Тази статия ще разгледа това, което се нарича природни сили - основното електромагнитно взаимодействие и принципите, върху които е изградено. Ще се говори и за възможностите за съществуването на нови подходи към изучаването на тази тема. Дори в училище, в уроците по физика, учениците се сблъскват с обяснение на понятието "сила". Те научават, че силите могат да бъдат много разнообразни - силата на триене, силата на привличане, силата на еластичност и много други подобни. Не всички от тях могат да се нарекат фундаментални, тъй като много често явлението сила е вторично (силата на триене, например, с нейното взаимодействие на молекули). Електромагнитното взаимодействие също може да бъде вторично - като следствие. Молекулярната физика цитира силата на Ван дер Ваалс като пример. Физиката на елементарните частици също предоставя много примери.
В природата
Бих искал да стигна до дъното на процесите, протичащи в природата, когато тя кара електромагнитното взаимодействие да работи. Коя точно е основната сила, която определя всички вторични сили, които е изградила?Всеки знае, че електромагнитното взаимодействие или, както се нарича още, електрически сили, е основно. Това се доказва от закона на Кулон, който има свое собствено обобщение, следващо от уравненията на Максуел. Последните описват всички магнитни и електрически сили, които съществуват в природата. Ето защо е доказано, че взаимодействието на електромагнитните полета е основната сила на природата. Следващият пример е гравитацията. Дори учениците знаят за закона за универсалната гравитация на Исак Нютон, който също наскоро получи собствено обобщение чрез уравненията на Айнщайн и според неговата теория на гравитацията тази сила на електромагнитно взаимодействие в природата също е фундаментална.
Имало време се е смятало, че съществуват само тези две фундаментални сили, но науката се придвижи напред, като постепенно доказа, че това изобщо не е така. Например, с откриването на атомното ядро беше необходимо да се въведе понятието ядрена сила, иначе как да се разбере принципът на задържане на частиците вътре в ядрото, защо те не отлитат в различни посоки. Разбирането на това как действа електромагнитната сила в природата е помогнало за измерване, изследване и описание на ядрените сили. По-късно обаче учените стигнаха до заключението, че ядрените сили са вторични и в много отношения подобни на силите на Ван дер Ваалс. Всъщност само силите, които кварките осигуряват чрез взаимодействие един с друг, са наистина фундаментални. Тогава вече - вторичен ефект - е взаимодействието на електромагнитни полета между неутрони и протони в ядрото. Наистина фундаментално е взаимодействието на кварките, които обменят глуони. Така бешетрета наистина фундаментална сила, открита в природата.
Продължение на тази история
Елементарните частици се разпадат, тежките - в по-леки, а разпадът им описва нова сила на електромагнитно взаимодействие, която се нарича точно така - силата на слабото взаимодействие. Защо слаб? Да, защото електромагнитното взаимодействие в природата е много по-силно. И отново се оказа, че тази теория за слабото взаимодействие, която толкова хармонично влезе в картината на света и първоначално отлично описа разпадите на елементарните частици, не отразява същите постулати, ако енергията се увеличи. Ето защо старата теория беше преработена в друга - теорията за слабото взаимодействие, този път се оказа универсална. Въпреки че е построен на същите принципи като други теории, описващи електромагнитното взаимодействие на частиците. В съвремието има четири проучени и доказани фундаментални взаимодействия, а петото е на път, ще стане дума по-късно. И четирите - гравитационни, силни, слаби, електромагнитни - са изградени на един принцип: силата, която възниква между частиците, е резултат от някакъв обмен, осъществяван от носител, или по друг начин - посредник на взаимодействие.
Какъв помощник е това? Това е фотон - частица без маса, но въпреки това успешно изграждаща електромагнитно взаимодействие благодарение на обмена на квант електромагнитни вълни или квант светлина. Осъществява се електромагнитно взаимодействиес помощта на фотони в полето на заредени частици, които комуникират с определена сила, точно това тълкува законът на Кулон. Има още една безмасова частица - глуонът, има осем разновидности от него, той помага на кварките да общуват. Това електромагнитно взаимодействие е привличане между зарядите и се нарича силно. Да, и слабото взаимодействие не е пълно без посредници, които са частици с маса, освен това те са масивни, тоест тежки. Това са междинни векторни бозони. Тяхната маса и тежест обясняват слабостта на взаимодействието. Гравитационната сила предизвиква обмен на квант от гравитационното поле. Това електромагнитно взаимодействие е привличането на частици, то все още не е достатъчно проучено, гравитонът дори не е открит дори експериментално, а квантовата гравитация не се усеща напълно от нас, поради което все още не можем да го опишем.
Петата сила
Разгледахме четири типа фундаментално взаимодействие: силно, слабо, електромагнитно, гравитационно. Взаимодействието е определен акт на обмен на частици и не може да се направи без концепцията за симетрия, тъй като няма взаимодействие, което да не е свързано с него. Тя е тази, която определя броя на частиците и тяхната маса. При точна симетрия масата винаги е нула. И така, фотон и глюон нямат маса, тя е равна на нула, а гравитонът няма. И ако симетрията е нарушена, масата престава да бъде нула. По този начин междинните векторни бизони имат маса, тъй като симетрията е нарушена. Тези четири основни взаимодействия обясняват всичко товавиждаме и усещаме. Останалите сили показват, че тяхното електромагнитно взаимодействие е вторично. През 2012 г. обаче има пробив в науката и беше открита друга частица, която веднага стана известна. Революцията в научния свят беше организирана от откриването на Хигс бозона, който, както се оказа, също служи като носител на взаимодействия между лептони и кварки.
Ето защо сега физиците казват, че се е появила пета сила, опосредствана от бозона на Хигс. И тук симетрията е нарушена: бозонът на Хигс има маса. Така броят на взаимодействията (думата "сила" е заменена с тази дума в съвременната физика на елементарните частици) достигна пет. Може би чакаме нови открития, защото не знаем точно дали има други взаимодействия освен тези. Много е възможно моделът, който вече сме изградили и който разглеждаме днес, който изглежда идеално обяснява всички явления, наблюдавани в света, да не е съвсем завършен. И може би след известно време ще се появят нови взаимодействия или нови сили. Такава вероятност съществува, дори само защото много постепенно научихме, че има фундаментални взаимодействия, известни днес - силно, слабо, електромагнитно, гравитационно. В крайна сметка, ако в природата има суперсиметрични частици, за които вече се говори в научния свят, това означава наличието на нова симетрия, а симетрията винаги води до появата на нови частици, посредници между тях. Така ще чуем за непозната преди фундаментална сила, както веднъж с изненада научихмеима например електромагнитно, слабо взаимодействие. Нашите познания за собствената ни природа са много непълни.
Свързаност
Най-интересното е, че всяко ново взаимодействие непременно трябва да доведе до напълно непознато явление. Например, ако не бяхме научили за слабото взаимодействие, никога нямаше да открием разпад и ако не беше нашето познание за разпада, не би било възможно никакво изследване на ядрената реакция. И ако не знаехме ядрените реакции, нямаше да разберем как слънцето грее за нас. В крайна сметка, ако не блестеше, животът на Земята нямаше да се образува. Така че наличието на взаимодействие говори, че то е жизненоважно. Ако нямаше силно взаимодействие, нямаше да има стабилни атомни ядра. Благодарение на електромагнитното взаимодействие Земята получава енергия от Слънцето, а светлинните лъчи, идващи от нея, затоплят планетата. И всички познати ни взаимодействия са абсолютно необходими. Ето например този на Хигс. Бозонът на Хигс осигурява на частицата маса чрез взаимодействие с полето, без което нямаше да оцелеем. И как да останем на повърхността на планетата без гравитационно взаимодействие? Би било невъзможно не само за нас, но и за нищо.
Абсолютно всички взаимодействия, дори и тези, за които все още не знаем, са необходимост за съществуването на всичко, което човечеството знае, разбира и обича. Какво не можем да знаем? Да много. Например, знаем, че протонът е стабилен в ядрото. Това е много, много важно за нас.стабилност, иначе животът не би съществувал по същия начин. Експериментите обаче показват, че животът на протона е ограничена във времето величина. Дълго, разбира се, 1034 години. Но това означава, че рано или късно протонът също ще се разпадне и това ще изисква някаква нова сила, тоест ново взаимодействие. По отношение на протонния разпад вече има теории, при които се приема нова, много по-висока степен на симетрия, което означава, че може да съществува ново взаимодействие, за което все още не знаем нищо.
Велико обединение
В единството на природата, единственият принцип за изграждане на всички фундаментални взаимодействия. Много хора имат въпроси относно броя им и обяснението на причините за този конкретен брой. Тук са изградени много версии и те са много различни по отношение на направените изводи. Те обясняват наличието на точно такъв брой фундаментални взаимодействия по различни начини, но всички се оказват с един-единствен принцип на изграждане на доказателства. Изследователите винаги се опитват да комбинират най-разнообразните видове взаимодействия в едно. Следователно такива теории се наричат теории за Великото обединение. Сякаш световното дърво клони: има много клони, но стволът винаги е един.
Всичко, защото има идея, която обединява всички тези теории. Коренът на всички известни взаимодействия е един и същ, захранващ един ствол, който в резултат на загубата на симетрия започна да се разклонява и образува различни фундаментални взаимодействия, които можем експерименталнонаблюдавайте. Тази хипотеза все още не може да бъде проверена, защото изисква физика с невероятно високи енергии, недостъпна за днешните експерименти. Възможно е също така никога да не овладеем тези енергии. Но е напълно възможно да се заобиколи това препятствие.
Апартамент
Имаме Вселената, този естествен ускорител и всички процеси, които протичат в нея, позволяват да се тестват дори най-смелите хипотези относно общия корен на всички известни взаимодействия. Друга интересна задача за разбиране на взаимодействията в природата е може би дори по-трудна. Необходимо е да се разбере как гравитацията се свързва с останалите сили на природата. Това фундаментално взаимодействие стои отделно, като че ли, въпреки факта, че тази теория е подобна на всички останали по принципа на конструкцията.
Айнщайн се занимаваше с теорията на гравитацията, опитвайки се да я свърже с електромагнетизма. Въпреки привидната реалност на решаването на този проблем, тогава теорията не работи. Сега човечеството знае малко повече, във всеки случай знаем за силните и слабите взаимодействия. И ако сега да завършим изграждането на тази единна теория, тогава липсата на знания със сигурност отново ще има ефект. Досега не беше възможно да се постави гравитацията наравно с други взаимодействия, тъй като всички се подчиняват на законите, диктувани от квантовата физика, но гравитацията не. Според квантовата теория всички частици са кванти от определено поле. Но квантовата гравитация не съществува, поне все още. Въпреки това броят на вече отворените взаимодействия силно повтаря, че не може да неда бъде някаква единна схема.
Електрическо поле
През 1860 г. великият физик от деветнадесети век Джеймс Максуел успява да създаде теория, обясняваща електромагнитната индукция. Когато магнитното поле се променя с течение на времето, в определена точка от пространството се образува електрическо поле. И ако в това поле се намери затворен проводник, тогава в електрическото поле се появява индукционен ток. Със своята теория за електромагнитните полета Максуел доказва, че е възможен и обратният процес: ако промените електрическото поле във времето в определена точка от пространството, определено ще се появи магнитно поле. Това означава, че всяка промяна във времето на магнитното поле може да доведе до появата на променящо се електрическо поле, а промяната в електрическото поле може да доведе до променящо се магнитно поле. Тези променливи, полета, генериращи едно друго, организират едно поле - електромагнитно.
Най-важният резултат, произтичащ от формулите на теорията на Максуел, е предсказанието, че съществуват електромагнитни вълни, тоест електромагнитни полета, разпространяващи се във времето и пространството. Източникът на електромагнитното поле са електрическите заряди, движещи се с ускорение. За разлика от звуковите (еластични) вълни, електромагнитните вълни могат да се разпространяват във всяко вещество, дори във вакуум. Електромагнитното взаимодействие във вакуум се разпространява със скоростта на светлината (c=299 792 километра в секунда). Дължината на вълната може да бъде различна. Електромагнитните вълни от десет хиляди метра до 0,005 метра сарадиовълни, които ни служат за предаване на информация, тоест сигнали на определено разстояние без никакви проводници. Радиовълните се създават от тока с високи честоти, който протича в антената.
Какви са вълните
Ако дължината на вълната на електромагнитното излъчване е между 0,005 метра и 1 микрометър, тоест тези, които са в обхвата между радиовълните и видимата светлина, са инфрачервени лъчения. Излъчва се от всички нагрявани тела: батерии, печки, лампи с нажежаема жичка. Специални устройства преобразуват инфрачервеното лъчение във видима светлина, за да получат изображения на обекти, които я излъчват, дори в абсолютна тъмнина. Видимата светлина излъчва дължини на вълната, вариращи от 770 до 380 нанометра, което води до цвят от червено до лилаво. Този участък от спектъра е изключително важен за човешкия живот, защото получаваме огромна част от информацията за света чрез зрението.
Ако електромагнитното излъчване има дължина на вълната, по-къса от виолетовата, това е ултравиолетово, което убива патогенни бактерии. Рентгеновите лъчи са невидими за окото. Те почти не абсорбират слоеве материя, които са непрозрачни за видимата светлина. Рентгеновата радиация диагностицира заболявания на вътрешните органи на хората и животните. Ако електромагнитното излъчване възниква от взаимодействието на елементарни частици и се излъчва от възбудени ядра, се получава гама-лъчение. Това е най-широкият диапазон в електромагнитния спектър, тъй като не се ограничава до високи енергии. Гама лъчението може да бъде меко и трудно: енергийни преходи вътре в атомните ядра -меки, а при ядрени реакции - твърди. Тези кванти лесно разрушават молекулите и особено биологичните. За щастие гама-лъчението не може да премине през атмосферата. Гама лъчите могат да се наблюдават от космоса. При свръхвисоки енергии електромагнитното взаимодействие се разпространява със скорост, близка до скоростта на светлината: гама квантите смачкват ядрата на атомите, разбивайки ги на частици, летящи в различни посоки. При спиране те излъчват светлина, видима през специални телескопи.
От миналото към бъдещето
Електромагнитните вълни, както вече споменахме, бяха предсказани от Максуел. Той внимателно изучава и се опитва да повярва математически на леко наивните картини на Фарадей, които изобразяват магнитни и електрически явления. Максуел е този, който открива липсата на симетрия. И именно той успя да докаже чрез редица уравнения, че променливите електрически полета генерират магнитни и обратно. Това го доведе до идеята, че такива полета се откъсват от проводниците и се движат през вакуума с някаква гигантска скорост. И той го разбра. Скоростта беше близо до триста хиляди километра в секунда.
Ето как взаимодействат теорията и експериментът. Пример е откритието, благодарение на което научихме за съществуването на електромагнитни вълни. С помощта на физиката в него бяха комбинирани напълно разнородни понятия - магнетизъм и електричество, тъй като това е физическо явление от същия порядък, просто различните му страни са във взаимодействие. Теориите се изграждат една след друга и всичкоте са тясно свързани помежду си: теорията за електрослабото взаимодействие, например, където слабите ядрени и електромагнитни сили са описани от едни и същи позиции, тогава всичко това е обединено от квантовата хромодинамика, обхващаща силните и електрослабите взаимодействия (тук точността все още е по-ниска, но работата продължава). Такива области на физиката като квантовата гравитация и теорията на струните се изследват интензивно.
Заключения
Оказва се, че пространството около нас е напълно проникнато с електромагнитно излъчване: това са звездите и Слънцето, Луната и други небесни тела, това е самата Земя и всеки телефон в ръцете на човек, и антени на радиостанции - всичко това излъчва електромагнитни вълни, наречени по различен начин. В зависимост от честотата на вибрациите, които обектът излъчва, се разграничават инфрачервено лъчение, радиовълни, видима светлина, лъчи на биополе, рентгенови лъчи и други подобни.
Когато електромагнитно поле се разпространява, то се превръща в електромагнитна вълна. Той е просто неизчерпаем източник на енергия, причиняващ колебания на електрическите заряди на молекулите и атомите. И ако зарядът осцилира, движението му се ускорява и следователно излъчва електромагнитна вълна. Ако магнитното поле се промени, се възбужда вихрово електрическо поле, което от своя страна възбужда вихрово магнитно поле. Процесът преминава през пространството, покривайки една точка след друга.
