Gronynnau rhyngweithio electromagnetig

Bydd yr erthygl hon yn ystyried yr hyn a elwir yn rymoedd natur - y rhyngweithio electromagnetig sylfaenol a'r egwyddorion y mae'n cael eu hadeiladu arno. Hefyd, byddwn yn siarad am bosibiliadau bodolaeth ymagweddau newydd at astudio'r pwnc hwn. Hyd yn oed yn yr ysgol mewn gwersi ffiseg, mae myfyrwyr yn wynebu'r esboniad o'r cysyniad o "rym". Maent yn dysgu y gall lluoedd fod fwyaf amrywiol - grym ffrithiant, grym atyniad, grym elastigedd ac yn y blaen. Ni all pob un ohonynt gael ei alw'n sylfaenol, oherwydd yn aml iawn mae ffenomen grym yn uwchradd (grym ffrithiannol, er enghraifft, gyda'i ryngweithio moleciwlau). Gall rhyngweithio electromagnetig fod yn uwchradd hefyd, o ganlyniad. Mae ffiseg moleciwlaidd yn dyfynnu grym van der Waals fel enghraifft. Mae ffiseg gronynnau elfennol hefyd yn rhoi llawer o enghreifftiau.

Yn natur

Hoffwn gyrraedd craidd y prosesau sy'n digwydd mewn natur, pan fydd yn gorfodi'r rhyngweithio electromagnetig i weithio. Beth yn union yw'r grym sylfaenol sy'n pennu'r holl heddluoedd eilaidd a adeiladodd? Mae pawb yn gwybod bod y rhyngweithio electromagnetig, neu, fel y'i gelwir yn dal i fod, yn lluoedd trydan, yn hanfodol. Mae hyn yn cael ei nodi gan gyfraith Coulomb, sydd â'i gyffredinoli ei hun, sy'n dilyn hafaliadau Maxwell. Mae'r olaf yn disgrifio'r holl grymoedd magnetig a thrydanol sy'n bodoli mewn natur. Dyna pam y profir mai rhyngweithio meysydd electromagnetig yw grymoedd sylfaenol natur. Yr enghraifft nesaf yw grym disgyrchiant. Mae hyd yn oed plant ysgol yn ymwybodol o gyfraith difrifoldeb cyffredinol Isaac Newton, sydd hefyd yn ddiweddar wedi cael ei gyffredinoli ei hun yn ddiweddar gan hafaliadau Einstein, ac, yn ôl ei theori braidddeb, mae'r grym hwn o ryngweithio electromagnetig mewn natur hefyd yn hanfodol.

Unwaith ar ôl credir mai dim ond dau o'r heddluoedd sylfaenol hyn oedd, ond roedd gwyddoniaeth yn symud ymlaen, gan ddangos yn raddol nad oedd hyn yn wir o gwbl. Er enghraifft, wrth ddarganfod y cnewyllyn atomig, roedd angen cyflwyno'r cysyniad o rym niwclear, neu sut i ddeall yr egwyddor o gadw gronynnau y tu mewn i'r cnewyllyn, pam nad ydynt yn hedfan i ffwrdd mewn gwahanol gyfeiriadau. Mae deall sut mae rhyngweithio electromagnetig yn gweithio mewn natur yn helpu i fesur lluoedd niwclear, i astudio a disgrifio. Fodd bynnag, daeth gwyddonwyr yn ddiweddarach i'r casgliad bod lluoedd niwclear yn eilaidd, ac mewn sawl ffordd roedd yn debyg i heddluoedd van der Waals. Mewn gwirionedd, dim ond y lluoedd y mae quarks yn eu darparu, sy'n rhyngweithio â'i gilydd, yn wirioneddol sylfaenol. Yna, effaith eilaidd yw rhyngweithio meysydd electromagnetig rhwng niwtronau a phrotonau yn y cnewyllyn. Yn wirioneddol sylfaenol yw rhyngweithio quarks, sy'n cyfnewid gluonau. Felly, darganfuwyd trydydd grym gwirioneddol sylfaenol yn ei natur.

Parhad o'r stori hon

Mae gronynnau elfennol yn pydru, mae gronynnau trwm yn torri i lawr, ac mae eu pydredd yn disgrifio grym newydd o ryngweithio electromagnetig, a elwir yn grym rhyngweithio gwan. Pam wan? Oes, gan fod y rhyngweithio electromagnetig mewn natur yn llawer cryfach. Ac unwaith eto, daeth yn amlwg nad oedd y theori hon o ryngweithio gwan, felly yn gytûn mynd i mewn i lun y byd ac yn wreiddiol yn disgrifio ymadawiadau gronynnau elfennol, yn adlewyrchu'r un ôl-raglenni, pe bai'r ynni'n codi. Felly roedd yr hen theori yn cael ei ail-greu i un arall - theori rhyngweithio gwan, troi allan i fod yn gyffredinol. Er ei fod wedi'i adeiladu ar yr un egwyddorion â theorïau eraill sy'n disgrifio rhyngweithio electromagnetig y gronynnau. Yn y cyfnod modern, mae pedwar rhyngweithiad wedi'i astudio a phrofiad sylfaenol, a'r pumed - ar y ffordd, bydd yn cael ei drafod ymlaen llaw. Mae'r pedwar - disgyrchiant, cryf, gwan, electromagnetig - yn cael eu hadeiladu ar un egwyddor: yr heddlu sy'n codi rhwng y gronynnau yw canlyniad rhyw fath o gyfnewid a gynhelir gan y cludwr, neu fel arall - cyfryngwr rhyngweithio.

Pa fath o gynorthwyydd yw hwn? Ffoton yw hwn - gronyn heb fàs, ond serch hynny, mae'n llwyddiannus yn trefnu'r rhyngweithio electromagnetig oherwydd cyfnewid cwantwm o tonnau electromagnetig neu faint o olau. Cynhelir rhyngweithio electromagnetig trwy ffotonau ym maes gronynnau a godir, sy'n cyfathrebu â rhyw rym, a dyna'n union yr hyn y mae cyfraith Coulomb yn ei drin. Mae gronyn massless arall - gluon, mae'n bodoli mewn wyth math, mae'n helpu i gyfathrebu quarks. Mae'r rhyngweithio electromagnetig hwn yn atyniad rhwng taliadau, ac fe'i gelwir yn gryf. Ac ni all rhyngweithio gwan wneud heb gyfryngwyr, a ddaeth yn gronynnau â màs, ar ben hynny, maent yn enfawr, hynny yw, yn drwm. Mae'r rhain yn gwnau fector canolraddol. Mae eu màs a'u pwysau yn esbonio gwendid y rhyngweithio. Mae grym disgyrchiadol yn cynhyrchu cyfnewid quanta o'r maes disgyrchiant. Mae'r rhyngweithio electromagnetig hwn yn atyniad o ronynnau, nid yw wedi cael ei astudio'n ddigon hyd yn hyn, nid yw graviton hyd yn oed wedi cael ei ganfod arbrofol eto, ac ni chaiff disgyrchiant cwantwm ei ganfod yn llwyr, a dyna pam na allwn ei ddisgrifio eto.

Pumed Pŵer

Archwiliwyd pedair math o ryngweithio sylfaenol: cryf, gwan, electromagnetig, disgyrchiant. Mae rhyngweithio yn weithred o gyfnewid gronynnau, ac nid oes ffordd i'w wneud heb y cysyniad o gymesuredd, gan nad oes rhyngweithio nad yw'n gysylltiedig ag ef. Mae'n pennu nifer y gronynnau a'u màs. Gyda union gymesuredd, mae'r màs bob amser yn sero. Felly, nid oes gan y ffoton a'r gluon màs, mae'n gyfystyr â sero, yn y graviton - hefyd. Ac os caiff y cymesuredd ei sathru, bydd y màs o sero yn dod i ben. Felly, mae gan y biseiniau fector canolraddol fàs, oherwydd mae'r cymesuredd yn cael ei dorri. Mae'r pedair rhyngweithiad sylfaenol hyn yn egluro popeth yr ydym yn ei weld a'i deimlo. Mae gweddill y lluoedd yn nodi bod eu rhyngweithio electromagnetig yn uwchradd. Fodd bynnag, yn 2012 cafwyd dadansoddiad mewn gwyddoniaeth a darganfuwyd gronyn arall a ddaeth yn enwog ar unwaith. Trefnwyd y chwyldro yn y byd gwyddonol trwy ddarganfod y boson Higgs, sydd, fel y mae'n troi allan, hefyd yn gludo rhyngweithio rhwng leptonau a chwarks.

Dyna pam y mae ffisegwyr nawr yn dweud bod pumed pwer yn ymddangos, wedi'i gyfryngu gan boson Higgs. Mae cymesuredd hefyd yn cael ei sathru yma: mae gan y boson Higgs màs. Felly, mae nifer y rhyngweithiadau (mae'r gair "rym" yn cael ei ddisodli gan y gair hon mewn ffiseg gronyn fodern) wedi cyrraedd pump. Efallai, yr ydym yn aros am ddarganfyddiadau newydd, oherwydd nid ydym yn gwybod yn union a oes mwy o ryngweithio ar wahân i'r rhain. Mae'n bosibl iawn nad yw'r model yr ydym yn ei ystyried ar hyn o bryd, sy'n ymddangos yn gwbl esbonio'r holl ffenomenau a arsylwyd yn y byd, yn gwbl gyflawn. Ac mae'n bosibl y bydd rhyngweithio newydd neu rymoedd newydd ar ôl tro yn ymddangos. Mae tebygolrwydd o'r fath yn bodoli, os mai dim ond oherwydd ein bod wedi dysgu'n raddol bod rhyngweithiadau sylfaenol yn hysbys heddiw-gryf, gwan, electromagnetig, ac ysgogol. Wedi'r cyfan, os oes gronynnau supersymmetric natur, a siaredir eisoes yn y byd gwyddonol, mae hyn yn golygu bod cymesuredd newydd, a chymesuredd bob amser yn golygu ymddangosiad gronynnau newydd, cyfryngwyr rhyngddynt. Felly, byddwn yn clywed am rym sylfaenol anhysbys, gan ei bod unwaith yn synnu i ddysgu bod, er enghraifft, electromagnetig, rhyngweithio gwan. Mae ein gwybodaeth o'n natur ni'n anghyflawn iawn.

Rhyng-gysylltiad

Y peth mwyaf diddorol yw y bydd unrhyw ryngweithio newydd o reidrwydd yn arwain at ffenomen hollol anhysbys. Er enghraifft, pe na baem ni'n dysgu am y rhyngweithio gwan, ni fyddem byth wedi darganfod pydredd, ac os nad oedd yn ein gwybodaeth ni o ran pydru, ni fyddai unrhyw astudiaeth o'r adwaith niwclear yn bosibl. Ac os na wyddom yr adweithiau niwclear, ni fyddem yn deall sut mae'r haul yn disgleirio i ni. Wedi'r cyfan, pe na bai hi'n ysgafn, ac ni fyddai bywyd ar y Ddaear wedi ffurfio. Felly mae presenoldeb rhyngweithio yn awgrymu bod hyn yn hollbwysig. Pe na bai rhyngweithio cryf, ac ni fyddai unrhyw niwclei atomig sefydlog. Diolch i'r rhyngweithio electromagnetig, mae'r Ddaear yn cael egni o'r Haul, ac mae'r pelydrau golau sy'n dod ohono'n cynhesu'r blaned. Ac mae'r holl ryngweithiadau y gwyddys amdanynt yn gwbl angenrheidiol. Dyma'r Higgs, er enghraifft. Mae'r boson Higgs yn rhoi màs i'r gronyn trwy ryngweithio â'r maes, hebddo ni fyddem wedi goroesi. A sut allwn ni aros ar wyneb y blaned heb ryngweithio disgyrchol? Byddai'n amhosibl nid yn unig i ni, ond ni waeth dim byd o gwbl.

Yn hollol, nid yw'r holl ryngweithio, hyd yn oed y rhai nad ydym yn gwybod eto, yn angenrheidiol i bopeth y mae dynoliaeth yn ei wybod, ei ddeall a'i garu, yn bodoli. Beth allwn ni ddim ei wybod? Ydy llawer. Er enghraifft, gwyddom fod y proton yn sefydlog yn y niwclews. Mae'r sefydlogrwydd hwn yn bwysig iawn i ni, fel arall ni fyddai bywyd yn yr un modd. Fodd bynnag, mae arbrofion yn nodi bod bywyd proton yn swm cyfyngedig o amser. Hir, wrth gwrs, 10 ³⁴ mlynedd. Ond mae hyn yn golygu y bydd y proton yn datgysylltu yn hwyr neu'n hwyrach, ac ar gyfer hyn, bydd angen rhywfaint o rym newydd, hynny yw, rhyngweithio newydd. O ran pydredd proton, mae yna ddamcaniaethau lle tybir bod cymesuredd newydd, cymharol uwch, felly, efallai y bydd rhyngweithio newydd yn bodoli, ac nid ydym yn gwybod dim byd eto.

Uniad Fawr

Yn undod natur, yr unig egwyddor yw adeiladu pob rhyngweithiad sylfaenol. Mae gan lawer o bobl gwestiynau am y nifer ohonynt a'r rhesymau dros y swm penodol hwn. Mae nifer fawr o fersiynau wedi'u hadeiladu yma, ac maent yn wahanol iawn yn eu casgliadau. Esbonio presenoldeb dim ond nifer o ryngweithiadau sylfaenol mewn pob math o ffyrdd, ond mae pob un ohonynt i gyd ag un egwyddor o adeiladu tystiolaeth. Mae'r mathau mwyaf amrywiol o ymchwilwyr rhyngweithio bob amser yn ceisio cyfuno i mewn i un. Felly, damcaniaethau o'r Uniad Fawr yw enw'r damcaniaethau o'r fath. Fel cangen byd-eang: mae yna lawer o ganghennau, ond mae'r gefnffordd bob amser yn un.

Y cyfan oherwydd bod syniad yn uno'r holl ddamcaniaethau hyn. Mae gwraidd yr holl ryngweithiadau hysbys yn un, gan fwydo un gefn, a ddechreuodd gangen o ganlyniad i golli cymesuredd a ffurfio amryw ryngweithiadau sylfaenol, y gallwn ni arsylwi arbrofol. Ni ellir dilysu'r rhagdybiaeth hon eto oherwydd ei fod yn gofyn am ffiseg o egni anhygoel o uchel nad ydynt yn anhygyrch i arbrofion heddiw. Mae hefyd yn bosibl na fyddwn byth yn meistroli'r egni hyn. Ond i fynd o gwmpas y rhwystr hwn yn eithaf posibl.

Ar wahân i

Mae gennym y Bydysawd, y cyflymydd naturiol hwn, a'r holl brosesau sy'n digwydd ynddo yn ei gwneud hi'n bosibl profi hyd yn oed y rhagdybiaethau mwyaf trwm am wraidd unigol yr holl ryngweithiadau hysbys. Mae dasg ddiddorol arall o ddeall rhyngweithio mewn natur, efallai, hyd yn oed yn fwy cymhleth. Mae angen deall sut mae difrod yn ymwneud â gweddill grymoedd natur. Mae'r rhyngweithio sylfaenol hwn yn sefyll fel pe bai ar wahân, er gwaethaf y ffaith bod y theori hon, yn ôl yr egwyddor o adeiladu, yn debyg i bawb arall.

Roedd Einstein yn ymwneud â theori graidddeb, gan geisio ei gysylltu ag electromagnetiaeth. Er gwaethaf y realiti ymddangosiadol o ddatrys y broblem hon, nid oedd y theori yn gweithio allan. Nawr mae dynoliaeth yn gwybod ychydig yn fwy, mewn unrhyw achos, gwyddom am ryngweithio cryf a gwan. Ac os ydym bellach yn cwblhau'r theori sengl hon, yna anochel y bydd y diffyg gwybodaeth yn cael ei effeithio eto. Hyd yn hyn, ni chafodd disgyrchiant ei roi ar y cyd â rhyngweithiadau eraill, gan fod pawb yn ufuddhau i'r deddfau a bennir gan ffiseg cwantwm, ac nid yw disgyrchiant. Yn ôl y theori cwantwm, mae pob gronyn yn cwanta maes penodol. Ond nid yw disgyrchiant cwantwm yn bodoli, o leiaf nawr. Fodd bynnag, mae nifer y rhyngweithiadau agored sydd eisoes yn agored yn dweud yn uchel na all fod un cynllun sengl.

Maes trydan

Yn ôl ym 1860, llwyddodd ffisegydd gwych y bedwaredd ganrif ar bymtheg, James Maxwell, i greu theori yn esbonio ymsefydlu electromagnetig. Pan fydd y cae magnetig yn newid dros amser, mae maes trydan yn cael ei ffurfio mewn man penodol yn y gofod. Ac os darganfyddir dargludydd caeedig yn y maes hwn, mae cyfres ymsefydlu yn ymddangos yn y maes trydan. Gan ei theori o feysydd electromagnetig, mae Maxwell yn profi bod y broses wrth gefn hefyd yn debygol: os bydd y maes trydan mewn man penodol o ofod yn cael ei newid mewn pryd, bydd maes magnetig o reidrwydd yn ymddangos. Golyga hyn y gall unrhyw newid yn amser y maes magnetig gael ei achosi gan ymddangosiad maes trydan sy'n newid, a thrwy newid y trydan, gall un gael cae magnetig amrywiol. Mae'r newidynnau hyn, gan greu meysydd ar ei gilydd, yn ffurfio un maes - electromagnetig.

Y canlyniad pwysicaf, sy'n dilyn o fformiwlâu theori Maxwell, yw'r rhagfynegiad bod tonnau electromagnetig, hynny yw, yn ymledu meysydd electromagnetig mewn amser a gofod. Ffynhonnell y maes electromagnetig yw'r taliadau trydan sy'n symud gyda chyflymiad. Yn wahanol i tonnau sain (elastig), gall tonnau electromagnetig ymledu mewn unrhyw sylwedd, hyd yn oed mewn gwactod. Mae'r rhyngweithio electromagnetig mewn gwactod yn ymledu gyda'r cyflymder golau (c = 299,792 cilomedr yr eiliad). Gall y donfedd fod yn wahanol. Tonnau electronromagnetig o ddeg mil metr i 0.005 metr yw tonnau radio sy'n ein gwasanaethu i drosglwyddo gwybodaeth, sy'n arwyddion ar gyfer pellter penodol heb unrhyw wifrau. Mae tonnau radio yn cael eu cynhyrchu gan amlder uchel cyfredol, sy'n llifo yn yr antena.

Beth yw'r tonnau?

Os yw tonfedd ymbelydredd electromagnetig o 0.005 metr i 1 micromedr, hynny yw, y rhai sydd yn yr amrediad rhwng tonnau radio a golau gweladwy yw ymbelydredd is-goch. Mae'n allyrru'r holl gyrff gwresogedig: batris, ffwrneisi, lampau ysgafn. Mae dyfeisiau arbennig yn trosi ymbelydredd isgoch i oleuni gweladwy er mwyn cael delweddau o wrthrychau sy'n ei allyrru, hyd yn oed mewn tywyllwch llwyr. Mae golau gweladwy yn allyrru tonnau o 770 i 380 nanometr o hyd - o goch i fioled. Mae gan y rhan hon o'r sbectrwm arwyddocâd mawr iawn i fywyd dynol, gan ein bod yn derbyn rhan helaeth o'r wybodaeth am y byd gyda chymorth gweledigaeth.

Os oes gan ymbelydredd electromagnetig donfedd yn llai na'r lliw fioled, mae'n uwchfioled sy'n lladd bacteria pathogenig. Nid yw pelydrau-X i'r llygad yn weladwy. Nid ydynt bron yn amsugno haenau o bwys yn annigonol i oleuni gweladwy. Mae pelydriad pelydr-X yn diagnosio clefydau organau mewnol dyn ac anifeiliaid. Os yw ymbelydredd electromagnetig yn deillio o ryngweithio gronynnau elfennol ac yn cael ei allyrru gan gnewyllyn cyffrous, gellir cael ymbelydredd gama. Dyma'r ystod ehangaf yn y sbectrwm electromagnetig, gan nad yw'n gyfyngedig i egni uchel. Gall ymbelydredd gama fod yn feddal a chaled: mae'r trosglwyddiadau ynni y tu mewn i'r cnewyllyn atomig yn ysgafn, ac ar gyfer adweithiau niwclear mae'n anhyblyg. Mae'r quanta hyn yn hawdd eu tynnu i lawr moleciwlau, a rhai biolegol yn arbennig. Mae'n hapusrwydd gwych na all ymbelydredd gamma fynd trwy'r atmosffer. Sylwch y gall Gamma Quanta fod o le. Mewn egni ultrahigh, mae'r rhyngweithio electromagnetig yn cyfyngu ar gyflymder yn agos at y goleuni: mae gama quanta yn crwydro cnewyllyn atomau, a'u torri'n gronynnau sy'n hedfan ar wahân. Wrth dorri, maent yn allyrru golau gweladwy mewn telesgopau arbennig.

O'r gorffennol i'r dyfodol

tonnau electromagnetig, fel y dywedwyd, a ragwelwyd gan Maxwell. Astudiodd yn ofalus ac yn ceisio credu mewn mathemateg lluniau ychydig yn naïf Faraday, y mae'r ffenomena magnetig a thrydanol yn cael eu portreadu. Roedd darganfod Maxwell diffyg cymesuredd. A'i fod yn gallu profi nifer o hafaliadau sydd yn ail meysydd trydan yn cynhyrchu vice magnetig ac is. arweiniodd hyn ef i gredu bod meysydd o'r fath ac datgysylltu oddi wrth y dargludyddion yn cael eu symud drwy gwactod gyda rhywfaint o gyflymder mawr. Ac efe a cyfrifedig. Speed yn agos at trohstam miloedd o gilomedrau yr eiliad.

Dyna theori rhyngweithio ac arbrofi. Un enghraifft yw'r agoriad trwy yr ydym yn ei ddysgu am fodolaeth tonnau electromagnetig. Yn ei fod yn dod at ei gilydd gyda chymorth ffiseg gysyniadau hollol heterogenaidd - magnetedd a thrydan, gan ei fod yn ffenomen ffisegol yr un drefn, dim ond gwahanol ochrau ohono yn cyfathrebu. Damcaniaethau yn cael eu trefnu un tu ôl i'r llall, ac mae pob un ohonynt yn agos gysylltiedig â'i gilydd: y ddamcaniaeth o ryngweithio electroweak, er enghraifft, lle yr un sefyllfa a ddisgrifiwyd gan yr heddlu gwan niwclear a electromagnetig, ac ati Mae hyn i gyd yn cyfuno chromodynamics cwantwm, sy'n cynnwys y rhyngweithiadau cryf a electroweak (yma, cywirdeb tra bod is ond y llawdriniaeth yn parhau). Astudiodd ddwys ardaloedd ffisegwyr megis disgyrchiant cwantwm a theori llinyn.

canfyddiadau

Mae'n ymddangos bod y gofod o'n cwmpas treiddio llwyr gyda ymbelydredd electromagnetig: y sêr a'r haul, y lleuad a chyrff nefol eraill, ei fod yn y Ddaear ei hun, a phob ffôn yn nwylo dyn, a gorsafoedd antena - hyn i gyd yn allyrru tonnau electromagnetig o enwau gwahanol . Yn dibynnu ar ba mor aml y osgiliadau, sy'n radiates y gwrthrych yn wahanol is-goch, radio, golau gweladwy, pelydrau bio-maes, pelydrau-X a phethau tebyg.

Pan fydd maes electromagnetig yn cael ei ddosbarthu, mae'n dod yn ton electromagnetig. Yn syml yn ffynhonnell ddihysbydd o ynni, dirgrynu y taliadau trydanol y moleciwlau ac atomau. Ac os y tâl oscillates, ei gynnig yn cyflymu, ac felly yn gollwng tonnau electromagnetig. Os bydd y newidiadau maes magnetig, y cae yn cael ei cyffroi gan fortecs trydan sydd, yn ei dro, yn cyffroi y maes fortecs magnetig. Mae'r broses yn mynd trwy'r gofod, gan gofleidio un pwynt ar ôl y llall.