Šajā rakstā tiks apskatīts tas, ko sauc par dabas spēkiem – fundamentālā elektromagnētiskā mijiedarbība un principi, uz kuriem tā tiek veidota. Tāpat tiks runāts par jaunu pieeju pastāvēšanas iespējām šīs tēmas izpētē. Pat skolā fizikas stundās skolēni saskaras ar jēdziena "spēks" skaidrojumu. Viņi uzzina, ka spēki var būt ļoti dažādi – berzes spēks, pievilkšanas spēks, elastības spēks un daudzi citi līdzīgi. Ne visus no tiem var saukt par fundamentāliem, jo ļoti bieži spēka parādība ir sekundāra (berzes spēks, piemēram, ar tā molekulu mijiedarbību). Elektromagnētiskā mijiedarbība var būt arī sekundāra - kā sekas. Molekulārā fizika kā piemēru min Van der Vālsa spēku. Daļiņu fizika sniedz arī daudzus piemērus.
Dabā
Gribētos iedziļināties dabā notiekošajos procesos, kad tas liek darboties elektromagnētiskajai mijiedarbībai. Kas īsti ir pamatspēks, kas nosaka visus sekundāros spēkus, ko tā ir izveidojusi?Ikviens zina, ka elektromagnētiskā mijiedarbība vai, kā to sauc arī, elektriskie spēki, ir būtiska. Par to liecina Kulona likums, kuram ir savs vispārinājums, kas izriet no Maksvela vienādojumiem. Pēdējie apraksta visus dabā pastāvošos magnētiskos un elektriskos spēkus. Tāpēc ir pierādīts, ka elektromagnētisko lauku mijiedarbība ir dabas pamatspēks. Nākamais piemērs ir gravitācija. Pat skolēni zina par Īzaka Ņūtona universālās gravitācijas likumu, kurš arī nesen saņēma savu vispārinājumu ar Einšteina vienādojumiem, un saskaņā ar viņa gravitācijas teoriju šis elektromagnētiskās mijiedarbības spēks dabā ir arī būtisks.
Kādreiz tika uzskatīts, ka pastāv tikai šie divi fundamentālie spēki, taču zinātne ir virzījusies uz priekšu, pamazām pierādot, ka tas tā nebūt nav. Piemēram, līdz ar atoma kodola atklāšanu bija jāievieš kodolspēka jēdziens, citādi kā saprast principu, ka daļiņas tiek turētas kodolā, kāpēc tās neaizlido dažādos virzienos. Izpratne par elektromagnētiskā spēka darbību dabā ir palīdzējusi izmērīt, pētīt un aprakstīt kodolspēkus. Tomēr vēlāk zinātnieki nonāca pie secinājuma, ka kodolspēki ir sekundāri un daudzējādā ziņā līdzīgi van der Vālsa spēkiem. Patiesībā fundamentāli ir tikai tie spēki, ko kvarki nodrošina, savstarpēji mijiedarbojoties. Tad jau - sekundārs efekts - ir elektromagnētisko lauku mijiedarbība starp neitroniem un protoniem kodolā. Patiesi būtiska ir kvarku mijiedarbība, kas apmainās ar gluoniem. Tā bijatrešais patiesi fundamentālais spēks, kas atklāts dabā.
Šī stāsta turpinājums
Elementārās daļiņas sadalās, smagās - vieglākās, un to sabrukšana raksturo jaunu elektromagnētiskās mijiedarbības spēku, ko sauc tieši tā - vājās mijiedarbības spēku. Kāpēc vājš? Jā, jo elektromagnētiskā mijiedarbība dabā ir daudz spēcīgāka. Un atkal izrādījās, ka šī vājās mijiedarbības teorija, kas tik harmoniski iekļuva pasaules ainā un sākotnēji lieliski aprakstīja elementārdaļiņu sabrukšanu, neatspoguļoja tos pašus postulātus, ja enerģija pieauga. Tāpēc vecā teorija tika pārstrādāta citā - vājās mijiedarbības teorijā, šoreiz izrādījās universāla. Lai gan tā tika veidota pēc tādiem pašiem principiem kā citas teorijas, kas aprakstīja daļiņu elektromagnētisko mijiedarbību. Mūsdienās ir četras izpētītas un pierādītas fundamentālas mijiedarbības, un piektā ir ceļā, par to tiks runāts vēlāk. Visas četras - gravitācijas, stiprās, vājās, elektromagnētiskās - ir veidotas pēc viena principa: spēks, kas rodas starp daļiņām, ir kādas apmaiņas rezultāts, ko veic nesējs vai citādi - mijiedarbības starpnieks.
Kas tas par palīgu? Šis ir fotons - daļiņa bez masas, bet tomēr veiksmīgi veido elektromagnētisko mijiedarbību, pateicoties elektromagnētisko viļņu kvanta vai gaismas kvanta apmaiņai. Tiek veikta elektromagnētiskā mijiedarbībaar fotonu palīdzību lādētu daļiņu laukā, kas sazinās ar noteiktu spēku, tieši tā interpretē Kulona likums. Ir vēl viena bezmasas daļiņa - gluons, tam ir astoņas šķirnes, tas palīdz kvarkiem sazināties. Šī elektromagnētiskā mijiedarbība ir piesaiste starp lādiņiem, un to sauc par spēcīgu. Jā, un vāja mijiedarbība nav pilnīga bez starpniekiem, kas ir daļiņas ar masu, turklāt tās ir masīvas, tas ir, smagas. Tie ir starpposma vektora bozoni. To masa un smagums izskaidro mijiedarbības vājumu. Gravitācijas spēks rada gravitācijas lauka kvantu apmaiņu. Šī elektromagnētiskā mijiedarbība ir daļiņu pievilkšanās, tā vēl nav pietiekami pētīta, gravitons vēl nav pat eksperimentāli atklāts, un kvantu gravitāciju mēs pilnībā nejūtam, tāpēc mēs to vēl nevaram aprakstīt.
Piektais spēks
Mēs esam apsvēruši četrus fundamentālās mijiedarbības veidus: spēcīgu, vāju, elektromagnētisku, gravitācijas. Mijiedarbība ir noteikts daļiņu apmaiņas akts, un nevar iztikt bez simetrijas jēdziena, jo nav mijiedarbības, kas ar to nebūtu saistīta. Tā ir viņa, kas nosaka daļiņu skaitu un to masu. Ar precīzu simetriju masa vienmēr ir nulle. Tātad fotonam un gluonam nav masas, tā ir vienāda ar nulli, bet gravitonam nav. Un, ja simetrija tiek izjaukta, masa pārstāj būt nulle. Tādējādi starpposma vektora bizoniem ir masa, jo simetrija ir izjaukta. Šīs četras pamata mijiedarbības izskaidro visumēs redzam un jūtam. Atlikušie spēki norāda, ka to elektromagnētiskā mijiedarbība ir sekundāra. Taču 2012. gadā notika izrāviens zinātnē un tika atklāta vēl viena daļiņa, kas uzreiz kļuva slavena. Revolūciju zinātniskajā pasaulē organizēja Higsa bozona atklāšana, kas, kā izrādījās, kalpo arī kā leptonu un kvarku mijiedarbības nesējs.
Tāpēc fiziķi tagad saka, ka ir parādījies piektais spēks, par ko liecina Higsa bozons. Simetrija ir salauzta arī šeit: Higsa bozonam ir masa. Tādējādi mijiedarbību skaits (vārdu "spēks" mūsdienu daļiņu fizikā aizstāj ar šo vārdu) sasniedza piecus. Iespējams, mēs gaidām jaunus atklājumus, jo mēs precīzi nezinām, vai ir vēl citas mijiedarbības bez šīm. Ļoti iespējams, ka mūsu jau uzbūvētais un šodien izskatāmais modelis, kas it kā lieliski izskaidrotu visas pasaulē novērotās parādības, nav gluži pilnīgs. Un, iespējams, pēc kāda laika parādīsies jaunas mijiedarbības vai jauni spēki. Šāda varbūtība pastāv kaut vai tāpēc, ka mēs ļoti pamazām uzzinājām, ka mūsdienās ir zināmas fundamentālas mijiedarbības - spēcīga, vāja, elektromagnētiska, gravitācijas. Galu galā, ja dabā ir supersimetriskas daļiņas, par kurām jau runā zinātniskajā pasaulē, tad tas nozīmē jaunas simetrijas esamību, un simetrija vienmēr rada jaunu daļiņu, starpnieku parādīšanos starp tām. Tādējādi mēs dzirdēsim par iepriekš nezināmu fundamentālo spēku, kā to kādreiz ar pārsteigumu uzzinājāmir, piemēram, elektromagnētiskā, vāja mijiedarbība. Mūsu zināšanas par savu dabu ir ļoti nepilnīgas.
Savienojums
Visinteresantākais ir tas, ka jebkurai jaunai mijiedarbībai noteikti ir jānoved pie pilnīgi nezināmas parādības. Piemēram, ja mēs nebūtu uzzinājuši par vājo mijiedarbību, mēs nekad nebūtu atklājuši sabrukšanu, un, ja nebūtu mūsu zināšanu par sabrukšanu, kodolreakcijas izpēte nebūtu iespējama. Un, ja mēs nezinātu kodolreakcijas, mēs nesaprastu, kā mums spīd saule. Galu galā, ja tas nespīdētu, dzīvība uz Zemes nebūtu izveidojusies. Tātad mijiedarbības klātbūtne saka, ka tā ir ļoti svarīga. Ja nebūtu spēcīgas mijiedarbības, nebūtu arī stabilu atomu kodolu. Elektromagnētiskās mijiedarbības dēļ Zeme saņem enerģiju no Saules, un no tās nākošie gaismas stari silda planētu. Un visas mums zināmās mijiedarbības ir absolūti nepieciešamas. Šeit ir, piemēram, Higsa. Higsa bozons nodrošina daļiņai masu, mijiedarbojoties ar lauku, bez kura mēs nebūtu izdzīvojuši. Un kā palikt uz planētas virsmas bez gravitācijas mijiedarbības? Tas būtu neiespējami ne tikai mums, bet vispār par neko.
Absolūti visas mijiedarbības, pat tās, par kurām mēs vēl nezinām, ir nepieciešamas, lai pastāvētu viss, ko cilvēce zina, saprot un mīl. Ko mēs nevaram zināt? Jā daudz. Piemēram, mēs zinām, ka protons kodolā ir stabils. Tas mums ir ļoti, ļoti svarīgi.stabilitāte, pretējā gadījumā dzīvība nepastāvētu tāpat vien. Tomēr eksperimenti liecina, ka protona dzīves ilgums ir ierobežots daudzums. Ilgi, protams, 1034 gadi. Bet tas nozīmē, ka agrāk vai vēlāk arī protons sabruks, un tam būs vajadzīgs jauns spēks, tas ir, jauna mijiedarbība. Attiecībā uz protonu sabrukšanu jau ir teorijas, kurās tiek pieņemta jauna, daudz augstāka simetrijas pakāpe, kas nozīmē, ka var pastāvēt jauna mijiedarbība, par kuru mēs joprojām neko nezinām.
Lielā apvienošanās
Dabas vienotībā, vienīgais princips visu fundamentālo mijiedarbību veidošanai. Daudziem cilvēkiem ir jautājumi par to skaitu un šī konkrētā numura iemeslu skaidrojumu. Šeit ir izveidotas ļoti daudzas versijas, un tās ir ļoti atšķirīgas no izdarītajiem secinājumiem. Viņi dažādos veidos izskaidro tieši tik daudzu fundamentālu mijiedarbību esamību, taču izrādās, ka tie visi ir saistīti ar vienu pierādījumu veidošanas principu. Pētnieki vienmēr cenšas vienā apvienot visdažādākos mijiedarbības veidus. Tāpēc šādas teorijas sauc par Lielās apvienošanās teorijām. It kā pasaules koks zarosies: zaru ir daudz, bet stumbrs vienmēr viens.
Viss tāpēc, ka ir ideja, kas apvieno visas šīs teorijas. Visu zināmo mijiedarbību sakne ir viena, barojot vienu stumbru, kurš simetrijas zuduma rezultātā sāka sazaroties un veidoja dažādas fundamentālas mijiedarbības, kuras varam eksperimentāli.novērot. Šo hipotēzi vēl nevar pārbaudīt, jo tai ir nepieciešama neticami augstas enerģijas fizika, kas nav pieejama mūsdienu eksperimentiem. Ir arī iespējams, ka mēs nekad neapgūsim šīs enerģijas. Bet ir pilnīgi iespējams apiet šo šķērsli.
Dzīvoklis
Mums ir Visums, šis dabiskais paātrinātājs, un visi tajā notiekošie procesi ļauj pārbaudīt pat visdrosmīgākās hipotēzes par visu zināmo mijiedarbību kopīgo sakni. Vēl viens interesants uzdevums izprast mijiedarbību dabā, iespējams, ir vēl grūtāks. Ir jāsaprot, kā gravitācija ir saistīta ar pārējiem dabas spēkiem. Šī fundamentālā mijiedarbība it kā izceļas, neskatoties uz to, ka šī teorija ir līdzīga visām pārējām pēc uzbūves principa.
Einšteins nodarbojās ar gravitācijas teoriju, mēģinot to savienot ar elektromagnētismu. Neskatoties uz šķietamo šīs problēmas risināšanas realitāti, teorija toreiz nedarbojās. Tagad cilvēce zina nedaudz vairāk, jebkurā gadījumā mēs zinām par stipro un vājo mijiedarbību. Un, ja tagad beigs būvēt šo vienoto teoriju, tad zināšanu trūkums noteikti atkal atstās efektu. Līdz šim gravitāciju nav bijis iespējams pielīdzināt citām mijiedarbībām, jo visi ievēro kvantu fizikas diktētos likumus, bet gravitācija to nedara. Saskaņā ar kvantu teoriju visas daļiņas ir noteikta lauka kvanti. Bet kvantu gravitācija neeksistē, vismaz vēl ne. Tomēr jau atvērto mijiedarbību skaits skaļi atkārto, ka nevar citādibūt kaut kāda vienota shēma.
Elektriskais lauks
1860. gadā izcilajam deviņpadsmitā gadsimta fiziķim Džeimsam Maksvelam izdevās izveidot teoriju, kas izskaidro elektromagnētisko indukciju. Kad magnētiskais lauks laika gaitā mainās, noteiktā telpas punktā veidojas elektriskais lauks. Un, ja šajā laukā tiek atrasts slēgts vadītājs, tad elektriskajā laukā parādās indukcijas strāva. Maksvels ar savu elektromagnētisko lauku teoriju pierāda, ka ir iespējams arī apgrieztais process: ja noteiktā telpas punktā laikā mainīsit elektrisko lauku, noteikti parādīsies magnētiskais lauks. Tas nozīmē, ka jebkura magnētiskā lauka laika maiņa var izraisīt mainīga elektriskā lauka rašanos, un elektriskā lauka izmaiņas var radīt mainīgu magnētisko lauku. Šie mainīgie, lauki, kas ģenerē viens otru, organizē vienu lauku - elektromagnētisko.
Svarīgākais rezultāts, kas izriet no Maksvela teorijas formulām, ir pareģojums, ka pastāv elektromagnētiskie viļņi, tas ir, elektromagnētiskie lauki, kas izplatās laikā un telpā. Elektromagnētiskā lauka avots ir elektriskie lādiņi, kas pārvietojas ar paātrinājumu. Atšķirībā no skaņas (elastīgajiem) viļņiem, elektromagnētiskie viļņi var izplatīties jebkurā vielā, pat vakuumā. Elektromagnētiskā mijiedarbība vakuumā izplatās ar gaismas ātrumu (c=299 792 kilometri sekundē). Viļņa garums var būt atšķirīgs. Elektromagnētiskie viļņi ir no desmit tūkstošiem metru līdz 0,005 metriemradio viļņi, kas kalpo mums, lai pārraidītu informāciju, tas ir, signālus noteiktā attālumā bez vadiem. Radioviļņus rada strāva augstās frekvencēs, kas plūst antenā.
Kas tie par viļņiem
Ja elektromagnētiskā starojuma viļņa garums ir no 0,005 metriem līdz 1 mikrometram, tas ir, tie, kas atrodas diapazonā starp radioviļņiem un redzamo gaismu, ir infrasarkanais starojums. To izstaro visi apsildāmie korpusi: baterijas, plītis, kvēlspuldzes. Īpašas ierīces pārvērš infrasarkano starojumu redzamā gaismā, lai iegūtu attēlus no objektiem, kas to izstaro pat absolūtā tumsā. Redzamā gaisma izstaro viļņu garumu no 770 līdz 380 nanometriem, kā rezultātā krāsa ir no sarkanas līdz purpursarkanai. Šī spektra sadaļa ir ārkārtīgi svarīga cilvēka dzīvei, jo caur redzi mēs saņemam milzīgu daļu informācijas par pasauli.
Ja elektromagnētiskā starojuma viļņa garums ir īsāks par violetu, tas ir ultravioletais starojums, kas nogalina patogēnās baktērijas. Rentgenstari ir acīm neredzami. Tie gandrīz neuzsūc redzamai gaismai necaurspīdīgus matērijas slāņus. Rentgena starojums diagnosticē cilvēku un dzīvnieku iekšējo orgānu slimības. Ja elektromagnētiskais starojums rodas elementārdaļiņu mijiedarbības rezultātā un to izstaro ierosinātie kodoli, tiek iegūts gamma starojums. Šis ir visplašākais elektromagnētiskā spektra diapazons, jo tas neaprobežojas tikai ar augstām enerģijām. Gamma starojums var būt mīksts un ciets: enerģijas pārejas atomu kodolos -mīksts, bet kodolreakcijās - ciets. Šie kvanti viegli iznīcina molekulas, un jo īpaši bioloģiskās. Par laimi, gamma starojums nevar iziet cauri atmosfērai. Gamma starus var novērot no kosmosa. Pie īpaši lielām enerģijām elektromagnētiskā mijiedarbība izplatās ar ātrumu, kas ir tuvu gaismas ātrumam: gamma kvanti sasmalcina atomu kodolus, sadalot tos daļiņās, kas lido dažādos virzienos. Bremzējot tie izstaro gaismu, kas redzama caur īpašiem teleskopiem.
No pagātnes uz nākotni
Elektromagnētiskos viļņus, kā jau minēts, paredzēja Maksvels. Viņš rūpīgi pētīja un mēģināja matemātiski noticēt nedaudz naivajiem Faradeja attēliem, kuros bija attēlotas magnētiskas un elektriskās parādības. Tas bija Maksvels, kurš atklāja simetrijas trūkumu. Un tieši viņam ar vairākiem vienādojumiem izdevās pierādīt, ka mainīgi elektriskie lauki rada magnētiskos laukus un otrādi. Tas viņu noveda pie domas, ka šādi lauki atraujas no vadītājiem un pārvietojas caur vakuumu ar milzīgu ātrumu. Un viņš to izdomāja. Ātrums bija tuvu trīssimt tūkstošiem kilometru sekundē.
Tā mijiedarbojas teorija un eksperiments. Piemērs ir atklājums, pateicoties kuram mēs uzzinājām par elektromagnētisko viļņu esamību. Ar fizikas palīdzību tajā tika apvienoti pilnīgi neviendabīgi jēdzieni - magnētisms un elektrība, jo šī ir vienas kārtas fiziska parādība, tikai tās dažādās puses mijiedarbojas. Teorijas tiek būvētas viena pēc otras, un visstie ir cieši saistīti viens ar otru: elektrovājās mijiedarbības teorija, piemēram, kur vājos kodolspēkus un elektromagnētiskos spēkus apraksta no vienādām pozīcijām, tad to visu vieno kvantu hromodinamika, aptverot stipro un elektrovāju mijiedarbību (šeit precizitāte joprojām ir zemāks, bet darbs turpinās). Intensīvi tiek pētītas tādas fizikas jomas kā kvantu gravitācija un stīgu teorija.
Secinājumi
Izrādās, ka apkārtējā telpa ir pilnībā elektromagnētiskā starojuma caurstrāvota: tās ir zvaigznes un Saule, Mēness un citi debess ķermeņi, tā ir pati Zeme un katrs telefons cilvēka rokās., un radiostaciju antenas - tas viss izstaro elektromagnētiskos viļņus, kas nosaukti atšķirīgi. Atkarībā no objekta izstarotās vibrācijas frekvences izšķir infrasarkano starojumu, radioviļņus, redzamo gaismu, biolauka starus, rentgena starus un tamlīdzīgus.
Kad elektromagnētiskais lauks izplatās, tas kļūst par elektromagnētisko vilni. Tas ir vienkārši neizsmeļams enerģijas avots, kas izraisa molekulu un atomu elektrisko lādiņu svārstības. Un, ja lādiņš svārstās, tā kustība tiek paātrināta un tāpēc izstaro elektromagnētisko viļņu. Ja mainās magnētiskais lauks, tiek ierosināts virpuļveida elektriskais lauks, kas, savukārt, ierosina virpuļa magnētisko lauku. Process iet caur telpu, aptverot vienu punktu pēc otra.
