Tento článok sa bude zaoberať tým, čo sa nazýva prírodnými silami – základnou elektromagnetickou interakciou a princípmi, na ktorých je postavená. Hovoriť bude aj o možnostiach existencie nových prístupov k štúdiu tejto témy. Aj v škole sa na hodinách fyziky žiaci stretávajú s vysvetľovaním pojmu „sila“. Učia sa, že sily môžu byť veľmi rôznorodé – sila trenia, sila príťažlivosti, sila pružnosti a mnohé iné podobné. Nie všetky sa dajú nazvať základnými, pretože fenomén sily je veľmi často sekundárny (napríklad sila trenia s jej interakciou molekúl). Elektromagnetická interakcia môže byť tiež sekundárna - ako dôsledok. Molekulárna fyzika uvádza ako príklad Van der Waalsovu silu. Časticová fyzika tiež poskytuje mnoho príkladov.
V prírode
Rád by som sa dostal k podstate procesov prebiehajúcich v prírode, kedy funguje elektromagnetická interakcia. Čo presne je základná sila, ktorá určuje všetky sekundárne sily, ktoré vybudovala?Každý vie, že elektromagnetická interakcia, alebo, ako sa to tiež nazýva, elektrické sily, je základ. Dokazuje to Coulombov zákon, ktorý má svoje zovšeobecnenie vyplývajúce z Maxwellových rovníc. Posledne menované opisujú všetky magnetické a elektrické sily, ktoré existujú v prírode. Preto bolo dokázané, že interakcia elektromagnetických polí je základnou silou prírody. Ďalším príkladom je gravitácia. Dokonca aj školáci vedia o zákone univerzálnej gravitácie Isaaca Newtona, ktorý tiež nedávno dostal svoje vlastné zovšeobecnenie pomocou Einsteinových rovníc a podľa jeho teórie gravitácie je táto sila elektromagnetickej interakcie v prírode tiež zásadná.
Kedysi sa myslelo, že existujú iba tieto dve základné sily, ale veda sa posunula vpred a postupne dokazuje, že to tak vôbec nie je. Napríklad s objavom atómového jadra bolo potrebné zaviesť pojem jadrová sila, ako inak chápať princíp udržania častíc vo vnútri jadra, prečo neodlietajú rôznymi smermi. Pochopenie toho, ako funguje elektromagnetická sila v prírode, pomohlo merať, študovať a opísať jadrové sily. Neskorší vedci však prišli na to, že jadrové sily sú druhoradé a v mnohom podobné van der Waalsovým silám. V skutočnosti sú skutočne zásadné iba sily, ktoré kvarky poskytujú vzájomnou interakciou. Potom už - sekundárny efekt - je interakcia elektromagnetických polí medzi neutrónmi a protónmi v jadre. Skutočne zásadná je interakcia kvarkov, ktoré si vymieňajú gluóny. Tak bolotretia skutočne základná sila objavená v prírode.
Pokračovanie tohto príbehu
Elementárne častice sa rozpadajú, ťažké - na ľahšie a ich rozpad opisuje novú silu elektromagnetickej interakcie, ktorá sa nazýva práve tak - sila slabej interakcie. Prečo slabý? Áno, pretože elektromagnetická interakcia v prírode je oveľa silnejšia. A opäť sa ukázalo, že táto teória slabej interakcie, ktorá tak harmonicky vstúpila do obrazu sveta a spočiatku vynikajúco popisovala rozpady elementárnych častíc, neodrážala rovnaké postuláty, ak by sa energia zvýšila. Preto bola stará teória prepracovaná na inú – teóriu slabej interakcie, ktorá sa tentoraz ukázala ako univerzálna. Hoci bola postavená na rovnakých princípoch ako iné teórie, ktoré popisovali elektromagnetickú interakciu častíc. V modernej dobe existujú štyri študované a overené základné interakcie a piata je na ceste, o tom bude reč neskôr. Všetky štyri - gravitačné, silné, slabé, elektromagnetické - sú postavené na jedinom princípe: sila, ktorá vzniká medzi časticami, je výsledkom nejakej výmeny uskutočnenej nosičom, alebo inak - sprostredkovateľom interakcie.
Aký je to pomocník? Toto je fotón - častica bez hmotnosti, ale napriek tomu úspešne budujúca elektromagnetickú interakciu vďaka výmene kvanta elektromagnetických vĺn alebo kvanta svetla. Vykonáva sa elektromagnetická interakciapomocou fotónov v poli nabitých častíc, ktoré komunikujú určitou silou, presne to vykladá Coulombov zákon. Existuje ďalšia bezhmotná častica - gluón, existuje osem jeho druhov, pomáha kvarkom komunikovať. Táto elektromagnetická interakcia je príťažlivosťou medzi nábojmi a nazýva sa silná. Áno, a slabá interakcia sa nezaobíde bez medzičlánkov, ktorými sú častice s hmotnosťou, navyše sú masívne, teda ťažké. Ide o stredno-vektorové bozóny. Ich hmotnosť a váha vysvetľuje slabosť interakcie. Gravitačná sila spôsobuje výmenu kvanta gravitačného poľa. Táto elektromagnetická interakcia je priťahovaním častíc, ešte nie je dostatočne preštudovaná, gravitón ešte nebol ani experimentálne zistený a kvantovú gravitáciu nepociťujeme naplno, preto ju zatiaľ nevieme popísať.
Piata sila
Uvažovali sme o štyroch typoch základných interakcií: silná, slabá, elektromagnetická, gravitačná. Interakcia je určitý akt výmeny častíc a človek sa nezaobíde bez pojmu symetria, pretože neexistuje žiadna interakcia, ktorá by s ňou nebola spojená. Je to ona, ktorá určuje počet častíc a ich hmotnosť. Pri presnej symetrii je hmotnosť vždy nulová. Fotón a gluón teda nemajú hmotnosť, rovnajú sa nule a gravitón nie. A ak je symetria narušená, hmotnosť prestane byť nulová. Stredný vektorový bizón má teda hmotnosť, pretože symetria je narušená. Tieto štyri základné interakcie vysvetľujú všetkovidíme a cítime. Zvyšné sily naznačujú, že ich elektromagnetická interakcia je sekundárna. V roku 2012 však nastal prelom vo vede a bola objavená ďalšia častica, ktorá sa okamžite preslávila. Revolúciu vo vedeckom svete zorganizoval objav Higgsovho bozónu, ktorý, ako sa ukázalo, slúži aj ako nosič interakcií medzi leptónmi a kvarkami.
Preto fyzici teraz hovoria, že sa objavila piata sila, sprostredkovaná Higgsovým bozónom. Aj tu je symetria narušená: Higgsov bozón má hmotnosť. Počet interakcií (slovo „sila“sa v modernej časticovej fyzike nahrádza týmto slovom) teda dosiahol päť. Možno čakáme na nové objavy, pretože presne nevieme, či okrem nich existujú aj iné interakcie. Je veľmi možné, že model, ktorý sme už postavili a o ktorom dnes uvažujeme a ktorý by zdanlivo dokonale vysvetľoval všetky javy pozorované vo svete, nie je celkom úplný. A možno sa po nejakom čase objavia nové interakcie alebo nové sily. Takáto pravdepodobnosť existuje, už len preto, že sme sa veľmi postupne dozvedeli, že dnes existujú základné interakcie – silné, slabé, elektromagnetické, gravitačné. Koniec koncov, ak sú v prírode supersymetrické častice, o ktorých sa už vo vedeckom svete hovorí, znamená to existenciu novej symetrie a symetria vždy znamená objavenie sa nových častíc, sprostredkovateľov medzi nimi. Budeme teda počuť o doteraz neznámej základnej sile, ako sme sa kedysi s prekvapením dozvedeliexistuje napríklad elektromagnetická, slabá interakcia. Naše poznanie našej vlastnej povahy je veľmi neúplné.
Connectedness
Najzaujímavejšie je, že každá nová interakcia musí nevyhnutne viesť k úplne neznámemu javu. Ak by sme sa napríklad nedozvedeli o slabej interakcii, nikdy by sme neobjavili rozpad a keby nebolo našich vedomostí o rozpade, nebolo by možné skúmať jadrovú reakciu. A keby sme nepoznali jadrové reakcie, nerozumeli by sme, ako nám svieti slnko. Veď keby nesvietilo, život na Zemi by nevznikol. Prítomnosť interakcie teda hovorí, že je životne dôležitá. Ak by neexistovala silná interakcia, neexistovali by stabilné atómové jadrá. V dôsledku elektromagnetickej interakcie Zem dostáva energiu zo Slnka a lúče svetla z nej prichádzajúce ohrievajú planétu. A všetky nám známe interakcie sú absolútne nevyhnutné. Tu je napríklad ten Higgsov. Higgsov bozón poskytuje častici hmotu prostredníctvom interakcie s poľom, bez ktorej by sme neprežili. A ako sa udržať na povrchu planéty bez gravitačnej interakcie? Bolo by to nemožné nielen pre nás, ale vôbec pre nič.
Absolútne všetky interakcie, dokonca aj tie, o ktorých ešte nevieme, sú nevyhnutnosťou pre existenciu všetkého, čo ľudstvo pozná, chápe a miluje. Čo nemôžeme vedieť? Áno veľa. Napríklad vieme, že protón je v jadre stabilný. Toto je pre nás veľmi, veľmi dôležité.stabilitu, inak by život neexistoval rovnakým spôsobom. Experimenty však ukazujú, že životnosť protónu je časovo obmedzená veličina. Samozrejme dlho, 1034 rokov. To ale znamená, že skôr či neskôr sa rozpadne aj protón a to si vyžiada nejakú novú silu, teda novú interakciu. Čo sa týka rozpadu protónov, už existujú teórie, kde sa predpokladá nový, oveľa vyšší stupeň symetrie, čo znamená, že môže existovať nová interakcia, o ktorej stále nič nevieme.
Veľké zjednotenie
V jednote prírody, jedinom princípe budovania všetkých základných interakcií. Mnoho ľudí má otázky týkajúce sa ich počtu a vysvetlenia dôvodov tohto konkrétneho počtu. Bolo tu vytvorených veľa verzií, ktoré sa veľmi líšia, pokiaľ ide o vyvodené závery. Vysvetľujú prítomnosť práve takého množstva základných interakcií rôznymi spôsobmi, ale ukázalo sa, že všetky sú založené na jednom princípe budovania dôkazov. Výskumníci sa vždy snažia spojiť najrozmanitejšie typy interakcií do jednej. Preto sa takéto teórie nazývajú teórie veľkého zjednotenia. Akoby sa svet rozvetvoval: vetiev je veľa, ale kmeň je vždy jeden.
Všetko preto, že existuje myšlienka, ktorá spája všetky tieto teórie. Koreň všetkých známych interakcií je rovnaký, napája jeden kmeň, ktorý sa v dôsledku straty symetrie začal vetviť a vytvoril rôzne základné interakcie, ktoré môžeme experimentálnepozorovať. Túto hypotézu zatiaľ nemožno otestovať, pretože si vyžaduje neskutočne vysokoenergetickú fyziku, ktorá je pre dnešné experimenty nedostupná. Je tiež možné, že tieto energie nikdy nezvládneme. Ale je celkom možné túto prekážku obísť.
Apartmán
Máme Vesmír, tento prirodzený urýchľovač a všetky procesy, ktoré v ňom prebiehajú, umožňujú testovať aj tie najodvážnejšie hypotézy týkajúce sa spoločného koreňa všetkých známych interakcií. Ďalšia zaujímavá úloha pochopenia interakcií v prírode je možno ešte ťažšia. Je potrebné pochopiť, ako gravitácia súvisí so zvyškom prírodných síl. Táto základná interakcia stojí mimo, napriek skutočnosti, že táto teória je podobná všetkým ostatným princípom konštrukcie.
Einstein sa zaoberal teóriou gravitácie a snažil sa ju spojiť s elektromagnetizmom. Napriek zdanlivej realite riešenia tohto problému teória vtedy nefungovala. Teraz ľudstvo vie o niečo viac, v každom prípade vieme o silných a slabých interakciách. A ak teraz dokončíme budovanie tejto jednotnej teórie, potom sa nedostatok vedomostí určite opäť prejaví. Doteraz nebolo možné postaviť gravitáciu na rovnakú úroveň s inými interakciami, pretože každý dodržiava zákony diktované kvantovou fyzikou, ale gravitácia nie. Podľa kvantovej teórie sú všetky častice kvantami nejakého konkrétneho poľa. Ale kvantová gravitácia neexistuje, aspoň zatiaľ nie. Množstvo už otvorených interakcií však hlasno opakuje, že nemôže alebyť nejakým druhom zjednotenej schémy.
Elektrické pole
V roku 1860 sa skvelému fyzikovi devätnásteho storočia Jamesovi Maxwellovi podarilo vytvoriť teóriu vysvetľujúcu elektromagnetickú indukciu. Keď sa magnetické pole v priebehu času zmení, v určitom bode priestoru sa vytvorí elektrické pole. A ak sa v tomto poli nájde uzavretý vodič, potom sa v elektrickom poli objaví indukčný prúd. Maxwell svojou teóriou elektromagnetických polí dokazuje, že je možný aj opačný proces: ak zmeníte elektrické pole v čase v určitom bode priestoru, určite sa objaví magnetické pole. To znamená, že akákoľvek zmena v čase magnetického poľa môže spôsobiť vznik meniaceho sa elektrického poľa a zmena elektrického poľa môže vyvolať meniace sa magnetické pole. Tieto premenné, polia, ktoré sa navzájom generujú, organizujú jediné pole – elektromagnetické.
Najdôležitejším výsledkom vyplývajúcim zo vzorcov Maxwellovej teórie je predpoveď, že existujú elektromagnetické vlny, teda elektromagnetické polia šíriace sa v čase a priestore. Zdrojom elektromagnetického poľa sú elektrické náboje pohybujúce sa so zrýchlením. Na rozdiel od zvukových (elastických) vĺn sa elektromagnetické vlny môžu šíriť v akejkoľvek látke, dokonca aj vo vákuu. Elektromagnetická interakcia vo vákuu sa šíri rýchlosťou svetla (c=299 792 kilometrov za sekundu). Vlnová dĺžka môže byť rôzna. Elektromagnetické vlny sú od desaťtisíc metrov do 0,005 metrarádiové vlny, ktoré nám slúžia na prenos informácií, teda signálov na určitú vzdialenosť bez akýchkoľvek drôtov. Rádiové vlny sú vytvárané prúdom o vysokých frekvenciách, ktorý prúdi v anténe.
Aké sú vlny
Ak je vlnová dĺžka elektromagnetického žiarenia medzi 0,005 metra a 1 mikrometrom, to znamená, že tie, ktoré sú v rozsahu medzi rádiovými vlnami a viditeľným svetlom, sú infračervené žiarenie. Vyžarujú ho všetky vyhrievané telesá: batérie, sporáky, žiarovky. Špeciálne zariadenia premieňajú infračervené žiarenie na viditeľné svetlo s cieľom získať obrazy predmetov, ktoré ho vyžarujú, a to aj v absolútnej tme. Viditeľné svetlo vyžaruje vlnové dĺžky v rozmedzí od 770 do 380 nanometrov – výsledkom čoho je farba od červenej po fialovú. Táto časť spektra je mimoriadne dôležitá pre ľudský život, pretože veľkú časť informácií o svete prijímame prostredníctvom videnia.
Ak má elektromagnetické žiarenie vlnovú dĺžku kratšiu ako fialová, ide o ultrafialové žiarenie, ktoré zabíja patogénne baktérie. Röntgenové lúče sú pre oko neviditeľné. Takmer neabsorbujú vrstvy hmoty, ktoré sú nepriehľadné pre viditeľné svetlo. Röntgenové žiarenie diagnostikuje ochorenia vnútorných orgánov ľudí a zvierat. Ak elektromagnetické žiarenie vzniká interakciou elementárnych častíc a je emitované excitovanými jadrami, získava sa gama žiarenie. Toto je najširší rozsah v elektromagnetickom spektre, pretože nie je obmedzený na vysoké energie. Gama žiarenie môže byť mäkké a tvrdé: energetické prechody vo vnútri atómových jadier -mäkké a pri jadrových reakciách - tvrdé. Tieto kvantá ľahko ničia molekuly a najmä tie biologické. Našťastie gama žiarenie nemôže prechádzať atmosférou. Gama lúče možno pozorovať z vesmíru. Pri ultravysokých energiách sa elektromagnetická interakcia šíri rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla: gama kvantá rozdrvia jadrá atómov a rozbijú ich na častice letiace rôznymi smermi. Pri brzdení vyžarujú svetlo viditeľné cez špeciálne teleskopy.
Z minulosti do budúcnosti
Elektromagnetické vlny, ako už bolo spomenuté, predpovedal Maxwell. Starostlivo študoval a snažil sa matematicky uveriť mierne naivným obrázkom Faradaya, ktoré zobrazovali magnetické a elektrické javy. Bol to Maxwell, kto objavil absenciu symetrie. A práve jemu sa podarilo množstvom rovníc dokázať, že striedavé elektrické polia vytvárajú magnetické a naopak. To ho priviedlo k myšlienke, že takéto polia sa odtrhávajú od vodičov a pohybujú sa vo vákuu nejakou gigantickou rýchlosťou. A on na to prišiel. Rýchlosť bola takmer tristotisíc kilometrov za sekundu.
Takto sa vzájomne ovplyvňujú teória a experiment. Príkladom je objav, vďaka ktorému sme sa dozvedeli o existencii elektromagnetických vĺn. S pomocou fyziky sa v ňom spojili úplne heterogénne pojmy - magnetizmus a elektrina, keďže ide o fyzikálny jav rovnakého rádu, len jeho rôzne strany sú v interakcii. Teórie sa budujú jedna za druhou a všetkyúzko spolu súvisia: napríklad teória elektroslabej interakcie, kde sú slabé jadrové a elektromagnetické sily opísané z rovnakých pozícií, potom to všetko spája kvantová chromodynamika, pokrývajúca silné a elektroslabé interakcie (tu presnosť je stále nižšia, ale práce pokračujú). Oblasti fyziky ako kvantová gravitácia a teória strún sa intenzívne skúmajú.
Závery
Ukazuje sa, že priestor okolo nás je úplne preniknutý elektromagnetickým žiarením: toto sú hviezdy a Slnko, Mesiac a iné nebeské telesá, toto je samotná Zem a každý telefón v rukách človeka, a antény rádiových staníc - to všetko vyžaruje elektromagnetické vlny, pomenované inak. V závislosti od frekvencie vibrácií, ktoré objekt vyžaruje, sa rozlišuje infračervené žiarenie, rádiové vlny, viditeľné svetlo, lúče biopoľa, röntgenové lúče a podobne.
Keď sa elektromagnetické pole šíri, stáva sa elektromagnetickou vlnou. Je to jednoducho nevyčerpateľný zdroj energie, ktorý spôsobuje kolísanie elektrických nábojov molekúl a atómov. A ak náboj osciluje, jeho pohyb sa zrýchli, a preto vyžaruje elektromagnetickú vlnu. Ak sa magnetické pole zmení, vybudí sa vírivé elektrické pole, ktoré naopak vybudí vírivé magnetické pole. Proces prechádza priestorom a pokrýva jeden bod za druhým.
