Makala haya yatazingatia kile kinachoitwa nguvu za asili - mwingiliano wa kimsingi wa sumakuumeme na kanuni ambazo zimejengwa juu yake. Pia itazungumza juu ya uwezekano wa kuwepo kwa mbinu mpya za utafiti wa mada hii. Hata shuleni, katika masomo ya fizikia, wanafunzi wanakabiliwa na maelezo ya dhana ya "nguvu". Wanajifunza kwamba nguvu zinaweza kuwa tofauti sana - nguvu ya msuguano, nguvu ya kuvutia, nguvu ya elasticity na wengine wengi kama hiyo. Sio zote zinaweza kuitwa msingi, kwani mara nyingi jambo la nguvu ni la pili (nguvu ya msuguano, kwa mfano, na mwingiliano wake wa molekuli). Mwingiliano wa sumakuumeme pia unaweza kuwa wa pili - kama matokeo. Fizikia ya molekuli inataja nguvu ya Van der Waals kama mfano. Chembe fizikia pia inatoa mifano mingi.
Kwa asili
Ningependa kupata undani wa michakato inayotokea katika maumbile, inapofanya mwingiliano wa sumakuumeme kufanya kazi. Ni nini hasa nguvu ya msingi ambayo huamua nguvu zote za sekondari iliyojenga?Kila mtu anajua kuwa mwingiliano wa sumakuumeme, au, kama inaitwa pia, nguvu za umeme, ni msingi. Hii inathibitishwa na sheria ya Coulomb, ambayo ina jumla yake kufuatia milinganyo ya Maxwell. Mwisho huelezea nguvu zote za magnetic na umeme zilizopo katika asili. Ndio maana imethibitishwa kuwa mwingiliano wa uwanja wa sumakuumeme ndio nguvu kuu ya asili. Mfano unaofuata ni mvuto. Hata watoto wa shule wanajua kuhusu sheria ya uvutano wa ulimwengu wote ya Isaac Newton, ambaye pia hivi karibuni alipokea ujanibishaji wake mwenyewe kwa milinganyo ya Einstein, na, kulingana na nadharia yake ya uvutano, nguvu hii ya mwingiliano wa sumakuumeme katika maumbile pia ni ya msingi.
Hapo zamani, ilifikiriwa kuwa ni nguvu hizi mbili tu za kimsingi zipo, lakini sayansi imesonga mbele, ikithibitisha hatua kwa hatua kwamba hii sivyo kabisa. Kwa mfano, pamoja na ugunduzi wa kiini cha atomiki, ilikuwa ni lazima kuanzisha dhana ya nguvu ya nyuklia, vinginevyo jinsi ya kuelewa kanuni ya kuweka chembe ndani ya kiini, kwa nini haziruka mbali katika mwelekeo tofauti. Kuelewa jinsi nguvu ya sumakuumeme inavyofanya kazi katika maumbile kumesaidia kupima, kusoma na kuelezea nguvu za nyuklia. Hata hivyo, wanasayansi baadaye walifikia mkataa kwamba nguvu za nyuklia ni za pili na kwa njia nyingi sawa na vikosi vya van der Waals. Kwa kweli, ni nguvu tu ambazo quarks hutoa kwa kuingiliana na kila mmoja ni za kimsingi. Kisha tayari - athari ya sekondari - ni mwingiliano wa mashamba ya sumakuumeme kati ya neutroni na protoni katika kiini. Jambo la msingi sana ni mwingiliano wa quarks ambao hubadilishana gluons. Hivyo ndivyo ilivyokuwanguvu ya tatu ya kimsingi iliyogunduliwa katika maumbile.
Muendelezo wa hadithi hii
Chembe za msingi huoza, zito - kuwa nyepesi, na kuoza kwao huelezea nguvu mpya ya mwingiliano wa sumakuumeme, ambayo huitwa hivyo tu - nguvu ya mwingiliano dhaifu. Kwa nini dhaifu? Ndiyo, kwa sababu mwingiliano wa sumakuumeme katika asili ni nguvu zaidi. Na tena, ikawa kwamba nadharia hii ya mwingiliano dhaifu, ambayo iliingia kwa usawa katika picha ya ulimwengu na hapo awali ilielezea vyema kuoza kwa chembe za msingi, haikuonyesha mawasilisho sawa ikiwa nishati iliongezeka. Ndio maana nadharia ya zamani ilibadilishwa kuwa nyingine - nadharia ya mwingiliano dhaifu, wakati huu iligeuka kuwa ya ulimwengu wote. Ingawa ilijengwa kwa kanuni sawa na nadharia zingine zilizoelezea mwingiliano wa sumakuumeme wa chembe. Katika nyakati za kisasa, kuna maingiliano manne yaliyosomwa na kuthibitishwa, na ya tano iko njiani, itajadiliwa baadaye. Zote nne - nguvu za uvutano, nguvu, dhaifu, sumakuumeme - zimejengwa kwa kanuni moja: nguvu inayotokea kati ya chembe ni matokeo ya ubadilishanaji fulani unaofanywa na mtoa huduma, au vinginevyo - mpatanishi wa mwingiliano.
Huyu ni msaidizi wa aina gani? Hii ni photon - chembe bila wingi, lakini hata hivyo kwa mafanikio kujenga mwingiliano wa sumakuumeme kutokana na kubadilishana kwa kiasi cha mawimbi ya umeme au quantum ya mwanga. Mwingiliano wa sumakuumeme unafanywakwa njia ya fotoni katika uwanja wa chembe chaji zinazowasiliana na nguvu fulani, hivi ndivyo sheria ya Coulomb inavyofasiri. Kuna chembe nyingine isiyo na wingi - gluon, kuna aina nane zake, inasaidia quarks kuwasiliana. Mwingiliano huu wa sumakuumeme ni kivutio kati ya chaji, na inaitwa nguvu. Ndio, na mwingiliano dhaifu haujakamilika bila waamuzi, ambao ni chembe zilizo na misa, zaidi ya hayo, ni kubwa, ambayo ni nzito. Hizi ni bosons za vector za kati. Misa na uzito wao huelezea udhaifu wa mwingiliano. Nguvu ya mvuto hutoa kubadilishana kwa quantum ya uwanja wa mvuto. Mwingiliano huu wa sumakuumeme ni kivutio cha chembe, bado haujachunguzwa vya kutosha, graviton bado haijagunduliwa kwa majaribio, na mvuto wa quantum hatujahisi kikamilifu, ndiyo sababu hatuwezi kuuelezea bado.
Nguvu ya Tano
Tumezingatia aina nne za mwingiliano wa kimsingi: nguvu, dhaifu, sumakuumeme, na uvutano. Kuingiliana ni kitendo fulani cha kubadilishana chembe, na mtu hawezi kufanya bila dhana ya ulinganifu, kwa kuwa hakuna mwingiliano ambao hauhusiani nayo. Ni yeye ambaye huamua idadi ya chembe na wingi wao. Kwa ulinganifu halisi, wingi daima ni sifuri. Kwa hiyo, photon na gluon hazina wingi, ni sawa na sifuri, na graviton haina. Na ikiwa ulinganifu umevunjwa, wingi huacha kuwa sifuri. Kwa hivyo, bison ya vekta ya kati ina wingi kwa sababu ulinganifu umevunjika. Maingiliano haya manne ya kimsingi yanaelezea kila kitutunaona na kuhisi. Nguvu zilizobaki zinaonyesha kuwa mwingiliano wao wa sumakuumeme ni wa sekondari. Walakini, mnamo 2012 kulikuwa na mafanikio katika sayansi na chembe nyingine iligunduliwa, ambayo mara moja ikawa maarufu. Mapinduzi katika ulimwengu wa kisayansi yaliandaliwa na ugunduzi wa Higgs boson, ambayo, kama ilivyotokea, pia hutumika kama mtoaji wa mwingiliano kati ya leptoni na quarks.
Ndiyo maana wanafizikia sasa wanasema kwamba nguvu ya tano imetokea, iliyopatanishwa na kifua cha Higgs. Ulinganifu umevunjwa hapa pia: kifua cha Higgs kina misa. Kwa hivyo, idadi ya mwingiliano (neno "nguvu" inabadilishwa na neno hili katika fizikia ya kisasa ya chembe) ilifikia tano. Labda tunangojea uvumbuzi mpya, kwa sababu hatujui haswa ikiwa kuna mwingiliano mwingine kando na haya. Inawezekana sana kwamba mfano ambao tumejenga tayari na ambao tunazingatia leo, ambao utaonekana kuelezea kikamilifu matukio yote yaliyozingatiwa duniani, sio kamili kabisa. Na labda, baada ya muda fulani, mwingiliano mpya au nguvu mpya itaonekana. Uwezekano kama huo upo, ikiwa tu kwa sababu tulijifunza hatua kwa hatua kuwa kuna mwingiliano wa kimsingi unaojulikana leo - nguvu, dhaifu, sumakuumeme, mvuto. Baada ya yote, ikiwa kuna chembe za supersymmetric katika asili, ambazo tayari zinazungumzwa katika ulimwengu wa kisayansi, basi hii inamaanisha kuwepo kwa ulinganifu mpya, na ulinganifu daima unajumuisha kuonekana kwa chembe mpya, wapatanishi kati yao. Kwa hivyo, tutasikia juu ya nguvu ya msingi isiyojulikana hapo awali, kama vile tulijifunza kwa mshangaokuna, kwa mfano, sumakuumeme, mwingiliano dhaifu. Ufahamu wetu wa asili yetu haujakamilika sana.
Muunganisho
Jambo la kufurahisha zaidi ni kwamba mwingiliano wowote mpya lazima upeleke kwenye jambo lisilojulikana kabisa. Kwa mfano, ikiwa hatungejifunza juu ya mwingiliano dhaifu, hatungewahi kugundua uozo, na ikiwa sio ujuzi wetu wa kuoza, hakuna utafiti wa mmenyuko wa nyuklia ungewezekana. Na ikiwa hatukujua athari za nyuklia, hatungeelewa jinsi jua linavyotuangazia. Baada ya yote, ikiwa haingeangazia, maisha duniani yasingeundwa. Kwa hivyo uwepo wa mwingiliano unasema kuwa ni muhimu. Ikiwa hakungekuwa na mwingiliano wenye nguvu, kusingekuwa na nuclei za atomiki thabiti. Kwa sababu ya mwingiliano wa sumakuumeme, Dunia hupokea nishati kutoka kwa Jua, na miale ya mwanga inayotoka humo hupasha joto sayari. Na mwingiliano wote unaojulikana kwetu ni muhimu kabisa. Hapa kuna Higgs moja, kwa mfano. Boson ya Higgs hutoa chembe kwa wingi kwa njia ya mwingiliano na shamba, bila ambayo hatungeweza kuishi. Na jinsi ya kukaa juu ya uso wa sayari bila mwingiliano wa mvuto? Isingewezekana si kwetu tu, bali hata bure.
Kwa hakika maingiliano yote, hata yale ambayo bado hatujajua kuyahusu, ni hitaji la lazima kwa kila kitu ambacho ubinadamu anajua, kuelewa na kupenda kuwepo. Nini hatuwezi kujua? Ndiyo, mengi. Kwa mfano, tunajua kwamba protoni ni imara katika kiini. Hili ni muhimu sana sana kwetu.utulivu, vinginevyo maisha hayangekuwepo kwa njia sawa. Walakini, majaribio yanaonyesha kuwa maisha ya protoni ni kiwango cha muda. Muda mrefu, bila shaka, miaka 1034. Lakini hii inamaanisha kwamba mapema au baadaye protoni pia itaoza, na hii itahitaji nguvu mpya, ambayo ni, mwingiliano mpya. Kuhusu kuoza kwa protoni, tayari kuna nadharia ambapo kiwango kipya, cha juu zaidi cha ulinganifu kinachukuliwa, ambayo ina maana kwamba mwingiliano mpya unaweza kuwepo, ambao bado hatujui lolote kuuhusu.
Grand Unification
Katika umoja wa asili, kanuni pekee ya kujenga mwingiliano wote wa kimsingi. Watu wengi wana maswali juu ya idadi yao na maelezo ya sababu za nambari hii. Matoleo mengi sana yamejengwa hapa, na ni tofauti sana katika suala la hitimisho lililotolewa. Wanaelezea uwepo wa idadi kama hiyo ya mwingiliano wa kimsingi kwa njia tofauti, lakini zote zinageuka kuwa na kanuni moja ya kujenga ushahidi. Watafiti daima hujaribu kuchanganya aina tofauti zaidi za mwingiliano kuwa moja. Kwa hiyo, nadharia hizo huitwa nadharia za Muungano Mkuu. Ni kana kwamba matawi ya mti wa dunia ni mengi, lakini shina ni moja daima.
Yote kwa sababu kuna wazo linalounganisha nadharia hizi zote. Mzizi wa mwingiliano unaojulikana ni sawa, kulisha shina moja, ambayo, kama matokeo ya upotezaji wa ulinganifu, ilianza tawi na kuunda mwingiliano tofauti wa kimsingi, ambao tunaweza kwa majaribio.tazama. Dhana hii bado haiwezi kujaribiwa, kwa sababu inahitaji fizikia ya nishati ya juu sana, isiyoweza kufikiwa na majaribio ya leo. Inawezekana pia kwamba hatutawahi kutawala nguvu hizi. Lakini inawezekana kabisa kukwepa kikwazo hiki.
Ghorofa
Tuna Ulimwengu, kiongeza kasi hiki cha asili, na michakato yote inayofanyika humo hutuwezesha kujaribu hata dhahania za ujasiri zaidi kuhusu mzizi wa pamoja wa mwingiliano wote unaojulikana. Kazi nyingine ya kuvutia ya kuelewa mwingiliano katika asili ni, labda, ngumu zaidi. Inahitajika kuelewa jinsi mvuto unahusiana na nguvu zingine za asili. Mwingiliano huu wa kimsingi unasimama tofauti, kana kwamba ni, licha ya ukweli kwamba nadharia hii ni sawa na zingine zote kwa kanuni ya ujenzi.
Einstein alikuwa akihusika katika nadharia ya uvutano, akijaribu kuiunganisha na sumaku-umeme. Licha ya ukweli unaoonekana wa kutatua tatizo hili, nadharia haikufanya kazi wakati huo. Sasa ubinadamu unajua kidogo zaidi, kwa hali yoyote, tunajua kuhusu mwingiliano wenye nguvu na dhaifu. Na ikiwa sasa kumaliza kujenga nadharia hii ya umoja, basi ukosefu wa ujuzi utakuwa na athari tena. Hadi sasa, haijawezekana kuweka mvuto kwa usawa na mwingiliano mwingine, kwa kuwa kila mtu anatii sheria zilizowekwa na fizikia ya quantum, lakini mvuto haufanyi. Kulingana na nadharia ya quantum, chembe zote ni quanta ya uwanja fulani. Lakini mvuto wa quantum haipo, angalau bado. Hata hivyo, idadi ya mwingiliano tayari wazi hurudia kwa sauti kwamba haiwezi lakinikuwa aina fulani ya mpango uliounganishwa.
uga wa umeme
Hapo nyuma mnamo 1860, mwanafizikia mashuhuri wa karne ya kumi na tisa James Maxwell aliweza kuunda nadharia inayoelezea ujio wa sumakuumeme. Wakati shamba la sumaku linabadilika kwa wakati, uwanja wa umeme huundwa kwa hatua fulani katika nafasi. Na ikiwa conductor imefungwa inapatikana katika uwanja huu, basi sasa induction inaonekana katika uwanja wa umeme. Kwa nadharia yake ya uwanja wa sumakuumeme, Maxwell anathibitisha kuwa mchakato wa nyuma pia unawezekana: ikiwa utabadilisha uwanja wa umeme kwa wakati fulani katika nafasi, shamba la sumaku litaonekana. Hii ina maana kwamba mabadiliko yoyote ya wakati wa shamba la magnetic yanaweza kusababisha kuibuka kwa shamba la umeme linalobadilika, na mabadiliko katika uwanja wa umeme yanaweza kuzalisha shamba la magnetic kubadilisha. Vigezo hivi, sehemu zinazozalishana, hupanga uga mmoja - sumakuumeme.
Matokeo muhimu zaidi yanayotokana na fomula za nadharia ya Maxwell ni utabiri kuwa kuna mawimbi ya sumakuumeme, yaani, nyanja za sumakuumeme zinazoenea kwa wakati na nafasi. Chanzo cha uwanja wa sumakuumeme ni chaji za umeme zinazosonga na kuongeza kasi. Tofauti na mawimbi ya sauti (elastiki), mawimbi ya sumakuumeme yanaweza kuenea katika dutu yoyote, hata katika utupu. Mwingiliano wa sumakuumeme katika utupu hueneza kwa kasi ya mwanga (c=299,792 kilomita kwa pili). Urefu wa wimbi unaweza kuwa tofauti. Mawimbi ya sumakuumeme kutoka mita elfu kumi hadi mita 0.005 nimawimbi ya redio ambayo hututumikia kusambaza habari, yaani, ishara kwa umbali fulani bila waya yoyote. Mawimbi ya redio huundwa na mkondo katika masafa ya juu ambayo hutiririka kwenye antena.
Mawimbi ni nini
Ikiwa urefu wa mawimbi ya mionzi ya sumakuumeme ni kati ya mita 0.005 na mikromita 1, yaani, zile zilizo katika masafa kati ya mawimbi ya redio na mwanga unaoonekana ni mionzi ya infrared. Inatolewa na miili yote yenye joto: betri, jiko, taa za incandescent. Vifaa maalum hugeuza mionzi ya infrared kuwa mwanga unaoonekana ili kupata picha za vitu vinavyoitoa, hata katika giza kabisa. Mwanga unaoonekana hutoa urefu wa mawimbi kutoka nanomita 770 hadi 380 - na kusababisha rangi kutoka nyekundu hadi zambarau. Sehemu hii ya masafa ni muhimu sana kwa maisha ya binadamu, kwa sababu tunapokea sehemu kubwa ya taarifa kuhusu ulimwengu kupitia maono.
Iwapo mionzi ya sumakuumeme ina urefu mfupi wa mawimbi kuliko urujuani, ni mionzi ya ultraviolet, ambayo huua bakteria wa pathogenic. X-rays hazionekani kwa jicho. Karibu hazinyonyi tabaka za maada zisizo wazi kwa mwanga unaoonekana. Mionzi ya X-ray hugundua magonjwa ya viungo vya ndani vya wanadamu na wanyama. Ikiwa mionzi ya sumakuumeme hutokea kutokana na mwingiliano wa chembe za msingi na hutolewa na nuclei ya msisimko, mionzi ya gamma hupatikana. Huu ndio upeo mpana zaidi katika wigo wa sumakuumeme kwa sababu hauzuiliwi na nishati ya juu. Mionzi ya Gamma inaweza kuwa laini na ngumu: mabadiliko ya nishati ndani ya viini vya atomiki -laini, na katika athari za nyuklia - ngumu. Hizi quanta huharibu molekuli kwa urahisi, na haswa za kibaolojia. Kwa bahati nzuri, mionzi ya gamma haiwezi kupita kwenye angahewa. Mionzi ya Gamma inaweza kuzingatiwa kutoka angani. Kwa nishati ya hali ya juu, mwingiliano wa sumakuumeme huenea kwa kasi karibu na kasi ya mwanga: gamma quanta huponda viini vya atomi, na kuzivunja kuwa chembe zinazoruka kwa mwelekeo tofauti. Wakati wa kuweka breki, hutoa mwanga unaoonekana kupitia darubini maalum.
Kutoka zamani hadi siku zijazo
Mawimbi ya sumakuumeme, kama ilivyotajwa tayari, yalitabiriwa na Maxwell. Alisoma kwa uangalifu na kujaribu kuamini kihesabu picha za ujinga kidogo za Faraday, ambazo zilionyesha matukio ya sumaku na ya umeme. Ni Maxwell ambaye aligundua kutokuwepo kwa ulinganifu. Na ni yeye ambaye aliweza kudhibitisha kwa hesabu kadhaa kwamba sehemu za umeme zinazobadilishana hutoa zile za sumaku na kinyume chake. Hii ilimpeleka kwenye wazo kwamba uwanja kama huo hutengana na makondakta na kusonga kupitia utupu kwa kasi kubwa. Na yeye kufikiri ni nje. Mwendo huo ulikuwa unakaribia kilomita laki tatu kwa sekunde.
Hivi ndivyo nadharia na majaribio huingiliana. Mfano ni ugunduzi, shukrani ambayo tulijifunza juu ya kuwepo kwa mawimbi ya umeme. Kwa msaada wa fizikia, dhana tofauti kabisa ziliunganishwa ndani yake - sumaku na umeme, kwa kuwa hii ni jambo la kimwili la utaratibu huo, pande zake tofauti tu zinaingiliana. Nadharia zinajengwa moja baada ya nyingine, na zotezinahusiana sana na kila mmoja: nadharia ya mwingiliano wa umeme, kwa mfano, ambapo nguvu dhaifu za nyuklia na sumakuumeme zinaelezewa kutoka kwa nafasi sawa, basi hii yote inaunganishwa na chromodynamics ya quantum, inayofunika mwingiliano wenye nguvu na dhaifu wa umeme (hapa usahihi). bado iko chini, lakini kazi inaendelea). Maeneo ya fizikia kama vile mvuto wa quantum na nadharia ya kamba yanafanyiwa utafiti wa kina.
Hitimisho
Inabadilika kuwa nafasi inayotuzunguka imejaa mionzi ya sumakuumeme: hizi ni nyota na Jua, Mwezi na miili mingine ya angani, hii ndio Dunia yenyewe, na kila simu iko mikononi mwa mtu., na antenna za kituo cha redio - yote haya hutoa mawimbi ya umeme, yenye jina tofauti. Kulingana na marudio ya mitetemo ambayo kitu hutoa, mionzi ya infrared, mawimbi ya redio, mwanga unaoonekana, miale ya biofield, eksirei, na kadhalika hutofautishwa.
Sehemu ya sumakuumeme inapoenea, inakuwa wimbi la sumakuumeme. Ni chanzo kisicho na mwisho cha nishati, na kusababisha chaji za umeme za molekuli na atomi kubadilika. Na ikiwa malipo yanazunguka, harakati zake huharakishwa, na kwa hiyo hutoa wimbi la umeme. Ikiwa shamba la magnetic linabadilika, shamba la umeme la vortex linasisimua, ambalo, kwa upande wake, linasisimua shamba la magnetic vortex. Mchakato hupitia nafasi, ikichukua hatua moja baada ya nyingine.
