Šiame straipsnyje bus nagrinėjama tai, kas vadinama gamtos jėgomis – pagrindinė elektromagnetinė sąveika ir principai, kuriais remiantis ji sukurta. Taip pat bus kalbama apie naujų požiūrių į šios temos tyrimą egzistavimo galimybes. Net mokykloje, fizikos pamokose, mokiniai susiduria su sąvokos „jėga“paaiškinimu. Jie sužino, kad jėgos gali būti labai įvairios – trinties jėga, traukos jėga, tamprumo jėga ir daugelis kitų panašių. Ne visi jie gali būti vadinami esminiais, nes labai dažnai jėgos reiškinys yra antrinis (trinties jėga, pavyzdžiui, su jos molekulių sąveika). Elektromagnetinė sąveika taip pat gali būti antrinė – kaip pasekmė. Molekulinė fizika kaip pavyzdį pateikia Van der Waalso jėgą. Dalelių fizika taip pat pateikia daug pavyzdžių.
Gamtoje
Norėčiau įsigilinti į gamtoje vykstančius procesus, kai tai verčia veikti elektromagnetinę sąveiką. Kas tiksliai yra pagrindinė jėga, kuri lemia visas antrines jėgas, kurias ji sukūrė?Visi žino, kad elektromagnetinė sąveika arba, kaip dar vadinama, elektrinės jėgos, yra esminė. Tai liudija Kulono dėsnis, turintis savo apibendrinimą, išplaukiantį iš Maksvelo lygčių. Pastarieji apibūdina visas gamtoje egzistuojančias magnetines ir elektrines jėgas. Štai kodėl buvo įrodyta, kad elektromagnetinių laukų sąveika yra pagrindinė gamtos jėga. Kitas pavyzdys yra gravitacija. Netgi moksleiviai žino apie Izaoko Niutono, kuris taip pat neseniai gavo savo paties apibendrinimą pagal Einšteino lygtis, visuotinės gravitacijos dėsnį, ir, remiantis jo gravitacijos teorija, ši elektromagnetinės sąveikos jėga gamtoje taip pat yra esminė.
Kadaise buvo manoma, kad egzistuoja tik šios dvi pagrindinės jėgos, tačiau mokslas judėjo į priekį, pamažu įrodydamas, kad taip nėra. Pavyzdžiui, atradus atomo branduolį, reikėjo įvesti branduolinės jėgos sampratą, kitaip kaip suprasti dalelių laikymo branduolio viduje principą, kodėl jos neskrenda į skirtingas puses. Supratimas, kaip elektromagnetinė jėga veikia gamtoje, padėjo išmatuoti, ištirti ir apibūdinti branduolines jėgas. Tačiau vėliau mokslininkai priėjo prie išvados, kad branduolinės jėgos yra antrinės ir daugeliu atžvilgių panašios į van der Waalso jėgas. Tiesą sakant, tik tos jėgos, kurias kvarkai suteikia sąveikaudami vienas su kitu, yra tikrai esminės. Tada jau – antrinis efektas – yra elektromagnetinių laukų sąveika tarp neutronų ir protonų branduolyje. Tikrai esminė yra kvarkų, kurie keičiasi gliuonais, sąveika. Taip buvotrečioji tikrai esminė jėga, atrasta gamtoje.
Šios istorijos tęsinys
Elementariosios dalelės skyla, sunkiosios - į lengvesnes, o jų skilimas apibūdina naują elektromagnetinės sąveikos jėgą, kuri vadinasi kaip tik - silpnosios sąveikos jėga. Kodėl silpnas? Taip, nes elektromagnetinė sąveika gamtoje yra daug stipresnė. Ir vėl pasirodė, kad ši silpnosios sąveikos teorija, taip darniai įsiliejusi į pasaulio paveikslą ir iš pradžių puikiai aprašiusi elementariųjų dalelių skilimą, neatspindi tų pačių postulatų, jei energija padidėtų. Štai kodėl senoji teorija buvo perdirbta į kitą – silpnos sąveikos teoriją, šį kartą pasirodė universali. Nors ji buvo sukurta remiantis tais pačiais principais, kaip ir kitos teorijos, aprašančios dalelių elektromagnetinę sąveiką. Šiais laikais yra keturios ištirtos ir įrodytos pagrindinės sąveikos, o penktoji jau yra, apie tai bus kalbama vėliau. Visos keturios – gravitacinės, stipriosios, silpnosios, elektromagnetinės – yra sukurtos pagal vieną principą: jėga, atsirandanti tarp dalelių, yra tam tikrų mainų, kuriuos atlieka nešiklis, arba kitaip – sąveikos tarpininkas, rezultatas.
Koks tai pagalbininkas? Tai fotonas – dalelė be masės, tačiau vis dėlto sėkmingai kurianti elektromagnetinę sąveiką dėl elektromagnetinių bangų arba šviesos kvanto pasikeitimo. Vykdoma elektromagnetinė sąveikanaudojant fotonus įkrautų dalelių, kurios bendrauja tam tikra jėga, lauke, būtent taip aiškina Kulono dėsnis. Yra dar viena bemasė dalelė – gliuonas, yra aštuonios jo atmainos, padedančios kvarkams bendrauti. Ši elektromagnetinė sąveika yra trauka tarp krūvių, ir ji vadinama stipria. Taip, ir silpna sąveika neapsieina be tarpininkų, kurie yra masės dalelės, be to, jos yra masyvios, tai yra sunkios. Tai yra tarpiniai vektoriniai bozonai. Jų masė ir sunkumas paaiškina sąveikos silpnumą. Gravitacinė jėga keičia gravitacinio lauko kvantą. Ši elektromagnetinė sąveika yra dalelių trauka, ji dar nėra pakankamai ištirta, gravitonas dar net eksperimentiškai neaptiktas, o kvantinės gravitacijos mes ne iki galo jaučiame, todėl dar negalime jos apibūdinti.
Penktosios jėgos
Apsvarstėme keturis esminės sąveikos tipus: stiprią, silpną, elektromagnetinę, gravitacinę. Sąveika yra tam tikras dalelių mainų veiksmas, todėl negalima išsiversti be simetrijos sąvokos, nes nėra su ja nesusijusios sąveikos. Būtent ji nustato dalelių skaičių ir jų masę. Esant tiksliai simetrijai, masė visada lygi nuliui. Taigi, fotonas ir gliuonas neturi masės, ji lygi nuliui, o gravitonas neturi. Ir jei simetrija pažeidžiama, masė nustoja būti nuliu. Taigi, tarpiniai vektoriniai bizonai turi masę, nes simetrija yra pažeista. Šios keturios pagrindinės sąveikos viską paaiškinamatome ir jaučiame. Likusios jėgos rodo, kad jų elektromagnetinė sąveika yra antrinė. Tačiau 2012 metais įvyko mokslo proveržis ir buvo atrasta dar viena dalelė, kuri iškart išgarsėjo. Revoliuciją mokslo pasaulyje surengė atradus Higso bozoną, kuris, kaip paaiškėjo, taip pat yra leptonų ir kvarkų sąveikos nešėjas.
Štai kodėl fizikai dabar sako, kad atsirado penktoji jėga, tarpininkaujant Higso bozonui. Simetrija taip pat sulaužyta: Higso bozonas turi masę. Taigi sąveikų skaičius (šiuolaikinėje dalelių fizikoje šiuo žodžiu pakeičiamas žodis „jėga“) pasiekė penkis. Galbūt laukiame naujų atradimų, nes tiksliai nežinome, ar, be šių, yra kitų sąveikų. Labai gali būti, kad mūsų jau sukurtas ir šiandien svarstomas modelis, kuris, atrodo, puikiai paaiškintų visus pasaulyje stebimus reiškinius, nėra iki galo išbaigtas. Ir galbūt po kurio laiko atsiras naujos sąveikos ar naujos jėgos. Tokia tikimybė egzistuoja jau vien dėl to, kad labai pamažu sužinojome, kad šiandien žinomos esminės sąveikos – stiprioji, silpnoji, elektromagnetinė, gravitacinė. Juk jei gamtoje yra supersimetriškų dalelių, apie kurias jau kalbama mokslo pasaulyje, tai reiškia naujos simetrijos egzistavimą, o simetrija visada reiškia naujų dalelių, tarpininkų tarp jų atsiradimą. Taigi, kaip kadaise su nuostaba sužinojome, išgirsime apie anksčiau nežinomą pagrindinę jėgąyra, pavyzdžiui, elektromagnetinė, silpna sąveika. Mūsų žinios apie savo prigimtį yra labai neišsamios.
Prisijungimas
Įdomiausia tai, kad bet kokia nauja sąveika būtinai turi sukelti visiškai nežinomą reiškinį. Pavyzdžiui, jei nebūtume sužinoję apie silpną sąveiką, niekada nebūtume atradę skilimo, o jei ne mūsų žinios apie skilimą, joks branduolinės reakcijos tyrimas nebūtų įmanomas. Ir jei nežinotume branduolinių reakcijų, nesuprastume, kaip mums šviečia saulė. Juk jei nešviestų, gyvybė Žemėje nebūtų susiformavusi. Taigi sąveikos buvimas sako, kad tai gyvybiškai svarbu. Jei nebūtų stiprios sąveikos, nebūtų ir stabilių atomų branduolių. Dėl elektromagnetinės sąveikos Žemė energiją gauna iš Saulės, o iš jos sklindantys šviesos spinduliai šildo planetą. Ir visos mums žinomos sąveikos yra absoliučiai būtinos. Štai, pavyzdžiui, Higgso. Higso bozonas dalelei suteikia masės sąveikaudamas su lauku, be kurio nebūtume išgyvenę. O kaip išlikti planetos paviršiuje be gravitacinės sąveikos? Tai būtų neįmanoma ne tik mums, bet ir visai už nieką.
Absoliučiai visos sąveikos, net ir tokios, apie kurias dar nežinome, yra būtinybė, kad egzistuotų viskas, ką žmonija žino, supranta ir mėgsta. Ko mes negalime žinoti? Taip daug. Pavyzdžiui, žinome, kad protonas branduolyje yra stabilus. Tai mums labai labai svarbu.stabilumo, kitaip gyvybė neegzistuotų taip pat. Tačiau eksperimentai rodo, kad protono gyvavimo laikas yra ribotas laikas. Žinoma, ilgai, 1034 metų. Bet tai reiškia, kad anksčiau ar vėliau protonas taip pat suirs, o tam reikės naujos jėgos, tai yra naujos sąveikos. Kalbant apie protonų skilimą, jau yra teorijų, kuriose daroma prielaida apie naują, daug didesnį simetrijos laipsnį, o tai reiškia, kad gali egzistuoti nauja sąveika, apie kurią vis dar nieko nežinome.
Didysis susivienijimas
Gamtos vienybėje – vienintelis visų esminių sąveikų kūrimo principas. Daugeliui žmonių kyla klausimų dėl jų skaičiaus ir šio konkretaus skaičiaus priežasčių paaiškinimo. Čia buvo sukurta labai daug versijų ir jos labai skiriasi padarytų išvadų požiūriu. Jie įvairiais būdais paaiškina tokio skaičiaus esminių sąveikų buvimą, tačiau paaiškėja, kad jie visi remiasi vienu įrodymų kūrimo principu. Tyrėjai visada stengiasi į vieną sujungti pačius įvairiausius sąveikos tipus. Todėl tokios teorijos vadinamos Didžiojo susivienijimo teorijomis. Tarsi pasaulio medis šakojasi: šakų daug, bet kamienas visada viena.
Visa tai, nes yra idėja, kuri sujungia visas šias teorijas. Visų žinomų sąveikų šaknis yra ta pati, maitinanti vieną kamieną, kuris dėl simetrijos praradimo pradėjo šakotis ir suformavo skirtingas pagrindines sąveikas, kurias galime eksperimentiškaistebėti. Šios hipotezės dar negalima patikrinti, nes jai reikalinga neįtikėtinai didelės energijos fizika, neprieinama šiandieniniams eksperimentams. Taip pat gali būti, kad mes niekada neįvaldysime šių energijų. Tačiau apeiti šią kliūtį visiškai įmanoma.
Butas
Turime Visatą, šį natūralų greitintuvą ir visus joje vykstančius procesus, leidžiančius patikrinti net pačias drąsiausias hipotezes, susijusias su visų žinomų sąveikų bendromis šaknimis. Kita įdomi užduotis suprasti sąveiką gamtoje, ko gero, dar sunkesnė. Būtina suprasti, kaip gravitacija yra susijusi su likusiomis gamtos jėgomis. Ši esminė sąveika tarytum išsiskiria, nepaisant to, kad ši teorija konstravimo principu panaši į visas kitas.
Einšteinas užsiėmė gravitacijos teorija, bandydamas susieti ją su elektromagnetizmu. Nepaisant iš pažiūros šios problemos sprendimo realybės, teorija tuomet nepasiteisino. Dabar žmonija žino šiek tiek daugiau, bet kokiu atveju mes žinome apie stiprią ir silpną sąveiką. Ir jei dabar baigsime kurti šią vieningą teoriją, tai žinių trūkumas tikrai vėl turės įtakos. Iki šiol nebuvo įmanoma sulyginti gravitacijos su kitomis sąveikomis, nes visi paklūsta kvantinės fizikos diktuojamiems dėsniams, o gravitacija – ne. Remiantis kvantine teorija, visos dalelės yra tam tikro lauko kvantai. Tačiau kvantinė gravitacija neegzistuoja, bent jau kol kas. Tačiau jau atvirų sąveikų skaičius garsiai kartoja, kad negali nebūti kažkokia vieninga schema.
Elektros laukas
Dar 1860 m. didysis XIX amžiaus fizikas Jamesas Maxwellas sugebėjo sukurti teoriją, paaiškinančią elektromagnetinę indukciją. Laikui bėgant keičiantis magnetiniam laukui, tam tikrame erdvės taške susidaro elektrinis laukas. O jei šiame lauke randamas uždaras laidininkas, tai elektriniame lauke atsiranda indukcijos srovė. Maksvelas savo elektromagnetinių laukų teorija įrodo, kad galimas ir atvirkštinis procesas: jei tam tikrame erdvės taške laiku pakeisite elektrinį lauką, magnetinis laukas tikrai atsiras. Tai reiškia, kad bet koks magnetinio lauko laiko pokytis gali sukelti kintančio elektrinio lauko atsiradimą, o pasikeitus elektriniam laukui gali atsirasti kintantis magnetinis laukas. Šie kintamieji, laukai, generuojantys vienas kitą, sudaro vieną lauką – elektromagnetinį.
Svarbiausias rezultatas, kylantis iš Maksvelo teorijos formulių, yra numatymas, kad egzistuoja elektromagnetinės bangos, tai yra elektromagnetiniai laukai, sklindantys laike ir erdvėje. Elektromagnetinio lauko š altinis yra su pagreičiu judantys elektros krūviai. Skirtingai nuo garso (tampriųjų) bangų, elektromagnetinės bangos gali sklisti bet kurioje medžiagoje, net ir vakuume. Elektromagnetinė sąveika vakuume plinta šviesos greičiu (c=299 792 kilometrai per sekundę). Bangos ilgis gali būti skirtingas. Elektromagnetinės bangos yra nuo dešimties tūkstančių metrų iki 0,005 metrųradijo bangos, kurios mums padeda perduoti informaciją, tai yra signalus tam tikru atstumu be jokių laidų. Radijo bangas sukuria aukšto dažnio srovė, teka antena.
Kas yra bangos
Jei elektromagnetinės spinduliuotės bangos ilgis yra nuo 0,005 metro iki 1 mikrometro, ty tos, kurios yra tarp radijo bangų ir matomos šviesos, yra infraraudonoji spinduliuotė. Jį skleidžia visi šildomi kūnai: baterijos, krosnys, kaitrinės lempos. Specialūs prietaisai infraraudonąją spinduliuotę paverčia matoma šviesa, kad gautų ją skleidžiančių objektų vaizdus net visiškoje tamsoje. Matoma šviesa skleidžia bangos ilgius nuo 770 iki 380 nanometrų, todėl spalva yra nuo raudonos iki violetinės. Ši spektro dalis yra nepaprastai svarbi žmogaus gyvenimui, nes didžiulę dalį informacijos apie pasaulį gauname per regėjimą.
Jei elektromagnetinės spinduliuotės bangos ilgis yra trumpesnis už violetinę, ji yra ultravioletinė, kuri naikina patogenines bakterijas. Rentgeno spinduliai akiai nematomi. Jie beveik nesugeria matomai šviesai nepermatomų materijos sluoksnių. Rentgeno spinduliuotė diagnozuoja žmonių ir gyvūnų vidaus organų ligas. Jei elektromagnetinė spinduliuotė kyla dėl elementariųjų dalelių sąveikos ir ją skleidžia sužadinti branduoliai, gaunama gama spinduliuotė. Tai yra plačiausias elektromagnetinio spektro diapazonas, nes jis neapsiriboja didelėmis energijomis. Gama spinduliuotė gali būti minkšta ir kieta: energijos perėjimai atomo branduoliuose -minkštas, o branduolinėse reakcijose – kietas. Šie kvantai lengvai sunaikina molekules, o ypač biologines. Laimei, gama spinduliuotė negali prasiskverbti per atmosferą. Gama spindulius galima stebėti iš kosmoso. Esant itin didelėms energijoms, elektromagnetinė sąveika sklinda artimu šviesos greičiui: gama kvantai sutraiško atomų branduolius, suskaidydami juos į įvairiomis kryptimis skrendančias daleles. Stabdant jie skleidžia šviesą, matomą per specialius teleskopus.
Iš praeities į ateitį
Elektromagnetines bangas, kaip jau minėta, numatė Maksvelas. Jis atidžiai studijavo ir bandė matematiškai patikėti šiek tiek naiviomis Faradėjaus nuotraukomis, kuriose buvo vaizduojami magnetiniai ir elektriniai reiškiniai. Tai buvo Maxwellas, kuris atrado simetrijos nebuvimą. Ir būtent jam pavyko keletu lygčių įrodyti, kad kintamieji elektriniai laukai sukuria magnetinius ir atvirkščiai. Tai paskatino jį suprasti, kad tokie laukai atitrūksta nuo laidininkų ir milžinišku greičiu juda per vakuumą. Ir jis tai išsiaiškino. Greitis buvo beveik trys šimtai tūkstančių kilometrų per sekundę.
Taip sąveikauja teorija ir eksperimentas. Pavyzdys yra atradimas, kurio dėka sužinojome apie elektromagnetinių bangų egzistavimą. Fizikos pagalba jame buvo sujungtos visiškai nevienalytės sąvokos - magnetizmas ir elektra, nes tai yra tos pačios eilės fizikinis reiškinys, tiesiog sąveikauja skirtingos jo pusės. Teorijos statomos viena po kitos, ir viskasjie yra glaudžiai susiję vienas su kitu: pvz., elektrosilposios sąveikos teorija, kai silpnos branduolinės ir elektromagnetinės jėgos aprašomos iš tų pačių pozicijų, tada visa tai vienija kvantinė chromodinamika, apimanti stipriąją ir elektrosilpąją sąveiką (čia tikslumas vis dar žemesnis, bet darbas tęsiasi). Tokios fizikos sritys kaip kvantinė gravitacija ir stygų teorija yra intensyviai tiriamos.
Išvados
Pasirodo, mus supanti erdvė yra visiškai persmelkta elektromagnetinės spinduliuotės: tai žvaigždės ir Saulė, Mėnulis ir kiti dangaus kūnai, tai pati Žemė ir kiekvienas telefonas žmogaus rankose, ir radijo stočių antenos – visa tai skleidžia elektromagnetines bangas, pavadintas skirtingai. Atsižvelgiant į objekto skleidžiamų virpesių dažnį, išskiriama infraraudonoji spinduliuotė, radijo bangos, matoma šviesa, biolauko spinduliai, rentgeno spinduliai ir panašiai.
Kai elektromagnetinis laukas sklinda, jis tampa elektromagnetine banga. Tai tiesiog neišsenkantis energijos š altinis, sukeliantis molekulių ir atomų elektros krūvių svyravimus. O jei krūvis svyruoja, jo judėjimas paspartėja, todėl skleidžia elektromagnetinę bangą. Pasikeitus magnetiniam laukui, sužadinamas sūkurinis elektrinis laukas, kuris savo ruožtu sužadina sūkurinį magnetinį lauką. Procesas vyksta erdvėje, apimdamas vieną tašką po kito.
