Электрамагнітнае ўзаемадзеянне часціц

У дадзеным артыкуле будзе разгледжана тое, што называецца сіламі прыроды, - фундаментальнае электрамагнітнае ўзаемадзеянне і прынцыпы, на якіх яно будуецца. Таксама будзе расказана аб магчымасцях існавання новых падыходаў да вывучэння гэтай тэмы. Яшчэ ў школе на ўроках фізікі навучэнцы сутыкаюцца з тлумачэннем паняцця "сіла". Яны даведаюцца, што сілы могуць быць самымі разнастайнымі - сіла трэння, сіла прыцягнення, сіла пругкасці і мноства таму падобных. Не ўсе яны могуць называцца фундаментальнымі, паколькі вельмі часта з'ява сілы другі раз (сіла трэння, напрыклад, з яе узаемадзеяннем малекул). Электрамагнітнае ўзаемадзеянне таксама можа быць другасным - як следства. Малекулярная фізіка прыводзіць у прыклад сілы Ван-дэр-Ваальса. Таксама шмат прыкладаў дае і фізіка элементарных часціц.

У прыродзе

Хацелася б дакапацца да самай сутнасці працэсаў, якія адбываюцца ў прыродзе, калі яна прымушае працаваць электрамагнітнае ўзаемадзеянне. Што менавіта з'яўляецца фундаментальнай сілай, якая вызначае ўсе пабудаваныя ёю другасныя сілы? Усе ведаюць, што электрамагнітнае ўзаемадзеянне, або, як яшчэ яго называюць, электрычныя сілы, з'яўляецца фундаментальным. Пра гэта кажа закон Кулона, які мае ўласнае абагульненне, якое вынікае з раўнанняў Максвелла. Апошнія апісваюць ўсе існуючыя ў прыродзе магнітныя і электрычныя сілы. Менавіта таму даказана, што ўзаемадзеянне электрамагнітных палёў - фундаментальныя сілы прыроды. Наступны прыклад - сіла прыцягнення. Нават школьнікі ведаюць пра закон сусветнага прыцягнення Ісаака Ньютана, які таксама не так даўно атрымаў ўласнае абагульненне раўнаннямі Эйнштэйна, і, паводле яго тэорыі прыцягнення, гэтая сіла электрамагнітнага ўзаемадзеяння ў прыродзе таксама фундаментальная.

Калісьці даўно лічылася, што існуюць толькі дзве гэтыя фундаментальныя сілы, аднак навука ішла наперад, паступова даказваючы, што гэта зусім не так. Напрыклад, з адкрыццём атамнага ядра прыйшлося ўвесці паняцце ядзернай сілы, інакш як зразумець прынцып ўтрымання часціц ўнутры ядра, чаму яны не ляцяць у розныя бакі. Разуменне таго, як працуе электрамагнітнае ўзаемадзеянне ў прыродзе, дапамагло вымераць ядзерныя сілы, вывучыць і апісаць. Аднак пасля навукоўцы прыйшлі да высновы, што і ядзерныя сілы другасныя і па многіх праявам падобныя на сілы Ван-дэр-Ваальса. На самай справе сапраўды фундаментальныя толькі сілы, якія забяспечваюць кварк, узаемадзейнічаючы адзін з адным. Потым ужо - другасным эфектам - з'яўляецца ўзаемадзеянне электрамагнітных палёў паміж нейтронах і пратонамі ў ядры. Сапраўды фундаментальных з'яўляецца ўзаемадзеянне кваркаў, якія абменьваюцца глюонную. Такім чынам была знойдзена ў прыродзе трэцяя сапраўды фундаментальная сіла.

Працяг гэтай гісторыі

Элементарныя часціцы распадаюцца, цяжкія - на больш лёгкія, і іх распад апісвае новую сілу электрамагнітнага ўзаемадзеяння, якая так і названа - сіла слабога ўзаемадзеяння. Чаму слабога? Ды таму, што электрамагнітнае ўзаемадзеянне ў прыродзе значна мацней. І зноў жа аказалася, што гэтая тэорыя слабога ўзаемадзеяння, так стройна што ўстала ў карціну свету і першапачаткова цудоўна які апісвае распаду элементарных часціц, ня адлюстроўвала тыя ж пастулаты, калі энергія павышалася. А таму старая тэорыя была перапрацаваная ў іншую - тэорыю слабога ўзаемадзеяння, на гэты раз апынулася універсальнай. Хоць і пабудавана яна была на тых жа самых прынцыпах, што і астатнія тэорыі, апісваюць электрамагнітнае ўзаемадзеянне часціц. У сучаснасці існуюць чатыры вывучаных і даказаных фундаментальных узаемадзеянняў, і пятае - на падыходзе, пра яго будзе гаворка наперадзе. Усе чатыры - гравітацыйнае, моцнае, слабое, электрамагнітнае - пабудаваныя на адзіным прынцыпе: сіла, якая ўзнікае паміж часціцамі, ёсць вынік нейкага абмену, здзейсненага пераносчыкам, ці інакш - пасярэднікам ўзаемадзеяння.

Што ж гэта за памочнік? Гэта фатон - часціца без масы, але тым не менш паспяхова выбудоўвала электрамагнітнае ўзаемадзеянне за кошт абмену квантаў электрамагнітных хваль або квантаў святла. Электрамагнітнае ўзаемадзеянне ажыццяўляецца з дапамогай фатонаў ў полі зараджаных часціц, якія маюць зносіны з пэўнай сілай, як раз гэта і трактуе закон Кулона. Ёсць яшчэ адна безмассовая часціца - глюонную, яе існуе восем разнавіднасцяў, яна дапамагае мець зносіны кваркаў. Гэта электрамагнітнае ўзаемадзеянне з'яўляецца прыцягненнем паміж зарадамі, і яно называецца моцным. Ды і слабое ўзаемадзеянне не абыходзіцца без пасярэднікаў, якімі сталі часціцы з масай, больш за тое, яны масіўныя, то ёсць цяжкія. Гэта прамежкавыя вектарныя базоны. Іх масай і цяжарам тлумачыцца слабасць ўзаемадзеяння. Гравітацыйная ж сіла вырабляе абмен квантаў гравітацыйнага поля. Гэта электрамагнітнае ўзаемадзеянне з'яўляецца прыцягненнем часціц, яно вывучана пакуль недастаткова, гравитон нават эксперыментальна пакуль не знойдзены, а квантавая гравітацыя намі не цалкам адчуваецца, менавіта таму і апісаць мы яе пакуль не можам.

пятая сіла

Мы разгледзелі чатыры віды фундаментальнага ўзаемадзеяння: моцнае, слабое, электрамагнітнае, гравітацыйнае. Ўзаемадзеянне - гэта нейкі акт абмену часціцамі, і без паняцця сіметрыі ніяк не абысціся, паколькі не бывае ўзаемадзеяння, з ёю не звязанага. Менавіта яна вызначае колькасць часціц і іх масу. З дакладнай сіметрыяй маса заўсёды нулявая. Так, у фатона і глюонную масы няма, яна раўняецца нулю, у гравитона - таксама. А калі сіметрыя парушаецца, маса нулявы быць перастае. Так, прамежкавыя вектарныя бізоны маюць масу, таму што сіметрыя парушаная. Гэтымі чатырма фундаментальнымі ўзаемадзеяннямі тлумачыцца ўсё, што мы бачым і адчуваем. Астатнія сілы кажуць пра тое, што іх электрамагнітнае ўзаемадзеянне з'яўляецца другасным. Аднак у 2012 годзе адбыўся прарыў у навуцы і была выяўленая яшчэ адна часціца, адразу сталая знакамітай. Рэвалюцыю ў навуковым свеце арганізавала адкрыццё хиггсовского базона, які, як апынулася, таксама служыць пераносчыкам узаемадзеянняў паміж лептонов і кваркаў.

Менавіта таму і кажуць цяпер вучоныя-фізікі пра тое, што з'явілася пятая сіла, пасярэднікам якой апынуўся хиггсовский базон. Сіметрыя парушаная і тут: у хиггсовского базона ёсць маса. Такім чынам лік узаемадзеянняў (гэтым словам у сучаснай фізіцы часціц замяняецца слова "сіла") дасягнула пяці. Магчыма, нас чакаюць новыя адкрыцці, паколькі мы ў дакладнасці не ведаем, калі ці то яшчэ ўзаемадзеяння акрамя гэтых. Вельмі магчыма, што ўжо выбудаваная і сёння намі разгляданая мадэль, здавалася б, цудоўна якая тлумачыць усе з'явы, назіраныя ў свеце, і не зусім поўная. І магчыма, праз нейкі час з'явяцца новыя ўзаемадзеяння ці новыя сілы. Верагоднасць такая існуе хоць бы таму, што мы вельмі паступова даведваліся аб тым, што існуюць вядомыя на сённяшні дзень фундаментальныя ўзаемадзеяння - моцнае, слабое, электрамагнітнае, гравітацыйнае. Бо калі ёсць у прыродзе суперсимметричные часціцы, пра якія ўжо кажуць у вучоных свеце, то гэта азначае існаванне новай сіметрыі, а сіметрыя заўсёды цягне за сабой з'яўленне новых часціц, пасрэднікаў паміж імі. Такім чынам, мы пачуем аб раней невядомай фундаментальнай сіле, як некалі з здзіўленнем даведаліся, што існуюць, напрыклад, электрамагнітнае, слабое ўзаемадзеянне. Веды нашы адносна ўласнай прыроды вельмі няпоўныя.

ўзаемазвязанасць

Самае цікавае тое, што любое новае ўзаемадзеянне абавязкова павінна прыводзіць да зусім нязведанаму з'яве. Напрыклад, калі б мы не даведаліся аб слабым узаемадзеянні, ніколі не выявілі бы распад, а калі б не было ў нашым веданні распаду, ніякае вывучэнне ядзернай рэакцыі было б немагчыма. А калі б мы не ведалі ядзерных рэакцый, не зразумелі б, якім чынам свеціць нам сонейка. Бо калі б яно не свяціла, і жыццё на Зямлі не ўтварылася б. Так што наяўнасць ўзаемадзеяння кажа пра тое, што гэта жыццёва важна. Калі б моцнага ўзаемадзеяння не існавала, і атамных ядраў стабільных б не было. Дзякуючы электрамагнітнаму ўзаемадзеянню Зямля атрымлівае энергію ад Сонца, і прамяні святла, якія прылятаюць ад яго, грэюць планету. І ўсе вядомыя нам ўзаемадзеяння цалкам неабходныя. Вось хиггсовское, напрыклад. Хиггсовский базон забяспечвае частачцы масу з дапамогай ўзаемадзеяння з полем, мы без гэтага б не выжылі. А як без гравітацыйнага ўзаемадзеяння утрымацца на паверхні планеты? Гэта было б немагчыма не толькі нам, але і нічому наогул.

Абсалютна ўсе ўзаемадзеяння, нават тыя, пра якія мы пакуль не ведаем, з'яўляюцца неабходнасцю для таго, каб усё, што чалавецтва ведае, разумее і любіць, існавала. Што мы можам не ведаць? Ды многае. Напрыклад, мы ведаем, што пратон стабільны ў ядры. Вельмі і вельмі важная нам гэтая яго стабільнасць, інакш сапраўды гэтак жа не існавала б жыцця. Аднак эксперыменты кажуць пра тое, што жыццё пратона - велічыня ў часе абмежаваная. Доўгая, вядома, 10 ³⁴ гадоў. Але гэта значыць, што рана ці позна і пратон распадзецца, і для гэтага спатрэбіцца нейкая новая сіла, то ёсць новае ўзаемадзеянне. Адносна распаду пратона ўжо існуюць тэорыі, дзе мяркуецца новая, значна больш высокая ступень сіметрыі, значыць, і новае ўзаемадзеянне цалкам можа існаваць, пра які мы пакуль нічога не ведаем.

вялікае аб'яднанне

У адзінстве прыроды адзіны прынцып пабудовы ўсіх фундаментальных узаемадзеянняў. Шмат у каго ўзнікаюць пытанні адносна колькасці іх і тлумачэння прычын менавіта гэтай колькасці. Версій тут пабудавана вялікае мноства, і яны самыя розныя па зробленых высноў. Тлумачаць наяўнасць менавіта такога ліку фундаментальных узаемадзеянняў разнастайнымі спосабамі, але ўсе яны аказваюцца з адзіным прынцыпам выбудоўвання доказаў. Заўсёды самыя розныя віды узаемадзеянняў даследчыкі спрабуюць аб'яднаць у адно. Таму такія тэорыі і названы тэорыямі Вялікага аб'яднання. Нібы сусветнае дрэва галінуецца: галін мноства, а ствол заўсёды адзін.

Усё таму, што ёсць якая аб'ядноўвае ўсе гэтыя тэорыі ідэя. Корань ва ўсіх вядомых узаемадзеянняў адзіны, сілкавальны адзін ствол, які ў выніку згубы сіметрыі пачаў галінавацца і утварыў розныя фундаментальныя ўзаемадзеяння, якія мы можам эксперыментальна праназіраць. Гэтую гіпотэзу пакуль праверыць немагчыма, паколькі патрабуецца фізіка неймаверна высокіх энергій, недаступных эксперыментаў сённяшняга дня. Вельмі магчымы і такі варыянт, што мы ніколі гэтымі энергіямі ня авалодаем. Але абысці гэтую перашкоду цалкам можна.

асабняком

У нас ёсць Сусвет, гэты натуральны паскаральнік, і ўсе працэсы, якія ў ёй адбываюцца, даюць магчымасць правяраць нават самыя смелыя гіпотэзы адносна адзінага кораня ўсіх вядомых узаемадзеянняў. Іншы найцікавай задачай разумення узаемадзеянняў ў прыродзе з'яўляецца, бадай, яшчэ больш складаная. Неабходна зразумець, як суадносіцца гравітацыя з астатнімі сіламі прыроды. Гэта фундаментальнае ўзаемадзеянне варта як бы асобна, нягледзячы на тое, што па прынцыпе пабудовы гэтая тэорыя падобная на ўсе іншыя.

Эйнштэйн займаўся тэорыяй гравітацыі, спрабуючы звязаць яе з электрамагнетызму. Нягледзячы на ўяўную рэальнасць вырашэння гэтай праблемы, тэорыі тады ўсё-такі не атрымалася. Цяпер чалавецтва ведае некалькі больш, ва ўсякім выпадку нам вядома пра моцнае і слабое ўзаемадзеянне. І калі цяпер дабудоўваць гэтую адзіную тэорыю, то абавязкова адаб'ецца зноў недахоп ведаў. Да гэтай пары не ўдалося паставіць гравітацыю ў адзін шэраг з іншымі ўзаемадзеяннямі, паколькі ўсе падпарадкоўваюцца законам, якія дыктуе квантавая фізіка, а гравітацыя - не. Па квантавай тэорыі ўсё часціцы з'яўляюцца квантамі нейкага вызначанага поля. А вось квантавай гравітацыі не існуе, ва ўсякім разе, пакуль. Аднак колькасць ужо адкрытых узаемадзеянняў гучна паўтарае аб тым, што не можа не быць нейкай адзінай схемы.

электрычнае поле

Яшчэ ў 1860 годзе вялікаму фізіку дзевятнаццатага стагоддзя Джэймсу Максвел ўдалося стварыць тэорыю, якая тлумачыць электрамагнітную індукцыю. Пры змене ў часе магнітнага поля ў нейкай кропцы прасторы утворыцца электрычнае поле. А калі ў гэтым полі выявіцца замкнёнае правадыр, то ў электрычным полі з'яўляецца індукцыйны ток. Сваёй тэорыяй электрамагнітных палёў Максвел даказвае, што магчымы і зваротны працэс: калі змяніць ў часе электрычнае поле ў нейкай кропцы прасторы, абавязкова з'явіцца магнітнае поле. Значыць, любым змяненнем ў часе магнітнага поля можна выклікаць ўзнікненне зменлівага поля электрычнага, а зменай электрычнага можна атрымаць зменлівае поле магнітнае. Гэтымі зменнымі, спараджаюць адзін аднаго палямі арганізуецца адзінае поле - электрамагнітнае.

Найважнейшы вынік, які вынікае з формул тэорыі Максвелла, - прадказанне таго, што існуюць электрамагнітныя хвалі, гэта значыць якія распаўсюджваюцца электрамагнітныя поля ў часе і прасторы. Крыніцай электрамагнітнага поля з'яўляюцца рухаюцца з паскарэннем электрычныя зарады. У адрозненне ад гукавых (пругкіх) хваляў электрамагнітныя могуць распаўсюджвацца ў любым рэчыве, нават у вакууме. Электрамагнітнае ўзаемадзеянне ў вакууме распаўсюджваецца з хуткасцю святла (з = 299 792 кіламетра ў секунду). Даўжыня хвалі можа быць рознай. Электрамагнітныя хвалі ад дзесяці тысяч метраў да 0,005 метра - гэта радыёхвалі, якія служаць нам для перадачы інфармацыі, то ёсць сігналаў на пэўны адлегласць без усялякіх правадоў. Ствараюцца радыёхвалі токам на высокіх частотах, якія цякуць у антэны.

Якія бываюць хвалі

Калі даўжыня хвалі электрамагнітнага выпраменьвання складае ад 0,005 метра да 1 мікраметра, гэта значыць тыя, якія знаходзяцца ў дыяпазоне паміж радыёхвалях і бачным святлом, - гэта інфрачырвонае выпраменьванне. Яго выпускаюць ўсе нагрэтыя цела: батарэі, печы, лямпы напальвання. Спецыяльныя прыборы ператвараюць інфрачырвонае выпраменьванне ў бачнае святло, каб атрымаць малюнка прадметаў, выпраменьваючых яго, нават у абсалютнай цемры. Бачнае святло выпраменьвае хвалі даўжынёй ад 770 да 380 нанаметраў - атрымліваецца колер ад чырвонага да фіялетавага. Гэты ўчастак спектру мае для жыцця чалавека выключна вялікае значэнне, бо большую частку звестак пра свет мы атрымліваем з дапамогай зроку.

Калі электрамагнітнае выпраменьванне мае даўжыню хвалі меншую, чым фіялетавы колер, гэта ўльтрафіялет, які забівае хваробатворныя бактэрыі. Рэнтгенаўскія прамяні воку не бачныя. Яны амаль не паглынаюць непразрыстыя для бачнага святла пласты рэчывы. Рэнтгенаўскім выпраменьваннем дыягнастуюцца захворванні ўнутраных органаў чалавека і жывёл. Калі ж электрамагнітнае выпраменьванне ўзнікае ад узаемадзеяння элементарных часціц і выпускае узбуджанымі ядрамі, атрымліваецца гама-выпраменьванне. Гэта найбольш шырокі дыяпазон у электрамагнітным спектры, таму што ён не абмяжоўваецца высокімі энергіямі. Гама-выпраменьванне можа быць мяккім і цвёрдым: энергетычныя пераходы ўнутры атамных ядраў - мяккае, а пры ядзерных рэакцыях - жорсткае. Гэтыя кванты лёгка бураць малекулы, і біялагічныя асабліва. Вялікае шчасце, што праз атмасферу гама-выпраменьванне прайсці не можа. Назіраць гама-кванты можна з космасу. Пры звышвысокіх энергіях электрамагнітнае ўзаемадзеянне распаўсюджваецца з хуткасцю, блізкай да светлавой: гама-кванты трушчаць ядра атамаў, разбіваючы іх на часціцы, разлятаюцца ў розныя бакі. Пры тармажэнні яны выпускаюць святло, бачны ў спецыяльныя тэлескопы.

З мінулага - у будучыню

Электрамагнітныя хвалі, як ужо было сказана, прадказаны Максвеллом. Ён старанна вывучаў і спрабаваў паверыць матэматыкай злёгку наіўныя карцінкі Фарадея, на якіх былі намаляваныя магнітныя і электрычныя з'явы. Менавіта Максвел выявіў адсутнасць сіметрыі. І менавіта яму ўдалося даказаць побач раўнанняў, што зменныя электрычныя поля спараджаюць магнітныя і наадварот. Гэта і наштурхнула яго на думку, што такія поля адрываюцца ад правадыроў і рухаюцца праз вакуум з нейкай гіганцкай хуткасцю. І ён вылічыў яе. Хуткасць апынулася блізкай да трёхстам тысячам кіламетраў у секунду.

Вось так ўзаемадзейнічаюць тэорыя і эксперымент. Прыкладам можа паслужыць адкрыццё, дзякуючы якому мы даведаліся пра існаванне электрамагнітных хваль. У ім аб'ядналіся з дапамогай фізікі абсалютна разнастайныя паняцці - магнетызм і электрычнасць, паколькі гэта фізічная з'ява аднаго парадку, проста розныя яго боку знаходзяцца ва ўзаемадзеянні. Тэорыі выстройваюцца адна за адной, і ўсе яны цесна звязаны адзін з адным: тэорыя электраслабага ўзаемадзеяння, напрыклад, дзе з адных і тых жа пазіцый апісваюцца слабыя ядзерныя сілы і электрамагнітныя, далей усё гэта аб'ядноўвае квантавая хромодинамика, якая ахоплівае моцнае і электрослабых ўзаемадзеяння (тут дакладнасць пакуль ніжэй, але праца працягваецца). Інтэнсіўна даследуюцца такія напрамкі фізікі, як квантавая гравітацыя і тэорыя струн.

высновы

Аказваецца, прастору, навакольнае нас, цалкам прасякнута электрамагнітнымі выпраменьваннямі: гэта зоркі і Сонца, Месяц і астатнія нябесныя целы, гэта і сама Зямля, і кожны тэлефон у руках у чалавека, і антэны радыёстанцый - усё гэта выпускае электрамагнітныя хвалі, па-рознаму які называецца . У залежнасці ад той частоты ваганняў, якую выпраменьвае прадмет, адрозніваюцца інфрачырвонае выпраменьванне, радыёхвалі, бачнае святло, прамяні біяполя, рэнтгенаўскія і таму падобныя.

Калі электрамагнітнае поле распаўсюджваецца, яно становіцца электрамагнітнай хваляй. Гэта крыніца энергіі проста невычэрпная, які прымушае вагацца электрычныя зарады малекул і атамаў. А калі зарад вагаецца, яго рух атрымлівае паскарэнне, а таму выпраменьвае электрамагнітную хвалю. Калі змяняецца магнітнае поле, ўзбуджаецца поле віхравое электрычнае, якое, у сваю чаргу, ўзбуджае поле віхравое магнітнае. Працэс ідзе праз прастору, ахопліваючы адну кропку за другой.