Ky artikull do të shqyrtojë ato që quhen forcat e natyrës - ndërveprimi themelor elektromagnetik dhe parimet mbi të cilat është ndërtuar. Do të flitet edhe për mundësitë e ekzistencës së qasjeve të reja në studimin e kësaj teme. Edhe në shkollë, në mësimet e fizikës, nxënësit përballen me një shpjegim të konceptit të "forcës". Ata mësojnë se forcat mund të jenë shumë të ndryshme - forca e fërkimit, forca e tërheqjes, forca e elasticitetit dhe shumë të tjera të ngjashme. Jo të gjitha mund të quhen themelore, pasi shumë shpesh fenomeni i forcës është dytësor (forca e fërkimit, për shembull, me ndërveprimin e saj të molekulave). Ndërveprimi elektromagnetik gjithashtu mund të jetë dytësor - si pasojë. Fizika molekulare citon forcën Van der Waals si shembull. Fizika e grimcave ofron gjithashtu shumë shembuj.
Në natyrë
Dëshiroj të shkoj në fund të proceseve që ndodhin në natyrë, kur kjo bën që ndërveprimi elektromagnetik të funksionojë. Cila është saktësisht forca themelore që përcakton të gjitha forcat dytësore që ka ndërtuar?Të gjithë e dinë se ndërveprimi elektromagnetik, ose, siç quhet ndryshe, forcat elektrike, është thelbësor. Kjo dëshmohet nga ligji i Kulombit, i cili ka përgjithësimin e tij që rrjedh nga ekuacionet e Maxwell-it. Këto të fundit përshkruajnë të gjitha forcat magnetike dhe elektrike që ekzistojnë në natyrë. Kjo është arsyeja pse është vërtetuar se bashkëveprimi i fushave elektromagnetike është forca themelore e natyrës. Shembulli tjetër është graviteti. Edhe nxënësit e shkollës dinë për ligjin e gravitetit universal të Isak Njutonit, i cili gjithashtu kohët e fundit mori përgjithësimin e tij nga ekuacionet e Ajnshtajnit dhe, sipas teorisë së tij të gravitetit, kjo forcë e ndërveprimit elektromagnetik në natyrë është gjithashtu themelore.
Dikur mendohej se ekzistojnë vetëm këto dy forca themelore, por shkenca ka ecur përpara, duke vërtetuar gradualisht se nuk është aspak kështu. Për shembull, me zbulimin e bërthamës atomike, u desh të futet koncepti i forcës bërthamore, përndryshe si të kuptohet parimi i mbajtjes së grimcave brenda bërthamës, pse ato nuk fluturojnë larg në drejtime të ndryshme. Të kuptuarit se si funksionon forca elektromagnetike në natyrë ka ndihmuar në matjen, studimin dhe përshkrimin e forcave bërthamore. Sidoqoftë, shkencëtarët e mëvonshëm arritën në përfundimin se forcat bërthamore janë dytësore dhe në shumë mënyra të ngjashme me forcat van der Waals. Në fakt, vetëm forcat që ofrojnë kuarkët duke ndërvepruar me njëri-tjetrin janë me të vërtetë themelore. Atëherë tashmë - një efekt dytësor - është ndërveprimi i fushave elektromagnetike midis neutroneve dhe protoneve në bërthamë. Vërtetë thelbësore është ndërveprimi i kuarkeve që shkëmbejnë gluonet. Kështu ishtenjë forcë e tretë me të vërtetë themelore e zbuluar në natyrë.
Vazhdimi i këtij tregimi
Grimcat elementare zbërthehen, ato të rënda - në ato më të lehta, dhe zbërthimi i tyre përshkruan një forcë të re të ndërveprimit elektromagnetik, e cila quhet pikërisht ajo - forca e ndërveprimit të dobët. Pse i dobët? Po, sepse ndërveprimi elektromagnetik në natyrë është shumë më i fortë. Dhe përsëri, doli që kjo teori e ndërveprimit të dobët, e cila hyri në mënyrë kaq harmonike në tablonë e botës dhe fillimisht përshkroi shkëlqyeshëm prishjen e grimcave elementare, nuk pasqyronte të njëjtat postulate nëse energjia rritej. Kjo është arsyeja pse teoria e vjetër u ripunua në një tjetër - teoria e ndërveprimit të dobët, këtë herë doli të ishte universale. Edhe pse u ndërtua mbi të njëjtat parime si teoritë e tjera që përshkruanin ndërveprimin elektromagnetik të grimcave. Në kohët moderne, ka katër ndërveprime themelore të studiuara dhe të vërtetuara, dhe i pesti është në rrugë e sipër, do të diskutohet më vonë. Të katër - gravitacional, i fortë, i dobët, elektromagnetik - janë ndërtuar mbi një parim të vetëm: forca që lind midis grimcave është rezultat i një shkëmbimi të kryer nga një bartës, ose ndryshe - një ndërmjetës ndërveprimi.
Çfarë lloj ndihmësi është ky? Ky është një foton - një grimcë pa masë, por megjithatë ndërton me sukses ndërveprim elektromagnetik për shkak të shkëmbimit të një kuantike valësh elektromagnetike ose një kuantike drite. Ndërveprim elektromagnetik kryhetme anë të fotoneve në fushën e grimcave të ngarkuara që komunikojnë me një forcë të caktuar, kjo është pikërisht ajo që interpreton ligji i Kulombit. Ekziston një grimcë tjetër pa masë - gluoni, ka tetë lloje të tij, ai ndihmon kuarket të komunikojnë. Ky ndërveprim elektromagnetik është një tërheqje midis ngarkesave dhe quhet i fortë. Po, dhe ndërveprimi i dobët nuk është i plotë pa ndërmjetës, të cilët janë grimca me masë, për më tepër, ato janë masive, domethënë të rënda. Këto janë bozone vektoriale të ndërmjetme. Masa dhe rëndimi i tyre shpjegon dobësinë e ndërveprimit. Forca gravitacionale prodhon një shkëmbim të një kuantike të fushës gravitacionale. Ky ndërveprim elektromagnetik është tërheqja e grimcave, ai ende nuk është studiuar mjaftueshëm, gravitoni nuk është zbuluar ende eksperimentalisht dhe graviteti kuantik nuk ndihet plotësisht nga ne, prandaj nuk mund ta përshkruajmë ende.
Forca e Pestë
Ne kemi shqyrtuar katër lloje të ndërveprimit themelor: të fortë, të dobët, elektromagnetik, gravitacional. Ndërveprimi është një akt i caktuar i shkëmbimit të grimcave, dhe nuk mund të bëhet pa konceptin e simetrisë, pasi nuk ka ndërveprim që nuk shoqërohet me të. Është ajo që përcakton numrin e grimcave dhe masën e tyre. Me simetri të saktë, masa është gjithmonë zero. Pra, një foton dhe një gluon nuk kanë masë, është e barabartë me zero, dhe një graviton nuk ka. Dhe nëse simetria prishet, masa pushon së qeni zero. Kështu, bizonët vektorial të ndërmjetëm kanë masë sepse simetria është prishur. Këto katër ndërveprime themelore shpjegojnë gjithçkane shohim dhe ndjejmë. Forcat e mbetura tregojnë se ndërveprimi i tyre elektromagnetik është dytësor. Sidoqoftë, në vitin 2012 pati një përparim në shkencë dhe u zbulua një grimcë tjetër, e cila u bë menjëherë e famshme. Revolucioni në botën shkencore u organizua nga zbulimi i bozonit Higgs, i cili, siç doli, shërben gjithashtu si bartës i ndërveprimeve midis leptoneve dhe kuarkeve.
Kjo është arsyeja pse fizikanët tani po thonë se është shfaqur një forcë e pestë, e ndërmjetësuar nga bozon Higgs. Simetria është thyer edhe këtu: bozoni Higgs ka një masë. Kështu, numri i ndërveprimeve (fjala "forcë" zëvendësohet me këtë fjalë në fizikën moderne të grimcave) arriti në pesë. Ndoshta jemi në pritje të zbulimeve të reja, sepse nuk e dimë saktësisht nëse ka ndërveprime të tjera përveç këtyre. Është shumë e mundur që modeli që kemi ndërtuar tashmë dhe që po shqyrtojmë sot, i cili duket se shpjegon në mënyrë të përsosur të gjitha fenomenet e vëzhguara në botë, të mos jetë mjaft i plotë. Dhe ndoshta, pas ca kohësh, do të shfaqen ndërveprime të reja ose forca të reja. Një probabilitet i tillë ekziston, nëse vetëm sepse kemi mësuar shumë gradualisht se ekzistojnë ndërveprime themelore të njohura sot - të forta, të dobëta, elektromagnetike, gravitacionale. Në fund të fundit, nëse në natyrë ka grimca supersimetrike, për të cilat flitet tashmë në botën shkencore, atëherë kjo do të thotë ekzistenca e një simetrie të re, dhe simetria gjithmonë sjell shfaqjen e grimcave të reja, ndërmjetësve midis tyre. Kështu, do të dëgjojmë për një forcë themelore të panjohur më parë, siç mësuam me habi seka, për shembull, ndërveprim elektromagnetik, të dobët. Njohuria jonë për natyrën tonë është shumë e paplotë.
Lidhja
Gjëja më interesante është se çdo ndërveprim i ri duhet domosdoshmërisht të çojë në një fenomen krejtësisht të panjohur. Për shembull, nëse nuk do të kishim mësuar për ndërveprimin e dobët, nuk do të kishim zbuluar kurrë kalbjen, dhe nëse nuk do të ishte për njohuritë tona për kalbjen, asnjë studim i reaksionit bërthamor nuk do të ishte i mundur. Dhe nëse nuk do t'i dinim reagimet bërthamore, nuk do të kuptonim se si dielli shkëlqen për ne. Në fund të fundit, nëse nuk do të shkëlqente, jeta në Tokë nuk do të ishte formuar. Pra, prania e ndërveprimit thotë se është jetike. Nëse nuk do të kishte ndërveprim të fortë, nuk do të kishte bërthama të qëndrueshme atomike. Për shkak të ndërveprimit elektromagnetik, Toka merr energji nga Dielli, dhe rrezet e dritës që vijnë prej tij ngrohin planetin. Dhe të gjitha ndërveprimet e njohura për ne janë absolutisht të nevojshme. Këtu është ai i Higgs, për shembull. Bozoni Higgs i siguron grimcës masë përmes ndërveprimit me fushën, pa të cilën ne nuk do të kishim mbijetuar. Dhe si të qëndroni në sipërfaqen e planetit pa ndërveprim gravitacional? Do të ishte e pamundur jo vetëm për ne, por për asgjë.
Absolutisht të gjitha ndërveprimet, edhe ato për të cilat ne nuk dimë ende, janë një domosdoshmëri për gjithçka që njerëzimi di, kupton dhe pëlqen të ekzistojë. Çfarë nuk mund të dimë? Po shumë. Për shembull, ne e dimë se protoni është i qëndrueshëm në bërthamë. Kjo është shumë, shumë e rëndësishme për ne.stabilitet, përndryshe jeta nuk do të ekzistonte në të njëjtën mënyrë. Megjithatë, eksperimentet tregojnë se jeta e një protoni është një sasi e kufizuar në kohë. E gjatë, sigurisht, 10 34 vjet. Por kjo do të thotë që herët a vonë protoni gjithashtu do të kalbet, dhe kjo do të kërkojë një forcë të re, domethënë një ndërveprim të ri. Në lidhje me zbërthimin e protonit, tashmë ka teori ku supozohet një shkallë e re, shumë më e lartë simetrie, që do të thotë se mund të ekzistojë një ndërveprim i ri, për të cilin ende nuk dimë asgjë.
Bashkimi i Madh
Në unitetin e natyrës, i vetmi parim i ndërtimit të të gjitha ndërveprimeve themelore. Shumë njerëz kanë pyetje në lidhje me numrin e tyre dhe shpjegimin e arsyeve për këtë numër të veçantë. Këtu janë ndërtuar shumë versione, dhe ato janë shumë të ndryshme për sa i përket përfundimeve të nxjerra. Ata shpjegojnë praninë e një numri të tillë ndërveprimesh themelore në mënyra të ndryshme, por të gjitha rezultojnë të jenë me një parim të vetëm të ndërtimit të provave. Studiuesit gjithmonë përpiqen të kombinojnë llojet më të ndryshme të ndërveprimeve në një. Prandaj, teori të tilla quhen teoritë e Bashkimit të Madh. Sikur degët e pemës botërore: ka shumë degë, por trungu është gjithmonë një.
Të gjitha sepse ekziston një ide që bashkon të gjitha këto teori. Rrënja e të gjitha ndërveprimeve të njohura është e njëjtë, duke ushqyer një trung, i cili, si rezultat i humbjes së simetrisë, filloi të degëzohej dhe formoi ndërveprime të ndryshme themelore, të cilat mund t'i bëjmë eksperimentalisht.vëzhgojnë. Kjo hipotezë nuk mund të testohet ende, sepse kërkon fizikë tepër të lartë të energjisë, të paarritshme për eksperimentet e sotme. Është gjithashtu e mundur që ne kurrë nuk do t'i zotërojmë këto energji. Por është mjaft e mundur të kapërcesh këtë pengesë.
Apartament
Ne kemi Universin, këtë përshpejtues natyror dhe të gjitha proceset që ndodhin në të bëjnë të mundur testimin edhe të hipotezave më të guximshme në lidhje me rrënjën e përbashkët të të gjitha ndërveprimeve të njohura. Një detyrë tjetër interesante për të kuptuar ndërveprimet në natyrë është, ndoshta, edhe më e vështirë. Është e nevojshme të kuptohet se si graviteti lidhet me pjesën tjetër të forcave të natyrës. Ky ndërveprim themelor qëndron i ndarë, si të thuash, pavarësisht nga fakti se kjo teori është e ngjashme me të gjitha të tjerat nga parimi i ndërtimit.
Ajnshtajni ishte i angazhuar në teorinë e gravitetit, duke u përpjekur ta lidhte atë me elektromagnetizmin. Pavarësisht realitetit në dukje të zgjidhjes së këtij problemi, teoria nuk funksionoi atëherë. Tani njerëzimi di pak më shumë, në çdo rast, ne dimë për ndërveprimet e forta dhe të dobëta. Dhe nëse tani përfundojmë ndërtimin e kësaj teorie të unifikuar, atëherë mungesa e njohurive sigurisht që do të ketë një efekt përsëri. Deri më tani, nuk ka qenë e mundur të vihet graviteti në një nivel me ndërveprimet e tjera, pasi të gjithë u binden ligjeve të diktuara nga fizika kuantike, por graviteti jo. Sipas teorisë kuantike, të gjitha grimcat janë kuante të një fushe të caktuar. Por graviteti kuantik nuk ekziston, të paktën jo ende. Sidoqoftë, numri i ndërveprimeve tashmë të hapura përsërit me zë të lartë se nuk mund të veçohettë jetë një lloj skeme e unifikuar.
Fusha elektrike
Në vitin 1860, fizikani i madh i shekullit të nëntëmbëdhjetë James Maxwell arriti të krijojë një teori që shpjegon induksionin elektromagnetik. Kur fusha magnetike ndryshon me kalimin e kohës, një fushë elektrike formohet në një pikë të caktuar në hapësirë. Dhe nëse në këtë fushë gjendet një përcjellës i mbyllur, atëherë në fushën elektrike shfaqet një rrymë induksioni. Me teorinë e tij të fushave elektromagnetike, Maxwell dëshmon se procesi i kundërt është gjithashtu i mundur: nëse ndryshoni fushën elektrike në kohë në një pikë të caktuar në hapësirë, patjetër do të shfaqet një fushë magnetike. Kjo do të thotë se çdo ndryshim në kohë i fushës magnetike mund të shkaktojë shfaqjen e një fushe elektrike të ndryshueshme, dhe një ndryshim në fushën elektrike mund të prodhojë një fushë magnetike në ndryshim. Këto variabla, fusha që gjenerojnë njëra-tjetrën, organizojnë një fushë të vetme - elektromagnetike.
Rezultati më i rëndësishëm që del nga formulat e teorisë së Maxwell-it është parashikimi se ekzistojnë valë elektromagnetike, pra fusha elektromagnetike që përhapen në kohë dhe hapësirë. Burimi i fushës elektromagnetike janë ngarkesat elektrike që lëvizin me nxitim. Ndryshe nga valët zanore (elastike), valët elektromagnetike mund të përhapen në çdo substancë, madje edhe në vakum. Ndërveprimi elektromagnetik në vakum përhapet me shpejtësinë e dritës (c=299,792 kilometra në sekondë). Gjatësia e valës mund të jetë e ndryshme. Valët elektromagnetike nga dhjetë mijë metra deri në 0,005 metra janëvalët e radios që na shërbejnë për të transmetuar informacion, pra sinjale në një distancë të caktuar pa tela. Valët e radios krijohen nga rryma në frekuenca të larta që rrjedhin në antenë.
Cilat janë valët
Nëse gjatësia e valës së rrezatimit elektromagnetik është midis 0,005 metra dhe 1 mikrometër, domethënë, ato që janë në intervalin midis valëve të radios dhe dritës së dukshme janë rrezatim infra të kuq. Emetohet nga të gjithë trupat me ngrohje: bateritë, sobat, llambat inkandeshente. Pajisjet speciale konvertojnë rrezatimin infra të kuqe në dritë të dukshme për të marrë imazhe të objekteve që e lëshojnë atë, edhe në errësirë absolute. Drita e dukshme lëshon gjatësi vale që variojnë nga 770 në 380 nanometra - duke rezultuar në një ngjyrë nga e kuqja në vjollcë. Ky seksion i spektrit është jashtëzakonisht i rëndësishëm për jetën e njeriut, sepse ne marrim një pjesë të madhe të informacionit rreth botës përmes vizionit.
Nëse rrezatimi elektromagnetik ka një gjatësi vale më të shkurtër se vjollca, ai është ultravjollcë, i cili vret bakteret patogjene. Rrezet X janë të padukshme për syrin. Ata pothuajse nuk thithin shtresa të materies që janë të errëta ndaj dritës së dukshme. Rrezatimi me rreze X diagnostikon sëmundjet e organeve të brendshme të njerëzve dhe kafshëve. Nëse rrezatimi elektromagnetik lind nga bashkëveprimi i grimcave elementare dhe emetohet nga bërthamat e ngacmuara, përftohet rrezatimi gama. Ky është diapazoni më i gjerë në spektrin elektromagnetik, sepse nuk kufizohet në energjitë e larta. Rrezatimi gama mund të jetë i butë dhe i fortë: tranzicionet e energjisë brenda bërthamave atomike -i butë, dhe në reaksionet bërthamore - i fortë. Këto kuanta shkatërrojnë lehtësisht molekulat, dhe veçanërisht ato biologjike. Për fat të mirë, rrezatimi gama nuk mund të kalojë nëpër atmosferë. Rrezet gama mund të vërehen nga hapësira. Në energjitë tepër të larta, ndërveprimi elektromagnetik përhapet me një shpejtësi afër shpejtësisë së dritës: kuantet gama shtypin bërthamat e atomeve, duke i thyer ato në grimca që fluturojnë në drejtime të ndryshme. Kur frenojnë, ato lëshojnë dritë të dukshme përmes teleskopëve specialë.
Nga e kaluara në të ardhmen
Valët elektromagnetike, siç u përmend tashmë, u parashikuan nga Maxwell. Ai studioi me kujdes dhe u përpoq të besonte matematikisht fotot pak naive të Faradeit, të cilat përshkruanin fenomene magnetike dhe elektrike. Ishte Maxwell ai që zbuloi mungesën e simetrisë. Dhe ishte ai që arriti të provojë me një sërë ekuacionesh se fusha elektrike alternative gjenerojnë ato magnetike dhe anasjelltas. Kjo e çoi atë në idenë se fusha të tilla shkëputen nga përcjellësit dhe lëvizin nëpër vakum me një shpejtësi gjigante. Dhe ai e kuptoi. Shpejtësia ishte afër treqind mijë kilometra në sekondë.
Kështu ndërveprojnë teoria dhe eksperimenti. Një shembull është zbulimi, falë të cilit mësuam për ekzistencën e valëve elektromagnetike. Me ndihmën e fizikës, koncepte krejtësisht heterogjene u kombinuan në të - magnetizmi dhe elektriciteti, pasi ky është një fenomen fizik i të njëjtit rend, vetëm anët e tij të ndryshme janë në ndërveprim. Teoritë ndërtohen njëra pas tjetrës dhe të gjithaato janë të lidhura ngushtë me njëra-tjetrën: teoria e bashkëveprimit elektro-dobët, për shembull, ku forcat e dobëta bërthamore dhe elektromagnetike përshkruhen nga të njëjtat pozicione, atëherë e gjithë kjo bashkohet nga kromodinamika kuantike, duke mbuluar ndërveprimet e forta dhe elektromagnetike (këtu saktësia është akoma më e ulët, por puna vazhdon). Fusha të tilla të fizikës si graviteti kuantik dhe teoria e fijeve po hulumtohen intensivisht.
Përfundime
Rezulton se hapësira që na rrethon është plotësisht e përshkuar me rrezatim elektromagnetik: këta janë yjet dhe dielli, hëna dhe trupat e tjerë qiellorë, kjo është vetë Toka dhe çdo telefon në duart e një personi., dhe antenat e stacioneve radio - e gjithë kjo lëshon valë elektromagnetike, të quajtura ndryshe. Në varësi të frekuencës së dridhjeve që lëshon një objekt, dallohen rrezatimi infra i kuq, valët e radios, drita e dukshme, rrezet e fushës biologjike, rrezet x dhe të ngjashme.
Kur një fushë elektromagnetike përhapet, ajo bëhet një valë elektromagnetike. Është thjesht një burim i pashtershëm energjie, që bën që ngarkesat elektrike të molekulave dhe atomeve të luhaten. Dhe nëse ngarkesa lëkundet, lëvizja e saj përshpejtohet, dhe për këtë arsye lëshon një valë elektromagnetike. Nëse fusha magnetike ndryshon, ngacmohet një fushë elektrike vorbull, e cila, nga ana tjetër, ngacmon një fushë magnetike vorbull. Procesi kalon nëpër hapësirë, duke mbuluar një pikë pas tjetrës.
