У даній статті буде розглянуто те, що називається силами природи, - фундаментальне електромагнітне взаємодія і принципи, на яких воно будується. Також буде розказано про можливості існування нових підходів до вивчення цієї теми. Ще в школі на уроках фізики учні стикаються з поясненням поняття "сила". Вони дізнаються, що сили можуть бути найрізноманітнішими - сила тертя, сила тяжіння, сила пружності і безліч подібних. Не всі вони можуть називатися фундаментальними, оскільки дуже часто явище сили вдруге (сила тертя, наприклад, з її взаємодією молекул). Електромагнітне взаємодія теж може бути вторинним - як наслідок. Молекулярна фізика приводить в приклад сили Ван-дер-Ваальса. Також багато прикладів дає і фізика елементарних частинок.

У природі

Хотілося б докопатися до самої суті процесів, що відбуваються в природі, коли вона змушує працювати електромагнітне взаємодія. Що саме є фундаментальною силою, що визначає всі побудовані нею вторинні сили? Всі знають, що електромагнітне взаємодія, або, як ще його називають, електричні сили, є фундаментальним. Про це говорить закон Кулона, який має власне узагальнення, що випливає з рівнянь Максвелла. Останні описують всі існуючі в природі магнітні і електричні сили. Саме тому доведено, що взаємодія електромагнітних полів - фундаментальні сили природи. Наступний приклад - сила тяжіння. Навіть школярі знають про закон всесвітнього тяжіння Ісаака Ньютона, який теж не так давно отримав власне узагальнення рівняннями Ейнштейна, і, за його теорією тяжіння, ця сила електромагнітного взаємодії в природі теж фундаментальна.


Колись давно вважалося, що існують тільки дві ці фундаментальні сили, проте наука йшла вперед, поступово доводячи, що це зовсім не так. Наприклад, з відкриттям атомного ядра довелося ввести поняття ядерної сили, інакше як зрозуміти принцип утримання частинок всередині ядра, чому вони не летять в різні сторони. Розуміння того, як працює електромагнітне взаємодія в природі, допомогло виміряти ядерні сили, вивчити і описати. Однак згодом вчені прийшли до висновку, що ядерні сили вторинні і по багатьом проявам схожі на сили Ван-дер-Ваальса. Насправді дійсно фундаментальні тільки сили, які забезпечують кварки, взаємодіючи один з одним. Потім вже - вторинним ефектом є взаємодія електромагнітних полів між нейтронами і протонами в ядрі. Воістину фундаментальним є взаємодію кварків, які обмінюються глюонами. Таким чином була виявлена в природі третя дійсно фундаментальна сила.

Продовження цієї історії

Елементарні частки розпадаються, важкі - на більш легкі, і їх розпад описує нову силу електромагнітного взаємодії, яка так і названа - сила слабкої взаємодії. Чому слабкого? Та тому, що електромагнітна взаємодія у природі набагато сильніше. І знову ж виявилося, що ця теорія слабкої взаємодії, так чітко постала у картину світу і спочатку чудово описивавшая розпади елементарних частинок, не відображала ті ж постулати, якщо енергія підвищувалася. А тому стара теорія була перероблена в іншу - теорію слабкої взаємодії, цього разу виявилася універсальною. Хоча і побудована вона була на тих же самих принципах, що й інші теорії, що описували електромагнітне взаємодія частинок. В сучасності існують чотири вивчених і доведених фундаментальних взаємодій, і п'яте - на підході, про нього буде мова попереду. Всі чотири - гравітаційне, сильне, слабке, електромагнітне - побудовані на єдиному принципі: сила, що виникає між частинками, є результат якогось обміну, здійсненого переносником, або інакше - посередником взаємодії.
Що ж це за помічник? Це фотон - частинка без маси, але тим не менш успішно вистраивающая електромагнітне взаємодія за рахунок обміну квантом електромагнітних хвиль або квантом світла. Електромагнітне взаємодія здійснюється за допомогою фотонів в поле заряджених частинок, які спілкуються з певною силою, як раз це і трактує закон Кулона. Є ще одна безмассовая частка - глюон, її існує вісім різновидів, вона допомагає спілкуватися кваркам. Це електромагнітне взаємодія є тяжінням між зарядами, і воно називається сильним. Та й слабка взаємодія не обходиться без посередників, якими стали частинки з масою, більш того, вони масивні, тобто важкі. Це проміжні векторні бозони. Їх масою і вагою пояснюється слабкість взаємодії. Гравітаційна сила виробляє обмін квантом гравітаційного поля. Це електромагнітне взаємодія є тяжінням частинок, воно вивчено поки недостатньо, гравітон навіть експериментально поки не виявлено, а квантова гравітація нами не цілком відчувається, саме тому й описати ми її поки що не можемо.

П'ята сила

Ми розглянули чотири види фундаментального взаємодії: сильне, слабке, електромагнітне, гравітаційне. Взаємодія - це певний акт обміну частинками, і без поняття симетрії ніяк не обійтися, оскільки не буває взаємодії з нею не пов'язаного. Саме вона визначає кількість частинок і їх масу. З точною симетрією маса завжди нульова. Так, у фотона і глюона маси немає, вона дорівнює нулю, у гравитона - теж. А якщо симетрія порушується, маса нульовою бути перестає. Так, проміжні векторні бізони мають масу, тому що порушена симетрія. Цими чотирма фундаментальними взаємодіями пояснюється все, що ми бачимо і відчуваємо. Інші сили говорять про те, що їх електромагнітне взаємодія є вторинним. Однак в 2012 році відбувся прорив у науці і була виявлена ще одна частинка, відразу стала знаменитою. Революцію в науковому світі організувало відкриття хіггсовского бозона, який, як виявилося, теж служить переносником взаємодій між лептонами і кварками.
Саме тому і говорять тепер вчені-фізики про те, що з'явилася п'ята сила, посередником якої виявився хиггсовский бозон. Порушена симетрія і тут: у хіггсовского бозона є маса. Таким чином число взаємодій (цим словом у сучасній фізиці частинок замінюється на слово "сила") досягла п'яти. Можливо, нас чекають нові відкриття, оскільки ми достеменно не знаємо, чи ще взаємодії крім цих. Дуже можливо, що вже побудована і сьогодні нами розглянута модель, здавалося б, чудово пояснює всі явища, що спостерігаються у світі, і не зовсім повна. І можливо, через якийсь час з'являться нові взаємодії або нові сили. Вірогідність така існує хоча б тому, що ми дуже поступово дізнавалися про те, що існують на сьогоднішній день фундаментальні взаємодії - сильне, слабке, електромагнітне, гравітаційне. Адже якщо є в природі суперсиметричні частинки, про які вже говорять в науковому світі, то це означає існування нової симетрії, а симетрія завжди тягне за собою появу нових частинок, посередників між ними. Таким чином, ми почуємо про раніше невідомої фундаментальної силі, як колись з подивом дізнавалися, що існують, наприклад, електромагнітне, слабке взаємодія. Знання наші стосовно власної природи дуже неповні.

Взаємопов'язаність

Найцікавіше те, що будь-яке нове взаємодія обов'язково повинно призводити до незвіданого явищу. Наприклад, якщо б ми не дізналися про слабкій взаємодії, ніколи не виявили б розпад, а якщо б не було в нашому знанні розпаду, ніяке вивчення ядерної реакції було б неможливо. А якби ми не знали ядерних реакцій, не зрозуміли б, яким чином світить нам сонечко. Адже якщо б воно не світило, і життя на Землі не утворилася б. Так що наявність взаємодії говорить про те, що це життєво важливо. Якби сильної взаємодії не існувало, і атомних ядер стабільних б не було. Завдяки електромагнітному взаємодії Земля отримує енергію від Сонця, і промені світла, що прилітають від нього, гріють планету. І всі відомі нам взаємодії абсолютно необхідні. Ось хиггсовское, наприклад. Хиггсовский бозон забезпечує частці масу за допомогою взаємодії з полем, ми без цього б не вижили. А як без гравітаційної взаємодії утриматися на поверхні планети? Це було б неможливо не тільки нам, але і взагалі нічому. Абсолютно всі взаємодії, навіть ті, про яких ми поки не знаємо, є необхідністю для того, щоб все, що людство знає, розуміє і любить, існувало. Що ми можемо не знати? Та багато чого. Наприклад, ми знаємо, що протон стабільний у ядрі. Дуже і дуже важлива нам ця його стабільність, інакше точно так само не існувало б життя. Однак експерименти говорять про те, що життя протона - величина у часі обмежена. Довга, звичайно, 10 34 років. Але це значить, що рано чи пізно і протон розпадеться, і для цього знадобиться якась нова сила, тобто нова взаємодія. Щодо розпаду протона вже існують теорії, де передбачається нова, більш висока ступінь симетрії, отже, і нове взаємодія цілком може існувати, про який ми поки нічого не знаємо.

Велике об'єднання

В єдності природи єдиний принцип побудови всіх фундаментальних взаємодій. У багатьох виникають питання щодо кількості їх і пояснення причин саме цього кількості. Версій тут побудовано безліч, і вони різні по зроблених висновків. Пояснюють наявність саме такого числа фундаментальних взаємодій всілякими способами, але всі вони виявляються, з єдиним принципом побудови доказів. Завжди різні види взаємодій дослідники намагаються об'єднати в одне. Тому такі теорії і названі теорій Великого об'єднання. Немов світове дерево галузиться: безліч гілок, а стовбур завжди один. Все тому, що є об'єднуюча усі ці теорії ідея. Корінь у всіх відомих взаємодій єдиний, що живить один стовбур, який в результаті втрати симетрії почав гілкуватися і утворив різні фундаментальні взаємодії, які ми можемо експериментально поспостерігати. Цю гіпотезу поки неможливо перевірити, оскільки потрібно фізика неймовірно високих енергій, недоступних експериментів сьогоднішнього дня. Дуже можливий і такий варіант, що ми ніколи цими енергіями не здобудемо. Але обійти цю перешкоду цілком можна.

Осібно

У нас є Всесвіт, цей природний прискорювач, і всі процеси, які в ній відбуваються, дають можливість перевіряти навіть найсміливіші гіпотези щодо єдиного кореня всіх відомих взаємодій. Іншої цікавої завданням розуміння взаємодій в природі є, мабуть, ще більш складна. Необхідно зрозуміти, як співвідноситься гравітація з іншими силами природи. Це фундаментальне взаємодія стоїть як би окремо, незважаючи на те, що за принципом побудови ця теорія схожа на всі інші. Ейнштейн займався теорією гравітації, намагаючись пов'язати її з электромагнетизмом. Незважаючи на уявну реальність вирішення цієї проблеми, теорії тоді все-таки не вийшло. Тепер людство знає дещо більше, у всякому разі нам відомо про сильне і слабке взаємодія. І якщо зараз добудовувати цю єдину теорію, то неодмінно позначиться знову брак знань. До цього часу не вдалося поставити гравітацію в один ряд з іншими взаємодіями, оскільки всі підкоряються законам, які диктує квантова фізика, а гравітація - ні. З квантової теорії всі частинки є квантами якогось певного поля. А ось квантової гравітації не існує, в усякому разі, поки. Однак кількість вже відкритих взаємодій голосно твердить про те, що не може не бути якоїсь єдиної схеми.

Електричне поле

Ще в 1860 році видатному фізику дев'ятнадцятого століття Джеймсу Максвеллу вдалося створити теорію, що пояснює електромагнітну індукцію. При зміні в часі магнітного поля в деякій точці простору утворюється електричне поле. А якщо в цьому полі виявиться замкнутий провідник, то в електричному полі з'являється індукційний струм. Своєю теорією електромагнітних полів Максвелл доводить, що вірогідний і зворотний процес: якщо змінити в часі електричне поле в якійсь точці простору, обов'язково з'явиться магнітне поле. Значить, будь-якою зміною в часі магнітного поля можна викликати виникнення змінюється електричного поля, а зміною електричного можна отримати змінне магнітне поле. Цими змінними, що породжують один одного полями організовується єдине поле - електромагнітне. Найважливіший результат, що випливає з формул теорії Максвелла, - прогноз того, що існують електромагнітні хвилі, тобто поширюються електромагнітні поля в часі і просторі. Джерелом електромагнітного поля є рухаються з прискоренням електричні заряди. На відміну від звукових (пружних) хвиль електромагнітні можуть поширюватися в будь-якій речовині, навіть у вакуумі. Електромагнітне взаємодія поширюється у вакуумі зі швидкістю світла (з = 299792 кілометра в секунду). Довжина хвилі може бути різною. Електромагнітні хвилі від десяти тисяч метрів до 0005 метра - це радіохвилі, які служать нам для передачі інформації, тобто сигналів на певну відстань без всяких проводів. Створюються радіохвилі струмом на високих частотах, які течуть в антені.

Які бувають хвилі

Якщо довжина хвилі електромагнітного випромінювання становить від 0005 до 1 метра мікрометра, тобто ті, які знаходяться в діапазоні між радіохвилями і видимим світлом, - це інфрачервоне випромінювання. Його випромінюють усі нагріті тіла: батареї, печі, лампи розжарювання. Спеціальні прилади перетворюють інфрачервоне випромінювання у видиме світло, щоб отримати зображення предметів, випромінювальних його, навіть в абсолютній темряві. Видиме світло випромінює хвилі довжиною від 770 до 380 нанометрів - виходить колір від червоного до фіолетового. Цей ділянку спектра має для життя людини виключно велике значення, адже величезну частину відомостей про світ ми отримуємо за допомогою зору. Якщо електромагнітне випромінювання має меншу довжину хвилі, ніж фіолетовий колір, це ультрафіолет, вбиває хвороботворні бактерії. Рентгенівські промені оці не видно. Вони майже не поглинають непрозорі для видимого світла шари речовини. Рентгенівським випромінюванням діагностуються захворювання внутрішніх органів людини і тварин. Якщо ж електромагнітне випромінювання виникає від взаємодії елементарних частинок і випускається збудженими ядрами, виходить гамма-випромінювання. Це найбільш широкий діапазон в електромагнітному спектрі, тому що він не обмежується високими енергіями. Гамма-випромінювання може бути м'яким і жорстким: енергетичні переходи всередині атомних ядер - м'яке, а при ядерних реакціях - жорстке. Ці кванти легко руйнують молекули, і біологічні особливо. Велике щастя, що через атмосферу гамма-випромінювання пройти не може. Спостерігати гамма-кванти можна з космосу. При надвисоких енергіях електромагнітне взаємодія поширюється зі швидкістю, близькою до світлової: гамма-кванти розтрощують ядра атомів, розбиваючи їх на частки, що розлітаються в різні сторони. При гальмуванні вони випромінюють світло, видимий в спеціальні телескопи.

З минулого - в майбутнє

Електромагнітні хвилі, як вже було сказано, передбачені Максвеллом. Він ретельно вивчав і намагався повірити математикою злегка наївні картинки Фарадея, на яких були зображені магнітні та електричні явища. Саме Максвелл виявив відсутність симетрії. І саме йому вдалося довести поруч рівнянь, що змінні електричні поля породжують магнітні і навпаки. Це й наштовхнуло його на думку, що такі поля відриваються від провідників і рухаються через вакуум з якоюсь велетенською швидкістю. І він знайшов її. Швидкість виявилася близькою до триста тисяч кілометрів на секунду. Ось так взаємодіють теорія та експеримент. Прикладом може послужити відкриття, завдяки якому ми дізналися про існування електромагнітних хвиль. У ньому об'єдналися з допомогою фізики абсолютно різнорідні поняття - магнетизм і електрика, оскільки це фізичне явище одного порядку, просто різні його сторони знаходяться у взаємодії. Теорії шикуються одна за одною, і всі вони тісно пов'язані один з одним: теорія електрослабкої взаємодії, наприклад, де з одних і тих же позицій описуються слабкі ядерні сили і електромагнітні, далі все це об'єднує квантова хромодинаміка, що охоплює сильне і электрослабое взаємодії (тут точність поки нижче, але робота триває). Інтенсивно досліджуються такі напрямки фізики, як квантова гравітація і теорія струн.

Висновки

Виявляється, простір, що оточує нас, повністю пронизане електромагнітними випромінюваннями: це зірки і Сонце, Місяць і інші небесні тіла, це та сама Земля, і кожен телефон в руках у людини, і антени радіостанцій - все це випромінює електромагнітні хвилі, по-різному називаються. Залежно від тієї частоти коливань, яку випромінює предмет, розрізняються інфрачервоне випромінювання, радіохвилі, видиме світло, промені біополя, рентгенівські і тому подібні. Коли електромагнітне поле поширюється, воно стає електромагнітною хвилею. Це джерело енергії просто невичерпне, примушує коливатися електричні заряди молекул і атомів. А якщо заряд коливається, його рух отримує прискорення, а тому випромінює електромагнітну хвилю. Якщо змінюється магнітне поле збуджується поле вихрове електричне, яке, в свою чергу, збуджує поле вихрове магнітне. Процес йде через простір, охоплюючи одну точку за інший.