödvändigtvis måste leda till ett helt okänt fenomen. Om vi till exempel inte lärde oss om den svaga interaktionen skulle vi aldrig ha upptäckt ett förfall, och om det inte fanns kunskap om förfall, skulle det inte vara möjligt att studera kärnreaktionen. Och om vi inte visste kärnreaktionerna, skulle vi inte förstå hur solen skiner för oss. Om allt inte var ett ljus, skulle livet på jorden inte ha bildats. Således tyder närvaron av interaktion på att detta är mycket viktigt. Om det inte fanns någon stark interaktion, så skulle det inte finnas några stabila atomkärnor. Tack vare den elektromagnetiska interaktionen tar jorden emot energi från solen, och ljusets strålar som kommer från det värmer jorden. Och alla interaktioner som är kända för oss är absolut nödvändiga. Här är Higgs, till exempel. Higgs bosonen ger partikeln med massa genom interaktion med fältet, utan det skulle vi inte ha överlevt. Och hur kan vi stanna på planetens yta utan gravitationsinteraktion? Det skulle vara omöjligt inte bara för oss, men för ingenting alls.

Absolut alla interaktioner, även de som vi inte vet ännu, är en nödvändighet för allt som mänskligheten vet, förstår och älskar. Vad kan vi inte veta? Ja mycket. Vi vet till exempel att protonen är stabil i kärnan. Denna stabilitet är väldigt viktig för oss, annars skulle det inte finnas något liv på samma sätt. Experiment indikerar emellertid att protonens liv är en tidsbegränsad mängd. Långt, naturligtvis, 10 ³⁴ år. Men det betyder att protonet förr eller senare kommer att sönderfalla, och för det behövs en ny kraft, det vill säga en ny interaktion. När det gäller protonfallet finns det redan teorier där en ny, mycket högre grad av symmetri antas, och en ny interaktion kan därför existera, som vi ännu inte vet någonting.

Stor förening

I naturens natur är den enda principen byggandet av alla grundläggande interaktioner. Många har frågor om antalet dem och orsakerna till den här kvantiteten. Det finns ett stort antal versioner byggda här, och de är mycket olika i sina slutsatser. Förklara närvaron av bara ett antal grundläggande interaktioner på alla möjliga sätt, men de slutar alla med en enda princip för att bygga bevis. Alltid de mest varierande typerna av interaktioner försöker forskare att kombinera i en. Därför kallas sådana teorier för The Great Unification. Liksom en världsträning: det finns många grenar, men stammen är alltid en.

Allt för att det finns en idé som förenar alla dessa teorier. Roten av alla kända interaktioner är singel, som matar en stam, som till följd av förlust av symmetri började gräva och bildade olika grundläggande interaktioner, som vi kan observera experimentellt. Denna hypotes kan ännu inte verifieras eftersom den kräver fysik av otroligt höga energier som är otillgängliga för dagens experiment. Det är också möjligt att vi aldrig kommer att behärska dessa energier. Men för att komma runt detta hinder är ganska möjligt.

Bortsett från

Vi har universum, denna naturliga accelerator och alla processer som sker i den gör det möjligt att testa även de mest vågade hypoteserna om den enda roten av alla kända interaktioner. En annan intressant uppgift att förstå växelverkan i naturen är kanske ännu mer komplicerad. Det är nödvändigt att förstå hur gravitationen hänför sig till resten av naturens krafter. Denna grundläggande interaktion står som om den är separat trots att enligt principen om konstruktion är denna teori liknande alla andra.

Einstein var engagerad i gravitationsteorin och försökte ansluta den till elektromagnetism. Trots den verkliga verkligheten att lösa detta problem, gick inte teorin ut. Nu känner mänskligheten lite mer, i alla fall vet vi om stark och svag interaktion. Och om vi nu slutför denna enda teori, kommer oundvikligen bristen på kunskap att påverkas igen. Tyngdkraften har hittills inte satts i nivå med andra interaktioner, eftersom alla lyda lagarna dikterade av kvantfysiken, och tyngdkraften gör det inte. Enligt kvantteorin är alla partiklar kvanta av ett visst fält. Men kvanttvikt finns inte, åtminstone för nu. Antalet redan öppna interaktioner säger dock högt att det inte finns något enda system.

Elektriskt fält

Tillbaka i 1860 lyckades den stora fysikern från 1800-talet, James Maxwell, skapa en teori som förklarar elektromagnetisk induktion. När magnetfältet ändras över tid bildas ett elektriskt fält vid en viss punkt i rymden. Och om en sluten ledare finns i detta fält visas en induktionsström i det elektriska fältet. Genom sin teori om elektromagnetiska fält visar Maxwell att omvänd processen också är sannolik: om det elektriska fältet i en viss tidpunkt förändras i tiden, kommer ett magnetfält nödvändigtvis att uppträda. Detta innebär att varje förändring i magnetfältets tid kan orsakas av utseendet på ett växlande elektriskt fält och genom att byta den elektriska kan man få ett varierande magnetfält. Dessa variabler, som genererar fält med varandra, bildar ett enda fält - elektromagnetiskt.

Det viktigaste resultatet, som följer av formlerna i Maxwells teori, är förutsägelsen att det finns elektromagnetiska vågor, det vill säga förökande elektromagnetiska fält i tid och rum. Källan till det elektromagnetiska fältet är de elektriska laddningarna som rör sig med acceleration. Till skillnad från ljud (elastiska) vågor kan elektromagnetiska vågor sprida sig i vilken substans som helst, även i vakuum. Den elektromagnetiska interaktionen i vakuum sprider sig med ljusets hastighet (c = 299 792 kilometer per sekund). Våglängden kan vara annorlunda. Elektromagnetiska vågor från tio tusen meter till 0,005 meter är radiovågor som tjänar oss att överföra information, det vill säga signaler för ett visst avstånd utan några kablar. Radiovågor genereras av ström vid högfrekvenser, vilka strömmar i antennen.

Vad är vågorna

Om våglängden för elektromagnetisk strålning är från 0,005 meter till 1 mikrometer, det vill säga de som ligger inom intervallet mellan radiovågor och synligt ljus är infraröd strålning. Det avger alla uppvärmda kroppar: batterier, ugnar, glödlampor. Speciella enheter konverterar infraröd strålning till synligt ljus för att få bilder av föremål som emitterar det, även i absolut mörker. Synligt ljus avger vågor från 770 till 380 nanometer i längd - från röd till violett. Denna del av spektrumet har en mycket stor betydelse för människans liv, för vi får en stor del av informationen om världen med hjälp av syn.

Om den elektromagnetiska strålningen har en våglängd mindre än den violetta färgen är det en ultraviolett som dödar patogena bakterier. Röntgen i ögat är inte synliga. De absorberar nästan inte lager av ämnen som är ogenomskinliga för synligt ljus. Röntgenstrålning diagnostiserar sjukdomar hos inre organ av människor och djur. Om elektromagnetisk strålning härrör från samspelet mellan elementära partiklar och emitteras av exciterade kärnor erhålles gammastrålning. Detta är det bredaste området inom det elektromagnetiska spektrumet, eftersom det inte är begränsat till höga energier. Gamma-strålning kan vara mjuk och hård: energitransitionerna inuti atomkärnorna är milda och för kärnreaktioner är den stel. Dessa kvanter rinner lätt ner molekyler, och biologiska sådana speciellt. Det är en stor lycka att gammastrålning inte kan passera genom atmosfären. Observera gamma quanta kan vara från rymden. Vid ultrahöga energier sprider den elektromagnetiska interaktionen i en hastighet nära ljusets ljus: gamma quanta krossar atomernas kärnor och sprider dem i partiklar som flyger ifrån varandra. Vid bromsning avger de ljus som syns i speciella teleskop.

Från fortiden till framtiden

Elektromagnetiska vågor, som har sagts, förutsagts av Maxwell. Han studerade noga och försökte tro i matematik något naiva bilder Faraday, som de magnetiska och elektriska fenomen avbildas. Det var Maxwell upptäckte en brist på symmetri. Och att han kunde bevisa ett antal ekvationer som alternerande elektriska fält genererar magnetiska och vice versa. Detta ledde honom att tro att sådana områden och ta bort från ledarna förs genom ett vakuum med några jätte hastighet. Och han tänkte det. Hastighet var nära trohstam tusentals kilometer per sekund.

Det är interaktion teori och experiment. Ett exempel är öppning genom vilken vi lärt oss om förekomsten av elektromagnetiska vågor. I det kom tillsammans med hjälp av fysik absolut heterogena begrepp - magnetism och elektricitet, eftersom det är ett fysiskt fenomen i samma storleksordning, bara olika sidor av det är i kommunikation. Teorier är anordnade bakom varandra, och alla av dem är nära relaterade till varandra: teorin för elektro interaktion, till exempel, där samma position som beskrivs av den svaga kärnkraften och elektromagnetisk, etc. Allt detta kombinerar kvantkromodynamik, som täcker de starka och elektrosvag växelverkan (här, noggrannhet medan lägre men operationen fortsätter). Intensivt studerat områden sådana fysiker som kvant gravitation och strängteori.

rön

Det visar sig att utrymmet som omger oss helt genomsyrad av elektromagnetisk strålning: stjärnorna och solen, månen och andra himlakroppar, är det jorden själv, och varje telefon i händerna på människan, och antennstationer - allt detta sänder elektromagnetiska vågor med olika namn . Beroende på frekvensen av oscillationerna, som utstrålar objektet skiljer infrarött, radio, synligt ljus, bio-fält strålar, röntgenstrålar och liknande.

När ett elektromagnetiskt fält distribueras, blir det en elektromagnetisk våg. Det är helt enkelt en outtömlig källa av energi, vibrera de elektriska laddningarna hos molekyler och atomer. Och om avgiften svänger, är dess rörelse snabbare, och därför avger elektromagnetiska vågor. Om de magnetiska fältet ändras, är fältet exciteras av elektriska virvel som i sin tur exciterar det magnetiska virvelfältet. Processen går genom rymden, som omfattar en punkt efter den andra.