Elektromagnetiske interaktion partikler

Denne artikel vil overveje, hvad der kaldes naturens kræfter - den grundlæggende elektromagnetiske interaktion og de principper, som den bygger på. Vi vil også tale om mulighederne for eksistensen af nye tilgange til studiet af dette emne. Selv i skolen i fysikundervisningen står eleverne overfor forklaringen af begrebet "magt". De lærer, at kræfter kan være den mest forskelligartede - friktionens kraft, attraktionskraften, elasticitetsstyrken og så videre. Ikke alle kan kaldes grundlæggende, fordi fænomenet kraft meget ofte er sekundært (friktionskraft, for eksempel med dets interaktion af molekyler). Elektromagnetisk interaktion kan også være sekundær som følge heraf. Molekylær fysik henviser til van der Waals-kraft som et eksempel. En masse eksempler er også givet ved fysik af elementære partikler.

I naturen

Jeg vil gerne komme til kernen i de processer, der finder sted i naturen, når det tvinger den elektromagnetiske interaktion til arbejde. Hvad er den grundlæggende styrke, der bestemmer alle de sekundære kræfter, som den opbyggede? Alle ved, at den elektromagnetiske interaktion, eller som det stadig kaldes, elektriske kræfter, er grundlæggende. Dette er angivet af Coulomb-loven, som har sin egen generalisering, som følger af Maxwells ligninger. Sidstnævnte beskriver alle de magnetiske og elektriske kræfter, der findes i naturen. Derfor er det bevist, at interaktion mellem elektromagnetiske felter er naturens grundlæggende kræfter. Det næste eksempel er tyngdekraften. Selv skolebørn er opmærksomme på loven om universal gravitation af Isaac Newton, som for nylig også opnåede sin egen generalisering af Einsteins ligninger, og ifølge sin gravitationsteori er denne kraft af elektromagnetisk interaktion i naturen også fundamental.

Engang blev det antaget, at der kun var to af disse grundlæggende kræfter, men videnskaben gik fremad, hvilket viste sig at det ikke var tilfældet. For eksempel var det med atomkernens opdagelse nødvendigt at indføre begrebet atomkraft, ellers hvordan man forstår princippet om at holde partikler inde i kernen, hvorfor de ikke flyver væk i forskellige retninger. Forståelse af, hvordan elektromagnetisk interaktion virker i naturen hjalp med at måle atomkraftværker, at studere og beskrive. Men senere kom videnskabsmænd til den konklusion, at atomkraft er sekundære og på mange måder lignede van der Waals-styrker. Faktisk er kun de kræfter, der quarks giver, interagere med hinanden, virkelig grundlæggende. Derefter er en sekundær effekt interaktionen mellem elektromagnetiske felter mellem neutroner og protoner i kernen. Virkelig grundlæggende er interaktionen mellem kvarker, som udveksler gluoner. Således blev en tredje virkelig grundlæggende styrke opdaget i naturen.

Fortsættelse af denne historie

Elementære partikler forfald, tunge partikler brydes ned, og deres henfald beskriver en ny kraft af elektromagnetisk interaktion, der kaldes - kraften i svag interaktion. Hvorfor svag? Ja, fordi den elektromagnetiske interaktion i naturen er meget stærkere. Og igen viste det sig, at denne teori om svag interaktion, så harmonisk at komme ind på verdensbillede og oprindeligt perfekt beskriver nedbrydningen af elementære partikler, ikke afspejler de samme postulater, hvis energien stiger. Så den gamle teori blev omarbejdet til en anden - teorien om svag interaktion, viste denne gang sig at være universel. Selvom det blev bygget på de samme principper som andre teorier, der beskriver partiklernes elektromagnetiske interaktion. I moderne tid er der fire studerede og dokumenterede grundlæggende interaktioner, og den femte - undervejs bliver det diskuteret i forvejen. Alle fire-gravitationelle, stærke, svage, elektromagnetiske - er bygget på et enkelt princip: Den kraft, der opstår mellem partikler, er resultatet af en form for udveksling, der udføres af transportøren eller på anden måde - en formidler af interaktion.

Hvilken slags hjælper er dette? Dette er en foton - en partikel uden masse, men alligevel med succes at arrangere den elektromagnetiske interaktion på grund af udveksling af et kvantum af elektromagnetiske bølger eller et kvantum af lys. Elektromagnetisk interaktion udføres ved hjælp af fotoner inden for ladede partikler, der kommunikerer med en bestemt kraft, og det er netop, hvad Coulombs lov behandler. Der er en anden masseløs partikel - gluon, den findes i otte sorter, det hjælper med at kommunikere kvarker. Denne elektromagnetiske interaktion er en attraktion mellem ladninger, og den kaldes stærk. Og svag interaktion kan ikke undvære mellemmænd, som blev partikler med masse. Desuden er de massive, det vil sige tunge. Disse er mellemliggende vektor bosoner. Deres masse og vægt forklarer svagheden i interaktionen. Gravitationsstyrken frembringer en udveksling af kvantum af gravitationsfeltet. Denne elektromagnetiske interaktion er en attraktion af partikler, det er ikke blevet undersøgt nok endnu, men graviton er ikke engang blevet detekteret eksperimentelt endnu, og kvantum tyngdekraften er ikke helt opfattet af os, hvorfor vi ikke kan beskrive det endnu.

Femte Power

Vi undersøgte fire typer af grundlæggende interaktion: stærk, svag, elektromagnetisk, tyngdekraft. Interaktion er en handling af partikeludveksling, og der er ingen måde at gøre uden symmetribegrebet, da der ikke er nogen interaktion, der ikke er forbundet med det. Det bestemmer antallet af partikler og deres masse. Med nøjagtig symmetri er massen altid nul. Så for en foton og en gluon er der ingen masse, det er nul, for en graviton - også. Og hvis symmetrien brydes, ophører massen af nul. De mellemliggende vektorbisoner har således en masse, fordi symmetrien er brudt. Disse fire grundlæggende interaktioner forklarer alt, hvad vi ser og føler. Resten af styrkerne indikerer, at deres elektromagnetiske interaktion er sekundær. Men i 2012 var der et gennembrud i videnskaben, og en anden partikel blev opdaget, som straks blev berømt. Revolutionen i den videnskabelige verden blev organiseret ved opdagelsen af Higgs bosonen, som som det viste sig også fungerer som en transportør af interaktioner mellem leptoner og kvarker.

Derfor siger fysikere nu, at en femte kraft optrådte, formidlet af en Higgs boson. Symmetri er også overtrådt her: Higgs boson har en masse. Således er antallet af interaktioner (dette ord i moderne partikelfysik erstattet af ordet "force") nået fem. Måske venter vi på nye opdagelser, fordi vi ikke lige ved, om der er flere interaktioner udover disse. Det er meget muligt, at den model, vi for øjeblikket overvejer, som synes at være perfekt forklarer alle de fænomener, der observeres i verden, er ikke fuldstændig fuldstændig. Og det er muligt at efter et stykke tid vises nye interaktioner eller nye kræfter. En sådan sandsynlighed eksisterer, kun fordi vi gradvist har lært, at der er fundamentale interaktioner kendt i dag - stærk, svag, elektromagnetisk og gravitationsmæssig. Hvis der i naturen findes supersymmetriske partikler, som allerede er talt i den videnskabelige verden, betyder det, at der eksisterer en ny symmetri, og symmetri indebærer altid udseendet af nye partikler, mellemmænd mellem dem. Således vil vi høre om en tidligere ukendt grundlæggende kraft, som det en gang var overrasket over at høre, at der for eksempel er elektromagnetisk, svag interaktion. Vores viden om vores egen natur er meget ufuldstændig.

sammenkobling

Det mest interessante er, at enhver ny interaktion nødvendigvis må føre til et helt ukendt fænomen. Hvis vi f.eks. Ikke lærte om det svage samspil, ville vi aldrig have opdaget et forfald, og hvis der ikke var kendskab til forfald, ville det ikke være muligt at studere nukleare reaktionen. Og hvis vi ikke kendte de nukleare reaktioner, ville vi ikke forstå, hvordan solen skinner for os. Når alt kommer til alt, hvis det ikke var et lys, og livet på Jorden ikke ville have dannet sig. Således viser tilstedeværelsen af interaktion, at dette er meget vigtigt. Hvis der ikke var stærk interaktion, og der ville ikke være nogen stabile atomkerner. Takket være den elektromagnetiske interaktion modtager Jorden energi fra Solen, og lysets stråler kommer fra det, varme på planeten. Og alle interaktioner der er kendt for os, er absolut nødvendige. Her er for eksempel Higgs. Higgs boson giver partiklen med masse gennem interaktion med marken, uden at vi ikke ville have overlevet. Og hvordan kan vi blive på overfladen af planeten uden gravitationsinteraktion? Det ville være umuligt ikke kun for os, men for ingenting overhovedet.

Absolut alle interaktioner, selv dem, som vi ikke ved endnu, er en nødvendighed for alt, som menneskeheden kender, forstår og elsker, eksisterede. Hvad kan vi ikke vide? Ja meget. For eksempel ved vi, at protonen er stabil i kernen. Denne stabilitet er meget vigtig for os, ellers ville der ikke være noget liv på samme måde. Eksperimenter indikerer imidlertid, at protonets levetid er en tidsbegrænset mængde. Lang, selvfølgelig, 10 ³⁴ år. Men det betyder, at protonet forinden eller senere vil blive opdelt, og derfor vil der være brug for en ny kraft, det vil sige en ny interaktion. Med hensyn til nedbrydning af en proton er der allerede teorier, hvor der antages en ny, meget højere grad af symmetri. Derfor kan der eksistere en ny interaktion, som vi endnu ikke har kendskab til.

Great Unification

I enhedens natur er det eneste princip konstruktion af alle grundlæggende interaktioner. Mange mennesker har spørgsmål om antallet af dem og årsagerne til denne særlige mængde. Der er et stort antal versioner bygget her, og de er meget forskellige i deres konklusioner. Forklar nærværet af lige så mange grundlæggende interaktioner på alle mulige måder, men de alle ender med et enkelt princip om at bygge bevis. Altid de mest forskelligartede typer af interaktioner forskere forsøger at kombinere i en. Derfor hedder sådanne teorier teorier om den store forening. Ligesom en verdenstræ forgrening: der er mange grene, men stammen er altid en.

Alt fordi der er en ide der forener alle disse teorier. Roten til alle kendte interaktioner er single, der fodrer en stamme, som som et resultat af tabt symmetri begyndte at filialere og dannet forskellige grundlæggende interaktioner, som vi kan observere eksperimentelt. Denne hypotese kan endnu ikke kontrolleres, fordi den kræver fysik med utroligt høje energier, som er utilgængelige for dagens eksperimenter. Det er også muligt, at vi aldrig vil mestre disse energier. Men for at komme rundt er denne hindring ret mulig.

Bortset fra

Vi har universet, denne naturlige accelerator, og alle de processer, der finder sted i den, gør det muligt at teste selv de mest dristige hypoteser om den enkelte rod af alle kendte interaktioner. En anden interessant opgave at forstå interaktioner i naturen er måske endnu mere kompliceret. Det er nødvendigt at forstå, hvordan tyngdekraften vedrører resten af naturens kræfter. Denne grundlæggende interaktion står som om det er særskilt, på trods af at denne teori ifølge bygningsprincippet ligner alle andre.

Einstein var engageret i gravitationsteorien og forsøgte at forbinde den med elektromagnetisme. På trods af den tilsyneladende virkelighed ved at løse dette problem, har teorien ikke trænet ud. Nu kender menneskeheden lidt mere, i hvert fald ved vi om stærk og svag interaktion. Og hvis vi nu fuldfører denne enkelt teori, vil uundgåeligt manglen på viden igen blive påvirket. Indtil nu har tyngdekraften ikke været sat på niveau med andre interaktioner, da alle adlyder lovene dikteret af kvantefysik, og tyngdekraften gør det ikke. Ifølge kvanteteorien er alle partikler kvanta af et bestemt felt. Men kvante tyngdekraft eksisterer ikke, i hvert fald for nu. Men antallet af allerede åbne interaktioner siger højt, at der ikke kan være nogen enkelt ordning.

Elektrisk felt

Tilbage i 1860 formåede den store fysiker i det nittende århundrede James Maxwell at skabe en teori, der forklarede elektromagnetisk induktion. Når magnetfeltet ændres over tid, dannes et elektrisk felt på et bestemt punkt i rummet. Og hvis der findes en lukket leder i dette felt, vises en induktionsstrøm i det elektriske felt. Ved sin teori om elektromagnetiske felter beviser Maxwell, at den omvendte proces også er sandsynlig: hvis det elektriske felt i et bestemt punkt ændres i tid, vil et magnetfelt nødvendigvis blive vist. Dette betyder, at enhver ændring i magnetfeltets tid kan skyldes udseendet af et skiftende elektrisk felt, og ved at ændre den elektriske kan man opnå et varierende magnetfelt. Disse variabler, der genererer felter af hinanden, danner et enkelt felt - elektromagnetisk.

Det vigtigste resultat, der følger af formlerne fra Maxwells teori, er forudsigelsen for, at der er elektromagnetiske bølger, det vil sige udbredelse af elektromagnetiske felter i tid og rum. Kilden til det elektromagnetiske felt er de elektriske ladninger, der bevæger sig med acceleration. I modsætning til lyd (elastiske) bølger kan elektromagnetiske bølger udbrede sig i ethvert stof, selv i et vakuum. Den elektromagnetiske interaktion i vakuum propagerer med lysets hastighed (c = 299.792 kilometer pr. Sekund). Bølgelængden kan være anderledes. Elektromagnetiske bølger fra 10.000 meter til 0.005 meter er radiobølger, der tjener os til at transmittere information, det er signaler for en vis afstand uden ledninger. Radiobølger genereres af strøm ved høje frekvenser, som strømmer i antennen.

Hvad er bølgerne

Hvis bølgelængden af elektromagnetisk stråling er fra 0,005 meter til 1 mikrometer, det vil sige dem, der ligger i området mellem radiobølger og synligt lys, er infrarød stråling. Det udsender alle de opvarmede kroppe: batterier, ovne, glødelamper. Særlige enheder konverterer infrarød stråling til synligt lys for at få billeder af genstande, der udsender det, selv i absolutte mørke. Synligt lys udsender bølger fra 770 til 380 nanometer i længden - fra rød til violet. Denne del af spektret har en meget stor betydning for menneskeliv, fordi vi modtager en stor del af informationen om verden med hjælp fra vision.

Hvis den elektromagnetiske stråling har en bølgelængde mindre end den violette farve, er den en ultraviolet, der dræber patogene bakterier. Røntgenbilleder til øjet er ikke synlige. De absorberer næsten ikke lag af materiale uigennemsigtigt til synligt lys. Røntgenstråling diagnostiserer sygdomme hos indre organer af mennesker og dyr. Hvis elektromagnetisk stråling stammer fra samspillet mellem elementære partikler og udledes af ophidsede kerner, opnås gammastråling. Dette er det bredeste område inden for det elektromagnetiske spektrum, fordi det ikke er begrænset til høje energier. Gamma-stråling kan være blød og hård: Energitransitionerne inde i atomkernerne er milde, og for nukleare reaktioner er den stiv. Disse kvanter kan let rive ned molekyler og især biologiske. Det er en stor lykke, at gammastråling ikke kan passere gennem atmosfæren. Overhold gamma quanta kan være fra rummet. Ved ultrahøje energier udbreder den elektromagnetiske interaktion i en hastighed tæt på lysets lys: gamma quanta knuser kernerne af atomer og brækker dem i partikler, der flyder fra hinanden. Når de bremser, udsender de lys, der er synlige i specielle teleskoper.

Fra fortiden til fremtiden

Elektromagnetiske bølger, som det er blevet sagt, forudsagt af Maxwell. Han nøje studeret og forsøgte at tro på matematik lidt naive billeder Faraday, hvorpå de magnetiske og elektriske fænomener blev afbildet. Det var Maxwell opdagede en mangel på symmetri. Og at han var i stand til at bevise en række ligninger, vekslende elektriske felter genererer magnetiske og omvendt. Dette førte ham til at tro, at sådanne områder og løsnes fra lederne flyttes gennem et vakuum med nogle gigantiske hastighed. Og han regnede det. Hastighed var tæt på at trohstam tusindvis af kilometer i sekundet.

Det er samspillet teori og eksperiment. Et eksempel er den åbning, hvorigennem vi lærte om eksistensen af elektromagnetiske bølger. I den kom sammen med hjælp af fysik absolut heterogene begreber - magnetisme og elektricitet, da det er et fysisk fænomen af samme størrelsesorden, blot forskellige sider af det er i kommunikationen. Teorier er anbragt bag hinanden, og alle af dem er nært beslægtede med hinanden: teorien om elektrosvag kraft, for eksempel hvor den samme position er beskrevet af den svage kernekraft og elektromagnetisk, etc. Alt dette kombinerer kvantekromodynamik, der dækker de stærke og elektrosvage interaktioner (her, nøjagtighed mens lavere men fortsætter kørslen). Intensivt undersøgte områder sådanne fysikere som kvantegravitation og strengteori.

fund

Det viser sig, at rummet omkring os helt gennemtrængt med elektromagnetisk stråling: stjernerne og solen, månen og andre himmellegemer, det er Jorden selv, og hver telefon i hænderne på manden, og antenne-stationer - alt dette udsender elektromagnetiske bølger med forskellige navne . Afhængigt af frekvensen af de svingninger, der udstråler objektet afvige infrarød, radio, synligt lys, bio-felt stråler, røntgenstråler og lignende.

Når et elektromagnetisk felt fordeles, bliver det en elektromagnetisk bølge. Det er simpelthen en uudtømmelig energikilde, vibrere de elektriske ladninger af molekyler og atomer. Og hvis ladningen oscillerer, er dens bevægelse accelereres, og udsender derfor elektromagnetiske bølger. Hvis de magnetiske ændringer, er det område, ophidset af elektrisk hvirvel, som igen, ophidser det magnetiske vortex felt. Processen går gennem rummet, omfavner et point efter den anden.