Ovaj članak će razmotriti ono što se naziva silama prirode - fundamentalnu elektromagnetnu interakciju i principe na kojima je izgrađena. Također će biti riječi o mogućnostima postojanja novih pristupa proučavanju ove teme. Čak iu školi, na časovima fizike, učenici se suočavaju sa objašnjenjem pojma "sila". Uče da sile mogu biti vrlo različite - sila trenja, sila privlačenja, sila elastičnosti i mnoge druge slične. Ne mogu se svi nazvati fundamentalnim, jer je vrlo često fenomen sile sekundaran (sila trenja, na primjer, s interakcijom molekula). Elektromagnetna interakcija takođe može biti sekundarna - kao posledica. Molekularna fizika kao primjer navodi Van der Waalsovu silu. Fizika čestica također pruža mnogo primjera.
U prirodi
Želeo bih da dođem do dna procesa koji se dešavaju u prirodi, kada ona čini da elektromagnetna interakcija funkcioniše. Koja je zapravo osnovna sila koja određuje sve sekundarne sile koje je izgradila?Svi znaju da je elektromagnetna interakcija, ili, kako se još naziva, električne sile, fundamentalna. O tome svjedoči Coulombov zakon, koji ima svoju generalizaciju koja proizlazi iz Maxwellovih jednačina. Potonji opisuju sve magnetske i električne sile koje postoje u prirodi. Zato je dokazano da je interakcija elektromagnetnih polja osnovna sila prirode. Sljedeći primjer je gravitacija. Čak i školarci znaju za zakon univerzalne gravitacije Isaaca Newtona, koji je također nedavno dobio vlastitu generalizaciju pomoću Ajnštajnovih jednačina, a prema njegovoj teoriji gravitacije, ova sila elektromagnetne interakcije u prirodi je također fundamentalna.
Nekada se smatralo da postoje samo ove dvije fundamentalne sile, ali nauka je krenula naprijed, postepeno dokazujući da to uopće nije tako. Na primjer, otkrićem atomskog jezgra bilo je potrebno uvesti pojam nuklearne sile, inače kako razumjeti princip zadržavanja čestica unutar jezgre, zašto one ne odlijeću u različitim smjerovima. Razumijevanje kako elektromagnetna sila djeluje u prirodi pomoglo je mjerenju, proučavanju i opisivanju nuklearnih sila. Međutim, kasniji naučnici su došli do zaključka da su nuklearne sile sekundarne i po mnogo čemu slične van der Waalsovim silama. Zapravo, samo su sile koje kvarkovi stvaraju međusobnom interakcijom zaista fundamentalne. Tada je već - sekundarni efekat - interakcija elektromagnetnih polja između neutrona i protona u jezgri. Zaista fundamentalna je interakcija kvarkova koji razmjenjuju gluone. Tako je bilotreća zaista fundamentalna sila otkrivena u prirodi.
Nastavak ove priče
Elementarne čestice se raspadaju, teške - na lakše, a njihov raspad opisuje novu silu elektromagnetne interakcije, koja se upravo tako zove - sila slabe interakcije. Zašto slab? Da, jer je elektromagnetna interakcija u prirodi mnogo jača. I opet se pokazalo da ova teorija slabe interakcije, koja je tako skladno ušla u sliku svijeta i u početku odlično opisivala raspade elementarnih čestica, nije odražavala iste postulate ako bi se energija povećala. Zato je stara teorija prerađena u drugu - teoriju slabe interakcije, koja se ovoga puta pokazala univerzalnom. Iako je izgrađena na istim principima kao i druge teorije koje su opisivale elektromagnetnu interakciju čestica. U modernim vremenima postoje četiri proučavane i dokazane fundamentalne interakcije, a peta je na putu, o kojoj će biti reči kasnije. Sva četiri - gravitaciona, jaka, slaba, elektromagnetna - izgrađena su na jednom principu: sila koja nastaje između čestica je rezultat neke izmjene koju vrši nosilac, ili inače - posrednik interakcije.
Kakva je ovo vrsta pomagača? Ovo je foton - čestica bez mase, ali ipak uspješno gradi elektromagnetnu interakciju zahvaljujući razmjeni kvanta elektromagnetnih valova ili kvanta svjetlosti. Izvodi se elektromagnetna interakcijapomoću fotona u polju naelektrisanih čestica koje komuniciraju određenom silom, upravo to tumači Kulonov zakon. Postoji još jedna čestica bez mase - gluon, postoji osam njegovih varijanti, pomaže kvarkovima da komuniciraju. Ova elektromagnetna interakcija je privlačnost između naelektrisanja i naziva se jakom. Da, i slaba interakcija nije potpuna bez posrednika, koji su čestice s masom, štoviše, one su masivne, odnosno teške. Ovo su srednji vektorski bozoni. Njihova masa i težina objašnjava slabost interakcije. Gravitaciona sila proizvodi razmenu kvanta gravitacionog polja. Ova elektromagnetna interakcija je privlačenje čestica, još nije dovoljno proučena, graviton još nije čak ni eksperimentalno otkriven, a kvantnu gravitaciju mi ne osjećamo u potpunosti, zbog čega je još ne možemo opisati.
Peta sila
Razmatrali smo četiri tipa fundamentalne interakcije: jaku, slabu, elektromagnetnu, gravitacionu. Interakcija je određeni čin razmjene čestica i ne može se bez koncepta simetrije, jer ne postoji interakcija koja nije povezana s njom. Ona je ta koja određuje broj čestica i njihovu masu. Uz tačnu simetriju, masa je uvijek nula. Dakle, foton i gluon nemaju masu, jednaka je nuli, a graviton nema. A ako se simetrija naruši, masa prestaje biti nula. Dakle, srednji vektor bizona ima masu jer je simetrija narušena. Ove četiri fundamentalne interakcije objašnjavaju sve tovidimo i osećamo. Preostale sile ukazuju da je njihova elektromagnetna interakcija sekundarna. Međutim, 2012. godine došlo je do iskora u nauci i otkrivena je još jedna čestica koja je odmah postala poznata. Revoluciju u naučnom svijetu organiziralo je otkriće Higsovog bozona, koji, kako se ispostavilo, služi i kao nosilac interakcije između leptona i kvarkova.
Zato fizičari sada govore da se pojavila peta sila, posredovana Higsovim bozonom. I ovdje je simetrija narušena: Higsov bozon ima masu. Tako je broj interakcija (riječ "sila" zamijenjena ovom riječju u modernoj fizici čestica) dostigao pet. Možda čekamo nova otkrića, jer ne znamo tačno postoje li druge interakcije osim ovih. Vrlo je moguće da model koji smo već izgradili i koji danas razmatramo, a koji bi izgleda savršeno objasnio sve pojave koje se opažaju u svijetu, nije sasvim potpun. A možda će se, nakon nekog vremena, pojaviti nove interakcije ili nove snage. Takva vjerovatnoća postoji, makar samo zato što smo vrlo postupno naučili da danas postoje fundamentalne interakcije - jake, slabe, elektromagnetne, gravitacijske. Uostalom, ako u prirodi postoje supersimetrične čestice, o kojima se već govori u znanstvenom svijetu, onda to znači postojanje nove simetrije, a simetrija uvijek povlači pojavu novih čestica, posrednika između njih. Tako ćemo čuti o ranije nepoznatoj fundamentalnoj sili, kao što smo jednom sa iznenađenjem saznalipostoje, na primjer, elektromagnetna, slaba interakcija. Naše znanje o sopstvenoj prirodi je veoma nepotpuno.
Povezanost
Najzanimljivije je da svaka nova interakcija mora nužno dovesti do potpuno nepoznatog fenomena. Na primjer, da nismo naučili o slaboj interakciji, nikada ne bismo otkrili raspad, a da nije bilo našeg znanja o raspadu, proučavanje nuklearne reakcije ne bi bilo moguće. A da ne znamo nuklearne reakcije, ne bismo shvatili kako sunce sija za nas. Uostalom, da nije sijao, život na Zemlji ne bi se formirao. Dakle, prisustvo interakcije govori da je ona vitalna. Da nije bilo jake interakcije, ne bi bilo ni stabilnih atomskih jezgara. Zbog elektromagnetne interakcije, Zemlja prima energiju od Sunca, a zraci svjetlosti koji dolaze iz nje zagrijavaju planetu. A sve nama poznate interakcije su apsolutno neophodne. Evo, na primjer, onaj Higgs. Higsov bozon daje čestici masu kroz interakciju sa poljem, bez koje ne bismo preživjeli. I kako ostati na površini planete bez gravitacijske interakcije? To bi bilo nemoguće ne samo za nas, već ni za šta.
Apsolutno sve interakcije, čak i one za koje još ne znamo, neophodne su da bi postojalo sve što čovečanstvo zna, razume i voli. Šta ne možemo znati? Da puno. Na primjer, znamo da je proton stabilan u jezgru. Ovo nam je veoma, veoma važno.stabilnost, inače život ne bi postojao na isti način. Međutim, eksperimenti pokazuju da je život protona vremenski ograničena veličina. Dugo, naravno, 1034 godina. Ali to znači da će se prije ili kasnije i proton raspasti, a za to će biti potrebna neka nova sila, odnosno nova interakcija. Što se tiče raspada protona, već postoje teorije u kojima se pretpostavlja novi, mnogo viši stepen simetrije, što znači da nova interakcija može postojati, o kojoj još uvijek ništa ne znamo.
Veliko ujedinjenje
U jedinstvu prirode, jedini princip izgradnje svih fundamentalnih interakcija. Mnogi ljudi imaju pitanja o njihovom broju i objašnjenju razloga za ovaj broj. Ovdje je izgrađeno mnogo verzija, koje se veoma razlikuju u smislu izvedenih zaključaka. Oni objašnjavaju prisustvo upravo tolikog broja fundamentalnih interakcija na različite načine, ali se ispostavilo da su svi sa jednim principom izgradnje dokaza. Istraživači uvijek pokušavaju spojiti najrazličitije vrste interakcija u jednu. Stoga se takve teorije nazivaju teorijama Velikog ujedinjenja. Kao da se svjetsko drvo grane: ima mnogo grana, ali deblo je uvijek jedno.
Sve zato što postoji ideja koja objedinjuje sve ove teorije. Korijen svih poznatih interakcija je isti, napaja jedno deblo, koje se, kao rezultat gubitka simetrije, počelo granati i formiralo različite fundamentalne interakcije, koje možemo eksperimentalnoposmatrati. Ova hipoteza se još ne može provjeriti, jer zahtijeva fiziku nevjerovatno visokih energija, nedostupnu današnjim eksperimentima. Takođe je moguće da nikada nećemo ovladati ovim energijama. Ali sasvim je moguće zaobići ovu prepreku.
Apartman
Imamo Univerzum, ovaj prirodni akcelerator, i svi procesi koji se u njemu odvijaju omogućavaju testiranje čak i najhrabrijih hipoteza o zajedničkom korijenu svih poznatih interakcija. Još jedan zanimljiv zadatak razumijevanja interakcija u prirodi je, možda, još teži. Potrebno je razumjeti kako se gravitacija odnosi na ostale prirodne sile. Ova fundamentalna interakcija se, takoreći, izdvaja, uprkos činjenici da je ova teorija slična svim ostalim po principu konstrukcije.
Ajnštajn se bavio teorijom gravitacije, pokušavajući da je poveže sa elektromagnetizmom. Unatoč prividnoj realnosti rješavanja ovog problema, teorija tada nije funkcionirala. Sada čovječanstvo zna malo više, u svakom slučaju znamo za jake i slabe interakcije. A ako sada završimo izgradnju ove jedinstvene teorije, onda će nedostatak znanja sigurno opet imati efekta. Do sada nije bilo moguće staviti gravitaciju u ravan s drugim interakcijama, jer svi poštuju zakone koje diktira kvantna fizika, ali gravitacija ne. Prema kvantnoj teoriji, sve čestice su kvanti nekog određenog polja. Ali kvantna gravitacija ne postoji, barem ne još. Međutim, broj već otvorenih interakcija glasno ponavlja da ne može nebiti neka vrsta objedinjene šeme.
Električno polje
Daleke 1860. godine, veliki fizičar iz devetnaestog veka Džejms Maksvel uspeo je da stvori teoriju koja objašnjava elektromagnetnu indukciju. Kada se magnetsko polje mijenja tokom vremena, u određenoj tački prostora nastaje električno polje. A ako se u ovom polju pronađe zatvoreni vodič, tada se u električnom polju pojavljuje indukcijska struja. Svojom teorijom elektromagnetnih polja Maxwell dokazuje da je moguć i obrnuti proces: ako promijenite električno polje u vremenu u određenoj tački u prostoru, magnetsko polje će se sigurno pojaviti. To znači da svaka promjena u vremenu magnetskog polja može uzrokovati pojavu promjenjivog električnog polja, a promjena električnog polja može proizvesti promjenjivo magnetsko polje. Ove varijable, polja koja generiraju jedno drugo, organiziraju jedno polje - elektromagnetno.
Najvažniji rezultat koji proizlazi iz formula Maksvelove teorije je predviđanje da postoje elektromagnetski talasi, odnosno elektromagnetna polja koja se šire u vremenu i prostoru. Izvor elektromagnetnog polja su električni naboji koji se kreću ubrzano. Za razliku od zvučnih (elastičnih) valova, elektromagnetski valovi se mogu širiti u bilo kojoj tvari, čak iu vakuumu. Elektromagnetna interakcija u vakuumu se širi brzinom svjetlosti (c=299,792 kilometara u sekundi). Talasna dužina može biti različita. Elektromagnetni talasi od deset hiljada metara do 0,005 metara suradio valovi koji nam služe za prijenos informacija, odnosno signala na određenu udaljenost bez ikakvih žica. Radio talasi nastaju strujom na visokim frekvencijama koja teče u anteni.
Kakvi su valovi
Ako je talasna dužina elektromagnetnog zračenja između 0,005 metara i 1 mikrometar, odnosno, oni koji su u opsegu između radio talasa i vidljive svetlosti su infracrveno zračenje. Emituju ga sva zagrijana tijela: baterije, peći, žarulje sa žarnom niti. Specijalni uređaji pretvaraju infracrveno zračenje u vidljivo svjetlo kako bi se dobile slike objekata koji ga emituju, čak iu apsolutnom mraku. Vidljivo svjetlo emituje valne dužine u rasponu od 770 do 380 nanometara - što rezultira bojom od crvene do ljubičaste. Ovaj dio spektra je izuzetno važan za ljudski život, jer ogroman dio informacija o svijetu primamo putem vizije.
Ako elektromagnetno zračenje ima talasnu dužinu kraću od ljubičaste, to je ultraljubičasto, koje ubija patogene bakterije. Rendgenski zraci su nevidljivi za oko. Gotovo da ne upijaju slojeve materije koji su neprozirni za vidljivu svjetlost. Rendgensko zračenje dijagnostikuje bolesti unutrašnjih organa ljudi i životinja. Ako elektromagnetno zračenje nastaje interakcijom elementarnih čestica i emituje ga pobuđena jezgra, dobija se gama zračenje. Ovo je najširi raspon u elektromagnetnom spektru jer nije ograničen na visoke energije. Gama zračenje može biti meko i tvrdo: energetski prelazi unutar atomskih jezgara -meka, au nuklearnim reakcijama - tvrda. Ovi kvanti lako uništavaju molekule, a posebno biološke. Na sreću, gama zračenje ne može proći kroz atmosferu. Gama zraci se mogu posmatrati iz svemira. Pri ultravisokim energijama, elektromagnetna interakcija se širi brzinom bliskom brzini svjetlosti: gama kvanti drobe jezgra atoma, razbijajući ih na čestice koje lete u različitim smjerovima. Prilikom kočenja emituju svjetlost vidljivu kroz posebne teleskope.
Iz prošlosti u budućnost
Elektromagnetne talase, kao što je već pomenuto, predvideo je Maksvel. Pažljivo je proučavao i pokušavao da matematički povjeruje pomalo naivnim slikama Faradaya, koje su prikazivale magnetske i električne pojave. Maksvel je bio taj koji je otkrio odsustvo simetrije. I upravo je on uspio nizom jednadžbi dokazati da naizmjenična električna polja stvaraju magnetska i obrnuto. To ga je dovelo do ideje da se takva polja odvajaju od provodnika i kreću kroz vakuum gigantskom brzinom. I on je to shvatio. Brzina je bila blizu tri stotine hiljada kilometara u sekundi.
Ovako je interakcija između teorije i eksperimenta. Primjer je otkriće, zahvaljujući kojem smo saznali za postojanje elektromagnetnih valova. Uz pomoć fizike u njemu su spojeni potpuno heterogeni koncepti - magnetizam i elektricitet, budući da je riječ o fizičkom fenomenu istog reda, samo su njegove različite strane u interakciji. Teorije se grade jedna za drugom, i sveone su usko povezane jedna s drugom: teorija elektroslabe interakcije, na primjer, gdje su slabe nuklearne i elektromagnetne sile opisane sa istih pozicija, onda je sve to ujedinjeno kvantnom kromodinamikom, pokrivajući jake i elektroslabe interakcije (ovdje je tačnost je još niže, ali se rad nastavlja). Oblasti fizike kao što su kvantna gravitacija i teorija struna se intenzivno istražuju.
Zaključci
Ispostavilo se da je prostor koji nas okružuje potpuno prožet elektromagnetnim zračenjem: to su zvezde i Sunce, Mesec i druga nebeska tela, ovo je sama Zemlja, i svaki telefon u rukama čoveka, i antene radio stanica - sve to emituje elektromagnetne talase, drugačije nazvane. U zavisnosti od frekvencije vibracija koje objekat emituje, razlikuju se infracrveno zračenje, radio talasi, vidljiva svetlost, zraci biopolja, rendgenski zraci i slično.
Kada se elektromagnetno polje širi, ono postaje elektromagnetski talas. To je jednostavno neiscrpni izvor energije, koji uzrokuje fluktuaciju električnih naboja molekula i atoma. A ako naboj oscilira, njegovo kretanje se ubrzava i stoga emituje elektromagnetski val. Ako se magnetsko polje promijeni, pobuđuje se vrtložno električno polje, koje zauzvrat pobuđuje vrtložno magnetsko polje. Proces ide kroz prostor, pokrivajući jednu tačku za drugom.
