Aquest article considerarà el que s'anomena les forces de la natura: la interacció electromagnètica fonamental i els principis sobre els quals es basa. També es parlarà de les possibilitats de l'existència de nous plantejaments per a l'estudi d'aquest tema. Fins i tot a l'escola, a les classes de física, els alumnes s'enfronten a una explicació del concepte de "força". Aprenen que les forces poden ser molt diverses: la força de fricció, la força d'atracció, la força d'elasticitat i moltes altres. No tots es poden anomenar fonamentals, ja que molt sovint el fenomen de la força és secundari (la força de fricció, per exemple, amb la seva interacció de molècules). La interacció electromagnètica també pot ser secundària, com a conseqüència. La física molecular posa com a exemple la força de Van der Waals. La física de partícules també ofereix molts exemples.
A la natura
M'agradaria arribar al fons dels processos que ocorren a la natura, quan això fa que la interacció electromagnètica funcioni. Quina és exactament la força fonamental que determina totes les forces secundàries que ha construït?Tothom sap que la interacció electromagnètica, o, com també s'anomena, les forces elèctriques, és fonamental. Això ho demostra la llei de Coulomb, que té la seva pròpia generalització a partir de les equacions de Maxwell. Aquests últims descriuen totes les forces magnètiques i elèctriques que existeixen a la natura. Per això s'ha comprovat que la interacció dels camps electromagnètics és la força fonamental de la natura. El següent exemple és la gravetat. Fins i tot els escolars coneixen la llei de la gravitació universal d'Isaac Newton, que també va rebre recentment la seva pròpia generalització mitjançant les equacions d'Einstein i, segons la seva teoria de la gravetat, aquesta força d'interacció electromagnètica a la natura també és fonamental.
Hi havia una vegada es pensava que només existien aquestes dues forces fonamentals, però la ciència ha avançat, demostrant progressivament que no és gens així. Per exemple, amb el descobriment del nucli atòmic, va ser necessari introduir el concepte de força nuclear, en cas contrari, com entendre el principi de mantenir les partícules dins del nucli, per què no volen en diferents direccions. Entendre com funciona la força electromagnètica a la natura ha ajudat a mesurar, estudiar i descriure les forces nuclears. Tanmateix, els científics posteriors van arribar a la conclusió que les forces nuclears són secundàries i, en molts aspectes, semblants a les forces de van der Waals. De fet, només les forces que els quarks proporcionen en interactuar entre ells són realment fonamentals. Llavors ja -un efecte secundari- és la interacció dels camps electromagnètics entre neutrons i protons del nucli. Veritablement fonamental és la interacció dels quarks que intercanvien gluons. Així va seruna tercera força veritablement fonamental descoberta a la natura.
Continuació d'aquesta història
Les partícules elementals es desintegren, les pesades, en més lleugeres, i la seva desintegració descriu una nova força d'interacció electromagnètica, que s'anomena així: la força de la interacció feble. Per què feble? Sí, perquè la interacció electromagnètica a la natura és molt més forta. I de nou, va resultar que aquesta teoria de la interacció feble, que tan harmònicament va entrar en la imatge del món i inicialment va descriure excel·lentment les desintegracions de les partícules elementals, no reflectia els mateixos postulats si augmentava l'energia. És per això que l'antiga teoria es va reelaborar en una altra: la teoria de la interacció feble, aquesta vegada va resultar ser universal. Encara que es va construir sobre els mateixos principis que altres teories que descriuen la interacció electromagnètica de les partícules. En els temps moderns, hi ha quatre interaccions fonamentals estudiades i provades, i la cinquena està en camí, en parlarem més endavant. Tots quatre (gravitacional, fort, feble, electromagnètic) es basen en un únic principi: la força que sorgeix entre les partícules és el resultat d'algun intercanvi realitzat per un portador o, en cas contrari, un mediador d'interacció.
Quin tipus d'ajudant és aquest? Aquest és un fotó: una partícula sense massa, però que, tanmateix, construeix amb èxit la interacció electromagnètica a causa de l'intercanvi d'un quàntic d'ones electromagnètiques o un quàntic de llum. Es realitza la interacció electromagnèticaper mitjà de fotons en el camp de partícules carregades que es comuniquen amb una força determinada, això és precisament el que interpreta la llei de Coulomb. Hi ha una altra partícula sense massa: el gluó, n'hi ha vuit varietats, que ajuda els quarks a comunicar-se. Aquesta interacció electromagnètica és una atracció entre càrregues, i s'anomena forta. Sí, i la interacció feble no està completa sense intermediaris, que són partícules amb massa, a més, són massives, és a dir, pesades. Aquests són bosons vectors intermedis. La seva massa i pesadesa expliquen la debilitat de la interacció. La força gravitatòria produeix un intercanvi d'un quàntic del camp gravitatori. Aquesta interacció electromagnètica és l'atracció de les partícules, encara no s'ha estudiat prou, ni tan sols s'ha detectat experimentalment el gravitó i la gravetat quàntica no la sentim completament, per això encara no la podem descriure..
La cinquena força
Hem considerat quatre tipus d'interacció fonamental: forta, feble, electromagnètica, gravitatòria. La interacció és un cert acte d'intercanvi de partícules, i no es pot prescindir del concepte de simetria, ja que no hi ha interacció que no hi estigui associada. És ella qui determina el nombre de partícules i la seva massa. Amb simetria exacta, la massa sempre és zero. Per tant, un fotó i un gluó no tenen massa, és igual a zero i un gravitó no. I si es trenca la simetria, la massa deixa de ser zero. Així, els bisó vectors intermedis tenen massa perquè la simetria es trenca. Aquestes quatre interaccions fonamentals expliquen tot aixòveiem i sentim. La resta de forces indiquen que la seva interacció electromagnètica és secundària. Tanmateix, l'any 2012 es va produir un avenç en la ciència i es va descobrir una altra partícula, que de seguida es va fer famosa. La revolució en el món científic va ser organitzada pel descobriment del bosó de Higgs, que, segons va resultar, també serveix com a portador d'interaccions entre leptons i quarks.
És per això que els físics diuen ara que ha aparegut una cinquena força, mediada pel bosó de Higgs. La simetria també es trenca aquí: el bosó de Higgs té una massa. Així, el nombre d'interaccions (la paraula "força" és substituïda per aquesta paraula en la física de partícules moderna) va arribar a cinc. Potser estem esperant nous descobriments, perquè no sabem exactament si hi ha altres interaccions a part d'aquestes. És molt possible que el model que ja hem construït i que estem considerant avui, que sembla que explica perfectament tots els fenòmens observats al món, no estigui del tot complet. I potser, al cap d'un temps, apareixeran noves interaccions o noves forces. Aquesta probabilitat existeix, encara que només sigui perquè hem après molt gradualment que hi ha interaccions fonamentals conegudes avui dia: fortes, febles, electromagnètiques, gravitatòries. Al cap i a la fi, si a la natura hi ha partícules supersimètriques, de les quals ja se'n parla en el món científic, això significa l'existència d'una nova simetria, i la simetria sempre comporta l'aparició de noves partícules, mediadores entre elles. Així, escoltarem parlar d'una força fonamental fins ara desconeguda, com ho vam saber una vegada amb sorpresahi ha, per exemple, interacció electromagnètica, dèbil. El nostre coneixement de la nostra pròpia naturalesa és molt incomplet.
Connexió
El més interessant és que qualsevol nova interacció ha de conduir necessàriament a un fenomen completament desconegut. Per exemple, si no haguéssim après la interacció feble, mai hauríem descobert la desintegració, i si no fos pel nostre coneixement de la desintegració, no seria possible cap estudi de la reacció nuclear. I si no coneguéssim les reaccions nuclears, no entendríem com ens brilla el sol. Al cap i a la fi, si no hagués brillant, la vida a la Terra no s'hauria format. Així que la presència d'interacció diu que és vital. Si no hi hagués una interacció forta, no hi hauria nuclis atòmics estables. A causa de la interacció electromagnètica, la Terra rep energia del Sol, i els raigs de llum que en provenen escalfen el planeta. I totes les interaccions que coneixem són absolutament necessàries. Aquí hi ha el de Higgs, per exemple. El bosó de Higgs proporciona massa a la partícula mitjançant la interacció amb el camp, sense la qual no hauríem sobreviscut. I com romandre a la superfície del planeta sense interacció gravitatòria? Seria impossible no només per a nos altres, sinó per res de res.
Absolutament totes les interaccions, fins i tot les que encara no coneixem, són una necessitat perquè existeixi tot allò que la humanitat coneix, entén i estima. Què no podem saber? Sí molt. Per exemple, sabem que el protó és estable al nucli. Això és molt, molt important per a nos altres.estabilitat, sinó la vida no existiria de la mateixa manera. Tanmateix, els experiments mostren que la vida d'un protó és una quantitat limitada en el temps. Llarg, és clar, 1034 anys. Però això vol dir que tard o d'hora el protó també decairà, i això requerirà una força nova, és a dir, una nova interacció. Pel que fa a la desintegració dels protons, ja hi ha teories on s'assumeix un nou grau de simetria molt més alt, la qual cosa significa que bé pot existir una nova interacció, de la qual encara no sabem res.
Gran Unificació
En la unitat de la natura, l'únic principi per construir totes les interaccions fonamentals. Moltes persones tenen preguntes sobre el nombre d'ells i l'explicació dels motius d'aquest nombre en concret. Aquí s'han construït moltes versions, i són molt diferents pel que fa a les conclusions extretes. Expliquen la presència d'aquest nombre d'interaccions fonamentals de diverses maneres, però tots resulten amb un únic principi de generació d'evidències. Els investigadors sempre intenten combinar els més diversos tipus d'interaccions en una sola. Per tant, aquestes teories s'anomenen teories de la Gran Unificació. Com si les branques de l'arbre del món: hi ha moltes branques, però el tronc sempre és un.
Tot perquè hi ha una idea que uneix totes aquestes teories. L'arrel de totes les interaccions conegudes és la mateixa, alimentant un tronc, que, com a conseqüència de la pèrdua de simetria, va començar a ramificar-se i va formar diferents interaccions fonamentals, que podem experimentalment.observar. Aquesta hipòtesi encara no es pot provar, perquè requereix una física d'energia increïblement alta, inaccessible als experiments actuals. També és possible que mai dominem aquestes energies. Però és molt possible sortejar aquest obstacle.
Apartament
Tenim l'Univers, aquest accelerador natural, i tots els processos que hi tenen lloc permeten provar fins i tot les hipòtesis més agosarades sobre l'arrel comuna de totes les interaccions conegudes. Una altra tasca interessant d'entendre les interaccions a la natura és, potser, encara més difícil. Cal entendre com es relaciona la gravetat amb la resta de forces de la natura. Aquesta interacció fonamental es distingeix, per dir-ho, malgrat que aquesta teoria és similar a totes les altres pel principi de construcció.
Einstein es va dedicar a la teoria de la gravetat, intentant connectar-la amb l'electromagnetisme. Malgrat l'aparent realitat de resoldre aquest problema, la teoria no va funcionar aleshores. Ara la humanitat sap una mica més, en tot cas, sabem de les interaccions fortes i febles. I si ara s'ha d'acabar de construir aquesta teoria unificada, aleshores la manca de coneixement sens dubte tornarà a tenir efecte. Fins ara, no s'ha pogut posar la gravetat a l'alçada d' altres interaccions, ja que tothom obeeix les lleis dictades per la física quàntica, però la gravetat no. Segons la teoria quàntica, totes les partícules són quantes d'algun camp particular. Però la gravetat quàntica no existeix, almenys encara. No obstant això, el nombre d'interaccions ja obertes repeteix en veu alta que no pot serser una mena d'esquema unificat.
Camp elèctric
L'any 1860, el gran físic del segle XIX James Maxwell va aconseguir crear una teoria que explicava la inducció electromagnètica. Quan el camp magnètic canvia amb el temps, es forma un camp elèctric en un punt determinat de l'espai. I si es troba un conductor tancat en aquest camp, aleshores apareix un corrent d'inducció en el camp elèctric. Amb la seva teoria dels camps electromagnètics, Maxwell demostra que el procés invers també és possible: si canvies el camp elèctric en el temps en un punt determinat de l'espai, sens dubte apareixerà un camp magnètic. Això vol dir que qualsevol canvi en el temps del camp magnètic pot provocar l'aparició d'un camp elèctric canviant, i un canvi en el camp elèctric pot produir un camp magnètic canviant. Aquestes variables, camps que es generen entre si, organitzen un sol camp: electromagnètic.
El resultat més important que sorgeix de les fórmules de la teoria de Maxwell és la predicció que hi ha ones electromagnètiques, és a dir, camps electromagnètics que es propaguen en el temps i l'espai. La font del camp electromagnètic són les càrregues elèctriques que es mouen amb acceleració. A diferència de les ones sonores (elàstiques), les ones electromagnètiques es poden propagar en qualsevol substància, fins i tot en el buit. La interacció electromagnètica en el buit es propaga a la velocitat de la llum (c=299.792 quilòmetres per segon). La longitud d'ona pot ser diferent. Les ones electromagnètiques des de deu mil metres fins a 0,005 metres sónones de ràdio que ens serveixen per transmetre informació, és a dir, senyals a una distància determinada sense cap cable. Les ones de ràdio són creades pel corrent a freqüències altes que flueix per l'antena.
Quines són les onades
Si la longitud d'ona de la radiació electromagnètica està entre 0,005 metres i 1 micròmetre, és a dir, les que es troben en el rang entre les ones de ràdio i la llum visible són radiació infraroja. L'emeten tots els cossos escalfats: piles, estufes, làmpades incandescents. Dispositius especials converteixen la radiació infraroja en llum visible per tal d'obtenir imatges dels objectes que l'emeten, fins i tot en la foscor absoluta. La llum visible emet longituds d'ona que oscil·len entre 770 i 380 nanòmetres, donant com a resultat un color del vermell al morat. Aquesta secció de l'espectre és extremadament important per a la vida humana, perquè rebem una gran part de la informació sobre el món a través de la visió.
Si la radiació electromagnètica té una longitud d'ona més curta que la violeta, és ultraviolada, que mata els bacteris patògens. Els raigs X són invisibles als ulls. Gairebé no absorbeixen capes de matèria que són opaques a la llum visible. La radiació de raigs X diagnostica mal alties dels òrgans interns dels humans i dels animals. Si la radiació electromagnètica sorgeix de la interacció de partícules elementals i és emesa pels nuclis excitats, s'obté radiació gamma. Aquest és el rang més ampli de l'espectre electromagnètic perquè no es limita a altes energies. La radiació gamma pot ser suau i dura: transicions energètiques dins dels nuclis atòmics -suau, i en reaccions nuclears - dur. Aquests quants destrueixen fàcilment les molècules, i especialment les biològiques. Afortunadament, la radiació gamma no pot travessar l'atmosfera. Els raigs gamma es poden observar des de l'espai. A energies ultra altes, la interacció electromagnètica es propaga a una velocitat propera a la velocitat de la llum: els quants gamma aixafen els nuclis dels àtoms, trencant-los en partícules que volen en diferents direccions. Quan frenen, emeten llum visible a través de telescopis especials.
Del passat al futur
Les ones electromagnètiques, com ja s'ha esmentat, van ser predites per Maxwell. Va estudiar acuradament i va intentar creure matemàticament les imatges una mica ingènues de Faraday, que representaven fenòmens magnètics i elèctrics. Va ser Maxwell qui va descobrir l'absència de simetria. I va ser ell qui va aconseguir demostrar mitjançant una sèrie d'equacions que els camps elèctrics alterns en generen de magnètics i viceversa. Això el va portar a la idea que aquests camps es separen dels conductors i es mouen a través del buit a una velocitat gegantina. I ho va descobrir. La velocitat era propera als tres-cents mil quilòmetres per segon.
Així és com interactuen teoria i experiment. Un exemple és el descobriment, gràcies al qual vam conèixer l'existència d'ones electromagnètiques. Amb l'ajuda de la física, es van combinar conceptes completament heterogenis: magnetisme i electricitat, ja que es tracta d'un fenomen físic del mateix ordre, només els seus diferents costats estan en interacció. Les teories es construeixen una darrere l' altra, i totestan estretament relacionats entre si: la teoria de la interacció electrofeble, per exemple, on les forces nuclears i electromagnètiques febles es descriuen des de les mateixes posicions, tot això està unit per la cromodinàmica quàntica, que cobreix les interaccions fortes i electrofebles (aquí la precisió és encara més baix, però la feina continua). S'estan investigant intensament àrees de la física com la gravetat quàntica i la teoria de cordes.
Conclusions
Resulta que l'espai que ens envolta està completament impregnat de radiació electromagnètica: són les estrelles i el Sol, la Lluna i altres cossos celestes, això és la Terra mateixa, i cada telèfon a les mans d'una persona., i les antenes de les estacions de ràdio: tot això emet ones electromagnètiques, anomenades de manera diferent. En funció de la freqüència de vibracions que emet un objecte, es distingeixen radiació infraroja, ones de ràdio, llum visible, raigs de biocamp, raigs X i similars.
Quan es propaga un camp electromagnètic, es converteix en una ona electromagnètica. Simplement és una font inesgotable d'energia, que fa que les càrregues elèctriques de les molècules i els àtoms fluctuïn. I si la càrrega oscil·la, el seu moviment s'accelera i, per tant, emet una ona electromagnètica. Si el camp magnètic canvia, s'excita un camp elèctric de vòrtex, que, al seu torn, excita un camp magnètic de vòrtex. El procés passa per l'espai, cobrint un punt rere l' altre.
