Bu makale, doğanın güçleri olarak adlandırılan şeyi - temel elektromanyetik etkileşimi ve üzerine inşa edildiği ilkeleri ele alacaktır. Ayrıca, bu konunun incelenmesine yönelik yeni yaklaşımların varlığının olasılıkları hakkında da konuşacaktır. Okulda bile fizik derslerinde öğrenciler "kuvvet" kavramının bir açıklaması ile karşı karşıya kalmaktadır. Kuvvetlerin çok çeşitli olabileceğini öğrenirler - sürtünme kuvveti, çekim kuvveti, elastikiyet kuvveti ve bunun gibi diğerleri. Hepsine temel denemez, çünkü çoğu zaman kuvvet olgusu ikincildir (örneğin, moleküllerin etkileşimi ile sürtünme kuvveti). Sonuç olarak, elektromanyetik etkileşim de ikincil olabilir. Moleküler fizik, Van der Waals kuvvetini örnek olarak verir. Parçacık fiziği de birçok örnek sunar.
Doğada
Doğada meydana gelen süreçlerin, elektromanyetik etkileşimin işe yaradığı anlara inmek istiyorum. İnşa ettiği tüm ikincil kuvvetleri belirleyen temel kuvvet tam olarak nedir?Elektromanyetik etkileşimin ya da diğer adıyla elektrik kuvvetlerinin temel olduğunu herkes bilir. Bu, Maxwell denklemlerinden sonra kendi genellemesi olan Coulomb yasası ile kanıtlanmıştır. İkincisi, doğada var olan tüm manyetik ve elektriksel kuvvetleri tanımlar. Bu nedenle elektromanyetik alanların etkileşiminin doğanın temel gücü olduğu kanıtlanmıştır. Bir sonraki örnek yerçekimi. Okul çocukları bile, yakın zamanda Einstein'ın denklemleriyle kendi genellemesini alan Isaac Newton'un evrensel yerçekimi yasasını biliyor ve yerçekimi teorisine göre, doğadaki bu elektromanyetik etkileşim kuvveti de temeldir.
Bir zamanlar sadece bu iki temel kuvvetin var olduğu düşünülüyordu, ancak bilim ilerleyerek durumun hiç de öyle olmadığını yavaş yavaş kanıtladı. Örneğin, atom çekirdeğinin keşfi ile nükleer kuvvet kavramını tanıtmak gerekiyordu, aksi takdirde parçacıkların çekirdeğin içinde tutma ilkesi nasıl anlaşılır, neden farklı yönlere uçmazlar. Elektromanyetik kuvvetin doğada nasıl çalıştığını anlamak, nükleer kuvvetleri ölçmeye, incelemeye ve tanımlamaya yardımcı oldu. Bununla birlikte, daha sonra bilim adamları, nükleer kuvvetlerin ikincil olduğu ve birçok yönden van der Waals kuvvetlerine benzer olduğu sonucuna vardılar. Aslında sadece kuarkların birbirleriyle etkileşerek sağladığı kuvvetler gerçekten temeldir. O zaman zaten - ikincil bir etki - çekirdekteki nötronlar ve protonlar arasındaki elektromanyetik alanların etkileşimidir. Gluonları değiştiren kuarkların etkileşimi gerçekten temeldir. Böylecedoğada keşfedilen üçüncü gerçek temel güç.
Bu hikayenin devamı
Temel parçacıklar bozunur, ağır olanlar - daha hafif olanlara ve onların bozunması yeni bir elektromanyetik etkileşim kuvvetini tanımlar, buna tam olarak denir - zayıf etkileşim kuvveti. Neden zayıf? Evet, çünkü doğadaki elektromanyetik etkileşim çok daha güçlüdür. Ve yine, dünyanın resmine çok uyumlu bir şekilde giren ve başlangıçta temel parçacıkların bozulmalarını mükemmel bir şekilde tanımlayan bu zayıf etkileşim teorisinin, enerji arttığında aynı varsayımları yansıtmadığı ortaya çıktı. Bu yüzden eski teori başka bir teoriye dönüştürüldü - zayıf etkileşim teorisi, bu sefer evrensel olduğu ortaya çıktı. Parçacıkların elektromanyetik etkileşimini tanımlayan diğer teorilerle aynı prensipler üzerine inşa edilmiş olmasına rağmen. Modern zamanlarda, incelenmiş ve kanıtlanmış dört temel etkileşim vardır ve beşincisi yolda, daha sonra tartışılacaktır. Dördü de - yerçekimi, güçlü, zayıf, elektromanyetik - tek bir ilke üzerine kuruludur: Parçacıklar arasında ortaya çıkan kuvvet, bir taşıyıcı veya başka türlü - bir etkileşim aracısı tarafından gerçekleştirilen bir alışverişin sonucudur.
Bu nasıl bir yardımcı? Bu bir foton - kütlesiz bir parçacık, ancak yine de bir kuantum elektromanyetik dalga veya bir kuantum ışık değişimi nedeniyle elektromanyetik etkileşimi başarıyla oluşturuyor. Elektromanyetik etkileşim gerçekleştirilirBelirli bir kuvvetle iletişim kuran yüklü parçacıklar alanındaki fotonlar aracılığıyla, Coulomb yasasının yorumladığı şey tam olarak budur. Kütlesiz başka bir parçacık daha var - gluon, sekiz çeşidi var, kuarkların iletişim kurmasına yardımcı oluyor. Bu elektromanyetik etkileşim, yükler arasındaki bir çekimdir ve buna güçlü denir. Evet ve zayıf etkileşim, kütleli parçacıklar olan aracılar olmadan tamamlanmaz, üstelik bunlar büyük, yani ağırdır. Bunlar ara vektör bozonlarıdır. Kütleleri ve ağırlıkları, etkileşimin zayıflığını açıklar. Yerçekimi kuvveti, yerçekimi alanının bir kuantum değişimini üretir. Bu elektromanyetik etkileşim parçacıkların çekiciliğidir, henüz yeterince incelenmemiştir, graviton henüz deneysel olarak tespit edilmemiştir ve kuantum kütleçekimi tarafımızca tam olarak hissedilmemiştir, bu yüzden henüz tarif edemiyoruz.
Beşinci Kuvvet
Dört tür temel etkileşimi ele aldık: güçlü, zayıf, elektromanyetik, yerçekimi. Etkileşim, belirli bir parçacık değişimi eylemidir ve simetri kavramı olmadan yapılamaz, çünkü onunla ilişkili olmayan hiçbir etkileşim yoktur. Parçacıkların sayısını ve kütlelerini belirleyen odur. Tam simetri ile kütle her zaman sıfırdır. Yani, bir fotonun ve bir gluonun kütlesi yoktur, sıfıra eşittir ve bir graviton yoktur. Ve simetri bozulursa, kütle sıfır olmaktan çıkar. Bu nedenle, simetri bozulduğu için ara vektör bizonunun kütlesi vardır. Bu dört temel etkileşim, her şeyi açıklar.görüyoruz ve hissediyoruz. Kalan kuvvetler, elektromanyetik etkileşimlerinin ikincil olduğunu gösterir. Bununla birlikte, 2012 yılında bilimde bir atılım oldu ve hemen ünlü olan başka bir parçacık keşfedildi. Bilim dünyasındaki devrim, ortaya çıktığı gibi, aynı zamanda leptonlar ve kuarklar arasındaki etkileşimlerin taşıyıcısı olarak da hizmet eden Higgs bozonunun keşfiyle organize edildi.
Fizikçilerin şimdi Higgs bozonunun aracılık ettiği beşinci bir kuvvetin ortaya çıktığını söylemelerinin nedeni budur. Simetri burada da bozulur: Higgs bozonunun bir kütlesi vardır. Böylece etkileşim sayısı (modern parçacık fiziğinde "kuvvet" kelimesinin yerini bu kelime almıştır) beşe ulaşmıştır. Belki de yeni keşifler bekliyoruz çünkü bunların dışında başka etkileşimler var mı tam olarak bilmiyoruz. Halihazırda kurduğumuz ve bugün üzerinde düşündüğümüz, dünyada gözlemlenen tüm olguları mükemmel bir şekilde açıklayacak gibi görünen modelin tam olarak tamamlanmamış olması çok olasıdır. Ve belki bir süre sonra yeni etkileşimler veya yeni güçler ortaya çıkacaktır. Böyle bir olasılık, yalnızca bugün bilinen temel etkileşimlerin olduğunu çok yavaş öğrendiğimiz için varsa, var - güçlü, zayıf, elektromanyetik, yerçekimi. Ne de olsa doğada bilim dünyasında zaten konuşulan süpersimetrik parçacıklar varsa, bu yeni bir simetrinin varlığı anlamına gelir ve simetri her zaman yeni parçacıkların, aralarında aracıların ortaya çıkmasını gerektirir. Böylece, bir zamanlar şaşkınlıkla öğrendiğimiz gibi, önceden bilinmeyen bir temel kuvveti duyacağız.örneğin, elektromanyetik, zayıf etkileşim vardır. Kendi doğamızla ilgili bilgimiz çok eksik.
Bağlılık
En ilginç şey, herhangi bir yeni etkileşimin mutlaka tamamen bilinmeyen bir fenomene yol açması gerektiğidir. Örneğin, zayıf etkileşimi öğrenmemiş olsaydık, bozunmayı asla keşfedemezdik ve bozunma bilgimiz olmasaydı, nükleer reaksiyon üzerine hiçbir çalışma mümkün olmazdı. Ve nükleer reaksiyonları bilmeseydik, güneşin bizim için nasıl parladığını anlayamazdık. Sonuçta, parlamasaydı, Dünya'da yaşam oluşmazdı. Yani etkileşimin varlığı bunun hayati olduğunu söylüyor. Güçlü bir etkileşim olmasaydı, kararlı atom çekirdeği olmazdı. Elektromanyetik etkileşim nedeniyle Dünya, Güneş'ten enerji alır ve ondan gelen ışık ışınları gezegeni ısıtır. Ve bildiğimiz tüm etkileşimler kesinlikle gereklidir. Örneğin Higgs'i burada bulabilirsiniz. Higgs bozonu, alanla etkileşim yoluyla parçacığa kütle sağlar, bu olmasaydı hayatta kalamazdık. Ve yerçekimi etkileşimi olmadan gezegenin yüzeyinde nasıl kalınır? Sadece bizim için değil, hiçbir şey için imkansız olurdu.
Kesinlikle tüm etkileşimler, hatta henüz bilmediklerimiz bile, insanlığın bildiği, anladığı ve var olmayı sevdiği her şey için bir zorunluluktur. Neyi bilemeyiz? Evet, çok. Örneğin, protonun çekirdekte kararlı olduğunu biliyoruz. Bu bizim için çok ama çok önemli.istikrar, aksi takdirde hayat aynı şekilde var olmazdı. Ancak deneyler, bir protonun ömrünün zamanla sınırlı bir miktar olduğunu göstermektedir. Uzun, elbette, 1034 yıl. Ancak bu, er ya da geç protonun da bozunacağı ve bunun için yeni bir kuvvet, yani yeni bir etkileşim gerektireceği anlamına gelir. Proton bozunmasıyla ilgili olarak, yeni, çok daha yüksek bir simetri derecesinin varsayıldığı, yani hakkında hala hiçbir şey bilmediğimiz yeni bir etkileşimin pekala var olabileceği teorileri zaten var.
Büyük Birleşme
Doğanın birliğinde, tüm temel etkileşimleri kurmanın tek ilkesi. Birçoğunun sayıları ve bu özel sayının nedenlerinin açıklanması hakkında soruları var. Burada pek çok versiyon oluşturuldu ve çıkarılan sonuçlar açısından çok farklılar. Bu kadar çok sayıda temel etkileşimin varlığını çeşitli şekillerde açıklarlar, ancak hepsinin tek bir kanıt oluşturma ilkesiyle olduğu ortaya çıkar. Araştırmacılar her zaman en çeşitli etkileşim türlerini bir araya getirmeye çalışırlar. Bu nedenle, bu tür teorilere Büyük Birleşme teorileri denir. Sanki dünya ağacının dalları: Dallar çoktur ama gövde her zaman birdir.
Hepsi çünkü tüm bu teorileri birleştiren bir fikir var. Bilinen tüm etkileşimlerin kökü aynıdır, simetri kaybının bir sonucu olarak dallanmaya başlayan ve deneysel olarak yapabileceğimiz farklı temel etkileşimler oluşturan bir gövdeyi besleyen aynıdır.gözlemek. Bu hipotez henüz test edilemiyor, çünkü inanılmaz derecede yüksek enerjili fizik gerektiriyor ve bugünün deneylerine erişilemiyor. Bu enerjilerde asla ustalaşmamamız da mümkündür. Ancak bu engeli aşmak oldukça mümkün.
Daire
Evrene, bu doğal hızlandırıcıya ve içinde gerçekleşen tüm süreçlere sahibiz, bilinen tüm etkileşimlerin ortak köküne ilişkin en cüretkar hipotezleri bile test etmeyi mümkün kılıyor. Doğadaki etkileşimleri anlamanın bir başka ilginç görevi, belki de daha da zordur. Yerçekiminin diğer doğa güçleriyle nasıl ilişkili olduğunu anlamak gerekir. Bu temel etkileşim, bu teorinin yapım ilkesiyle diğerlerine benzer olmasına rağmen, olduğu gibi ayrı duruyor.
Einstein yerçekimi teorisiyle uğraştı ve onu elektromanyetizma ile ilişkilendirmeye çalıştı. Bu sorunu çözmenin görünen gerçekliğine rağmen, teori o zaman işe yaramadı. Artık insanlık biraz daha fazla şey biliyor, her halükarda güçlü ve zayıf etkileşimleri biliyoruz. Ve şimdi bu birleşik teoriyi inşa etmeyi bitirirsek, o zaman bilgi eksikliği kesinlikle tekrar bir etkiye sahip olacaktır. Şimdiye kadar, herkes kuantum fiziğinin dikte ettiği yasalara uyduğu için yerçekimini diğer etkileşimlerle aynı seviyeye getirmek mümkün olmadı, ancak yerçekimi uymuyor. Kuantum teorisine göre, tüm parçacıklar belirli bir alanın kuantumlarıdır. Ama kuantum yerçekimi yok, en azından henüz yok. Bununla birlikte, zaten açık olan etkileşimlerin sayısı, bunu yapamayacağını yüksek sesle tekrarlar.bir tür birleşik düzen ol.
Elektrik alanı
1860 yılında, on dokuzuncu yüzyılın büyük fizikçisi James Maxwell elektromanyetik indüksiyonu açıklayan bir teori oluşturmayı başardı. Manyetik alan zamanla değiştiğinde, uzayda belirli bir noktada bir elektrik alanı oluşur. Ve bu alanda kapalı bir iletken bulunursa, elektrik alanında bir endüksiyon akımı belirir. Maxwell, elektromanyetik alanlar teorisi ile bunun tersinin de mümkün olduğunu kanıtlıyor: Zaman içinde elektrik alanını uzayda belirli bir noktada değiştirirseniz, kesinlikle bir manyetik alan ortaya çıkacaktır. Bu, manyetik alanın zamanındaki herhangi bir değişikliğin, değişen bir elektrik alanının ortaya çıkmasına neden olabileceği ve elektrik alanındaki bir değişikliğin, değişen bir manyetik alan üretebileceği anlamına gelir. Bu değişkenler, birbirini oluşturan alanlar, tek bir alan düzenler - elektromanyetik.
Maxwell'in teorisinin formüllerinden ortaya çıkan en önemli sonuç, elektromanyetik dalgaların, yani zaman ve uzayda yayılan elektromanyetik alanların olduğu öngörüsüdür. Elektromanyetik alanın kaynağı, ivme ile hareket eden elektrik yükleridir. Ses (elastik) dalgaların aksine, elektromanyetik dalgalar boşlukta bile herhangi bir maddede yayılabilir. Vakumdaki elektromanyetik etkileşim, ışık hızında yayılır (c=299.792 kilometre/saniye). Dalga boyu farklı olabilir. On bin metreden 0,005 metreye kadar elektromanyetik dalgalarbilgi iletmemize hizmet eden radyo dalgaları, yani herhangi bir kablo olmadan belirli bir mesafeden sinyaller. Radyo dalgaları, antende akan yüksek frekanslardaki akım tarafından oluşturulur.
Dalgalar nelerdir
Elektromanyetik radyasyonun dalga boyu 0,005 metre ile 1 mikrometre arasında ise, yani radyo dalgaları ile görünür ışık arasındaki aralıkta olanlar kızılötesi radyasyondur. Tüm ısıtılmış gövdeler tarafından yayılır: piller, sobalar, akkor lambalar. Özel cihazlar, mutlak karanlıkta bile, onu yayan nesnelerin görüntülerini elde etmek için kızılötesi radyasyonu görünür ışığa dönüştürür. Görünür ışık, 770 ila 380 nanometre arasında değişen dalga boyları yayar - bu da kırmızıdan mora bir renk verir. Yelpazenin bu bölümü insan yaşamı için son derece önemlidir, çünkü dünya hakkındaki bilgilerin büyük bir kısmını görme yoluyla alırız.
Elektromanyetik radyasyon mordan daha kısa bir dalga boyuna sahipse, patojenik bakterileri öldüren ultraviyoledir. X ışınları gözle görülmez. Görünür ışığa karşı opak olan madde katmanlarını neredeyse emmezler. X-ışını radyasyonu, insan ve hayvanların iç organlarının hastalıklarını teşhis eder. Elektromanyetik radyasyon, temel parçacıkların etkileşiminden kaynaklanıyorsa ve uyarılmış çekirdekler tarafından yayılıyorsa, gama radyasyonu elde edilir. Bu, elektromanyetik spektrumdaki en geniş aralıktır çünkü yüksek enerjilerle sınırlı değildir. Gama radyasyonu yumuşak ve sert olabilir: atom çekirdeği içindeki enerji geçişleri -yumuşak ve nükleer reaksiyonlarda - sert. Bu kuantumlar molekülleri ve özellikle biyolojik olanları kolayca yok eder. Neyse ki, gama radyasyonu atmosferden geçemez. Gama ışınları uzaydan gözlemlenebilir. Ultra yüksek enerjilerde, elektromanyetik etkileşim ışık hızına yakın bir hızda yayılır: gama kuanta atomların çekirdeklerini ezerek onları farklı yönlerde uçan parçacıklara böler. Fren yaparken, özel teleskoplarla görülebilen ışık yayarlar.
Geçmişten geleceğe
Elektromanyetik dalgalar, daha önce de belirtildiği gibi, Maxwell tarafından tahmin edildi. Faraday'ın manyetik ve elektrik olaylarını betimleyen biraz saf resimlerine dikkatlice çalıştı ve matematiksel olarak inanmaya çalıştı. Simetrinin yokluğunu keşfeden Maxwell'di. Ve alternatif elektrik alanlarının manyetik alanlar ürettiğini ve bunun tersini bir dizi denklemle kanıtlamayı başaran oydu. Bu onu, bu tür alanların iletkenlerden koptuğu ve boşlukta devasa bir hızla hareket ettiği fikrine götürdü. Ve anladı. Hız saniyede üç yüz bin kilometreye yakındı.
Teori ve deney bu şekilde etkileşime girer. Bir örnek, elektromanyetik dalgaların varlığını öğrendiğimiz keşiftir. Fiziğin yardımıyla, içinde tamamen heterojen kavramlar birleştirildi - manyetizma ve elektrik, çünkü bu aynı sıradaki fiziksel bir fenomendir, sadece farklı tarafları etkileşim halindedir. Teoriler birbiri ardına inşa edilir ve hepsibirbirleriyle yakından ilişkilidirler: örneğin, zayıf nükleer ve elektromanyetik kuvvetlerin aynı konumlardan tanımlandığı elektrozayıf etkileşim teorisi, daha sonra tüm bunlar, güçlü ve elektrozayıf etkileşimleri kapsayan kuantum kromodinamiği ile birleştirilir (burada doğruluk hala daha düşük, ancak çalışma devam ediyor). Kuantum yerçekimi ve sicim teorisi gibi fizik alanları yoğun bir şekilde araştırılmaktadır.
Sonuçlar
Bizi çevreleyen uzayın elektromanyetik radyasyonla tamamen nüfuz ettiği ortaya çıktı: bunlar yıldızlar ve Güneş, Ay ve diğer gök cisimleri, bu Dünya'nın kendisi ve bir kişinin elindeki her telefon, ve radyo istasyonu antenleri - tüm bunlar farklı adlandırılmış elektromanyetik dalgalar yayar. Bir nesnenin yaydığı titreşimlerin frekansına bağlı olarak, kızılötesi radyasyon, radyo dalgaları, görünür ışık, biyolojik alan ışınları, x-ışınları ve benzerleri ayırt edilir.
Bir elektromanyetik alan yayıldığında, bir elektromanyetik dalga haline gelir. Moleküllerin ve atomların elektrik yüklerinin dalgalanmasına neden olan tükenmez bir enerji kaynağıdır. Ve eğer yük salınırsa, hareketi hızlanır ve bu nedenle bir elektromanyetik dalga yayar. Manyetik alan değişirse, bir girdap elektrik alanı uyarılır ve bu da bir girdap manyetik alanı uyarır. Süreç uzayda ilerler ve bir noktayı birbiri ardına kaplar.
