Elektromagnetiske interaksjons partikler

Denne artikkelen vil vurdere hva som kalles naturens krefter - den grunnleggende elektromagnetiske samspillet og prinsippene som den bygger på. Også, vi vil snakke om mulighetene for eksistensen av nye tilnærminger til studiet av dette emnet. Selv i skolen i fysikkundervisningen står studentene overfor forklaringen av begrepet "makt". De lærer at krefter kan være mest varierte - friksjonskraften, tiltrekningskraften, elasticitetsstyrken og så videre. Ikke alle av dem kan kalles grunnleggende, fordi fenomenet kraft ofte er sekundært (friksjonskraft, for eksempel med samspillet mellom molekyler). Elektromagnetisk interaksjon kan også være sekundær, som en konsekvens. Molekylær fysikk refererer til van der Waals-styrken som et eksempel. Mange eksempler gis også av fysikk av elementære partikler.

I naturen

Jeg ønsker å komme til kjernen i prosessene som foregår i naturen, når det tvinger den elektromagnetiske samspillet til å fungere. Hva er den grunnleggende kraften som bestemmer alle sekundære krefter som den har bygget? Alle vet at den elektromagnetiske samspillet, eller som det fremdeles kalles, elektriske krefter, er grunnleggende. Dette er angitt av Coulomb-loven, som har sin egen generalisering, som følger av Maxwells ligninger. Sistnevnte beskriver alle magnetiske og elektriske krefter som eksisterer i naturen. Derfor er det bevist at samspillet mellom elektromagnetiske felt er naturens grunnleggende krefter. Det neste eksemplet er tyngdekraften. Selv skolebarn er klar over loven om universell gravitasjon av Isaac Newton, som også nylig fikk sin egen generalisering av Einsteins ligninger, og ifølge sin tyngdeorienterte tyngde er denne kraften av elektromagnetisk interaksjon i naturen også grunnleggende.

En gang ble det antatt at det bare var to av disse grunnleggende kreftene, men vitenskapen beveget seg fremover, og viste seg at dette ikke var tilfelle i det hele tatt. For eksempel, med oppdagelsen av atomkjernen var det nødvendig å introdusere begrepet atomkraft, ellers hvordan man forstår prinsippet om å beholde partikler inne i kjernen, hvorfor de ikke flyr bort i forskjellige retninger. Å forstå hvordan elektromagnetisk samhandling virker i naturen bidro til å måle atomkraftene, å studere og beskrive. Imidlertid kom senere forskere til at atomkraftene er sekundære, og på mange måter lignet van der Waals-styrker. Faktisk er bare de kreftene som kvarker gir, interagere med hverandre, virkelig grunnleggende. Deretter er en sekundær effekt samspillet mellom elektromagnetiske felt mellom nøytroner og protoner i kjernen. Virkelig grunnleggende er samspillet mellom kvarker, som utveksler gluoner. Dermed ble en tredje virkelig grunnleggende kraft oppdaget i naturen.

Fortsettelse av denne historien

Elementære partikler forfall, tunge partikler brytes ned, og deres henfall beskriver en ny kraft av elektromagnetisk interaksjon, som kalles - kraften av svak samhandling. Hvorfor svak? Ja, fordi den elektromagnetiske samspillet i naturen er mye sterkere. Og igjen viste det seg at denne teorien om svak interaksjon, så harmonisk inn i verdensbildet og opprinnelig perfekt beskriver nedfallet av elementære partikler, ikke gjenspeiler de samme postulatene, hvis energien stiger. Så den gamle teorien ble omarbeidet til en annen - teorien om svak interaksjon, viste seg denne tiden å være universell. Selv om det ble bygget på de samme prinsippene som andre teorier som beskriver partikkelens elektromagnetiske samspill. I moderne tid er det fire studerte og bevist fundamentale samspill, og den femte - underveis, vil det bli diskutert fremover. Alle fire gravitasjonene, sterke, svake, elektromagnetiske - er bygd på et enkelt prinsipp: Kraften som oppstår mellom partikler, er resultatet av en form for utveksling utført av transportøren, eller på annen måte - en mellomstasjon for samhandling.

Hva slags hjelper er dette? Dette er en foton - en partikkel uten masse, men likevel vellykket arrangere den elektromagnetiske interaksjonen på grunn av utveksling av et kvantum av elektromagnetiske bølger eller et kvantum av lys. Elektromagnetisk interaksjon utføres ved hjelp av fotoner på ladede partikler, som kommuniserer med en bestemt kraft, og dette er nettopp det Coulombs lov behandler. Det er en annen masseløs partikkel - gluon, den finnes i åtte varianter, det bidrar til å kommunisere kvarker. Denne elektromagnetiske samspillet er en tiltrekning mellom ladninger, og den kalles sterk. Og svak samhandling er ikke uten mellommenn, som ble partikler med masse, dessuten er de massive, det vil si tunge. Disse er mellomliggende vektor bosoner. Deres masse og vekt forklarer svakheten i samspillet. Gravitasjonskraft gir en utveksling av kvantum av gravitasjonsfeltet. Denne elektromagnetiske samspillet er en attraksjon av partikler, den har ikke blitt studert nok ennå, men graviton er ikke engang oppdaget eksperimentelt ennå, og kvantevektighet er ikke helt oppfattet av oss, og derfor kan vi ikke beskrive det enda.

Femte kraft

Vi undersøkte fire typer grunnleggende samhandling: sterk, svak, elektromagnetisk, tyngdekraftig. Interaksjon er en handling av partikkelutveksling, og det er ingen måte å gjøre uten begrepet symmetri, siden det ikke er noen interaksjon som ikke er knyttet til det. Det bestemmer antall partikler og deres masse. Med nøyaktig symmetri er massen alltid null. Så, for en foton og en gluon er det ingen masse, det er null, for en graviton - også. Og hvis symmetrien brytes, vil massen av null opphøre. Mellomvektbisonene har således en masse, fordi symmetrien er ødelagt. Disse fire grunnleggende samspillet forklarer alt vi ser og føler. Resten av styrkene indikerer at deres elektromagnetiske samhandling er sekundær. Men i 2012 var det et gjennombrudd i vitenskap og en annen partikkel ble oppdaget som umiddelbart ble kjent. Revolusjonen i den vitenskapelige verden ble organisert av oppdagelsen av Higgs boson, som, som det viste seg, også fungerer som en transportør av samspill mellom leptoner og kvarker.

Derfor sier fysikere nå at en femte kraft dukket opp, formidlet av en Higgs boson. Symmetri er også brutt her: Higgs boson har en masse. Dermed er antall interaksjoner (dette ordet i moderne partikkelfysikk erstattet av ordet "force") har nådd fem. Kanskje vi venter på nye funn, fordi vi ikke vet nøyaktig om det er flere interaksjoner i tillegg til disse. Det er veldig mulig at modellen vi vurderer for tiden, som synes å være perfekt å forklare alle fenomenene som observeres i verden, ikke er helt fullstendig. Og det er mulig at etter en stund vil nye interaksjoner eller nye krefter vises. En slik sannsynlighet eksisterer, bare fordi vi gradvis har lært at det er grunnleggende interaksjoner kjent i dag, sterk, svak, elektromagnetisk og tyngdekraftig. Tross alt, hvis det er supersymmetriske partikler i naturen, som allerede er talt i den vitenskapelige verden, betyr det at det eksisterer en ny symmetri, og symmetri innebærer alltid utseendet til nye partikler, mellommenn mellom dem. Dermed vil vi høre om en tidligere ukjent grunnleggende kraft, som en gang det var overrasket over å høre at det for eksempel er elektromagnetisk, svak samhandling. Vår kunnskap om vår egen natur er svært ufullstendig.

tilkoblinger

Det mest interessante er at enhver ny interaksjon må nødvendigvis føre til et helt ukjent fenomen. For eksempel, hvis vi ikke lærte om det svake samspillet, ville vi aldri ha oppdaget et forfall, og hvis det ikke var i vår kunnskap om forfall, ville det ikke være mulig å studere kjernereaksjonen. Og hvis vi ikke kjente kjernereaksjonene, ville vi ikke forstå hvordan solen skinner for oss. Tross alt, hvis det ikke var et lys, og livet på jorden ikke ville ha dannet seg. Således viser tilstedeværelsen av interaksjon at dette er viktig. Hvis det ikke var sterk interaksjon, og det ville ikke være noen stabile atomkjerner. Takket være den elektromagnetiske samspillet mottar Jorden energi fra solen, og lysets stråler kommer fra det, varme på planeten. Og alle interaksjoner som er kjent for oss, er absolutt nødvendige. Her er for eksempel Higgs. Higgs boson gir partikelen med masse gjennom samspill med feltet, uten det ville vi ikke ha overlevd. Og hvordan kan vi bli på overflaten av planeten uten gravitasjonssammenheng? Det ville være umulig, ikke bare for oss, men for ingenting i det hele tatt.

Absolutt alle interaksjoner, selv de som vi ikke vet ennå, er en nødvendighet for alt som menneskeheten kjenner, forstår og elsker, eksisterte. Hva kan vi ikke vite? Ja mye. For eksempel vet vi at protonen er stabil i kjernen. Denne stabiliteten er veldig viktig for oss, ellers ville det ikke være noe liv på samme måte. Eksperimenter indikerer imidlertid at livet til et proton er en tidsbegrenset mengde. Lang, selvfølgelig, 10 ³⁴ år. Men dette betyr at protonen vil fortabes, og for dette vil det være behov for ny kraft, det vil si en ny interaksjon. Når det gjelder protonens forfall, er det allerede teorier hvor en ny, mye høyere grad av symmetri antas, derfor kan det være en ny interaksjon som vi ikke vet noe ennå.

Stor forening

I naturen i naturen er det eneste prinsippet bygging av alle fundamentale samspill. Mange har spørsmål om antall dem og årsakene til denne mengden. Det er et stort antall versjoner som er bygget her, og de er veldig forskjellige i sine konklusjoner. Forklar nærværet av bare så mange grunnleggende interaksjoner på alle mulige måter, men de alle ender opp med et enkelt prinsipp for å bygge bevis. Alltid de mest varierte typer interaksjonene prøver forskerne å kombinere i en. Derfor er slike teorier kalt teorier om den store forening. Som en verdenstrening: Det er mange grener, men stammen er alltid en.

Alt fordi det er en ide som forener alle disse teoriene. Roten til alle kjente interaksjoner er single, som tilfører en stamme, som som et resultat av å miste symmetrien begynte å forgrene seg og dannet ulike fundamentale samspill, som vi kan observere eksperimentelt. Denne hypotesen kan ikke bekreftes fordi den krever fysikk med utrolig høye energier som er utilgjengelige for dagens eksperimenter. Det er også mulig at vi aldri vil mestre disse energiene. Men for å komme seg rundt er denne hindringen ganske mulig.

Bortsett fra

Vi har universet, denne naturlige akseleratoren, og alle prosessene som forekommer i det, gjør det mulig å teste selv de dristigste hypotesene om den eneste roten av alle kjente interaksjoner. En annen interessant oppgave å forstå samspill i naturen er kanskje enda mer komplisert. Det er nødvendig å forstå hvordan gravitasjon relaterer seg til resten av naturens krefter. Denne grunnleggende samspillet står som om det er separat, til tross for at ifølge denne byggeprosjektet er denne teorien lik alle andre.

Einstein var engasjert i gravitasjonsteorien og forsøkte å koble den til elektromagnetisme. Til tross for den tilsynelatende virkeligheten av å løse dette problemet, reiste teorien ikke ut. Nå vet menneskeheten litt mer, i alle fall vet vi om sterk og svak samhandling. Og hvis vi nå fullfører denne enkelte teorien, vil uunngåelig mangel på kunnskap igjen bli påvirket. Hittil har tyngdekraften ikke blitt satt på nivå med andre interaksjoner, siden alle adlyder lovene diktert av kvantefysikk, og tyngdekraften gjør det ikke. Ifølge kvanteteorien er alle partikler kvanta av et bestemt felt. Men kvantumgravitasjon eksisterer ikke, i hvert fall for nå. Antallet av allerede åpne interaksjoner sier imidlertid høyt at det ikke kan være noen enkelt ordning.

Elektrisk felt

Tilbake i 1860 lyktes den store fysikeren fra det nittende århundre, James Maxwell, å skape en teori som forklarer elektromagnetisk induksjon. Når magnetfeltet endres over tid, dannes et elektrisk felt på et bestemt punkt i rommet. Og hvis en lukket leder er funnet i dette feltet, vises en induksjonsstrøm i det elektriske feltet. Ved sin teori om elektromagnetiske felt viser Maxwell at omvendt prosess også er sannsynlig: hvis det elektriske feltet i et bestemt punkt blir forandret i tid, vil et magnetfelt nødvendigvis fremstå. Dette betyr at enhver endring i magnetfeltets tid kan skyldes utseendet på et skiftende elektrisk felt, og ved å bytte den elektriske kan man oppnå et varierende magnetfelt. Disse variablene, som genererer felt av hverandre, danner et enkelt felt - elektromagnetisk.

Det viktigste resultatet, som følger av formlene til Maxwells teori, er prediksjonen om at det er elektromagnetiske bølger, det vil si forplantende elektromagnetiske felt i tid og rom. Kilden til det elektromagnetiske feltet er de elektriske ladningene som beveger seg med akselerasjon. I motsetning til lyd (elastisk) bølger, kan elektromagnetiske bølger forplantes i noe stoff, selv i vakuum. Den elektromagnetiske samspillet i vakuum propagerer med lysets hastighet (c = 299 792 kilometer per sekund). Bølgelengden kan være forskjellig. Elektromagnetiske bølger fra ti tusen meter til 0,005 meter er radiobølger som tjener oss til å overføre informasjon, det er signaler for en viss avstand uten noen ledninger. Radiobølger genereres av strøm ved høyfrekvenser, som strømmer i antennen.

Hva er bølgene

Hvis bølgelengden til elektromagnetisk stråling er fra 0,005 meter til 1 mikrometer, det vil si de som ligger i området mellom radiobølger og synlig lys, er infrarød stråling. Det avgir alle oppvarmede legemer: batterier, ovner, glødelamper. Spesielle enheter konverterer infrarød stråling til synlig lys for å få bilder av objekter som sender det ut, selv i absolutt mørke. Synlig lys avgir bølger fra 770 til 380 nanometer i lengde - fra rød til fiolett. Denne delen av spekteret har en meget stor betydning for menneskeliv, fordi vi mottar en stor del av informasjonen om verden ved hjelp av visjon.

Hvis den elektromagnetiske strålingen har en bølgelengde mindre enn den fiolette fargen, er den en ultrafiolett som dreper patogene bakterier. Røntgen i øyet er ikke synlige. De absorberer nesten ikke lag av materiale som er ugjennomsiktig til synlig lys. Røntgenstråling diagnostiserer sykdommer i indre organer av mennesker og dyr. Hvis elektromagnetisk stråling oppstår fra samspillet mellom elementære partikler og emitteres av spennende kjerne, oppnås gammastråling. Dette er det bredeste spekteret i det elektromagnetiske spektret, fordi det ikke er begrenset til høye energier. Gamma-stråling kan være myk og hard: energitransisjonene i atomkjernene er milde, og for kjernefysiske reaksjoner er det stivt. Disse kvantene kan lett rive ned molekyler, og biologiske dem spesielt. Det er en stor lykke at gammastråling ikke kan passere gjennom atmosfæren. Vær oppmerksom på gamma quanta kan være fra rommet. Ved ultrahøye energier fortplantes den elektromagnetiske interaksjonen i en hastighet nær lysets lys: gamma quanta knuser atomkjernene, bryter dem inn i partikler som flyter fra hverandre. Ved bremsing gir de lys synlig i spesielle teleskoper.

Fra fortiden til fremtiden

Elektromagnetiske bølger, som har vært sagt, forutsagt av Maxwell. Han nøye studert og forsøkt å tro på matematikk litt naive bilder Faraday, hvor de magnetiske og elektriske fenomener ble avbildet. Det var Maxwell oppdaget en mangel på symmetri. Og at han var i stand til å påvise en rekke ligninger som vekslende elektriske felt genererer magnetiske og vice versa. Dette førte ham til å tro at slike felt og løsne fra lederne flyttes gjennom et vakuum med noen gigantiske hastighet. Og han skjønte det. Speed var nær trohstam tusenvis av kilometer per sekund.

Det er samspillet teori og eksperiment. Et eksempel er åpningen gjennom hvilken vi lært om eksistensen av elektromagnetiske bølger. I det kom sammen med hjelp av fysikk absolutt heterogene konsepter - magnetisme og elektrisitet, som det er et fysisk fenomen i samme størrelsesorden, bare forskjellige sider av det er i kommunikasjon. Teorier er anordnet etter hverandre, og alle av dem er nært beslektet med hverandre: teorien for elektrosvake interaksjon, for eksempel, hvor den samme stilling som er beskrevet ved den svake kjernekraften og elektromagnetisk, etc. Alt dette kombinerer kvante chromodynamics, som dekker de sterke og elektrosvake interaksjoner (her, nøyaktighet mens lavere men operasjonen fortsetter). Intensivt studert områder slike fysikere som kvantetyngde og strengteori.

funn

Det viser seg at plassen rundt oss helt gjennomsyret med elektromagnetisk stråling: stjernene og solen, månen og andre himmellegemer, er det Jorden selv, og hver telefon i hendene på mannen, og antennestasjoner - alt dette sender ut elektromagnetiske bølger av forskjellige navn . Avhengig av frekvensen av de svingninger, som stråler gjenstanden forskjellig infrarød, radio, synlig lys, bio-felt-stråler, røntgenstråler og lignende.

Når et elektromagnetisk felt er fordelt, blir det en elektromagnetisk bølge. Det er ganske enkelt en uuttømmelig kilde til energi, vibrere de elektriske ladninger i de molekyler og atomer. Og hvis ladning svinger, blir dens bevegelse akselereres, og dermed sender ut elektromagnetiske bølger. Hvis det magnetiske felt forandres, blir felt eksiteres av elektrisk virvel som i sin tur eksiterer den magnetiske vortex felt. Prosessen går gjennom rommet, omfavner ett poeng etter den andre.