Artikel ini akan membahas apa yang disebut gaya alam - interaksi elektromagnetik mendasar dan prinsip-prinsip yang mendasarinya. Ini juga akan berbicara tentang kemungkinan adanya pendekatan baru untuk mempelajari topik ini. Bahkan di sekolah, dalam pelajaran fisika, siswa dihadapkan pada penjelasan tentang konsep “gaya”. Mereka belajar bahwa gaya bisa sangat beragam - gaya gesekan, gaya tarik-menarik, gaya elastisitas dan banyak lainnya seperti itu. Tidak semuanya dapat disebut fundamental, karena sangat sering fenomena gaya bersifat sekunder (gaya gesekan, misalnya, dengan interaksi molekulnya). Interaksi elektromagnetik juga bisa menjadi sekunder - sebagai konsekuensinya. Fisika molekuler mengutip gaya Van der Waals sebagai contoh. Fisika partikel juga memberikan banyak contoh.
Di alam
Saya ingin memahami proses yang terjadi di alam, ketika interaksi elektromagnetik bekerja. Apa sebenarnya gaya fundamental yang menentukan semua gaya sekunder yang telah dibangunnya?Semua orang tahu bahwa interaksi elektromagnetik, atau, sebagaimana disebut juga, gaya listrik, adalah fundamental. Hal ini dibuktikan dengan hukum Coulomb, yang memiliki generalisasi sendiri mengikuti persamaan Maxwell. Yang terakhir menggambarkan semua gaya magnet dan listrik yang ada di alam. Itulah sebabnya telah terbukti bahwa interaksi medan elektromagnetik adalah kekuatan fundamental alam. Contoh selanjutnya adalah gravitasi. Bahkan anak sekolah tahu tentang hukum gravitasi universal Isaac Newton, yang juga baru-baru ini menerima generalisasinya sendiri melalui persamaan Einstein, dan, menurut teori gravitasinya, gaya interaksi elektromagnetik di alam ini juga fundamental.
Dahulu kala, diperkirakan hanya ada dua kekuatan fundamental ini, tetapi sains telah bergerak maju, secara bertahap membuktikan bahwa ini tidak sepenuhnya benar. Misalnya, dengan penemuan inti atom, konsep gaya nuklir perlu diperkenalkan, jika tidak, bagaimana memahami prinsip menjaga partikel di dalam inti, mengapa mereka tidak terbang ke arah yang berbeda. Memahami cara kerja gaya elektromagnetik di alam telah membantu mengukur, mempelajari, dan mendeskripsikan gaya nuklir. Namun, para ilmuwan kemudian sampai pada kesimpulan bahwa gaya nuklir adalah gaya sekunder dan dalam banyak hal mirip dengan gaya van der Waals. Faktanya, hanya gaya yang diberikan oleh quark dengan berinteraksi satu sama lain yang benar-benar mendasar. Kemudian sudah - efek sekunder - adalah interaksi medan elektromagnetik antara neutron dan proton dalam nukleus. Benar-benar mendasar adalah interaksi quark yang bertukar gluon. Begitulahkekuatan fundamental ketiga yang ditemukan di alam.
Lanjutan cerita ini
Partikel unsur meluruh, yang berat - menjadi yang lebih ringan, dan peluruhannya menggambarkan gaya baru interaksi elektromagnetik, yang disebut demikian - gaya interaksi lemah. Mengapa lemah? Ya, karena interaksi elektromagnetik di alam jauh lebih kuat. Dan lagi, ternyata teori interaksi lemah ini, yang dengan begitu harmonis memasuki gambaran dunia dan awalnya dengan sangat baik menggambarkan peluruhan partikel-partikel elementer, tidak mencerminkan postulat yang sama jika energinya meningkat. Itulah sebabnya teori lama dikerjakan ulang menjadi yang lain - teori interaksi lemah, kali ini ternyata universal. Meskipun dibangun di atas prinsip yang sama dengan teori lain yang menggambarkan interaksi elektromagnetik partikel. Di zaman modern, ada empat interaksi mendasar yang dipelajari dan terbukti, dan yang kelima sedang dalam perjalanan, itu akan dibahas nanti. Keempatnya - gravitasi, kuat, lemah, elektromagnetik - dibangun di atas satu prinsip: gaya yang muncul antara partikel adalah hasil dari beberapa pertukaran yang dilakukan oleh pembawa, atau sebaliknya - mediator interaksi.
Pembantu macam apa ini? Ini adalah foton - partikel tanpa massa, tetapi berhasil membangun interaksi elektromagnetik karena pertukaran kuantum gelombang elektromagnetik atau kuantum cahaya. Interaksi elektromagnetik dilakukanmelalui foton di bidang partikel bermuatan yang berkomunikasi dengan gaya tertentu, inilah yang ditafsirkan oleh hukum Coulomb. Ada partikel tak bermassa lain - gluon, ada delapan jenisnya, ini membantu quark berkomunikasi. Interaksi elektromagnetik ini merupakan gaya tarik menarik antar muatan, dan disebut kuat. Ya, dan interaksi lemah tidak lengkap tanpa perantara, yang merupakan partikel bermassa, apalagi masif, yaitu berat. Ini adalah boson vektor menengah. Massa dan beratnya menjelaskan kelemahan interaksi. Gaya gravitasi menghasilkan pertukaran kuantum medan gravitasi. Interaksi elektromagnetik ini adalah daya tarik partikel, belum cukup dipelajari, graviton bahkan belum terdeteksi secara eksperimental, dan gravitasi kuantum belum sepenuhnya kita rasakan, itulah sebabnya kita belum bisa mendeskripsikannya.
Angkatan Kelima
Kami telah mempertimbangkan empat jenis interaksi mendasar: kuat, lemah, elektromagnetik, gravitasi. Interaksi adalah tindakan pertukaran partikel tertentu, dan seseorang tidak dapat melakukannya tanpa konsep simetri, karena tidak ada interaksi yang tidak terkait dengannya. Dialah yang menentukan jumlah partikel dan massanya. Dengan simetri yang tepat, massa selalu nol. Jadi, foton dan gluon tidak memiliki massa, sama dengan nol, dan graviton tidak. Dan jika simetri rusak, massa berhenti menjadi nol. Dengan demikian, bison vektor perantara memiliki massa karena simetrinya terputus. Empat interaksi mendasar ini menjelaskan segala sesuatu yangkita lihat dan rasakan. Kekuatan yang tersisa menunjukkan bahwa interaksi elektromagnetik mereka adalah sekunder. Namun, pada tahun 2012 terjadi terobosan dalam ilmu pengetahuan dan partikel lain ditemukan, yang segera menjadi terkenal. Revolusi dalam dunia ilmiah diorganisir oleh penemuan Higgs boson, yang ternyata juga berfungsi sebagai pembawa interaksi antara lepton dan quark.
Itulah mengapa fisikawan sekarang mengatakan bahwa gaya kelima telah muncul, dimediasi oleh boson Higgs. Simetri juga rusak di sini: boson Higgs memiliki massa. Dengan demikian, jumlah interaksi (kata "gaya" diganti dengan kata ini dalam fisika partikel modern) mencapai lima. Mungkin kita sedang menunggu penemuan-penemuan baru, karena kita tidak tahu persis apakah ada interaksi lain selain ini. Sangat mungkin bahwa model yang telah kita bangun dan yang sedang kita pertimbangkan hari ini, yang tampaknya menjelaskan dengan sempurna semua fenomena yang diamati di dunia, tidak sepenuhnya lengkap. Dan mungkin, setelah beberapa waktu, interaksi baru atau kekuatan baru akan muncul. Kemungkinan seperti itu ada, jika hanya karena kita secara bertahap mempelajari bahwa ada interaksi mendasar yang dikenal saat ini - kuat, lemah, elektromagnetik, gravitasi. Lagi pula, jika ada partikel supersimetris di alam, yang sudah dibicarakan di dunia ilmiah, maka ini berarti keberadaan simetri baru, dan simetri selalu berarti munculnya partikel baru, mediator di antara mereka. Jadi, kita akan mendengar tentang gaya fundamental yang sebelumnya tidak diketahui, seperti yang pernah kita pelajari dengan terkejut bahwaada, misalnya, elektromagnetik, interaksi lemah. Pengetahuan kita tentang sifat kita sendiri sangat tidak lengkap.
Keterhubungan
Hal yang paling menarik adalah bahwa setiap interaksi baru pasti mengarah pada fenomena yang sama sekali tidak diketahui. Misalnya, jika kita tidak belajar tentang interaksi lemah, kita tidak akan pernah menemukan peluruhan, dan jika bukan karena pengetahuan kita tentang peluruhan, tidak ada studi tentang reaksi nuklir yang mungkin dilakukan. Dan jika kita tidak mengetahui reaksi nuklir, kita tidak akan mengerti bagaimana matahari bersinar untuk kita. Lagi pula, jika tidak bersinar, kehidupan di Bumi tidak akan terbentuk. Jadi kehadiran interaksi mengatakan bahwa itu sangat penting. Jika tidak ada interaksi yang kuat, tidak akan ada inti atom yang stabil. Karena interaksi elektromagnetik, Bumi menerima energi dari Matahari, dan sinar cahaya yang datang darinya menghangatkan planet ini. Dan semua interaksi yang kita ketahui mutlak diperlukan. Ini yang Higgs, misalnya. Higgs boson menyediakan partikel dengan massa melalui interaksi dengan medan, yang tanpanya kita tidak akan bertahan. Dan bagaimana cara tetap berada di permukaan planet tanpa interaksi gravitasi? Itu tidak mungkin tidak hanya bagi kita, tetapi tidak ada sama sekali.
Benar-benar semua interaksi, bahkan yang belum kita ketahui, adalah kebutuhan untuk segala sesuatu yang manusia ketahui, pahami, dan sukai untuk ada. Apa yang tidak bisa kita ketahui? Ya banyak. Sebagai contoh, kita tahu bahwa proton stabil di dalam nukleus. Ini sangat, sangat penting bagi kami.stabilitas, jika tidak, kehidupan tidak akan ada dengan cara yang sama. Namun, percobaan menunjukkan bahwa kehidupan proton adalah kuantitas terbatas waktu. Lama, tentu saja, 1034 tahun. Tetapi ini berarti bahwa cepat atau lambat proton juga akan meluruh, dan ini akan membutuhkan gaya baru, yaitu interaksi baru. Mengenai peluruhan proton, sudah ada teori di mana tingkat simetri baru yang jauh lebih tinggi diasumsikan, yang berarti bahwa interaksi baru mungkin ada, yang masih belum kita ketahui.
Grand Unifikasi
Dalam kesatuan alam, satu-satunya prinsip membangun semua interaksi mendasar. Banyak orang memiliki pertanyaan tentang jumlah mereka dan penjelasan tentang alasan nomor khusus ini. Banyak sekali versi yang dibuat di sini, dan mereka sangat berbeda dalam hal kesimpulan yang ditarik. Mereka menjelaskan kehadiran sejumlah interaksi mendasar dalam berbagai cara, tetapi semuanya ternyata dengan satu prinsip membangun bukti. Peneliti selalu berusaha menggabungkan jenis interaksi yang paling beragam menjadi satu. Oleh karena itu, teori semacam itu disebut teori Grand Unification. Seolah-olah pohon dunia bercabang: ada banyak cabang, tetapi batangnya selalu satu.
Semua karena ada ide yang menyatukan semua teori ini. Akar dari semua interaksi yang diketahui adalah sama, memberi makan satu batang, yang, sebagai akibat dari hilangnya simetri, mulai bercabang dan membentuk interaksi mendasar yang berbeda, yang dapat kita peroleh secara eksperimental.mengamati. Hipotesis ini belum dapat diuji, karena memerlukan fisika energi yang sangat tinggi, yang tidak dapat diakses oleh eksperimen hari ini. Mungkin juga kita tidak akan pernah menguasai energi ini. Tapi sangat mungkin untuk melewati rintangan ini.
Apartemen
Kami memiliki Semesta, akselerator alami ini, dan semua proses yang terjadi di dalamnya memungkinkan untuk menguji bahkan hipotesis paling berani mengenai akar umum dari semua interaksi yang diketahui. Tugas menarik lainnya untuk memahami interaksi di alam, mungkin, bahkan lebih sulit. Penting untuk memahami bagaimana gravitasi berhubungan dengan kekuatan alam lainnya. Interaksi mendasar ini seolah-olah berdiri terpisah, terlepas dari kenyataan bahwa teori ini mirip dengan semua yang lain dengan prinsip konstruksi.
Einstein terlibat dalam teori gravitasi, mencoba menghubungkannya dengan elektromagnetisme. Terlepas dari kenyataan yang tampak untuk memecahkan masalah ini, teori itu tidak berhasil saat itu. Sekarang umat manusia tahu lebih banyak, dalam hal apa pun, kita tahu tentang interaksi kuat dan lemah. Dan jika sekarang untuk menyelesaikan pembangunan unified theory ini, maka kurangnya pengetahuan tentu akan berpengaruh lagi. Sampai sekarang, tidak mungkin untuk menempatkan gravitasi setara dengan interaksi lain, karena semua orang mematuhi hukum yang ditentukan oleh fisika kuantum, tetapi gravitasi tidak. Menurut teori kuantum, semua partikel adalah kuanta dari beberapa bidang tertentu. Tapi gravitasi kuantum tidak ada, setidaknya belum. Namun, jumlah interaksi yang sudah terbuka berulang dengan keras yang tidak bisa tidakmenjadi semacam skema terpadu.
medan listrik
Kembali pada tahun 1860, fisikawan hebat abad kesembilan belas James Maxwell berhasil menciptakan teori yang menjelaskan induksi elektromagnetik. Ketika medan magnet berubah dari waktu ke waktu, medan listrik terbentuk pada titik tertentu dalam ruang. Dan jika konduktor tertutup ditemukan di medan ini, maka arus induksi muncul di medan listrik. Dengan teorinya tentang medan elektromagnetik, Maxwell membuktikan bahwa proses sebaliknya juga mungkin terjadi: jika Anda mengubah medan listrik dalam waktu pada titik tertentu dalam ruang, medan magnet pasti akan muncul. Ini berarti bahwa setiap perubahan waktu medan magnet dapat menyebabkan munculnya medan listrik yang berubah, dan perubahan medan listrik dapat menghasilkan medan magnet yang berubah. Variabel-variabel ini, medan yang menghasilkan satu sama lain, mengatur satu medan - elektromagnetik.
Hasil terpenting yang muncul dari rumusan teori Maxwell adalah prediksi adanya gelombang elektromagnetik, yaitu medan elektromagnetik yang merambat dalam ruang dan waktu. Sumber medan elektromagnetik adalah muatan listrik yang bergerak dengan percepatan. Tidak seperti gelombang suara (elastis), gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam zat apa pun, bahkan dalam ruang hampa. Interaksi elektromagnetik dalam ruang hampa merambat dengan kecepatan cahaya (c=299.792 kilometer per detik). Panjang gelombangnya bisa berbeda. Gelombang elektromagnetik dari sepuluh ribu meter hingga 0,005 meter adalahgelombang radio yang berfungsi untuk mengirimkan informasi, yaitu sinyal pada jarak tertentu tanpa kabel. Gelombang radio dibuat oleh arus pada frekuensi tinggi yang mengalir di antena.
Apa ombaknya
Jika panjang gelombang radiasi elektromagnetik antara 0,005 meter dan 1 mikrometer, yaitu yang berada dalam kisaran antara gelombang radio dan cahaya tampak adalah radiasi inframerah. Itu dipancarkan oleh semua benda yang dipanaskan: baterai, kompor, lampu pijar. Perangkat khusus mengubah radiasi inframerah menjadi cahaya tampak untuk mendapatkan gambar objek yang memancarkannya, bahkan dalam kegelapan mutlak. Cahaya tampak memancarkan panjang gelombang mulai dari 770 hingga 380 nanometer - menghasilkan warna dari merah hingga ungu. Bagian spektrum ini sangat penting bagi kehidupan manusia, karena kita menerima sebagian besar informasi tentang dunia melalui penglihatan.
Jika radiasi elektromagnetik memiliki panjang gelombang lebih pendek dari violet, itu adalah ultraviolet, yang membunuh bakteri patogen. Sinar-X tidak terlihat oleh mata. Mereka hampir tidak menyerap lapisan materi yang tidak tembus cahaya tampak. Radiasi sinar-X mendiagnosis penyakit pada organ dalam manusia dan hewan. Jika radiasi elektromagnetik muncul dari interaksi partikel elementer dan dipancarkan oleh inti yang tereksitasi, radiasi gamma diperoleh. Ini adalah rentang terluas dalam spektrum elektromagnetik karena tidak terbatas pada energi tinggi. Radiasi gamma bisa lunak dan keras: transisi energi di dalam inti atom -lunak, dan dalam reaksi nuklir - keras. Kuanta ini dengan mudah menghancurkan molekul, dan terutama yang biologis. Untungnya, radiasi gamma tidak dapat melewati atmosfer. Sinar gamma dapat diamati dari luar angkasa. Pada energi yang sangat tinggi, interaksi elektromagnetik menyebar dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya: gamma kuanta menghancurkan inti atom, memecahnya menjadi partikel yang terbang ke arah yang berbeda. Saat pengereman, mereka memancarkan cahaya yang terlihat melalui teleskop khusus.
Dari masa lalu ke masa depan
Gelombang elektromagnetik, seperti yang telah disebutkan, diprediksi oleh Maxwell. Dia dengan hati-hati mempelajari dan mencoba mempercayai secara matematis gambar Faraday yang sedikit naif, yang menggambarkan fenomena magnet dan listrik. Maxwell-lah yang menemukan ketiadaan simetri. Dan dialah yang berhasil membuktikan dengan sejumlah persamaan bahwa medan listrik bolak-balik menghasilkan medan magnet dan sebaliknya. Ini membawanya pada gagasan bahwa medan semacam itu melepaskan diri dari konduktor dan bergerak melalui ruang hampa dengan kecepatan yang luar biasa. Dan dia menemukan jawabannya. Kecepatannya mendekati tiga ratus ribu kilometer per detik.
Beginilah interaksi teori dan eksperimen. Contohnya adalah penemuan, berkat itu kami belajar tentang keberadaan gelombang elektromagnetik. Dengan bantuan fisika, konsep-konsep yang sepenuhnya heterogen digabungkan di dalamnya - magnetisme dan listrik, karena ini adalah fenomena fisik dengan urutan yang sama, hanya sisi-sisinya yang berbeda yang berinteraksi. Teori dibangun satu demi satu, dan semuanyamereka terkait erat satu sama lain: teori interaksi elektrolemah, misalnya, di mana gaya nuklir dan elektromagnetik lemah digambarkan dari posisi yang sama, maka semua ini disatukan oleh kromodinamika kuantum, yang mencakup interaksi kuat dan elektrolemah (di sini akurasi masih lebih rendah, tetapi pekerjaan berlanjut). Bidang fisika seperti gravitasi kuantum dan teori string sedang diteliti secara intensif.
Kesimpulan
Ternyata ruang di sekitar kita sepenuhnya diresapi dengan radiasi elektromagnetik: ini adalah bintang dan Matahari, Bulan dan benda langit lainnya, ini adalah Bumi itu sendiri, dan setiap telepon di tangan seseorang, dan antena stasiun radio - semua ini memancarkan gelombang elektromagnetik, dinamai berbeda. Tergantung pada frekuensi getaran yang dipancarkan suatu benda, radiasi infra merah, gelombang radio, cahaya tampak, sinar biofield, sinar-x, dan sejenisnya dibedakan.
Ketika medan elektromagnetik merambat, itu menjadi gelombang elektromagnetik. Ini hanyalah sumber energi yang tidak ada habisnya, menyebabkan muatan listrik molekul dan atom berfluktuasi. Dan jika muatan berosilasi, gerakannya dipercepat, dan karenanya memancarkan gelombang elektromagnetik. Jika medan magnet berubah, medan listrik pusaran tereksitasi, yang, pada gilirannya, membangkitkan medan magnet pusaran. Prosesnya melalui ruang, meliputi satu titik demi satu.
