Ta članek bo obravnaval, kaj se imenuje sile narave – temeljna elektromagnetna interakcija in načela, na katerih je zgrajena. Govorilo bo tudi o možnostih obstoja novih pristopov k preučevanju te tematike. Tudi v šoli se pri pouku fizike učenci soočajo z razlago pojma "sila". Spoznajo, da so sile lahko zelo raznolike – sila trenja, sila privlačnosti, sila elastičnosti in še marsikaj podobnega. Vseh ne moremo imenovati temeljnih, saj je zelo pogosto pojav sile sekundaren (na primer sila trenja z interakcijo molekul). Elektromagnetna interakcija je lahko tudi sekundarna - posledično. Molekularna fizika kot primer navaja Van der Waalsovo silo. Fizika delcev ponuja tudi številne primere.
V naravi
Rad bi prišel do dna procesov, ki se dogajajo v naravi, ko deluje elektromagnetna interakcija. Kaj pravzaprav je temeljna sila, ki določa vse sekundarne sile, ki jih je zgradila?Vsi vedo, da je elektromagnetna interakcija ali, kot jo imenujejo tudi električne sile, temeljna. To dokazuje Coulombov zakon, ki ima svojo posplošitev, ki izhaja iz Maxwellovih enačb. Slednji opisujejo vse magnetne in električne sile, ki obstajajo v naravi. Zato je bilo dokazano, da je interakcija elektromagnetnih polj temeljna sila narave. Naslednji primer je gravitacija. Tudi šolarji vedo za zakon univerzalne gravitacije Isaaca Newtona, ki je pred kratkim prejel tudi lastno posplošitev z Einsteinovimi enačbami in je po njegovi teoriji gravitacije temeljna tudi ta sila elektromagnetne interakcije v naravi.
Nekoč je veljalo, da obstajata le ti dve temeljni sili, vendar je znanost napredovala in postopoma dokazala, da to sploh ni tako. Na primer, z odkritjem atomskega jedra je bilo treba uvesti pojem jedrske sile, sicer pa kako razumeti princip zadrževanja delcev znotraj jedra, zakaj ne odletijo v različne smeri. Razumevanje delovanja elektromagnetne sile v naravi je pomagalo pri merjenju, preučevanju in opisovanju jedrskih sil. Vendar so kasnejši znanstveniki prišli do zaključka, da so jedrske sile sekundarne in v marsičem podobne silam van der Waalsa. Pravzaprav so temeljne le sile, ki jih kvarki zagotavljajo med seboj. Potem je že - sekundarni učinek - interakcija elektromagnetnih polj med nevtroni in protoni v jedru. Resnično temeljna je interakcija kvarkov, ki izmenjujejo gluone. Tako je bilotretja resnično temeljna sila, odkrita v naravi.
Nadaljevanje te zgodbe
Elementarni delci razpadajo, težki - v lažje, njihov razpad pa opisuje novo silo elektromagnetne interakcije, ki ji pravimo prav tako - sila šibke interakcije. Zakaj šibka? Da, ker je elektromagnetna interakcija v naravi veliko močnejša. In spet se je izkazalo, da ta teorija šibke interakcije, ki je tako harmonično vstopila v sliko sveta in sprva odlično opisovala razpade elementarnih delcev, ni odražala istih postulatov, če bi se energija povečala. Zato je bila stara teorija predelana v drugo - teorijo šibke interakcije, ki se je tokrat izkazala za univerzalno. Čeprav je bila zgrajena na enakih načelih kot druge teorije, ki so opisovale elektromagnetno interakcijo delcev. V sodobnem času obstajajo štiri preučene in dokazane temeljne interakcije, peta pa je na poti, o njej bomo govorili kasneje. Vsi štirje - gravitacijski, močni, šibki, elektromagnetni - so zgrajeni na enem samem principu: sila, ki nastane med delci, je posledica neke izmenjave, ki jo izvaja nosilec ali drugače - posrednik interakcije.
Kakšen pomočnik je to? To je foton - delec brez mase, a kljub temu uspešno gradi elektromagnetno interakcijo zaradi izmenjave kvanta elektromagnetnih valov ali kvanta svetlobe. Izvaja se elektromagnetna interakcijas pomočjo fotonov v polju nabitih delcev, ki komunicirajo z določeno silo, prav to razlaga Coulombov zakon. Obstaja še en delec brez mase - gluon, obstaja osem njegovih vrst, ki pomaga kvarkom komunicirati. Ta elektromagnetna interakcija je privlačnost med naboji in jo imenujemo močna. Da, in šibka interakcija ni popolna brez posrednikov, ki so delci z maso, poleg tega pa so masivni, torej težki. To so vmesni vektorski bozoni. Njihova masa in teža pojasnjujeta slabost interakcije. Gravitacijska sila povzroči izmenjavo kvanta gravitacijskega polja. Ta elektromagnetna interakcija je privlačnost delcev, še ni dovolj raziskana, graviton še ni bil niti eksperimentalno zaznan, kvantne gravitacije pa ne čutimo v celoti, zato je še ne moremo opisati.
Peta sila
Upoštevali smo štiri vrste temeljnih interakcij: močno, šibko, elektromagnetno, gravitacijsko. Interakcija je določeno dejanje izmenjave delcev in brez koncepta simetrije ni mogoče, saj ni interakcije, ki ni povezana z njo. Ona je tista, ki določa število delcev in njihovo maso. Z natančno simetrijo je masa vedno enaka nič. Torej foton in gluon nimata mase, enaka je nič, graviton pa ne. In če je simetrija porušena, masa preneha biti nič. Tako imajo vmesni vektorski bizoni maso, ker je simetrija porušena. Te štiri temeljne interakcije pojasnjujejo vse tovidimo in čutimo. Preostale sile kažejo, da je njihova elektromagnetna interakcija sekundarna. Vendar pa je leta 2012 prišlo do preboja v znanosti in odkrit je bil še en delec, ki je takoj postal znan. Revolucijo v znanstvenem svetu je organiziralo odkritje Higgsovega bozona, ki, kot se je izkazalo, služi tudi kot nosilec interakcij med leptoni in kvarki.
Zato fiziki zdaj pravijo, da se je pojavila peta sila, ki jo posreduje Higgsov bozon. Tudi tukaj je simetrija porušena: Higgsov bozon ima maso. Tako je število interakcij (beseda "sila" v sodobni fiziki delcev nadomeščena s to besedo) doseglo pet. Morda čakamo na nova odkritja, ker ne vemo natančno, ali poleg teh obstajajo še druge interakcije. Zelo možno je, da model, ki smo ga že zgradili in o katerem razmišljamo danes, ki bi na videz odlično razložil vse opažene pojave na svetu, ni povsem popoln. In morda se bodo čez nekaj časa pojavile nove interakcije ali nove sile. Takšna verjetnost obstaja, četudi le zato, ker smo se zelo postopoma naučili, da so danes znane temeljne interakcije - močne, šibke, elektromagnetne, gravitacijske. Konec koncev, če v naravi obstajajo supersimetrični delci, o katerih se v znanstvenem svetu že govori, potem to pomeni obstoj nove simetrije, simetrija pa vedno pomeni pojav novih delcev, posrednikov med njimi. Tako bomo slišali za prej neznano temeljno silo, kot smo nekoč presenečeno izvedeliobstajajo, na primer, elektromagnetna, šibka interakcija. Naše poznavanje lastne narave je zelo nepopolno.
Povezanost
Najbolj zanimivo je, da mora vsaka nova interakcija nujno voditi do popolnoma neznanega pojava. Na primer, če se ne bi naučili šibke interakcije, nikoli ne bi odkrili razpada in če ne bi bilo našega znanja o razpadu, študija jedrske reakcije ne bi bila mogoča. In če ne bi poznali jedrskih reakcij, ne bi razumeli, kako nam sije sonce. Konec koncev, če ne bi sijalo, se življenje na Zemlji ne bi oblikovalo. Torej prisotnost interakcije pove, da je ključnega pomena. Če ne bi bilo močne interakcije, ne bi bilo stabilnih atomskih jeder. Zaradi elektromagnetne interakcije Zemlja prejema energijo od Sonca, svetlobni žarki, ki prihajajo iz nje, pa segrejejo planet. In vse interakcije, ki jih poznamo, so nujno potrebne. Tukaj je na primer tisti Higgs. Higgsov bozon zagotavlja delcu maso z interakcijo s poljem, brez katere ne bi preživeli. In kako ostati na površini planeta brez gravitacijske interakcije? To bi bilo nemogoče ne samo za nas, ampak za nič.
Absolutno vse interakcije, tudi tiste, za katere še ne vemo, so nujne za vse, kar človeštvo ve, razume in ima rad. Česa ne moremo vedeti? Ja veliko. Na primer, vemo, da je proton stabilen v jedru. To je za nas zelo, zelo pomembno.stabilnost, sicer življenje ne bi obstajalo na enak način. Vendar pa poskusi kažejo, da je življenje protona časovno omejena količina. Dolgo, seveda, 1034 let. A to pomeni, da bo slej ko prej razpadel tudi proton, kar bo zahtevalo neko novo silo, torej novo interakcijo. Glede protonskega razpada že obstajajo teorije, kjer se domneva nova, veliko višja stopnja simetrije, kar pomeni, da lahko obstaja nova interakcija, o kateri še vedno ne vemo nič.
Velika združitev
V enotnosti narave, edini princip gradnje vseh temeljnih interakcij. Veliko ljudi ima vprašanja o njihovem številu in razlagi razlogov za to število. Tukaj je bilo zgrajenih veliko različic, ki se zelo razlikujejo glede na zaključke. Prisotnost prav takšnega števila temeljnih interakcij razlagajo na različne načine, vendar se izkaže, da so vsi z enim samim principom gradnje dokazov. Raziskovalci vedno poskušajo združiti najrazličnejše vrste interakcij v eno. Zato se takšne teorije imenujejo teorije velike združitve. Kot da veje svetovno drevo: vej je veliko, a deblo je vedno eno.
Vse zato, ker obstaja ideja, ki združuje vse te teorije. Korenina vseh znanih interakcij je enaka, napaja eno deblo, ki se je zaradi izgube simetrije začelo razvejati in tvoriti različne temeljne interakcije, ki jih lahko eksperimentalnoopazovati. Te hipoteze še ni mogoče preveriti, ker zahteva izjemno visoko energijsko fiziko, ki je današnjim poskusom nedostopna. Možno je tudi, da teh energij nikoli ne bomo obvladali. Toda to oviro je povsem mogoče zaobiti.
Apartma
Imamo Vesolje, ta naravni pospeševalnik, in vsi procesi, ki se v njem odvijajo, omogočajo preizkušanje tudi najbolj drznih hipotez o skupnem korenu vseh znanih interakcij. Druga zanimiva naloga razumevanja interakcij v naravi je morda še težja. Treba je razumeti, kako je gravitacija povezana s preostalimi silami narave. Ta temeljna interakcija je tako rekoč ločena, kljub dejstvu, da je ta teorija po principu konstrukcije podobna vsem ostalim.
Einstein se je ukvarjal s teorijo gravitacije in jo poskušal povezati z elektromagnetizmom. Kljub navidezni realnosti reševanja tega problema teorija takrat ni delovala. Zdaj človeštvo ve malo več, v vsakem primeru vemo za močne in šibke interakcije. In če zdaj dokončamo gradnjo te enotne teorije, potem bo pomanjkanje znanja zagotovo spet imelo učinek. Do zdaj gravitacije ni bilo mogoče izenačiti z drugimi interakcijami, saj vsi spoštujejo zakone, ki jih narekuje kvantna fizika, gravitacija pa ne. Po kvantni teoriji so vsi delci kvanti določenega polja. Toda kvantna gravitacija ne obstaja, vsaj še ne. Vendar število že odprtih interakcij glasno ponavlja, da ne more drugačebiti nekakšna enotna shema.
električno polje
V letu 1860 je velikemu fiziku iz devetnajstega stoletja Jamesu Maxwellu uspelo ustvariti teorijo, ki pojasnjuje elektromagnetno indukcijo. Ko se magnetno polje sčasoma spremeni, se na določeni točki v prostoru tvori električno polje. In če se v tem polju najde zaprt prevodnik, se v električnem polju pojavi indukcijski tok. Maxwell s svojo teorijo elektromagnetnih polj dokazuje, da je možen tudi obraten proces: če na določeni točki prostora v času spremenite električno polje, se bo magnetno polje zagotovo pojavilo. To pomeni, da lahko vsaka sprememba časa magnetnega polja povzroči nastanek spreminjajočega se električnega polja, sprememba električnega polja pa lahko povzroči spreminjajoče se magnetno polje. Te spremenljivke, polja, ki ustvarjajo druga drugo, organizirajo eno samo polje – elektromagnetno.
Najpomembnejši rezultat, ki izhaja iz formul Maxwellove teorije, je napoved, da obstajajo elektromagnetno valovanje, torej elektromagnetna polja, ki se širijo v času in prostoru. Vir elektromagnetnega polja so električni naboji, ki se premikajo s pospeškom. Za razliko od zvočnih (elastičnih) valov se lahko elektromagnetno valovanje širi v kateri koli snovi, tudi v vakuumu. Elektromagnetna interakcija v vakuumu se širi s svetlobno hitrostjo (c=299,792 kilometrov na sekundo). Valovna dolžina je lahko različna. Elektromagnetni valovi od deset tisoč metrov do 0,005 metra soradijski valovi, ki nam služijo za prenos informacij, torej signalov na določeno razdaljo brez žic. Radijske valove ustvarja tok pri visokih frekvencah, ki teče v anteni.
Kaj so valovi
Če je valovna dolžina elektromagnetnega sevanja med 0,005 metra in 1 mikrometrom, so tiste, ki so v območju med radijskimi valovi in vidno svetlobo, infrardeče sevanje. Oddajajo ga vsa ogrevana telesa: baterije, peči, žarnice z žarilno nitko. Posebne naprave pretvarjajo infrardeče sevanje v vidno svetlobo, da dobijo slike predmetov, ki ga oddajajo, tudi v popolni temi. Vidna svetloba oddaja valovne dolžine od 770 do 380 nanometrov, kar ima za posledico barvo od rdeče do vijolične. Ta del spektra je izjemno pomemben za človeško življenje, saj preko vida prejmemo ogromen del informacij o svetu.
Če ima elektromagnetno sevanje valovno dolžino krajšo od vijolične, je ultravijolično, ki ubija patogene bakterije. Rentgenski žarki so očesu nevidni. Skoraj ne absorbirajo plasti snovi, ki so neprozorne za vidno svetlobo. Rentgensko sevanje diagnosticira bolezni notranjih organov ljudi in živali. Če elektromagnetno sevanje nastane zaradi interakcije elementarnih delcev in ga oddajajo vzbujena jedra, dobimo gama sevanje. To je najširši razpon v elektromagnetnem spektru, ker ni omejen na visoke energije. Gama sevanje je lahko mehko in trdo: energetski prehodi znotraj atomskih jeder -mehka, pri jedrskih reakcijah pa trda. Ti kvanti zlahka uničijo molekule, predvsem pa biološke. Na srečo gama sevanje ne more preiti skozi ozračje. Gama žarke je mogoče opazovati iz vesolja. Pri ultravisokih energijah se elektromagnetna interakcija širi s hitrostjo, ki je blizu svetlobni: gama kvanti zdrobijo jedra atomov in jih razbijejo na delce, ki letijo v različnih smereh. Pri zaviranju oddajajo svetlobo, vidno skozi posebne teleskope.
Iz preteklosti v prihodnost
Elektromagnetne valove, kot že omenjeno, je napovedal Maxwell. Skrbno je preučeval in poskušal matematično verjeti rahlo naivnim Faradayevim slikam, ki so upodabljale magnetne in električne pojave. Maxwell je odkril odsotnost simetrije. In prav on je uspel s številnimi enačbami dokazati, da izmenična električna polja ustvarjajo magnetna in obratno. To ga je pripeljalo do ideje, da se taka polja odcepijo od prevodnikov in se premikajo skozi vakuum z ogromno hitrostjo. In ugotovil je. Hitrost je bila blizu tristo tisoč kilometrov na sekundo.
Tako delujeta teorija in eksperiment. Primer je odkritje, zahvaljujoč kateremu smo izvedeli za obstoj elektromagnetnih valov. S pomočjo fizike sta bila v njej združena popolnoma heterogena pojma - magnetizem in elektrika, saj je to fizikalni pojav istega reda, le njegove različne plati so v interakciji. Teorije se gradijo ena za drugo in vsemed seboj so tesno povezani: na primer teorija elektrošibke interakcije, kjer so šibke jedrske in elektromagnetne sile opisane iz istih pozicij, potem vse to združuje kvantna kromodinamika, ki pokriva močne in elektrošibke interakcije (tukaj natančnost je še vedno nižja, vendar se delo nadaljuje). Področja fizike, kot sta kvantna gravitacija in teorija strun, se intenzivno raziskujejo.
Sklepi
Izkazalo se je, da je prostor, ki nas obdaja, popolnoma prežet z elektromagnetnim sevanjem: to so zvezde in Sonce, Luna in druga nebesna telesa, to je sama Zemlja in vsak telefon v rokah človeka, in antene radijskih postaj - vse to oddaja elektromagnetne valove, poimenovane drugače. Glede na frekvenco tresljajev, ki jih predmet oddaja, se razlikujejo infrardeče sevanje, radijski valovi, vidna svetloba, žarki biopolja, rentgenski žarki in podobno.
Ko se elektromagnetno polje širi, postane elektromagnetno valovanje. Je preprosto neizčrpen vir energije, ki povzroča nihanje električnih nabojev molekul in atomov. In če naboj niha, se njegovo gibanje pospeši in zato oddaja elektromagnetno valovanje. Če se magnetno polje spremeni, se vzbudi vrtinčno električno polje, ki pa vzbudi vrtinčno magnetno polje. Postopek poteka skozi prostor in zajema eno točko za drugo.
