Questo articolo prenderà in considerazione quelle che vengono chiamate le forze della natura - l'interazione elettromagnetica fondamentale ei principi su cui è costruita. Parlerà anche delle possibilità dell'esistenza di nuovi approcci allo studio di questo argomento. Anche a scuola, nelle lezioni di fisica, gli studenti si trovano di fronte a una spiegazione del concetto di "forza". Imparano che le forze possono essere molto diverse: la forza di attrito, la forza di attrazione, la forza di elasticità e molte altre simili. Non tutti possono essere definiti fondamentali, poiché molto spesso il fenomeno della forza è secondario (la forza di attrito, ad esempio, con la sua interazione di molecole). L'interazione elettromagnetica può anche essere secondaria, di conseguenza. La fisica molecolare cita come esempio la forza di Van der Waals. Anche la fisica delle particelle fornisce molti esempi.
Nella natura
Vorrei andare a fondo dei processi che avvengono in natura, quando fa funzionare l'interazione elettromagnetica. Qual è esattamente la forza fondamentale che determina tutte le forze secondarie che ha costruito?Tutti sanno che l'interazione elettromagnetica, o, come viene anche chiamata, le forze elettriche, è fondamentale. Ciò è evidenziato dalla legge di Coulomb, che ha una sua generalizzazione derivante dalle equazioni di Maxwell. Questi ultimi descrivono tutte le forze magnetiche ed elettriche che esistono in natura. Ecco perché è stato dimostrato che l'interazione dei campi elettromagnetici è la forza fondamentale della natura. Il prossimo esempio è la gravità. Anche gli scolari conoscono la legge di gravitazione universale di Isaac Newton, che recentemente ha anche ricevuto la propria generalizzazione dalle equazioni di Einstein, e, secondo la sua teoria della gravità, anche questa forza di interazione elettromagnetica in natura è fondamentale.
C'era una volta si pensava che esistessero solo queste due forze fondamentali, ma la scienza è andata avanti, dimostrando gradualmente che non è affatto così. Ad esempio, con la scoperta del nucleo atomico, è stato necessario introdurre il concetto di forza nucleare, altrimenti come capire il principio di trattenere le particelle all'interno del nucleo, perché non volano via in direzioni diverse. Comprendere come funziona la forza elettromagnetica in natura ha aiutato a misurare, studiare e descrivere le forze nucleari. Tuttavia, gli scienziati successivi sono giunti alla conclusione che le forze nucleari sono secondarie e per molti versi simili alle forze di van der Waals. In effetti, solo le forze che i quark forniscono interagendo tra loro sono veramente fondamentali. Allora già - un effetto secondario - c'è l'interazione dei campi elettromagnetici tra neutroni e protoni nel nucleo. Veramente fondamentale è l'interazione dei quark che scambiano gluoni. Così è statouna terza forza veramente fondamentale scoperta in natura.
Continuare questa storia
Le particelle elementari decadono, quelle pesanti - in quelle più leggere, e il loro decadimento descrive una nuova forza di interazione elettromagnetica, che è chiamata proprio così - la forza di interazione debole. Perché debole? Sì, perché l'interazione elettromagnetica in natura è molto più forte. E ancora, si è scoperto che questa teoria dell'interazione debole, che è entrata così armoniosamente nell'immagine del mondo e inizialmente descriveva in modo eccellente i decadimenti delle particelle elementari, non rifletteva gli stessi postulati se l'energia aumentava. Ecco perché la vecchia teoria è stata rielaborata in un' altra: la teoria dell'interazione debole, questa volta si è rivelata universale. Sebbene fosse costruito sugli stessi principi di altre teorie che descrivevano l'interazione elettromagnetica delle particelle. Nei tempi moderni, ci sono quattro interazioni fondamentali studiate e provate, e la quinta è in arrivo, sarà discussa in seguito. Tutti e quattro - gravitazionale, forte, debole, elettromagnetico - sono costruiti su un unico principio: la forza che nasce tra le particelle è il risultato di uno scambio effettuato da un vettore, o altrimenti - un mediatore di interazione.
Che tipo di aiutante è questo? Questo è un fotone: una particella senza massa, ma che tuttavia costruisce con successo un'interazione elettromagnetica grazie allo scambio di un quanto di onde elettromagnetiche o di un quanto di luce. Viene eseguita l'interazione elettromagneticaper mezzo di fotoni nel campo delle particelle cariche che comunicano con una certa forza, questo è esattamente ciò che interpreta la legge di Coulomb. C'è un' altra particella priva di massa: il gluone, ce ne sono otto varietà, aiuta i quark a comunicare. Questa interazione elettromagnetica è un'attrazione tra le cariche ed è chiamata forte. Sì, e l'interazione debole non è completa senza intermediari, che sono particelle con massa, inoltre sono massicce, cioè pesanti. Questi sono bosoni vettori intermedi. La loro massa e pesantezza spiega la debolezza dell'interazione. La forza gravitazionale produce uno scambio di un quanto del campo gravitazionale. Questa interazione elettromagnetica è l'attrazione delle particelle, non è stata ancora studiata a sufficienza, il gravitone non è stato nemmeno rilevato sperimentalmente e la gravità quantistica non è completamente percepita da noi, motivo per cui non possiamo ancora descriverla.
La quinta forza
Abbiamo considerato quattro tipi di interazione fondamentale: forte, debole, elettromagnetica, gravitazionale. L'interazione è un certo atto di scambio di particelle e non si può fare a meno del concetto di simmetria, poiché non esiste interazione che non sia associata ad essa. È lei che determina il numero delle particelle e la loro massa. Con simmetria esatta, la massa è sempre zero. Quindi, un fotone e un gluone non hanno massa, è uguale a zero e un gravitone no. E se la simmetria è rotta, la massa cessa di essere zero. Pertanto, il bisonte vettore intermedio ha massa perché la simmetria è rotta. Queste quattro interazioni fondamentali spiegano tutto ciòvediamo e sentiamo. Le forze rimanenti indicano che la loro interazione elettromagnetica è secondaria. Tuttavia, nel 2012 c'è stata una svolta nella scienza ed è stata scoperta un' altra particella, che è diventata subito famosa. La rivoluzione nel mondo scientifico è stata organizzata dalla scoperta del bosone di Higgs, che, come si è scoperto, funge anche da vettore di interazioni tra leptoni e quark.
Ecco perché i fisici ora dicono che è apparsa una quinta forza, mediata dal bosone di Higgs. Anche qui la simmetria è rotta: il bosone di Higgs ha una massa. Pertanto, il numero di interazioni (la parola "forza" è sostituita da questa parola nella moderna fisica delle particelle) ha raggiunto cinque. Forse stiamo aspettando nuove scoperte, perché non sappiamo esattamente se ci sono altre interazioni oltre a queste. È molto probabile che il modello che abbiamo già costruito e che stiamo considerando oggi, che sembrerebbe spiegare perfettamente tutti i fenomeni osservati nel mondo, non sia del tutto completo. E forse, dopo qualche tempo, appariranno nuove interazioni o nuove forze. Una tale probabilità esiste, se non altro perché abbiamo imparato molto gradualmente che ci sono interazioni fondamentali conosciute oggi: forte, debole, elettromagnetica, gravitazionale. Dopotutto, se in natura ci sono particelle supersimmetriche, di cui si parla già nel mondo scientifico, significa l'esistenza di una nuova simmetria e la simmetria comporta sempre la comparsa di nuove particelle, mediatrici tra di loro. Pertanto, sentiremo parlare di una forza fondamentale precedentemente sconosciuta, come abbiamo appreso una volta con sorpresaci sono, ad esempio, interazioni elettromagnetiche deboli. La nostra conoscenza della nostra stessa natura è molto incompleta.
Connessione
La cosa più interessante è che ogni nuova interazione deve necessariamente portare a un fenomeno completamente sconosciuto. Ad esempio, se non avessimo appreso dell'interazione debole, non avremmo mai scoperto il decadimento e, se non fosse stato per la nostra conoscenza del decadimento, nessuno studio della reazione nucleare sarebbe stato possibile. E se non conoscessimo le reazioni nucleari, non capiremmo come splende il sole per noi. Dopotutto, se non avesse brillato, la vita sulla Terra non si sarebbe formata. Quindi la presenza dell'interazione dice che è vitale. Se non ci fosse una forte interazione, non ci sarebbero nuclei atomici stabili. A causa dell'interazione elettromagnetica, la Terra riceve energia dal Sole e i raggi di luce che ne provengono riscaldano il pianeta. E tutte le interazioni a noi note sono assolutamente necessarie. Ecco quello di Higgs, per esempio. Il bosone di Higgs fornisce massa alla particella attraverso l'interazione con il campo, senza la quale non saremmo sopravvissuti. E come rimanere sulla superficie del pianeta senza interazione gravitazionale? Sarebbe impossibile non solo per noi, ma per niente.
Assolutamente tutte le interazioni, anche quelle che ancora non conosciamo, sono una necessità per tutto ciò che l'umanità conosce, comprende e ama esistere. Cosa non possiamo sapere? Sì molto. Ad esempio, sappiamo che il protone è stabile nel nucleo. Questo è molto, molto importante per noi.stabilità, altrimenti la vita non esisterebbe allo stesso modo. Tuttavia, gli esperimenti mostrano che la vita di un protone è una quantità limitata nel tempo. Lungo, ovviamente, 1034 anni. Ma questo significa che prima o poi anche il protone decadrà, e questo richiederà una nuova forza, cioè una nuova interazione. Per quanto riguarda il decadimento del protone, esistono già teorie in cui si presume un nuovo grado di simmetria molto più elevato, il che significa che potrebbe esistere una nuova interazione, di cui non sappiamo ancora nulla.
Grande Unificazione
Nell'unità della natura, l'unico principio per costruire tutte le interazioni fondamentali. Molte persone hanno domande sul numero di essi e sulla spiegazione dei motivi di questo particolare numero. Qui sono state costruite moltissime versioni e sono molto diverse in termini di conclusioni tratte. Spiegano la presenza di un tale numero di interazioni fondamentali in vari modi, ma si rivelano tutte con un unico principio di costruzione dell'evidenza. I ricercatori cercano sempre di combinare i più diversi tipi di interazioni in una sola. Pertanto, tali teorie sono chiamate teorie della Grande Unificazione. Come se l'albero del mondo si ramificasse: ci sono molti rami, ma il tronco è sempre uno.
Tutto perché c'è un'idea che unisce tutte queste teorie. La radice di tutte le interazioni conosciute è la stessa, alimentando un tronco, che, a causa della perdita di simmetria, ha iniziato a ramificarsi e ha formato diverse interazioni fondamentali, che possiamo sperimentalmenteosservare. Questa ipotesi non può ancora essere verificata, perché richiede una fisica ad energia incredibilmente alta, inaccessibile agli esperimenti odierni. È anche possibile che non padroneggeremo mai queste energie. Ma è del tutto possibile aggirare questo ostacolo.
Appartamento
Abbiamo l'Universo, questo acceleratore naturale, e tutti i processi che in esso avvengono permettono di testare anche le ipotesi più audaci sulla radice comune di tutte le interazioni conosciute. Un altro compito interessante di comprendere le interazioni in natura è, forse, ancora più difficile. È necessario capire come la gravità si rapporta al resto delle forze della natura. Questa interazione fondamentale si distingue, per così dire, nonostante il fatto che questa teoria sia simile a tutte le altre per il principio di costruzione.
Einstein era impegnato nella teoria della gravità, cercando di collegarla con l'elettromagnetismo. Nonostante l'apparente re altà della risoluzione di questo problema, la teoria non funzionava allora. Ora l'umanità ne sa un po' di più, in ogni caso, sappiamo delle interazioni forte e debole. E se ora per finire di costruire questa teoria unificata, allora la mancanza di conoscenza avrà sicuramente di nuovo effetto. Finora non è stato possibile mettere la gravità alla pari con altre interazioni, poiché tutti obbediscono alle leggi dettate dalla fisica quantistica, ma la gravità no. Secondo la teoria quantistica, tutte le particelle sono quanti di un campo particolare. Ma la gravità quantistica non esiste, almeno non ancora. Tuttavia, il numero di interazioni già aperte ripete a gran voce che non è possibileessere una specie di schema unificato.
Campo elettrico
Nel 1860, il grande fisico del diciannovesimo secolo James Maxwell riuscì a creare una teoria che spiegasse l'induzione elettromagnetica. Quando il campo magnetico cambia nel tempo, in un certo punto dello spazio si forma un campo elettrico. E se in questo campo si trova un conduttore chiuso, nel campo elettrico appare una corrente di induzione. Con la sua teoria dei campi elettromagnetici, Maxwell dimostra che è possibile anche il processo inverso: se si cambia il campo elettrico nel tempo in un certo punto dello spazio, apparirà sicuramente un campo magnetico. Ciò significa che qualsiasi cambiamento nel tempo del campo magnetico può causare l'emergere di un campo elettrico variabile e un cambiamento nel campo elettrico può produrre un campo magnetico variabile. Queste variabili, campi che si generano a vicenda, organizzano un unico campo - elettromagnetico.
Il risultato più importante che emerge dalle formule della teoria di Maxwell è la previsione che ci siano onde elettromagnetiche, cioè campi elettromagnetici che si propagano nel tempo e nello spazio. La sorgente del campo elettromagnetico sono le cariche elettriche che si muovono con accelerazione. A differenza delle onde sonore (elastiche), le onde elettromagnetiche possono propagarsi in qualsiasi sostanza, anche nel vuoto. L'interazione elettromagnetica nel vuoto si propaga alla velocità della luce (c=299.792 chilometri al secondo). La lunghezza d'onda può essere diversa. Le onde elettromagnetiche da diecimila metri a 0,005 metri sonoonde radio che ci servono per trasmettere informazioni, cioè segnali a una certa distanza senza fili. Le onde radio sono create dalla corrente ad alta frequenza che scorre nell'antenna.
Quali sono le onde
Se la lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica è compresa tra 0,005 metri e 1 micrometro, cioè quelle che si trovano nell'intervallo tra le onde radio e la luce visibile sono radiazioni infrarosse. Viene emesso da tutti i corpi riscaldanti: batterie, stufe, lampade ad incandescenza. Speciali dispositivi convertono la radiazione infrarossa in luce visibile per ottenere immagini degli oggetti che la emettono, anche nell'oscurità assoluta. La luce visibile emette lunghezze d'onda che vanno da 770 a 380 nanometri, risultando in un colore dal rosso al viola. Questa sezione dello spettro è estremamente importante per la vita umana, perché riceviamo gran parte delle informazioni sul mondo attraverso la vista.
Se la radiazione elettromagnetica ha una lunghezza d'onda più corta del viola, è ultravioletta, che uccide i batteri patogeni. I raggi X sono invisibili alla vista. Quasi non assorbono strati di materia opachi alla luce visibile. Le radiazioni a raggi X diagnosticano malattie degli organi interni di esseri umani e animali. Se la radiazione elettromagnetica nasce dall'interazione di particelle elementari ed è emessa da nuclei eccitati, si ottiene la radiazione gamma. Questa è la gamma più ampia nello spettro elettromagnetico perché non è limitata alle alte energie. La radiazione gamma può essere morbida e dura: transizioni di energia all'interno dei nuclei atomici -morbido e nelle reazioni nucleari - duro. Questi quanti distruggono facilmente le molecole, e specialmente quelle biologiche. Fortunatamente, le radiazioni gamma non possono passare attraverso l'atmosfera. I raggi gamma possono essere osservati dallo spazio. A energie ultraelevate, l'interazione elettromagnetica si propaga a una velocità prossima a quella della luce: i gamma quanti schiacciano i nuclei degli atomi, rompendoli in particelle che volano in direzioni diverse. In frenata emettono luce visibile attraverso speciali telescopi.
Dal passato al futuro
Le onde elettromagnetiche, come già accennato, sono state previste da Maxwell. Studiò attentamente e cercò di credere matematicamente alle immagini leggermente ingenue di Faraday, che raffiguravano fenomeni magnetici ed elettrici. Fu Maxwell a scoprire l'assenza di simmetria. Ed è stato lui che è riuscito a dimostrare con una serie di equazioni che i campi elettrici alternati generano quelli magnetici e viceversa. Questo lo ha portato all'idea che tali campi si staccano dai conduttori e si muovono attraverso il vuoto a una velocità gigantesca. E l'ha capito. La velocità era vicina ai trecentomila chilometri al secondo.
Ecco come interagiscono teoria ed esperimento. Un esempio è la scoperta, grazie alla quale abbiamo appreso dell'esistenza delle onde elettromagnetiche. Con l'aiuto della fisica, sono stati combinati concetti completamente eterogenei: magnetismo ed elettricità, poiché si tratta di un fenomeno fisico dello stesso ordine, solo i suoi diversi lati sono in interazione. Le teorie si costruiscono una dopo l' altra, e bastasono strettamente correlati tra loro: la teoria dell'interazione elettrodebole, ad esempio, dove le forze deboli nucleari ed elettromagnetiche sono descritte dalle stesse posizioni, poi tutto questo è unito dalla cromodinamica quantistica, coprendo le interazioni forte ed elettrodebole (qui l'accuratezza è ancora inferiore, ma il lavoro continua). Aree della fisica come la gravità quantistica e la teoria delle stringhe sono oggetto di intense ricerche.
Conclusioni
Si scopre che lo spazio che ci circonda è completamente permeato di radiazione elettromagnetica: queste sono le stelle e il Sole, la Luna e altri corpi celesti, questa è la Terra stessa e ogni telefono nelle mani di una persona, e le antenne delle stazioni radio - tutto questo emette onde elettromagnetiche, denominate in modo diverso. A seconda della frequenza delle vibrazioni che un oggetto emette, si distinguono le radiazioni infrarosse, le onde radio, la luce visibile, i raggi del biocampo, i raggi X e simili.
Quando un campo elettromagnetico si propaga, diventa un'onda elettromagnetica. È semplicemente una fonte inesauribile di energia, che fa fluttuare le cariche elettriche di molecole e atomi. E se la carica oscilla, il suo movimento viene accelerato, e quindi emette un'onda elettromagnetica. Se il campo magnetico cambia, viene eccitato un campo elettrico a vortice, che, a sua volta, eccita un campo magnetico a vortice. Il processo attraversa lo spazio, coprendo un punto dopo l' altro.
