Электромагниттік өзара іс-қимыл бөлшектер

Бұл мақалада табиғат күші деп аталатын нәрсе қарастырылады - іргелі электромагниттік өзара әрекеттесу және оны құру принциптері. Сондай-ақ, біз осы тақырыпты зерттеудің жаңа тәсілдерінің болуы мүмкіндіктері туралы әңгімелейміз. Тіпті физика сабақтарында оқушылар да «билік» түсінігін түсіндіреді. Олар күштердің әр түрлі болуы мүмкін екенін біледі - үйкеліс күші, тарту күші, серпімділік күші және т.с.с. Олардың бәрін де іргелі деп айтуға болмайды, өйткені күштің құбылысы жиі қайталанады (үйкеліс күші, мысалы, молекулалардың өзара әрекеттесуі). Электромагниттік өзара әрекеттесу нәтижесі ретінде қайталама болуы мүмкін. Молекулярлық физика мысал ретінде ван дер Ваальс күштерін келтіреді. Көптеген мысалдар элементар бөлшектердің физикасы арқылы да беріледі.

Табиғатта

Мен электромагниттік өзара іс-қимылды жұмысқа мәжбүрлейтін табиғатта орын алатын процестердің өзегіне жетуді қалаймын. Ендеше, ол барлық қосымша күштерді анықтайтын негізгі күш болып табылады? Электромагниттік өзара әрекеттесудің, немесе ол әлі де аталып өткендей, электр күштерінің негізі болып табылатындығын бәрі біледі. Мұны Максвеллдің теңдеулерінен туындайтын жеке жалпылама сипаты бар Кулон заңы көрсетеді. Соңғы табиғатта бар магнитті және электрлік күштерді сипаттайды. Сондықтан электромагниттік өрістердің өзара әрекеті табиғаттың іргелі күштері болып табылады. Келесі мысал - ауырлық күші. Тіпті мектеп оқушылары Эйнштейннің теңдеулері арқылы жақында жинақтаған Исаак Ньютонның әмбебап гравитацияның заңын біледі және гравитация теориясына сәйкес бұл табиғатта электромагниттік өзара әрекеттесу күші де маңызды.

Бір кездері бұл іргелі күштердің тек екеуі ғана бар деп есептелді, бірақ ғылым алға жылжып, біртіндеп бұл жағдайдың жоқтығын дәлелдеді. Мысалы, атом ядросының ашылуымен ядролық күштің тұжырымдамасын енгізу керек болды, әйтпесе ядро ішіндегі бөлшектерді ұстап тұру принципін түсіну керек, неге олар әртүрлі бағыттарда ұшып кетпейді. Табиғатта жұмыс істейтін электромагниттік өзара әрекеттестікті түсіну ядролық күштерді өлшеуге, зерттеуге және сипаттауға көмектесті. Алайда, кейінірек ғалымдар ядролық күштердің қайталама екендігін және көп жағдайда ван дер Ваальс күштеріне ұқсайтыны туралы қорытындыға келді. Шын мәнінде, тек кварктардың бір-бірімен өзара әрекеттесетін күштері шын мәнінде іргелі болып табылады. Содан кейін қайталама эффект - ядродағы нейтрондар мен протондар арасындағы электромагниттік өрістердің өзара әрекеті. Глюон алмасатын кварктардың өзара әрекеттестігі шын мәнінде іргелі. Осылайша табиғатта үшінші шынайы іргелі күш табылды.

Бұл оқиғаның жалғасы

Элементар бөлшектердің ыдырауы, ауыр бөлшектердің бөлінуі және олардың ыдырауы электромагниттік өзара әрекеттесудің жаңа күші сипатталады, бұл - әлсіз өзара күші. Неге әлсіз? Иә, табиғаттың электромагниттік өзара әрекеті әлдеқайда күшті. Және тағы да, бұл әлсіз өзара әрекеттесу теориясы, сондықтан әлемнің суретін үйлесімді түрде түсіріп, бастапқы бөлшектердің ыдырауын керемет сипаттайтын, егер энергия өсіп жатса, онда сол постулаттар көрінбейді. Сондықтан ескі теория басқа біреуді - әлсіз өзара әрекеттесу теориясын қайта құрастырды, бұл жолы әмбебап болды. Бұл бөлшектер бөлшектердің электромагниттік өзара әрекетін сипаттайтын басқа теориялар сияқты бірдей қағидаларға негізделген. Қазіргі уақытта төрт зерттелген және дәлелденген іргелі өзара әрекеттесулер бар, ал бесінші - жолында ол алда талқыланатын болады. Барлық төрт гравитациялық, күшті, әлсіз, электромагниттік - бір принципке негізделеді: бөлшектердің арасында пайда болатын күш - тасымалдаушы жүзеге асыратын қандай да бір айырбастың нәтижесі немесе басқаша - өзара әрекеттесудің делдалы.

Бұл қандай көмекші? Бұл фотон - массасы жоқ бөлшектер, алайда электромагниттік толқындар кванты немесе кванттық жарықтың алмасуына байланысты электромагниттік өзара әрекеттесуді сәтті ұйымдастырады. Электромагниттік өзара іс-қимыл белгілі бір күшпен байланысатын зарядталған бөлшектердің саласындағы фотонды көмегімен жүзеге асырылады және бұл Кулонның заңы. Басқа массасы жоқ бөлшектер - глюон, ол сегіз сорттарда бар, ол кварктерді байланыстыруға көмектеседі. Бұл электромагниттік өзара әрекеттесу зарядтардың арасындағы тартымдылық және ол күшті деп аталады. Ал әлсіз өзара іс-қимыл массасы бар бөлшектерге айналды делдалдарсыз жасалмайды, сонымен бірге олар массивті, яғни ауыр. Бұл аралық векторлық бозондар. Олардың массасы мен салмағы өзара әрекеттесудің әлсіздігін түсіндіреді. Гравитациялық күш гравитациялық өрістің кванттарын алмастырады. Бұл электромагниттік өзара әрекеттесу бөлшектердің тартылуы, жеткілікті зерттелмеген, гравитон әлі де эксперименталды түрде анықталмаған, ал кванттық ауырлық толығымен бізді қабылдамайды, сондықтан оны әлі сипаттай алмаймыз.

Бесінші қуат

Біз іргелі өзара әрекеттесудің төрт түрін қарастырдық: күшті, әлсіз, электромагниттік, гравитациялық. Өзара әрекеттесу - бөлшектерді айырбастау актісі және симметрия тұжырымдамасынсыз ешқандай амал жоқ, өйткені онымен байланысты емес өзара әрекеттесу жоқ. Бөлшектердің санын және олардың массасын анықтайды. Дәл симметриямен массасы әрқашан нөлге тең. Мәселен, фотонды және глюон үшін масса жоқ, ол гравитон үшін де нөлге тең. Егер симметрия бұзылса, нөлдің массасы тоқтатылады. Осылайша, аралық векторлық бисстер массаға ие, өйткені симметрия бұзылған. Бұл төрт негізгі өзара әрекеттесу біз көрген және сезетін нәрселерді түсіндіреді. Қалған күштер олардың электромагниттік өзара әрекеттесуінің қайталама екенін көрсетеді. Алайда, 2012 жылы ғылымда серпіліс болды, ал бірден танымал болған тағы бір бөлшектер табылды. Ғылым әлеміндегі революция Хиггс бозонының ашылуы арқылы ұйымдастырылды, ол анықталғандай, лептондар мен кварктар арасындағы өзара әрекеттесуді қамтамасыз етеді.

Сондықтан физиктер енді Хиггс бозонының көмегімен бесінші күш пайда болғанын айтады. Мұнда да симметрия бұзылады: Хиггс бозоны массасы бар. Осылайша, өзара әрекеттесулердің саны (қазіргі заманғы бөлшектер физикасындағы бұл сөз «күш» сөзімен ауыстырылған) бесге жетті. Мүмкін, біз жаңа ашылымдарды күтудеміз, өйткені олардан басқа өзара әрекеттердің бар-жоғын білмейміз. Әлемде байқалған барлық құбылыстарды жақсы түсіндіретін, қазіргі кезде қарастырып отырған модель толығымен аяқталған жоқ. Біраз уақыттан кейін жаңа өзара әрекеттер немесе жаңа күштер пайда болады. Мұндай ықтималдық бар, егер біз бүгінгі таңда белгілі іргелі өзара әрекеттесулердің біртіндеп екенін білетін болсақ - күшті, әлсіз, электромагниттік және гравитациялық. Өйткені егер табиғатта суперсимметриялық бөлшектер болса, ғылыми әлемде айтылған болса, бұл жаңа симметрияның бар екендігін білдіреді, ал симметрия әрдайым олардың арасында жаңа бөлшектердің, делдалдардың пайда болуына әкеледі. Осылайша, бұрынғы белгісіз іргелі күш туралы естиміз, мысалы, электромагниттік, әлсіз өзара әрекеттесу бар екенін білетініне таңырқаған. Біздің табиғатымыз туралы біліміміз өте толық емес.

Интерфейс

Ең қызығы, кез-келген жаңа өзара әрекеттесу міндетті түрде толығымен белгісіз құбылысқа әкелуі тиіс. Мысалы, біз әлсіз өзара әрекеттесу туралы білмесек, біз ешқашан ыдырауды таппадық және егер біздің ыдырау туралы білмесек, ядролық реакцияны зерттеу мүмкін емес еді. Егер біз ядролық реакцияларды білмейтін болсақ, онда біз үшін күн қалай жарқыратынын түсінбейміз. Өйткені бұл жарық болмаса және Жердегі тіршілік пайда болмас еді. Сондықтан өзара әрекеттесудің болуы бұл өмірлік маңызы бар екенін көрсетеді. Егер күшті өзара әрекеттесу болмаса және тұрақты атом ядролары болмаса. Электромагниттік өзара әрекеттесудің арқасында Жер Күннен энергияны алады, одан планетадағы жылу сәулелері түседі. Бізге белгілі барлық өзара әрекеттер өте қажет. Мысалы, Хиггс. Хиггс бозоны өріспен өзара әрекеттесу арқылы массасы бар бөлшектерді қамтамасыз етеді, онсыз біз тірі қалмас едік. Ал планетаның бетіне гравитациялық әсер етпей қалай тоқтай аламыз? Бұл біз үшін ғана емес, ештеңе де болмайды.

Барлық өзара әрекеттер, тіпті әлі білмейтіндер, адамзат білетін, түсінетін және сүйетін барлық нәрсеге қажет. Біз не біле алмаймыз? Иә көп. Мысалы, ядродағы протон тұрақты екенін білеміз. Бұл тұрақтылық біз үшін өте маңызды, әйтпесе бірдей өмір болмайды. Дегенмен, эксперименттер протонның өмірінің уақыт шектеулі мөлшерде екенін көрсетеді. Әрине, 10 ³⁴ жыл. Бірақ бұл протон ерте ме, кеш пе, ыдырайтын болады және бұл үшін жаңа күш, яғни, жаңа өзара әрекеттесу қажет болады. Протонның ыдырауы туралы қазірдің өзінде жаңа, әлдеқайда жоғары симметрия дәрежесі қабылданатын теориялар бар, демек, біз әлі ештеңе білмейтін жаңа өзара әрекеттесу мүмкін.

Ұлы біріктіру

Табиғаттың бірлігінде барлық негізгі өзара әрекеттердің құрылысы жалғыз қағида болып табылады. Көптеген адамдарда олардың саны мен олардың саны туралы сұрақ бар. Мұнда салынған көптеген нұсқалар бар, олар өз қорытындыларында өте әртүрлі. Әртүрлі жолдардағы осындай негізгі өзара әрекеттесулердің бар екенін түсіндіріңіз, бірақ олардың барлығы құрылыстық дәлелдердің бірыңғай принципімен аяқталады. Әрқашан әртүрлі өзара әрекеттесу түрлері зерттеушілер бір біріктіруге тырысады. Сондықтан мұндай теория Ұлы бірлік теориялары деп аталады. Әлемдік ағаш тармағы секілді: бұтақтардың көптігі бар, бірақ аралық әрқашан бір.

Барлық осы теорияларды біріктіретін идея бар. Белгілі бір өзара әрекеттестіктің тамыры біртұтас, бір симметрияны тамақтандырады, ол симметрияны жоғалтудың нәтижесінде филиалды бастайды және әр түрлі іргелі өзара әрекеттесулерді қалыптастырады, біз эксперименталды түрде байқай аламыз. Бұл гипотеза әлі күнге дейін тексерілмейді, өйткені бүгінгі эксперименттерге қол жеткізе алмайтын керемет жоғары энергиялар физикасы қажет. Сонымен қатар, біз бұл энергияны ешқашан игере алмаймыз. Бірақ, бұл кедергілерді шешу өте мүмкін.

Сонымен қатар

Бізде ғалам, бұл табиғи үдеткіш бар, және онда орын алған барлық процестер барлық белгілі өзара әрекеттердің бір тамыры туралы ең батыл гипотезаларды тексеруге мүмкіндік береді. Табиғатта өзара әрекеттесуді түсінудің тағы бір қызықты міндеті, бәлкім, одан да күрделі. Гравитация табиғаттың қалған күштеріне қалай қатысты екенін түсіну қажет. Құрылыс принципіне сәйкес, бұл теория барлық басқа адамдарға ұқсас болғанымен, бұл іргелі өзара әрекеттесу жеке-дара болып табылады.

Эйнштейн гравитация теориясымен айналысты, оны электромагнетизммен байланыстыруға тырысты. Осы мәселені шешуде шындыққа қарамастан, теория жұмыс істемеді. Енді адамзат тағы біраз біледі, кез-келген жағдайда күшті және әлсіз өзара әрекеттесу туралы білеміз. Егер біз осы жалғыз теорияны аяқтасақ, сөзсіз білімнің жетіспеушілігі қайтадан қозғалатын болады. Осы уақытқа дейін гравитация басқа өзара әрекеттермен теңдестірілмеген, өйткені барлық кванттық физиканың заңдарына бағынады және ауырлық дәрежесі жоқ. Кванттық теорияларға сәйкес, барлық бөлшектер белгілі бір өрістегі кванта болып табылады. Бірақ кванттық ауырлық жоқ, кем дегенде қазір. Дегенмен, қазірдің өзінде ашық өзара әрекеттесулердің саны бірыңғай схема болуы мүмкін емес деп қатты дауыстайды.

Электр өрісі

1860 жылы, он тоғызыншы ғасырдағы ұлы физик Джеймс Максвелл электромагниттік индукцияны түсіндіретін теорияны құрды. Магнит өрісі уақыт өткен сайын өзгерсе, ғарышта белгілі бір нүктеде электр өрісі пайда болады. Егер осы жолда жабық өткізгіш болса, электр өрісінде индукциялық ток пайда болады. Электромагниттік өрістер теориясы бойынша Максвелл кері үрдістің ықтималдығы бар екенін дәлелдейді: егер белгілі бір нүктеде электр өрісі уақытында өзгерсе, магнит өрісі міндетті түрде пайда болады. Бұл дегеніміз, магнит өрісінің кез келген өзгеруі өзгеретін электр өрісінің пайда болуымен туындауы мүмкін, ал электрлік ауысқан кезде өзгеретін магнит өрісін алуға болады. Бұл айнымалылар бір-бірімен өрістерді генерациялайды, бір өрісті электромагнитті құрады.

Максвелл теориясының формулаларынан туындайтын ең маңызды нәтиже - электромагниттік толқындардың, яғни уақыт пен кеңістіктегі электромагниттік өрістердің таралуын болжау. Электромагниттік өрістің көзі - электрлік заряд, жеделдетумен қозғалады. Дыбыс (серпімді) толқындардан айырмашылығы, электромагниттік толқындар кез-келген затта, тіпті вакуумда да таралуы мүмкін. Вакуумдағы электромагниттік өзара әрекет жарықтың жылдамдығымен (с = секундына 299,792 км) таралады. Толқындардың ұзындығы әр түрлі болуы мүмкін. Он мың метрден 0,005 метрге дейінгі электромагниттік толқындар - бұл радиотолқындар, олар ақпарат беру үшін бізге қызмет етеді, яғни қандай да бір сымдарсыз сигналдар. Радио толқындары антеннаға шығатын жоғары жиіліктерде токпен жасалады.

Толқындар деген не?

Егер электромагниттік сәулеленудің толқын ұзындығы 0,005 м-ден 1 мкм-ге дейін болса, яғни радиотолқындар мен көрінетін жарық арасындағы диапазонда орналасқан инфрақызыл сәуле болып табылады. Ол барлық қыздырылған денелерді шығарады: батареялар, пештер, қыздыру шамдары. Арнайы құрылғылар инфрақызыл сәулеленуді көрінетін жарыққа түрлендіреді, тіпті оны абсолютті қараңғылықта шығаратын заттардың суреттерін алу үшін. Көрінетін жарық толқындарды 770-ден 380-ге дейін ұзартады - қызылдан күлгінге дейін. Спектрдің бұл бөлігі адам өміріне өте үлкен мән береді, өйткені біз әлем туралы ақпараттың үлкен бөлігін көру арқылы аламыз.

Егер электромагниттік сәуле толқын ұзындығын күлгін түстен азырақ болса, бұл патогендік бактерияларды өлтіретін ультракүлгін. Көзге келетін рентгендік көзге көрінбейді. Олар іс жүзінде көрінетін жарыққа заттың мөлдір қабаттарын жұтып қоймайды. Адамның және жануарлардың ішкі мүшелерінің рентген сәулелерінің диагностикасы. Егер электромагниттік сәулелену элементар бөлшектердің өзара әрекеттесуінен пайда болса және қозғалған ядролар арқылы шығарылса, гамма-сәулелену алынады. Бұл электромагниттік спектрдегі ең кең ауқым, себебі ол жоғары энергиямен шектелмейді. Гамма-сәулелену жұмсақ әрі қатты болуы мүмкін: атом ядроларының ішіндегі энергетикалық ауысу жұмсақ, ал ядролық реакцияларда ол қатаң. Бұл кванта молекулаларды және әсіресе биологиялық заттарды оңай жояды. Гамма-сәулелену атмосферадан өтпейтін үлкен бақыт. Гамма-кванты ғарыштан болуы мүмкін. Ультрадыбысты энергияларда электромагниттік өзара әрекеттесу жарықтың жылдамдығына жақын жылдамдықта таралады: гамма-кванта атомдардың ядроларын жарып, бөлек ұшатын бөлшектерге бөледі. Тежеу кезінде арнайы телескоптарда жарық көрінеді.

Өткенден болашаққа

Жоғарыда айтылғандай, электромагниттік толқындарды Максвелл болжайды. Ол мұқият зерделеп, математикадан Фарадейдің сәнсіз суреттеріне сенуге тырысты, оларда магниттік және электрлік құбылыстар бейнеленген. Бұл симметрияның жетіспеушілігін анықтаған Максвелл болды. Ол электр өрістерін ауыстырып жатқан магниттік өрістерді және керісінше жасайтын бірқатар теңдеулермен дәлелдей алды. Бұл оған мұндай өрістерді өткізгіштерден қашып кетуге және қандай да бір үлкен жылдамдықта вакуум арқылы қозғалуға болады деп ойлаған. Және ол ойлады. Жылдамдық секундына үш жүз мың шақырымға жуық.

Осылайша теория мен эксперимент өзара әрекеттеседі. Мысал - электромагниттік толқындардың бар екендігі туралы біліп алғанымыз. Ол физикадан гетерогенді тұжырымдамалар - магнетизм және электр энергиясы арқылы біріктірілді, өйткені бұл физикалық құбылыс сол тәртіпті білдіреді, оның әртүрлі жағы өзара әрекеттесуде. Теориялары бір-біріне қарай бір-біріне қарама-қарсы келеді және олардың барлығы бір-бірімен тығыз байланысты: мысалы, әлсіз ядролық күштер мен электромагниттік күштердің бірдей позицияларда сипатталатын электроустық өзара әрекеттесу теориясы, онда бұл барлық күшті және электроустық өзара әрекеттесуді қамтитын кванттық хромодинамикамен қосылады (мұнда дәлдік Төменде, бірақ жұмыс жалғасуда). Қарқынды түрде кванттық гравитация және жол теориясы сияқты физика салалары қаралды.

Қорытындылар

Айналамыздағы ғарыш кеңістігі электромагниттік сәулеленумен толығымен толтырылады: жұлдыздар, күн, ай және басқа аспан денелері, бұл жер өзі, адамның қолындағы әрбір телефон және радиостанциялардың антеннасы - бұл электромагниттік толқындарды шығарады, . Нысаннан шығарылған ауытқулар жиілігіне байланысты инфрақызыл сәуле, радиотолқындар, көрінетін жарық, биофилдық сәулелер, рентген сәулелері және басқалары ерекшеленеді.

Электромагниттік өріс тараған кезде ол электромагниттік толқындарға айналады. Энергияның бұл көзі тек сарқылмас, бұл молекулалардың және атомдардың электр зарядтарын тербелуіне алып келеді. Егер заряд ауытқып кетсе, оның қозғалысы жеделдейді, сондықтан электромагниттік толқын шығарады. Егер магнит өрісі өзгерсе, құйынды электр өрісі қозғалады, бұл өз кезегінде құйынды магнит өрісін шығарады. Процесс кеңістікте өтіп, бір нүктеден кейінгі нүктеге дейін созылады.