Bài viết này sẽ xem xét những gì được gọi là lực của tự nhiên - tương tác điện từ cơ bản và các nguyên tắc mà nó được xây dựng. Nó cũng sẽ nói về khả năng tồn tại của các phương pháp tiếp cận mới để nghiên cứu chủ đề này. Ngay cả ở trường học, trong các giờ học vật lý, học sinh phải đối mặt với sự giải thích về khái niệm "lực". Họ học được rằng các lực có thể rất đa dạng - lực ma sát, lực hút, lực đàn hồi và nhiều loại khác như vậy. Không phải tất cả chúng đều có thể được gọi là cơ bản, vì rất thường hiện tượng lực chỉ là thứ yếu (ví dụ lực ma sát với lực tương tác của các phân tử). Tương tác điện từ cũng có thể là thứ yếu - như một hệ quả. Vật lý phân tử lấy lực Van der Waals làm ví dụ. Vật lý hạt cũng cung cấp nhiều ví dụ.
Trong tự nhiên
Tôi muốn đi sâu vào các quá trình xảy ra trong tự nhiên, khi nó làm cho tương tác điện từ hoạt động. Chính xác thì lực cơ bản quyết định tất cả các lực thứ cấp mà nó đã xây dựng là gì?Mọi người đều biết rằng tương tác điện từ, hay còn được gọi là lực điện, là cơ bản. Điều này được chứng minh bằng định luật Coulomb, định luật này có sự tổng quát hóa riêng theo sau từ các phương trình Maxwell. Cái sau mô tả tất cả các lực từ và điện tồn tại trong tự nhiên. Đó là lý do tại sao nó đã được chứng minh rằng tương tác của trường điện từ là lực cơ bản của tự nhiên. Ví dụ tiếp theo là lực hấp dẫn. Ngay cả học sinh cũng biết về định luật vạn vật hấp dẫn của Isaac Newton, người gần đây cũng đã nhận được sự tổng quát hóa của riêng mình bằng các phương trình của Einstein, và theo lý thuyết hấp dẫn của ông, lực tương tác điện từ trong tự nhiên cũng là cơ bản.
Ngày xưa, người ta cho rằng chỉ có hai lực cơ bản này tồn tại, nhưng khoa học đã tiến lên, dần dần chứng minh rằng điều này hoàn toàn không phải như vậy. Ví dụ, với việc phát hiện ra hạt nhân nguyên tử, cần phải đưa ra khái niệm lực hạt nhân, nếu không thì làm sao hiểu được nguyên lý giữ các hạt bên trong hạt nhân, tại sao chúng không bay đi theo các hướng khác nhau. Hiểu được cách thức hoạt động của lực điện từ trong tự nhiên đã giúp đo lường, nghiên cứu và mô tả lực hạt nhân. Tuy nhiên, các nhà khoa học sau này đã đi đến kết luận rằng lực hạt nhân là thứ yếu và về nhiều mặt tương tự như lực van der Waals. Trên thực tế, chỉ những lực mà các quark cung cấp bằng cách tương tác với nhau mới thực sự là cơ bản. Sau đó, đã có - một hiệu ứng thứ cấp - là sự tương tác của trường điện từ giữa neutron và proton trong hạt nhân. Thực sự cơ bản là sự tương tác của các quark trao đổi gluon. Như vậy làlực lượng thực sự cơ bản thứ ba được phát hiện trong tự nhiên.
Tiếp tục câu chuyện này
Các hạt cơ bản phân rã, những hạt nặng - thành những hạt nhẹ hơn, và sự phân rã của chúng mô tả một lực tương tác điện từ mới, được gọi là lực tương tác yếu. Tại sao lại yếu? Có, vì tương tác điện từ trong tự nhiên mạnh hơn nhiều. Và một lần nữa, hóa ra lý thuyết tương tác yếu này, vốn đã đi vào bức tranh thế giới một cách hài hòa và ban đầu mô tả xuất sắc sự phân rã của các hạt cơ bản, lại không phản ánh các định đề tương tự nếu năng lượng tăng lên. Đó là lý do tại sao lý thuyết cũ được làm lại thành một lý thuyết khác - lý thuyết tương tác yếu, lần này trở nên phổ biến. Mặc dù nó được xây dựng dựa trên các nguyên tắc giống như các lý thuyết khác mô tả sự tương tác điện từ của các hạt. Trong thời hiện đại, có bốn tương tác cơ bản đã được nghiên cứu và chứng minh, và tương tác thứ năm đang trên đường đi, nó sẽ được thảo luận sau. Cả bốn - lực hấp dẫn, mạnh, yếu, điện từ - đều được xây dựng trên một nguyên tắc duy nhất: lực phát sinh giữa các hạt là kết quả của một số trao đổi được thực hiện bởi một chất mang, hay nói cách khác - một chất trung gian tương tác.
Đây là loại trợ giúp nào? Đây là một photon - một hạt không có khối lượng, nhưng vẫn xây dựng thành công tương tác điện từ do trao đổi lượng tử sóng điện từ hoặc lượng tử ánh sáng. Tương tác điện từ được thực hiệnbởi các photon trong trường hạt mang điện giao tiếp với một lực nhất định, đây chính xác là những gì định luật Coulomb giải thích. Có một loại hạt không khối lượng khác - hạt gluon, có tám loại hạt của nó, nó giúp các hạt quark giao tiếp với nhau. Tương tác điện từ này là lực hút giữa các điện tích, và nó được gọi là mạnh. Đúng, và tương tác yếu không hoàn toàn nếu không có vật trung gian, đó là các hạt có khối lượng, hơn nữa, chúng có khối lượng lớn, tức là nặng. Đây là các boson vector trung gian. Khối lượng và độ nặng của chúng giải thích sự yếu kém của tương tác. Lực hấp dẫn tạo ra sự trao đổi một lượng tử của trường hấp dẫn. Tương tác điện từ này là lực hút của các hạt, nó vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ, graviton thậm chí chưa được phát hiện bằng thực nghiệm và lực hấp dẫn lượng tử chưa được chúng ta cảm nhận đầy đủ, đó là lý do tại sao chúng ta chưa thể mô tả nó.
Lực lượng thứ năm
Chúng ta đã xem xét bốn loại tương tác cơ bản: mạnh, yếu, điện từ, hấp dẫn. Tương tác là một hành động trao đổi hạt nhất định, và người ta không thể thực hiện nếu không có khái niệm đối xứng, vì không có tương tác nào không gắn liền với nó. Chính cô ấy là người xác định số lượng các hạt và khối lượng của chúng. Với tính đối xứng chính xác, khối lượng luôn bằng không. Vì vậy, một photon và một gluon không có khối lượng, nó bằng 0, và một graviton thì không. Và nếu sự đối xứng bị phá vỡ, khối lượng sẽ không còn nữa. Do đó, bò rừng vectơ trung gian có khối lượng vì tính đối xứng bị phá vỡ. Bốn tương tác cơ bản này giải thích mọi thứchúng tôi nhìn thấy và cảm nhận. Các lực còn lại chỉ ra rằng tương tác điện từ của chúng là thứ cấp. Tuy nhiên, vào năm 2012, có một bước đột phá trong khoa học và một hạt khác được phát hiện, hạt này ngay lập tức trở nên nổi tiếng. Cuộc cách mạng trong thế giới khoa học được tổ chức bởi sự phát hiện ra hạt boson Higgs, hóa ra nó cũng đóng vai trò là vật mang tương tác giữa lepton và hạt quark.
Đó là lý do tại sao các nhà vật lý hiện đang nói rằng lực thứ năm đã xuất hiện, qua trung gian của hạt Higgs. Tính đối xứng cũng bị phá vỡ ở đây: boson Higgs có khối lượng. Như vậy, số lượng tương tác (từ "lực" được thay thế bằng từ này trong vật lý hạt hiện đại) lên tới năm. Có lẽ chúng ta đang chờ đợi những khám phá mới, bởi vì chúng ta không biết chính xác liệu có những tương tác nào khác ngoài những điều này hay không. Rất có thể mô hình mà chúng ta đã xây dựng và chúng ta đang xem xét ngày nay, dường như có thể giải thích một cách hoàn hảo tất cả các hiện tượng được quan sát trên thế giới, không hoàn toàn đầy đủ. Và có lẽ, sau một thời gian, những tương tác mới hoặc lực lượng mới sẽ xuất hiện. Một xác suất như vậy tồn tại, nếu chỉ vì chúng ta dần dần biết rằng có những tương tác cơ bản được biết đến ngày nay - mạnh, yếu, điện từ, hấp dẫn. Rốt cuộc, nếu tồn tại các hạt siêu đối xứng trong tự nhiên, vốn đã được nói đến trong giới khoa học, thì điều này có nghĩa là sự tồn tại của một đối xứng mới, và đối xứng luôn kéo theo sự xuất hiện của các hạt mới, chất trung gian giữa chúng. Do đó, chúng ta sẽ nghe về một lực cơ bản chưa từng được biết đến trước đây, như chúng ta đã từng ngạc nhiên học được rằngcó, ví dụ, điện từ, tương tác yếu. Kiến thức của chúng ta về bản chất của chính chúng ta rất không đầy đủ.
Kết nối
Điều thú vị nhất là bất kỳ tương tác mới nào nhất thiết phải dẫn đến một hiện tượng hoàn toàn chưa được biết đến. Ví dụ, nếu chúng ta không học về tương tác yếu, chúng ta sẽ không bao giờ phát hiện ra sự phân rã, và nếu không có kiến thức về sự phân rã, thì sẽ không thể nghiên cứu được phản ứng hạt nhân. Và nếu chúng ta không biết đến phản ứng hạt nhân, chúng ta sẽ không hiểu được cách mặt trời chiếu sáng cho chúng ta. Rốt cuộc, nếu nó không tỏa sáng, sự sống trên Trái đất sẽ không hình thành. Vì vậy, sự hiện diện của tương tác nói rằng nó rất quan trọng. Nếu không có lực tương tác mạnh thì sẽ không có hạt nhân nguyên tử bền vững. Do tương tác điện từ, Trái đất nhận năng lượng từ Mặt trời, và các tia sáng phát ra từ nó làm ấm hành tinh. Và tất cả các tương tác mà chúng tôi biết là hoàn toàn cần thiết. Đây là một ví dụ như hạt Higgs. Boson Higgs cung cấp cho hạt khối lượng thông qua tương tác với trường, nếu không có trường này thì chúng ta đã không thể sống sót. Và làm thế nào để ở trên bề mặt của hành tinh mà không có tương tác hấp dẫn? Điều đó sẽ không chỉ đối với chúng tôi, mà còn là điều không thể xảy ra.
Hoàn toàn tất cả các tương tác, ngay cả những tương tác mà chúng ta chưa biết về nó, là một điều cần thiết để mọi thứ mà nhân loại biết, hiểu và yêu thích tồn tại. Những gì chúng ta có thể không biết? Có rất nhiều. Ví dụ, chúng ta biết rằng proton ổn định trong hạt nhân. Điều này rất, rất quan trọng đối với chúng tôi.ổn định, nếu không thì cuộc sống sẽ không tồn tại theo cách tương tự. Tuy nhiên, các thí nghiệm cho thấy tuổi thọ của proton là một đại lượng có giới hạn về thời gian. Tất nhiên là dài, 1034năm. Nhưng điều này có nghĩa là sớm hay muộn thì proton cũng sẽ phân rã, và điều này sẽ đòi hỏi một lực mới, tức là một tương tác mới. Về sự phân rã proton, đã có những lý thuyết trong đó giả định mức độ đối xứng mới cao hơn nhiều, có nghĩa là một tương tác mới cũng có thể tồn tại, mà chúng ta vẫn chưa biết gì về nó.
Đại thống nhất
Trong sự thống nhất của tự nhiên, nguyên tắc duy nhất của việc xây dựng tất cả các tương tác cơ bản. Nhiều người thắc mắc về con số và lời giải thích lý do cho con số đặc biệt này. Rất nhiều phiên bản đã được xây dựng ở đây, và chúng rất khác nhau về các kết luận rút ra. Họ giải thích sự hiện diện của một số tương tác cơ bản như vậy theo nhiều cách khác nhau, nhưng tất cả đều dựa trên một nguyên tắc duy nhất là xây dựng bằng chứng. Các nhà nghiên cứu luôn cố gắng kết hợp các loại tương tác đa dạng nhất thành một. Do đó, những lý thuyết như vậy được gọi là lý thuyết Đại thống nhất. Như thể cành cây thế giới: có rất nhiều cành, nhưng thân cây luôn là một.
Tất cả chỉ vì có một ý tưởng hợp nhất tất cả những lý thuyết này. Gốc của tất cả các tương tác đã biết đều giống nhau, nuôi dưỡng một thân, do mất tính đối xứng, bắt đầu phân nhánh và hình thành các tương tác cơ bản khác nhau, mà chúng ta có thể thực nghiệmquan sát. Giả thuyết này vẫn chưa thể được kiểm tra, bởi vì nó đòi hỏi năng lượng vật lý cực kỳ cao, không thể tiếp cận được với các thí nghiệm ngày nay. Cũng có thể là chúng ta sẽ không bao giờ làm chủ được những năng lượng này. Nhưng hoàn toàn có thể vượt qua trở ngại này.
Căn
Chúng ta có Vũ trụ, máy gia tốc tự nhiên này và tất cả các quá trình diễn ra trong nó giúp chúng ta có thể kiểm tra ngay cả những giả thuyết táo bạo nhất liên quan đến gốc rễ chung của tất cả các tương tác đã biết. Một nhiệm vụ thú vị khác là tìm hiểu các tương tác trong tự nhiên, có lẽ còn khó hơn. Cần phải hiểu trọng lực liên quan như thế nào với các lực còn lại của tự nhiên. Tương tác cơ bản này không có gì khác biệt, mặc dù thực tế là lý thuyết này giống với tất cả các lý thuyết khác theo nguyên tắc xây dựng.
Einstein đã tham gia vào lý thuyết hấp dẫn, cố gắng kết nối nó với điện từ học. Mặc dù có vẻ thực tế là giải quyết vấn đề này, nhưng lý thuyết đã không hoạt động sau đó. Bây giờ nhân loại biết nhiều hơn một chút, trong mọi trường hợp, chúng ta biết về các tương tác mạnh và yếu. Và nếu bây giờ xây dựng xong lý thuyết thống nhất này, thì sự thiếu hụt kiến thức chắc chắn sẽ có tác dụng trở lại. Cho đến nay, vẫn chưa thể đặt lực hấp dẫn ngang hàng với các tương tác khác, vì mọi người đều tuân theo các định luật do vật lý lượng tử ra lệnh, nhưng lực hấp dẫn thì không. Theo lý thuyết lượng tử, tất cả các hạt đều là lượng tử của một trường cụ thể nào đó. Nhưng lực hấp dẫn lượng tử không tồn tại, ít nhất là chưa. Tuy nhiên, số lượng các tương tác đã mở lặp lại nhiều lần khiến nó không thể nhưnglà một loại kế hoạch thống nhất nào đó.
Điện trường
Trở lại năm 1860, nhà vật lý vĩ đại của thế kỷ 19 James Maxwell đã tìm cách tạo ra một lý thuyết giải thích hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi từ trường thay đổi theo thời gian, một điện trường được hình thành tại một điểm nhất định trong không gian. Và nếu một dây dẫn kín được tìm thấy trong trường này, thì trong điện trường sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng. Với lý thuyết về trường điện từ của mình, Maxwell chứng minh rằng quá trình ngược lại cũng có thể xảy ra: nếu bạn thay đổi điện trường theo thời gian tại một điểm nhất định trong không gian, một từ trường chắc chắn sẽ xuất hiện. Điều này có nghĩa là bất kỳ sự thay đổi nào về thời gian của từ trường đều có thể gây ra sự xuất hiện của một điện trường thay đổi, và sự thay đổi trong điện trường có thể tạo ra một từ trường thay đổi. Các biến này, các trường sinh ra lẫn nhau, tổ chức một trường duy nhất - điện từ.
Kết quả quan trọng nhất nảy sinh từ các công thức của lý thuyết Maxwell là dự đoán rằng có sóng điện từ, tức là trường điện từ lan truyền trong thời gian và không gian. Nguồn của trường điện từ là các điện tích chuyển động với gia tốc. Không giống như sóng âm thanh (đàn hồi), sóng điện từ có thể lan truyền trong bất kỳ chất nào, ngay cả trong chân không. Tương tác điện từ trong chân không lan truyền với tốc độ ánh sáng (c=299,792 km / giây). Bước sóng có thể khác nhau. Sóng điện từ từ vạn mét đến 0,005 mét làsóng vô tuyến phục vụ chúng ta để truyền thông tin, tức là tín hiệu trong một khoảng cách nhất định mà không cần bất kỳ dây dẫn nào. Sóng vô tuyến được tạo ra bởi dòng điện ở tần số cao chạy trong ăng-ten.
Sóng là gì
Nếu bước sóng của bức xạ điện từ từ 0,005 mét đến 1 micromet, tức là những bức xạ nằm trong phạm vi giữa sóng vô tuyến và ánh sáng nhìn thấy là bức xạ hồng ngoại. Nó được phát ra bởi tất cả các cơ quan được đốt nóng: pin, bếp, đèn sợi đốt. Các thiết bị đặc biệt chuyển đổi bức xạ hồng ngoại thành ánh sáng khả kiến để thu được hình ảnh của các vật thể phát ra nó, ngay cả trong bóng tối tuyệt đối. Ánh sáng khả kiến phát ra bước sóng từ 770 đến 380 nanomet - tạo ra màu từ đỏ đến tím. Phần quang phổ này cực kỳ quan trọng đối với cuộc sống con người, bởi vì chúng ta nhận được một phần lớn thông tin về thế giới thông qua tầm nhìn.
Nếu bức xạ điện từ có bước sóng ngắn hơn tia cực tím, thì đó là tia cực tím, có tác dụng tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh. Tia X không nhìn thấy được đối với mắt. Chúng hầu như không hấp thụ các lớp vật chất mờ đục đối với ánh sáng nhìn thấy. Bức xạ tia X chẩn đoán bệnh của các cơ quan nội tạng của con người và động vật. Nếu bức xạ điện từ phát sinh từ tương tác của các hạt cơ bản và được phát ra bởi các hạt nhân bị kích thích thì sẽ thu được bức xạ gamma. Đây là phạm vi rộng nhất trong phổ điện từ vì nó không bị giới hạn ở năng lượng cao. Bức xạ gamma có thể mềm và cứng: sự chuyển đổi năng lượng bên trong hạt nhân nguyên tử -mềm, và trong phản ứng hạt nhân - cứng. Những lượng tử này dễ dàng phá hủy các phân tử, và đặc biệt là các phân tử sinh học. May mắn thay, bức xạ gamma không thể đi qua bầu khí quyển. Tia gamma có thể được quan sát từ không gian. Ở năng lượng siêu cao, tương tác điện từ lan truyền với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng: các lượng tử gamma nghiền nát hạt nhân của nguyên tử, phá vỡ chúng thành các hạt bay theo các hướng khác nhau. Khi phanh, chúng phát ra ánh sáng có thể nhìn thấy qua kính thiên văn đặc biệt.
Từ quá khứ đến tương lai
Sóng điện từ, như đã đề cập, đã được Maxwell dự đoán. Ông đã nghiên cứu cẩn thận và cố gắng tin vào toán học những bức ảnh hơi ngây thơ của Faraday, mô tả các hiện tượng điện và từ. Chính Maxwell là người đã phát hiện ra sự vắng mặt của tính đối xứng. Và chính ông là người đã chứng minh được bằng một số phương trình rằng điện trường xoay chiều tạo ra từ trường và ngược lại. Điều này dẫn ông đến ý tưởng rằng các trường như vậy tách ra khỏi vật dẫn và di chuyển trong chân không với một tốc độ khổng lồ nào đó. Và anh ấy đã tìm ra. Tốc độ gần ba trăm nghìn km / giây.
Đây là cách lý thuyết và thực nghiệm tương tác. Một ví dụ là khám phá, nhờ đó chúng ta biết được về sự tồn tại của sóng điện từ. Với sự trợ giúp của vật lý, các khái niệm hoàn toàn không đồng nhất đã được kết hợp trong đó - từ tính và điện, vì đây là một hiện tượng vật lý có cùng trật tự, chỉ là các mặt khác nhau của nó tương tác với nhau. Các lý thuyết được xây dựng lần lượt và tất cảchúng có liên quan chặt chẽ với nhau: lý thuyết về tương tác điện yếu, ví dụ, trong đó lực hạt nhân và lực điện từ yếu được mô tả từ các vị trí giống nhau, sau đó tất cả điều này được thống nhất bởi sắc động lực học lượng tử, bao gồm các tương tác mạnh và điện yếu (ở đây là độ chính xác vẫn thấp hơn, nhưng công việc vẫn tiếp tục). Các lĩnh vực vật lý như lực hấp dẫn lượng tử và lý thuyết dây đang được nghiên cứu chuyên sâu.
Kết luận
Hóa ra không gian xung quanh chúng ta hoàn toàn tràn ngập bức xạ điện từ: đó là các ngôi sao và Mặt trời, Mặt trăng và các thiên thể khác, đây là chính Trái đất, và mọi chiếc điện thoại trong tay của con người., và ăng-ten của đài phát thanh - tất cả những thứ này phát ra sóng điện từ, được đặt tên khác nhau. Tùy thuộc vào tần số dao động mà một vật thể phát ra, bức xạ hồng ngoại, sóng vô tuyến, ánh sáng nhìn thấy, tia trường sinh học, tia X và những thứ tương tự được phân biệt.
Khi một trường điện từ lan truyền, nó sẽ trở thành sóng điện từ. Nó chỉ đơn giản là một nguồn năng lượng vô tận, làm cho điện tích của các phân tử và nguyên tử dao động. Và nếu điện tích dao động, chuyển động của nó sẽ được tăng tốc, và do đó phát ra sóng điện từ. Nếu từ trường thay đổi, một điện trường xoáy được kích thích, do đó, kích thích một từ trường xoáy. Quá trình này xuyên suốt không gian, bao trùm hết điểm này đến điểm khác.
