אינטראקציה אלקטרומגנטית של חלקיקים

מאמר זה יהיה להסתכל על מה נקרא כוחות הטבע - אינטראקצית אלקטרומגנטית היסוד ואת העקרונות שעליו הוא נבנה. יש שיגידו גם על האפשרות לקיומו של גישות חדשות בחקר הנושא הזה. בבית הספר של לימודי פיזיקה, תלמידים מתמודדים עם הסבר על המושג "כוח". הם לומדים כי הכח יכול להיות מאוד מגוון - כוח החיכוך, הכח הכביד, גמישות וכוח של רבים דומים. לא כולם יכולים להיקרא היסוד, כפי שקורה לעתים קרובות מאוד התופעה של כוח משניים (כוח החיכוך, למשל, עם אינטראקציה של מולקולות). האינטראקציה אלקטרומגנטית גם יכולה להיות משנית - וכתוצאה מכך. פיזיקה מולקולרית נותן את הדוגמה של קשרי ואן דר ואלס. כמו כן נותן דוגמאות רבות פיזיקת חלקיקים יסודית.

בטבע,

ברצוני להגיע למהות של התהליכים המתרחשים בטבע, כפי שהוא גורם לנו לעבוד האינטראקציה אלקטרומגנטית. מה בדיוק הוא הכוח הבסיסי שקובע הכל בנוי כוחות משני שלה? כולם יודעים כי אינטראקציה אלקטרומגנטית, או, כפי שהיא מכונה, חשמל הוא היסוד. עדות לכך הוא חוק קולון, שבה יש הכללה משלה נובעת משוואות מקסוול. לאחרונה לתאר כל טבעי כוחות מגנטיים וחשמליים. לכן הוא הוכיח כי האינטראקציה של שדות אלקטרומגנטיים - כוחות היסוד של הטבע. הדוגמה הבאה - כוח הכבידה. אפילו ילדי בית הספר יודע על חוק הגרביטציה Isaaka Nyutona, שגם קיבל לאחרונה הכללה נכונה של משוואות של איינשטיין, ועל פי התיאוריה של כוח המשיכה שלו, הכוח של אינטראקציה אלקטרומגנטית היא יסוד בטבע, מדי.

פעם האמין כי יש רק שני כוחות היסוד הללו, אבל המדע התקדם, המוכיח בהדרגה שזה לא כך. לדוגמא, עם הגילוי של גרעין האטום היינו צריכים להציג את הרעיון של כוח גרעיני, או איך להבין את העיקרון של שימור של חלקיקים בתוך הגרעין, מדוע הם אינם עפים משם לכל הכיוונים. הבנה כיצד האינטראקציה אלקטרומגנטיים בטבע, סייעה למדוד את הכוחות הגרעיניים, ללמוד ולתאר. לאחר מכן, לעומת זאת, המדענים הגיעו למסקנה כי כוחות גרעיניים הם תיכוניים ובמוסדות ביטויים רבים כמו הקשר ואן דר ואלס. למעשה, רק באמת כוחות יסוד מספק הקווארקים לתקשר אחד עם השני. ואז - השפעה משנית - הוא האינטראקציה בין שדות אלקטרומגנטיים של הפרוטונים והנויטרונים בגרעין. באמת בסיסי היא האינטראקציה של קווארקים, גלואונים מוחלפים. לכן התגלה בטבע הוא באמת את הכוח היסודי השלישי.

משך הסיפור

הדעיכה של החלקיקים האלמנטריים, כבד - על המצית, וריקבון שלהם מתאר את הכוח החדש של אינטראקציה אלקטרומגנטית, אשר נקרא גם - כוחו של אינטראקציה חלשה. למה עני? בגלל הפרעות אלקטרומגנטיות בטבע היא הרבה יותר חזקות. ושוב, התברר כי התאוריה של אינטראקציות חלשות, כך יצאה בחינניות בתמונה של העולם במקור מושלם מתארת את הדעיכה של חלקיקים יסודיים, אינו משקפת את אותה הפוסטולייטים, אם האנרגיה מוגברת. לכן התיאוריה הישנה עוצבה מחדש למשנהו - תיאוריה של אינטראקציה חלשה, הפעם הוכיח שהוא אוניברסלי. למרות שנבנה זה היה על אותם העקרונות כמו שאר התאוריה המתארת את האינטראקציה האלקטרומגנטית של חלקיקים. בעידן מודרני, יש ארבעה למדו ומוכח כוחות יסוד, ואת החמישית - על הדרך, עליו שהוא יגיע. כל ארבעה - כבידה, החזקה, החלשה, אלקטרומגנטית - בנויות על עיקרון אחד: הכח שנוצר בין החלקיקים הוא התוצאה של ספק מיושם שיתוף, או בכל דרך אחרת - לתווך אינטראקציה.

איזה סוג של עוזר? פוטון זה - בלי מסת חלקיקים, אבל בכל זאת בהצלחה בונה הפרעות אלקטרומגנטיות בשל להחליף קוונטים של גלים אלקטרומגנטיים או קוונטי אור. האינטראקציה אלקטרומגנטית מתבצעת על ידי פוטונים בתחום של חלקיקים טעונים, אשר מתקשרים עם כוח מסוים, כמו הזמן ומטפלת חוק קולון. יש חלקיק חסר מסה אחת - גלואון, יש לו שמונה זנים, זה עוזר לתקשר קווארקים. אינטראקציה אלקטרומגנטית זהו משיכה בין טעינות, והוא אמר להיות חזק. כן, ואת האינטראקציה החלשה היא לא בלי מתווכים, שבה פלדת חלקיקים עם מסה יותר מזה, הם מסיביים, כי הוא כבד. בוזונים וקטור ביניים זו. המשקל שלהם והמשקל הוא בשל חולשתו של האינטראקציה. Gravity הוא שדה הכבידה הקוונטית חילופי כוח. זוהי האטרקציה של אינטראקציה אלקטרומגנטית של חלקיקים, זה עדיין לא מספיק למד, אפילו Graviton בניסוי לא זוהה עדיין, וכוח הכבידה הקוונטית אנחנו לא כל כך ממשי, רק בגלל שאנחנו צריכים לתאר את זה לא ניתן עדיין.

הכח חמישי

שקלנו ארבעה סוגים של כוחות היסוד: חזק, חלש, אלקטרומגנטיים, הכבידה. אינטראקציה - היא אקט של חילופי חלקיקים, ולא רעיון סימטריה לא יכול לעשות, כי אין אינטראקציה שאינו משויך אליו. הוא קובע את מספר החלקיקים והמסה שלהם. עם הסימטריה של המוני מדוייקת תמיד אפס. אז, הפוטון ואת המוני גלואון הוא לא, זה שווה לאפס, גרביטון - מדי. אם סימטריה שבורה, המסה מפסיקה להיות אפס. לפיכך, ביזון וקטור ביניים יש מסה, משום סימטריה שבורה. ארבעת כוחות היסוד הסביר כל דבר שאנו רואים ומרגישים. הכוחות שנשארו אומרים כי טבעות האלקטרומגנטים שלהם הן משניות. עם זאת, בשנת 2012 חלה פריצת דרך במדע התגלה חלקיק אחר, פעם שהתפרסם. מהפכה בעולם המדעי ארגנה פתיחת בוזון היגס, אשר, כפי שהתברר, גם משמש כנשא של אינטראקציות בין קווארקים ולפטונים.

זו הסיבה שמדענים-פיסיקאים עכשיו אומרים שיש כוח חמישי, המתווך אשר התברר בוזון היגס. סימטריה שבורה כאן: מ בוזון היגס יש מסה. לכן את מספר האינטראקציות (המילה בפיזיקת החלקיקים המודרנית מוחלפת במילה "כוח") הגיע חמש. אולי אנחנו מחכים תגליות חדשות, מאז אנחנו לא יודעים בדיוק אם יש אפילו מלבד האינטראקציות האלה. ייתכן מאוד כי בנינו, והיום מודל זה, זה היה נראה מושלם מסביר את כל התופעות שנצפו בעולם, ועדיין אינו שלם. ואולי, אחרי כמה זמן יהיו אינטראקציות חדשות וכוח חדש. ההסתברות כזה יש לפחות בגלל שאנחנו מאוד למדנו בהדרגה שיש ידועים כיום כוחות יסוד - חזקים, חלשים, אלקטרומגנטיים, הכביד. אחרי הכל, אם יש באופי חלקיקים סימטריים, אשר נדונים בעולם המדעי, זה אומר קיומה של סימטריה חדשה, וסימטריה תמיד כרוכה הופעתה של חלקיקים חדשים לתווך ביניהם. לפיכך, אנו שומעים על הכוח הבסיסי היה ידוע עד כה, כמו פעם היה מופתע לגלות כי ישנם, למשל, אלקטרומגנטית, אינטראקציה חלשה. ידע לגבי טבענו מאוד שלם.

קישורי גומלין

הדבר המעניין ביותר הוא שכל אינטראקציה חדשה בהכרח חייבת להוביל תופעה ידועה לחלוטין. לדוגמא, אם אנחנו לא לומדים על האינטראקציה החלשה, אנחנו לעולם לא גילינו את קריסתה, ואם זה לא היה הידע של ריקבון שלנו, אין מחקר של תגובה הגרעינית היה בלתי אפשרי. ואם לא היינו מודעים תגובות גרעיניות, לא מבין איך השמש זורחת עלינו. אחרי הכל, אם זה לא לזרוח, ואת החיים על כדור הארץ לא היה להיווצר. אז שהנוכחות של האינטראקציה מציינת כי חשוב וחיוני. אם האינטראקציה החזקה שאינה קיימת, ועל גרעין אטום לא יהיה יציב. בשל האינטראקציה אלקטרומגנטית כדור הארץ מקבל אנרגיה מן השמש, ואת קרני האור המגיעים ממנו, לחמם את כדור הארץ. וכל האינטראקציות הידועות חיוניות. הנה היגס, למשל. בוזון היגס מספק מסת חלקיקים על ידי אינטראקציה עם השדה, אנחנו בלעדיו לא היו שורדים. ואיך, ללא אינטראקציה כבידתית להישאר על פני השטח של כדור הארץ? זה יהיה בלתי אפשרי לא רק בשבילנו, אלא דבר בכלל.

בהחלט לכל האינטראקציות, אפילו כאלה שאנחנו עדיין לא יודעים, היא חובה לכל מה האנושות יודעת, מבינה ואוהבת שם. מה אנחנו יכולים לדעת? כן, הרבה. לדוגמה, אנו יודעים כי הפרוטון יציב בגרעין. מאוד, מאוד חשוב לנו, יציבותה זה, אחרת באותו אופן לא תהיה בחיים. עם זאת, ניסויים מראים כי חי פרוטון - זמן ערך מוגבל. לונג, כמובן, 10 ³⁴ שנים. אבל זה אומר כי במוקדם או במאוחר להתפרק, ואת הפרוטון, וזה ידרוש קצת כוח חדש, כי הוא אינטראקציה חדשה. נגד פרוטונים ריקבון שכבר קיימים תיאוריה אשר הניחו תואר חדש, הרבה יותר גבוה של סימטריה, ולכן, אינטראקציה חדשה עשויה להתקיים מהם איננו יודעים דבר.

איחוד גראנד

אחדותו של הטבע היא העיקרון היחיד של הבנייה של כל כוחות היסוד. שאלות רבות עולות ביחס למספר אותם ולהסביר את הסיבות כמות מסוימת זו. גרסאות שנבנו כאן רבים מאוד, והם מאוד שונים המסקנות. הסבר את הנוכחות של ממש כגון מספר כוחות היסוד בכל דרך אפשרית, אבל הם עיקרון יחיד של בניית ראיות. תמיד הסוגים השונים ביותר של אינטראקציות, חוקרים מנסים למזג לתוך אחד. לכן תיאוריות ותיאוריות כזה שנקרא מאוחדת גדולה. כאילו ענפי העץ בעולם: ריבוי סניפים, ואת תא המטען הוא תמיד זהה.

זה בגלל שיש כל מיני תיאוריות אלה באיחוד הרעיון. השורש של כל האינטראקציות הידועות של יחיד האכלת גזע, אשר נובע מאובדן הסימטריה החל להסתעף ויצר שוני כוחות יסוד, אשר נוכל להתבונן בניסוי. השערה זו לא ניתן לאמת זאת, מכיוון שהיא דורשת לפיזיקה של אנרגיות גבוהות מאוד, ניסויים היום נגישים. זה מאוד אפשרי, וזו אופציה שיש לנו לעולם לא ברשותו של האנרגיות הללו. אבל סביב מכשול זה מן הנמנע.

חוץ

יש לנו יקום, המאיץ הטבעי, וכל התהליכים המתרחשים בו, מאפשרים לבדוק אפילו את השערות הנועזות ביותר על שורשים משותפים של כל האינטראקציות הידועות. עוד משימה מעניינת של להבנת האינטראקציות בטבע הוא אולי אפילו יותר מורכב. יש צורך להבין כיצד להתייחס הכבידה עם כוחות אחרים של הטבע. זוהי אינטראקציה בסיסית עומדת כפי שהוא בנפרד, למרות העובדה כי על פי העיקרון של בניית התאוריה זו היא דומה לכל האחרים.

איינשטיין למד את תורת הכבידה, מנסה לקשר את זה עם אלקטרומגנטיות. למרות המציאות לכאורה כדי לפתור את הבעיה הזו, אז התיאוריה עדיין לא קרה. עכשיו האנושות יודע קצת יותר, לפחות אנחנו יודעים על אינטראקציות חזקות וחלשות. ואם עכשיו את הבנייה המלאה של התאוריה המאוחדת, זה בהחלט ישפיע שוב את חוסר הידע. עד כה לא הצליח לשים הכביד בנשימה אחת עם האינטראקציות האחרות, מכיוון שכל לציית לחוקים מוכתבים על ידי פיזיקת קוונטים וכבידה - אין. על פי תורת הקוונטים, כל החלקיקים הם לקוונטים של שדה מסוים. אבל הכבידה הקוונטית אינה קיימת, לפחות לא בשלב זה. עם זאת, מספר האינטראקציות גילו כבר חוזר בקול רם על מה לא יכול להיות שום תכנית יחידה.

שדה חשמלי

חזרה ב 1860 פקיד ג'יימס הפיזיקאי מאה תשעה הגדול מקסוול הצליח ליצור תאוריה להסביר את ההשראה האלקטרומגנטית. כאשר שינוי השדה המגנטי בנקודה מסוימת במרחב שדה חשמלי. אם שדה זה נמצא מנצח סגור, זרם האינדוקציה זורם השדה החשמלי. התאוריה שלו על שדות אלקטרומגנטיים מקסוול מוכיח כי תהליך הפוך סביר: אם שינוי בזמן השדה החשמלי בנקודה מסוימת במרחב יידרש שדה מגנטי. אז כל שינוי יכול לגרום שדה חשמלי משתנה, והוא יכול להשיג שינוי השדה המגנטי החשמלי לסירוגין בזמן השדה המגנטי. משתנה אלו, ליצור כל שדות אחרים מאורגנים על ידי השדה המאוחד - אלקטרומגנטית.

התוצאה החשובה ביותר אשר נובע נוסחאות התיאוריה של מקסוול - תחזית שישנם גלים אלקטרומגנטיים, דהיינו הפצת השדה האלקטרומגנטי בזמן ובמרחב. מקור השדה האלקטרומגנטי הם נעים עם מטענים חשמליים אץ. בניגוד אקוסטי (אלסטי) גלים אלקטרומגנטיים יכולים להפיץ כל חומר, אפילו בריק. הפרעות אלקטרומגנטיות בריק מתפשטת במהירות האור (c = 299 792 ק"מ בשנייה). אורך הגל עשוי להיות שונה. גלים אלקטרומגנטיים מתוך עשרה אלף מטרים 0,005 מטרים - זה גלי רדיו המשמשים להעברת מידע אלינו, כי הוא אות מרחק מסוים ללא חוטים. גלי רדיו נוצר בתאריך הנוכחי בתדירות גבוהה שזורמים האנטנה.

מהם גלי

אם אורכו של קרינה אלקטרומגנטית נע בין 0.005 מיקרומטר עד 1 מטר, דהיינו אלה אשר נמצאים בטווח שבין גלי אור ורדיו גלוי - הוא קרינה אינפרא אדום. הפולטים שלו כל הגופים החמים: הסוללות, תנורים, מנורות ליבון. התקנים מיוחדים להמיר קרינת אינפרא אדום לתוך האור הנראה, כדי להשיג תמונות של אובייקטים לפלוט אותו, אפילו בחושך מוחלט. אור גלוי פולט באורך גל של 770 עד 380 ננומטר - הצבע הופך מאדום לסגול. יש חלק זה של הספקטרום לחיי אדם בעל החשיבות העליונה, כי חלק גדול מהמידע על העולם שאנו מקבלים דרך חזון.

אם קרינת אלקטרומגנטית בעלת אורך גל פחות מהצבע הסגול הוא ואור אולטרה סגולי שהורג חיידקים. צילומי רנטגן אינו גלוי לעין. הם בקושי לקלוט שכבות אטומות אור נראות של חומר. רנטגן אובחן מחלות של איברים פנימיים של בני אדם ובעלי חיים. אם הקרינה אלקטרומגנטית נוצרת על ידי אינטראקציה של חלקיקים יסודיים הנפלטת גרעינים נרגשים מתקבלים על ידי קרינת גמא. זהו המגוון הרחב ביותר של הספקטרום האלקטרומגנטי, כי זה אינו מוגבל באנרגיות גבוהות. קרינת גמא יכולה להיות רכה וקשה: מעברי אנרגיה בתוך גרעין אטום - רך, ואת בתגובות גרעיניות - נוקשה. קרנות אלו בקלות למשוך למטה מולקולות ותכונות ביולוגיות. אושר גדול כי באטמוספרה של קרן גמא לא יכול לעבור. שימו קרני גאמא מהחלל יכול להיות. באנרגיות גבוהות מאוד האינטראקציה אלקטרומגנטית מתפשטת במהירות קרובה אל האור: אטומי גרעין התאהבות קוונטי גמא, לשבור אותם לתוך חלקיקים, פיזור לכיוונים שונים. כאשר בלימה, הם פולטים אור, גלוי טלסקופים מיוחדים.

מן העבר - את העתיד

גלים אלקטרומגנטיים, כמו שכבר נאמר, שחוזה מקסוול. הוא בחן בקפידה וניסה מאמין במתמטיקה קצת נאיבי תמונות פאראדיי, שבו התופעות המגנטיות וחשמליות תוארו. זה היה מקסוול גילה חוסר הסימטריה. וזה שהוא הצליח להוכיח מספר משוואות כי לסירוגין שדות חשמליים ליצור ולהיפך מגנטי וסגן. זה הוביל אותו להאמין כי שדות כאלה להתנתק המנצחים מועברים באמצעות ואקום עם קצת מהירות ענקית. והוא הבין את זה. המהירות הייתה קרובה trohstam אלף קילומטרים בשניים.

זו תאורית האינטראקציה ולהתנסות. דוגמה לכך היא הפתיחה שדרכו למדנו על קיומם של גלים אלקטרומגנטיים. בשינה זה בא ביחד בעזרת מושגי הטרוגנית פיסיקה לחלוטין - מגנטיות וחשמל, כפי שזו תופעה פיזית של באותו סדר, רק צדדים שונים של אותו הם בתקשורת. תיאוריות מסודרים אחד אחרי השני, וכל אחד מהם קשורות האחת לשנייה זה לזה: התיאוריה של הכוח האלקטרו, למשל, שבו באותה תנוחה המתואר על ידי הכוח הגרעיני החלש והכוח האלקטרומגנטי, וכו 'כל זה משלב כרומודינמיקה קוונטית, המכסים את האינטראקציות חזק האלקטרו- (כאן, הדיוק בעוד נמוך אך המבצע ממשיך). אינטנסיבי למד באזורי פיסיקאים כגון תורת הכבידה הקוונטית מחרוזת.

ממצאים

מתברר כי המרחב הסובב אותנו רוויים לחלוטין קרינה אלקטרומגנטית: הכוכבים והשמש, הירח וגופים שמימיים אחרים, זה כדור הארץ עצמו, וכל טלפון בידי אדם, ותחנות אנטנה - כל זה פולט גלים אלקטרומגנטיים של שמות שונים . בהתאם לתדירות של התנודות, אשר מקרינה את האובייקט שונה אינפרא אדום, רדיו, אור נראה, קרינה ביו-שדה, צילומי רנטגן וכדומה.

כאשר שדה אלקטרומגנטי מופץ, הוא הופך להיות גל אלקטרומגנטי. זה פשוט מקור בלתי נדלה של אנרגיה, לרטוט הזרמים החשמליים של המולקולות והאטומים. ואם התשלום נע, התנועה שלה היא מואצת, ולכן פולט גלים אלקטרומגנטיים. אם השינויים בשדה המגנטי, בתחום שמתלהב מערבולת חשמלי אשר, בתורו, שמלהיב את השדה המגנטי מערבולת. התהליך שעובר מרחב, מחבק נקודה אחת אחרי השנייה.