Elektromagnetická interakce částic

Tento článek zváží to, co se nazývá síly přírody - základní elektromagnetická interakce a principy, na kterých je budována. Dále bude řečeno o možnostech existence nových přístupů ke studiu tohoto tématu. Dokonce i ve škole ve výuce fyziky se studenti setkávají s vysvětlením pojmu "moc". Učí se, že síly mohou být nejrůznější - síla tření, síla přitažlivosti, síla elasticity a tak dále. Ne všechny z nich mohou být nazývány zásadní, protože velmi často je fenomén síly sekundární (třecí síla, například s interakcí molekul). Elektromagnetická interakce může být také sekundární. Molekulární fyzika uvádí jako příklad van der Waalsovou sílu. Mnoho příkladů je dáno i fyzikou elementárních částic.

V přírodě

Chtěl bych se dostat k jádru procesů, které se odehrávají v přírodě, když přinutí elektromagnetickou interakci k práci. Co přesně je základní síla, která určuje všechny její sekundární síly? Každý ví, že elektromagnetická interakce, nebo jak se stále nazývá elektrická síla, je zásadní. To je naznačeno zákonem Coulomba, který má vlastní zobecnění, které vyplývá z Maxwellových rovnic. Ta druhá popisují všechny příroda magnetické a elektrických sil. Proto je prokázáno, že interakce elektromagnetických polí je základními silami přírody. Dalším příkladem je síla gravitace. Dokonce i žáci vědí o gravitační zákon Isaaca Newtona, který nedávno dostal správné zobecnění Einsteinových rovnic, a podle jeho teorie gravitace, síla elektromagnetické interakce je zásadní v přírodě, taky.

Kdysi se věřilo, že existují pouze tyto dvě základní síly, ale věda přistoupil, postupně dokazovat, že tomu tak není. Například, s objevem atomového jádra jsme museli zavést pojem jaderné energie, nebo jak porozumět principu zadržování částic uvnitř jádra, proč nemají odletět ve všech směrech. Pochopení toho, jak funguje elektromagnetická interakce v přírodě, pomohlo měřit jaderné síly, studovat a popsat. Pozdější vědci však dospěli k závěru, že jaderné síly jsou druhotné a v mnoha směrech se podobají silám Van der Waalsových. Ve skutečnosti pouze síly, které poskytují kvarky, jsou opravdu zásadní a vzájemně se vzájemně ovlivňují. Dále sekundární efekt je interakce elektromagnetických polí mezi neutrony a protony v jádru. Opravdu zásadní je interakce kvarků, které vyměňují gluony. Tak byla v přírodě objevena třetí skutečně fundamentální síla.

Pokračování tohoto příběhu

Elementární částice kaz, těžké - na lehčí a jejich rozpadu popisuje novou sílu elektromagnetické interakce, která je dobře názvem - síle slabé interakce. Proč je slabý? Ano, protože elektromagnetická interakce v přírodě je mnohem silnější. A opět se ukázalo, že teorie slabých interakcí, takže půvabně pustil do obrazu světa a původně dokonale popisuje rozpad elementárních částic, neodrážejí stejné postuláty, pokud je energie zvýší. Takže stará teorie byla přepracována do jiné - teorie slabé interakce, tentokrát se ukázala být univerzální. I když byla postavena na stejných principech jako ostatní teorie popisující elektromagnetické interakce částic. V moderní době existují čtyři studovány a osvědčené základní interakce, a pátý - na cestě, o něj přijde. Všechny čtyři - gravitační, silný, slabý, elektromagnetické - jsou postaveny na jednom principu: síla vytvořená mezi částicemi je výsledkem sdílení implementováno nosičem, nebo jinak - zprostředkují interakce.

Jaký je to pomocník? Tento foton - bez částic hmoty, ale přesto úspěšně staví elektromagnetické interference kvůli výměně kvantum elektromagnetických vln nebo světelného kvanta. Elektromagnetické interakce se provádí fotony v oblasti nabitých částic, které komunikují s určitou silou, jako čas a léčí Coulombova zákona. Existuje další bezmála částic - gluon, existuje v osmi odrůdách, pomáhá s komunikací kvarků. Tato elektromagnetická interakce je přitažlivostí mezi náboji a nazývá se silná. Ano, a slabá interakce nečiní to bez prostředníků, které se staly částečkami s hmotností, navíc jsou masivní, tj těžké. Jedná se o středně velké vektorové bosony. Jejich hmotnost a hmotnost vysvětlují slabost interakce. Gravitační síla vytváří výměnu kvant z gravitačního pole. Tato elektromagnetická interakce je přitažlivost částic, dosud nebyla dostatečně studována, ještě nebyla experimentálně detekována experimentálně a kvantová gravitace není zcela vnímána, a proto ji ještě nemůžeme popsat.

Pátá síla

Vyšetřili jsme čtyři typy fundamentálních interakcí: silné, slabé, elektromagnetické, gravitační. Interakce je akt výměny částic a neexistuje žádný způsob, jak to udělat bez konceptu symetrie, jelikož neexistuje žádná interakce, která by s ním nebyla spojena. Určuje počet částic a jejich hmotnost. Při přesné symetrii je hmotnost vždy nula. Takže foton a gluon nemají hmotnost, nula, v gravitonu. A jestliže je symetrie porušena, hmotnost nuly se zastaví. Takže mezidruhové vektorové bisóny mají hmotu, protože je rozložena symetrie. Tyto čtyři základní interakce vysvětlují vše, co vidíme a cítíme. Zbytek síly říká, že jejich elektromagnetická interakce je druhotná. V roce 2012 však došlo k průlomu ve vědě a objevila se další část, která se okamžitě stala proslulou. Revoluce ve vědeckém světě byla organizována objevením Higgsova bosonu, který se také ukázal jako nosník interakcí mezi leptony a kvarky.

To je důvod, proč fyzici nyní říkají, že se objevila pátá síla, zprostředkovaná Higgsovým bosonem. Zde je také rozdělena symetrie: Higgsův boson má hmotu. Počet interakcí (toto slovo v moderní částicové fyzice je nahrazeno slovem "síla") dosáhlo pěti. Možná čekáme na nové objevy, protože přesně nevíme, jestli jsou vedle nich i další interakce. Je velmi možné, že model, který jsme již uvažovali a který se zdá být nyní dokonale vysvětlující všechny fenomény pozorované ve světě, není zcela úplný. A možná, po nějaké době se objeví nové interakce nebo nové síly. Taková pravděpodobnost existuje, a to jen proto, že jsme se postupně dozvěděli, že existují dnes známé základní interakce - silné, slabé, elektromagnetické a gravitační. Koneckonců, jestliže v přírodě existují supersymetrické částice, které už jsou ve vědeckém světě vyslovovány, znamená to existenci nové symetrie a symetrie vždy zahrnuje vzhled nových částic, mezi nimi mezi nimi. Budeme tedy slyšet o dříve neznámé základní síle, jakmile se překvapilo, že se dozví, že existují například elektromagnetické a slabé interakce. Naše znalosti o naší vlastní povaze jsou velmi neúplné.

Propojení

Nejzajímavější je, že každá nová interakce musí nutně vést k zcela neznámému jevu. Například, kdybychom se nevěděli o slabé interakci, nikdy bychom nezjistili úpadek a pokud nebylo v našich znalostech o úpadku, nebyla by možná studie jaderné reakce. A kdybychom nepoznali jaderné reakce, nechtěli bychom pochopit, jak nám slunce svítí. Koneckonců, kdyby nezažilo a život na Zemi by se nevytvořil. Takže přítomnost interakce naznačuje, že je to životně důležité. Pokud nebyla silná interakce a žádné atomové jádro by nebylo stabilní. Díky elektromagnetické interakci obdrží Země ze slunce energii a paprsky světla, které z ní vycházejí, zahřejí planetu. A všechny známé interakce jsou naprosto nezbytné. Tady je například Higgs. Higgsův boson poskytuje hmotu částic prostřednictvím interakce s polí, bez ní bychom nepřežili. A jak můžeme zůstat na povrchu planety bez gravitační interakce? Bylo by to nemožné jen pro nás, ale vůbec nic.

Absolutně všechny interakce, dokonce i ty, které dosud nevíme, jsou nezbytností všeho, co lidstvo ví, chápe a miluje, existovalo. Co nevíme? Ano, hodně. Například víme, že proton je v jádře stabilní. Tato stabilita je pro nás velmi důležitá, jinak by nebyl život stejným způsobem. Experimenty však ukazují, že životnost protonu je časově omezené množství. Dlouhá, samozřejmě, 10³⁴ roky. To však znamená, že se dříve nebo později proton rozpadne a za to bude vyžadovat nějakou novou sílu, tedy novou interakci. Pokud jde o úpadek protonu, existují už teorie, kde se předpokládá nový, mnohem vyšší stupeň symetrie, proto může existovat nová interakce, o čemž ještě nic nevíme.

Velké sjednocení

V jednotě přírody je jediným principem konstrukce všech základních interakcí. Mnoho lidí má otázky ohledně jejich počtu a důvodů pro toto konkrétní množství. Je zde mnoho zde postavených verzí a jejich závěry jsou velmi odlišné. Vysvětlete existenci takového množství zásadních interakcí různými způsoby, ale všichni skončí jediným principem budování důkazů. Vždy nejrozmanitější typy interakcí se vědci pokoušejí spojit do jednoho. Proto jsou takové teorie nazývány teoriemi Velkého sjednocení. Stejně jako rozvětvení světového stromu: existuje mnoho větví a kufr je vždy jeden.

Vše proto, že existuje myšlenka spojující všechny tyto teorie. Kořeny všech známých interakcí jsou jednotné a přivádějí jeden kmen, který se v důsledku ztráty symetrie začal rozvíjet a vytvářel různé základní interakce, které můžeme experimentálně pozorovat. Tato hypotéza nemůže být ještě ověřena, protože vyžaduje fyziku neuvěřitelně vysokých energií, které jsou pro dnešní experimenty nepřístupné. Je také možné, že tyto energie nikdy nezmocneme. Ale překonat tuto překážku je docela možné.

Apart

Máme vesmír, tento přirozený urychlovač a všechny procesy, které se v něm objevují, umožňují testovat i ty nejodvážnější hypotézy o jediném kořenu všech známých interakcí. Další zajímavý úkol porozumění interakcím v přírodě je možná ještě složitější. Je třeba pochopit, jak se váha týká ostatních sil přírody. Tato základní interakce je jako samostatná, navzdory skutečnosti, že podle principu konstrukce je tato teorie podobná všem ostatním.

Einstein se zabýval teorií gravitace a snažil se jej spojit s elektromagnetismem. Navzdory zdánlivé realitě řešení tohoto problému teorie vůbec nevycházela. Nyní lidstvo ví o trochu víc, v každém případě víme o silné a slabé interakci. A kdybychom tuto sjednocenou teorii dokončili, pak bude opět nevyhnutelně postižena nedostatek znalostí. Až dosud nebyla gravitace srovnána s jinými interakcemi, protože všichni dodržují zákony diktované kvantovou fyzikou a gravitace ne. Podle kvantové teorie jsou všechny částice kvantami určitého pole. Ale kvantová gravitace neexistuje, přinejmenším ne. Nicméně počet již otevřených interakcí hlasitě opakuje, že nemůže existovat jediný schéma.

Elektrické pole

Již v roce 1860 skvělá fyzika James Maxwell v devatenáctém století dokázal vytvořit teorii, která vysvětluje elektromagnetickou indukci. Když se magnetické pole změní s časem, vytvoří se elektrické pole v určitém bodě prostoru. A pokud se v tomto poli nachází uzavřený vodič, objeví se v elektrickém poli indukční proud. S jeho teorií elektromagnetických polí Maxwell prokáže, že je také pravděpodobné, že je reverzní proces: jestliže se elektrické pole v určitém bodě prostoru změní v čase, nutně se objeví magnetické pole. Takže jakákoliv změna v čase magnetického pole může být způsobena vzhledu měnícího se elektrického pole a změnou elektrického pole může být dosaženo měnícího se magnetického pole. Tyto proměnné, které vytvářejí pole mezi sebou, tvoří jedno pole - elektromagnetické pole.

Nejdůležitější výsledek, který vyplývá z teorie Maxwellovy teorie, je předpověď, že existují elektromagnetické vlny, tj. Šíření elektromagnetických polí v čase a prostoru. Zdroj elektromagnetického pole je urychlení elektrických nábojů. Na rozdíl od zvukových (elastických) vln se mohou elektromagnetické vlny šířit jakoukoliv látkou, dokonce i ve vakuu. Elektromagnetická interakce ve vakuu se šíří rychlostí světla (c = 299,792 km / s). Vlnová délka může být odlišná. Elektromagnetické vlny z deseti tisíc metrů až 0,005 metrů - to je rádiové vlny, které se používají pro přenos informací nám, že je signál pro určité vzdálenosti bez jakýchkoliv kabelů. Rádiové vlny jsou generovány proudem při vysokých frekvencích, které proudí v anténě.

Jaké jsou vlny?

Je-li vlnová délka elektromagnetického záření od 0,005 do 1 mikrometru, tedy těch, které jsou v rozmezí mezi rádiovými vlnami a viditelným světlem, jedná se o infračervené záření. Vysílá všechny ohřívané tělesa: baterie, pece, žárovky. Speciální přístroje převádějí infračervené záření na viditelné světlo, aby získaly obrazy předmětů, které ho vyzařují, dokonce i v absolutní tmě. Viditelné světlo vydává vlny o délce od 770 do 380 nanometrů - změní se z červené na fialové. Tato část spektra má velmi velký význam pro lidský život, protože obdržíme velkou část informací o světě pomocí vizí.

Pokud má elektromagnetické záření vlnovou délku menší než fialová barva, je to ultrafialový paprsek, který zabíjí patogenní bakterie. X-paprsky do oka nejsou viditelné. Skoro neabsorbují vrstvy hmoty, které jsou pro viditelné světlo neprůhledné. Rentgenové záření diagnostikuje onemocnění vnitřních orgánů člověka a zvířat. Pokud elektromagnetické záření vzniká z interakce elementárních částic a je vyzařováno excitovanými jádry, získává se záření gama. Jedná se o nejširší rozsah elektromagnetického spektra, protože není omezen na vysoké energie. Gama záření může být měkké a tvrdé: energetické přechody uvnitř jader atomů jsou mírné a jaderné reakce jsou tuhé. Tyto kvantové molekuly snadno rozdrtí a zvláště biologické. Je velkým štěstím, že gama záření nemůže procházet atmosférou. Sledujte, že gama kvantové může být z vesmíru. Při ultra vysoké energii se elektromagnetická interakce šíří rychlostí blízkou světlu: gama kvantová atomová jádra rozdrtí a rozbíjí je do částic, které se od sebe oddělují. Při brzdění vyzařují světlo ve zvláštních dalekohledech.

Z minulosti do budoucnosti

Elektromagnetické vlny, jak již bylo zmíněno, předpovídá Maxwell. On pečlivě studoval a pokusil se uvěřit matematice mírně naivní obrázky Faraday, na kterém byly zobrazeny magnetické a elektrické jevy. Maxwell zjistil nedostatek symetrie. A právě on se mu podařilo dokázat řadou rovnic, že ​​variabilní elektrická pole vytvářejí magnetické pole a naopak. To ho povzbudilo, aby si myslel, že se tato pole oddělují od vodičů a pohybují se ve vakuu s obrovskou rychlostí. A přišel na to. Rychlost byla téměř tři sta tisíc kilometrů za sekundu.

Taková teorie a experiment fungují. Příkladem je otvor, kterým jsme se dozvěděli o existenci elektromagnetických vln. V něm se sešli s pomocí fyziky zcela různorodých koncepcí - magnetismu a elektřiny, protože se jedná o fyzikální jev stejného řádu, jen různé strany ní jsou propojeny. Teorie jsou uspořádány za sebou, a všechny z nich jsou úzce spojeny s navzájem: teorie elektroslabé interakce, například tam, kde stejnou pozici popsané slabé jaderné síly a elektromagnetické, atd. To vše spojuje kvantové chromodynamics, pokrývající silné a elektroslabých interakcí (zde, přesnost zatímco níže, práce pokračuje). Intenzivně studoval takových oblastech, jako jsou fyzikové kvantové gravitace a teorie strun.

Závěry

Ukazuje se, že prostor kolem nás zcela prostoupený elektromagnetického záření: hvězd a Slunce, Měsíce a jiných nebeských těles, to je sama Země, a každý telefon v rukou člověka a anténní stanice - to vše vysílá elektromagnetické vlny různými jmény . V závislosti na frekvenci kmitání, které vyzařuje objekt se liší infračervené, rádio, viditelné světlo, bio-pole záření, rentgenové záření a podobně.

Když se elektromagnetické pole šíří, stává se elektromagnetickou vlnou. Tento zdroj energie je prostě nevyčerpatelný, což způsobuje, že elektrické náboje molekul a atomů oscilují. A když náboj osciluje, jeho pohyb se zrychluje a proto vydává elektromagnetickou vlnu. Pokud se změní magnetické pole, je vzrušené vírové elektrické pole, které zase vyvolává vírové magnetické pole. Proces prochází prostorem a pokrývá jeden bod za druhým.