این مقاله آنچه را که نیروهای طبیعت نامیده می شود بررسی می کند - برهم کنش الکترومغناطیسی اساسی و اصولی که بر اساس آن ساخته شده است. همچنین در مورد احتمال وجود رویکردهای جدید برای مطالعه این موضوع صحبت خواهد شد. حتی در مدرسه، در درس فیزیک، دانش آموزان با توضیح مفهوم "زور" مواجه می شوند. آنها یاد می گیرند که نیروها می توانند بسیار متنوع باشند - نیروی اصطکاک، نیروی جاذبه، نیروی کشش و بسیاری موارد دیگر مانند آن. همه آنها را نمی توان اساسی نامید، زیرا اغلب پدیده نیرو ثانویه است (نیروی اصطکاک، به عنوان مثال، با برهمکنش مولکول ها). برهمکنش الکترومغناطیسی نیز می تواند ثانویه باشد - در نتیجه. فیزیک مولکولی نیروی واندروالس را به عنوان مثال ذکر می کند. فیزیک ذرات نیز مثال های زیادی ارائه می دهد.
در طبیعت
من می خواهم به انتهای فرآیندهایی که در طبیعت روی می دهند، زمانی که برهمکنش الکترومغناطیسی کار می کند، برسم. دقیقاً نیروی اساسی که تمام نیروهای ثانویه ای را که ساخته است تعیین می کند چیست؟همه می دانند که برهمکنش الکترومغناطیسی یا همانطور که به آن نیروهای الکتریکی نیز گفته می شود، اساسی است. این را قانون کولن اثبات می کند، که تعمیم خاص خود را از معادلات ماکسول دنبال می کند. دومی تمام نیروهای مغناطیسی و الکتریکی موجود در طبیعت را توصیف می کند. به همین دلیل است که ثابت شده است که برهمکنش میدان های الکترومغناطیسی نیروی اساسی طبیعت است. مثال بعدی جاذبه است. حتی دانش‌آموزان از قانون گرانش جهانی اسحاق نیوتن می‌دانند، او نیز اخیراً تعمیم خود را با معادلات انیشتین دریافت کرده است، و طبق نظریه گرانش او، این نیروی برهمکنش الکترومغناطیسی در طبیعت نیز اساسی است.
روزی روزگاری تصور می شد که فقط این دو نیروی اساسی وجود دارند، اما علم جلو رفته است و به تدریج ثابت می کند که اصلاً اینطور نیست. مثلاً با کشف هسته اتم لازم بود مفهوم نیروی هسته ای مطرح شود وگرنه چگونه می توان اصل نگه داشتن ذرات در داخل هسته را فهمید که چرا در جهات مختلف دور نمی شوند. درک نحوه عملکرد نیروی الکترومغناطیسی در طبیعت به اندازه گیری، مطالعه و توصیف نیروهای هسته ای کمک کرده است. با این حال، دانشمندان بعدی به این نتیجه رسیدند که نیروهای هسته ای ثانویه هستند و از بسیاری جهات شبیه به نیروهای واندروالس هستند. در واقع، تنها نیروهایی که کوارک ها با برهم کنش با یکدیگر ایجاد می کنند، واقعاً اساسی هستند. سپس در حال حاضر - یک اثر ثانویه - برهمکنش میدان های الکترومغناطیسی بین نوترون ها و پروتون ها در هسته است. واقعاً بنیادی برهمکنش کوارک هایی است که گلوئون ها را مبادله می کنند. اینطور بودسومین نیروی واقعا بنیادی کشف شده در طبیعت.
ادامه این داستان
ذرات بنیادی تجزیه می شوند، ذرات سنگین - به ذرات سبک تر، و فروپاشی آنها نیروی جدیدی از برهمکنش الکترومغناطیسی را توصیف می کند که دقیقاً به آن می گویند - نیروی برهمکنش ضعیف. چرا ضعیف؟ بله، زیرا تعامل الکترومغناطیسی در طبیعت بسیار قوی تر است. و دوباره معلوم شد که این تئوری برهمکنش ضعیف، که به طور هماهنگ وارد تصویر جهان شد و در ابتدا به خوبی فروپاشی ذرات بنیادی را توصیف کرد، در صورت افزایش انرژی، همان فرضیه ها را منعکس نمی کند. به همین دلیل است که نظریه قدیمی به دیگری تبدیل شد - نظریه تعامل ضعیف، این بار جهانی شد. اگرچه بر اساس همان اصولی ساخته شده بود که سایر تئوری ها برهمکنش الکترومغناطیسی ذرات را توصیف می کردند. در دوران معاصر چهار تعامل بنیادی مطالعه شده و اثبات شده وجود دارد و پنجمی در راه است که بعداً به آن پرداخته خواهد شد. هر چهار - گرانشی، قوی، ضعیف، الکترومغناطیسی - بر اساس یک اصل ساخته شده‌اند: نیرویی که بین ذرات ایجاد می‌شود، نتیجه تبادلی است که توسط یک حامل انجام می‌شود، یا در غیر این صورت - یک واسطه برهمکنش.
این چه نوع یاری است؟ این یک فوتون است - یک ذره بدون جرم، اما با این وجود به دلیل تبادل کوانتومی امواج الکترومغناطیسی یا کوانتومی نور، برهمکنش الکترومغناطیسی را با موفقیت ایجاد می کند. برهمکنش الکترومغناطیسی انجام می شودبا استفاده از فوتون ها در میدان ذرات باردار که با نیروی خاصی ارتباط برقرار می کنند، این دقیقاً همان چیزی است که قانون کولن تفسیر می کند. یک ذره بی جرم دیگر وجود دارد - گلوئون، هشت نوع از آن وجود دارد، به کوارک ها کمک می کند تا ارتباط برقرار کنند. این برهمکنش الکترومغناطیسی یک جاذبه بین بارها است و قوی نامیده می شود. بله، و برهمکنش ضعیف بدون واسطه کامل نمی شود، که ذرات با جرم هستند، علاوه بر این، آنها پرجرم هستند، یعنی سنگین. اینها بوزون های بردار میانی هستند. جرم و سنگینی آنها ضعف تعامل را توضیح می دهد. نیروی گرانش تبادل کوانتومی از میدان گرانشی را ایجاد می کند. این برهمکنش الکترومغناطیسی جاذبه ذرات است، هنوز به اندازه کافی مورد مطالعه قرار نگرفته است، گراویتون حتی به صورت تجربی کشف نشده است، و گرانش کوانتومی به طور کامل توسط ما احساس نمی شود، به همین دلیل است که هنوز نمی توانیم آن را توصیف کنیم.
نیروی پنجم
ما چهار نوع برهمکنش اساسی را در نظر گرفتیم: قوی، ضعیف، الکترومغناطیسی، گرانشی. برهمکنش عمل معینی از تبادل ذرات است و نمی توان بدون مفهوم تقارن انجام داد، زیرا هیچ برهمکنشی وجود ندارد که با آن مرتبط نباشد. این اوست که تعداد ذرات و جرم آنها را تعیین می کند. با تقارن دقیق، جرم همیشه صفر است. بنابراین، یک فوتون و یک گلوئون جرم ندارند، برابر با صفر است و گراویتون ندارد. و اگر تقارن شکسته شود، جرم از صفر می ماند. بنابراین، گاومیش کوهان دار بردار میانی جرم دارند زیرا تقارن شکسته شده است. این چهار تعامل اساسی همه چیز را توضیح می دهدمی بینیم و احساس می کنیم نیروهای باقی مانده نشان می دهد که برهمکنش الکترومغناطیسی آنها ثانویه است. با این حال، در سال 2012 پیشرفتی در علم رخ داد و ذره دیگری کشف شد که بلافاصله مشهور شد. انقلاب در دنیای علمی با کشف بوزون هیگز سازماندهی شد، که همانطور که مشخص شد، همچنین به عنوان حامل برهمکنش بین لپتون ها و کوارک ها عمل می کند..
به همین دلیل است که فیزیکدانان اکنون می گویند که نیروی پنجم با واسطه بوزون هیگز ظاهر شده است. تقارن در اینجا نیز شکسته شده است: بوزون هیگز دارای جرم است. بدین ترتیب تعداد برهمکنش ها (کلمه «نیرو» با این کلمه در فیزیک ذرات مدرن جایگزین شده است) به پنج رسید. شاید ما منتظر اکتشافات جدید هستیم، زیرا دقیقاً نمی دانیم که آیا تعاملات دیگری غیر از اینها وجود دارد یا خیر. بسیار ممکن است مدلی که ما قبلاً ساخته ایم و امروز در حال بررسی آن هستیم، که به نظر می رسد کاملاً همه پدیده های مشاهده شده در جهان را توضیح می دهد، کاملاً کامل نباشد. و شاید بعد از مدتی فعل و انفعالات یا نیروهای جدیدی پدیدار شوند. چنین احتمالی وجود دارد، اگر فقط به این دلیل که ما خیلی تدریجی آموختیم که امروزه فعل و انفعالات اساسی وجود دارد - قوی، ضعیف، الکترومغناطیسی، گرانشی. از این گذشته ، اگر ذرات فوق متقارن در طبیعت وجود داشته باشد ، که قبلاً در دنیای علمی از آنها صحبت می شود ، این به معنای وجود یک تقارن جدید است و تقارن همیشه مستلزم ظهور ذرات جدید است ، واسطه هایی بین آنها. بنابراین، همانطور که زمانی با تعجب متوجه شدیم، در مورد یک نیروی بنیادی ناشناخته قبلی خواهیم شنیدبرای مثال، برهمکنش الکترومغناطیسی ضعیف وجود دارد. دانش ما از طبیعت خودمان بسیار ناقص است.
اتصال
جالب ترین چیز این است که هر تعامل جدید لزوماً باید به یک پدیده کاملاً ناشناخته منجر شود. به عنوان مثال، اگر ما در مورد برهمکنش ضعیف یاد نمی‌گرفتیم، هرگز فروپاشی را کشف نمی‌کردیم و اگر دانش ما از فروپاشی نبود، مطالعه واکنش هسته‌ای امکان‌پذیر نبود. و اگر واکنش های هسته ای را نمی دانستیم، نمی فهمیدیم که چگونه خورشید برای ما می تابد. به هر حال، اگر نمی درخشید، زندگی روی زمین شکل نمی گرفت. پس وجود تعامل می گوید حیاتی است. اگر برهم کنش قوی وجود نداشت، هیچ هسته اتمی پایداری وجود نداشت. به دلیل تعامل الکترومغناطیسی، زمین از خورشید انرژی دریافت می کند و پرتوهای نوری که از آن می آید، سیاره را گرم می کند. و تمام تعاملات شناخته شده برای ما کاملا ضروری است. به عنوان مثال در اینجا هیگز است. بوزون هیگز از طریق برهمکنش با میدان جرمی را برای ذره فراهم می کند که بدون آن ما نمی توانستیم زنده بمانیم. و چگونه بدون تعامل گرانشی روی سطح سیاره بمانیم؟ نه تنها برای ما، بلکه برای هیچ چیز غیرممکن خواهد بود.
مطلقاً همه تعاملات، حتی آنهایی که هنوز درباره آنها نمی دانیم، برای هر چیزی که بشریت می داند، می فهمد و دوست دارد وجود داشته باشد، ضروری است. چه چیزی را نمی توانیم ندانیم؟ بله. خیلی. به عنوان مثال، می دانیم که پروتون در هسته پایدار است. این برای ما بسیار بسیار مهم است.ثبات، در غیر این صورت زندگی به همان شکل وجود نداشت. با این حال، آزمایش‌ها نشان می‌دهند که عمر پروتون یک کمیت محدود زمانی است. البته طولانی، 1034 سال. اما این بدان معنی است که دیر یا زود پروتون نیز تجزیه خواهد شد و این به نیروی جدیدی نیاز دارد، یعنی یک برهمکنش جدید. در مورد واپاشی پروتون، از قبل تئوری هایی وجود دارد که در آن یک درجه جدید و بسیار بالاتر از تقارن فرض می شود، به این معنی که ممکن است یک برهمکنش جدید وجود داشته باشد، که ما هنوز چیزی در مورد آن نمی دانیم.
اتحاد بزرگ
در وحدت طبیعت، تنها اصل ایجاد همه تعاملات اساسی است. بسیاری از افراد در مورد تعداد آنها و توضیح دلایل این تعداد خاص سؤال دارند. نسخه های بسیار زیادی در اینجا ساخته شده اند و از نظر نتیجه گیری بسیار متفاوت هستند. آنها وجود چنین تعدادی از تعاملات اساسی را به طرق مختلف توضیح می دهند، اما همه آنها با یک اصل واحد از شواهد ساختمانی هستند. محققان همیشه سعی می کنند متنوع ترین انواع تعاملات را در یکی ترکیب کنند. بنابراین به این گونه نظریه ها، نظریه های وحدت بزرگ می گویند. گویی شاخه های درخت جهان: شاخه های زیادی وجود دارد، اما تنه آن همیشه یکی است.
همه زیرا ایده ای وجود دارد که همه این نظریه ها را متحد می کند. ریشه همه فعل و انفعالات شناخته شده یکسان است، تغذیه یک تنه، که در نتیجه از دست دادن تقارن، شروع به شاخه شدن کرد و برهمکنش های اساسی مختلفی را تشکیل داد، که ما می توانیم به طور آزمایشیرعایت کنید. این فرضیه هنوز قابل آزمایش نیست، زیرا به فیزیک فوق العاده با انرژی بالا نیاز دارد که برای آزمایش های امروزی غیرقابل دسترس است. همچنین این امکان وجود دارد که ما هرگز بر این انرژی ها مسلط نشویم. اما دور زدن این مانع کاملاً ممکن است.
آپارتمان
ما جهان را داریم، این شتاب دهنده طبیعی، و همه فرآیندهایی که در آن اتفاق می افتد، این امکان را فراهم می کند که حتی جسورانه ترین فرضیه ها را در مورد ریشه مشترک همه فعل و انفعالات شناخته شده آزمایش کنیم. کار جالب دیگر درک تعاملات در طبیعت، شاید حتی دشوارتر باشد. لازم است درک کنیم که گرانش چگونه با بقیه نیروهای طبیعت ارتباط دارد. علیرغم اینکه این تئوری از نظر اصل ساخت شبیه همه نظریه‌های دیگر است، این تعامل بنیادی از هم جدا می‌ماند.
انیشتین درگیر نظریه گرانش بود و سعی داشت آن را با الکترومغناطیس مرتبط کند. با وجود واقعیت ظاهری حل این مشکل، این تئوری در آن زمان جواب نداد. اکنون بشریت کمی بیشتر می داند، در هر صورت، ما از تعاملات قوی و ضعیف می دانیم. و اگر اکنون ساخت این تئوری یکپارچه را به پایان برسانیم، قطعاً عدم آگاهی مجدداً تأثیر خواهد داشت. تا کنون، نمی‌توان گرانش را با سایر فعل و انفعالات همتراز کرد، زیرا همه از قوانین دیکته شده توسط فیزیک کوانتوم پیروی می‌کنند، اما گرانش این کار را نمی‌کند. بر اساس نظریه کوانتومی، همه ذرات کوانتوم های یک میدان خاص هستند. اما گرانش کوانتومی حداقل هنوز وجود ندارد. با این حال، تعداد تعاملات باز شده با صدای بلند تکرار می شود که نمی تواند امانوعی طرح واحد باشد.
میدان الکتریکی
در سال 1860، فیزیکدان بزرگ قرن نوزدهم، جیمز ماکسول، موفق شد نظریه ای برای توضیح القای الکترومغناطیسی ایجاد کند. هنگامی که میدان مغناطیسی در طول زمان تغییر می کند، یک میدان الکتریکی در نقطه خاصی از فضا تشکیل می شود. و اگر یک هادی بسته در این میدان یافت شود، جریان القایی در میدان الکتریکی ظاهر می شود. ماکسول با نظریه میدان های الکترومغناطیسی خود ثابت می کند که فرآیند معکوس نیز امکان پذیر است: اگر میدان الکتریکی را به موقع در نقطه خاصی از فضا تغییر دهید، قطعاً یک میدان مغناطیسی ظاهر می شود. این بدان معنی است که هر تغییر در زمان میدان مغناطیسی می تواند باعث پیدایش یک میدان الکتریکی متغیر شود و تغییر در میدان الکتریکی می تواند یک میدان مغناطیسی متغیر ایجاد کند. این متغیرها، میدان هایی که یکدیگر را تولید می کنند، یک میدان واحد - الکترومغناطیسی را سازماندهی می کنند.
مهمترین نتیجه حاصل از فرمولهای نظریه ماکسول پیش بینی وجود امواج الکترومغناطیسی است، یعنی میدانهای الکترومغناطیسی در حال انتشار در زمان و مکان. منبع میدان الکترومغناطیسی بارهای الکتریکی است که با شتاب حرکت می کنند. برخلاف امواج صوتی (الاستیک)، امواج الکترومغناطیسی می توانند در هر ماده ای حتی در خلاء منتشر شوند. برهمکنش الکترومغناطیسی در خلاء با سرعت نور (c=299792 کیلومتر در ثانیه) منتشر می شود. طول موج می تواند متفاوت باشد. امواج الکترومغناطیسی از ده هزار متر تا 0.005 متر می باشدامواج رادیویی که برای انتقال اطلاعات به ما خدمت می کنند، یعنی سیگنال هایی را در فاصله معینی بدون هیچ سیمی ارسال می کنند. امواج رادیویی توسط جریان در فرکانس‌های بالا که در آنتن جریان دارند ایجاد می‌شوند.
امواج چیست
اگر طول موج تابش الکترومغناطیسی بین 0.005 متر تا 1 میکرومتر باشد، یعنی آنهایی که در محدوده بین امواج رادیویی و نور مرئی قرار دارند تابش فروسرخ هستند. از تمام بدنه های گرم شده ساطع می شود: باتری ها، اجاق ها، لامپ های رشته ای. دستگاه‌های ویژه‌ای، تشعشعات مادون قرمز را به نور مرئی تبدیل می‌کنند تا تصاویری از اجسامی که آن را منتشر می‌کنند، حتی در تاریکی مطلق به دست آورند. نور مرئی طول موج هایی از 770 تا 380 نانومتر ساطع می کند که در نتیجه رنگی از قرمز تا بنفش ایجاد می شود. این بخش از طیف برای زندگی انسان بسیار مهم است، زیرا ما بخش عظیمی از اطلاعات جهان را از طریق بینایی دریافت می‌کنیم.
اگر تابش الکترومغناطیسی دارای طول موج کوتاهتر از بنفش باشد، فرابنفش است که باکتری های بیماری زا را از بین می برد. اشعه ایکس برای چشم نامرئی است. آنها تقریباً لایه هایی از ماده را که در برابر نور مرئی مات هستند جذب نمی کنند. تابش اشعه ایکس بیماری های اندام های داخلی انسان و حیوانات را تشخیص می دهد. اگر تابش الکترومغناطیسی از برهمکنش ذرات بنیادی ناشی شود و از هسته های برانگیخته ساطع شود، تابش گاما به دست می آید. این وسیع ترین محدوده در طیف الکترومغناطیسی است زیرا محدود به انرژی های بالا نیست. تابش گاما می تواند نرم و سخت باشد: انتقال انرژی در هسته اتم -نرم، و در واکنش های هسته ای - سخت. این کوانتوم ها به راحتی مولکول ها و به خصوص مولکول های بیولوژیکی را از بین می برند. خوشبختانه تشعشعات گاما نمی توانند از جو عبور کنند. پرتوهای گاما را می توان از فضا مشاهده کرد. در انرژی‌های فوق‌العاده، برهمکنش الکترومغناطیسی با سرعتی نزدیک به سرعت نور منتشر می‌شود: کوانتوم‌های گاما هسته‌های اتم‌ها را خرد می‌کنند و آنها را به ذرات می‌شکنند که در جهات مختلف پرواز می‌کنند. هنگام ترمزگیری، نور قابل مشاهده از طریق تلسکوپ های ویژه منتشر می کنند.
از گذشته تا آینده
امواج الکترومغناطیسی همانطور که قبلا ذکر شد توسط ماکسول پیش‌بینی شده بود. او با دقت مطالعه کرد و سعی کرد تصاویر کمی ساده لوحانه فارادی را که پدیده های مغناطیسی و الکتریکی را به تصویر می کشیدند، از نظر ریاضی باور کند. این ماکسول بود که عدم تقارن را کشف کرد. و این او بود که توانست با تعدادی از معادلات ثابت کند که میدان های الکتریکی متناوب، میدان های مغناطیسی تولید می کنند و بالعکس. این او را به این ایده سوق داد که چنین میدان هایی از هادی ها جدا می شوند و با سرعتی عظیم در خلاء حرکت می کنند. و او آن را فهمید. سرعت نزدیک به سیصد هزار کیلومتر در ثانیه بود.
تئوری و آزمایش اینگونه با هم تعامل دارند. به عنوان مثال، کشفی است که به لطف آن در مورد وجود امواج الکترومغناطیسی مطلع شدیم. با کمک فیزیک، مفاهیم کاملاً ناهمگن در آن ترکیب شد - مغناطیس و الکتریسیته، زیرا این یک پدیده فیزیکی از همان نظم است، فقط طرف های مختلف آن در تعامل هستند. تئوری ها یکی پس از دیگری ساخته می شوند و همهآنها ارتباط نزدیکی با یکدیگر دارند: تئوری برهمکنش الکتروضعیف، به عنوان مثال، که در آن نیروهای هسته ای و الکترومغناطیسی ضعیف از یک موقعیت توصیف می شوند، سپس همه اینها توسط کرومودینامیک کوانتومی متحد می شود و برهمکنش های قوی و ضعیف را پوشش می دهد (در اینجا دقت هنوز پایین تر است، اما کار ادامه دارد). حوزه هایی از فیزیک مانند گرانش کوانتومی و نظریه ریسمان به شدت در حال تحقیق هستند.
نتیجه گیری
معلوم شد که فضای اطراف ما کاملاً با تابش الکترومغناطیسی نفوذ کرده است: اینها ستارگان و خورشید، ماه و سایر اجرام آسمانی هستند، این خود زمین است و هر تلفنی که در دست یک شخص است. و آنتن های ایستگاه رادیویی - همه این امواج الکترومغناطیسی را ساطع می کند که نام متفاوتی دارد. بسته به فرکانس ارتعاشاتی که یک جسم ساطع می کند، تشعشعات مادون قرمز، امواج رادیویی، نور مرئی، پرتوهای بیوفیلد، اشعه ایکس و موارد مشابه متمایز می شوند.
وقتی یک میدان الکترومغناطیسی منتشر می شود، به یک موج الکترومغناطیسی تبدیل می شود. این به سادگی یک منبع پایان ناپذیر انرژی است که باعث نوسان بارهای الکتریکی مولکول ها و اتم ها می شود. و اگر بار نوسان کند، حرکت آن شتاب می گیرد و در نتیجه یک موج الکترومغناطیسی ساطع می کند. اگر میدان مغناطیسی تغییر کند، یک میدان الکتریکی گردابی برانگیخته می شود که به نوبه خود، یک میدان مغناطیسی گردابی را تحریک می کند. این فرآیند از فضا می گذرد و نقاطی را یکی پس از دیگری پوشش می دهد.
