Bu məqalədə təbiət qüvvələri adlanan şey - fundamental elektromaqnit qarşılıqlı təsir və onun qurulduğu prinsiplər nəzərdən keçiriləcək. Bu mövzunun öyrənilməsinə yeni yanaşmaların mövcudluğu imkanlarından da danışılacaq. Hətta məktəbdə, fizika dərslərində şagirdlər “qüvvə” anlayışının izahı ilə üzləşirlər. Onlar qüvvələrin çox müxtəlif ola biləcəyini öyrənirlər - sürtünmə qüvvəsi, cazibə qüvvəsi, elastiklik qüvvəsi və buna bənzər bir çox başqa qüvvələr. Onların hamısını fundamental adlandırmaq olmaz, çünki çox vaxt güc fenomeni ikinci dərəcəli olur (sürtünmə qüvvəsi, məsələn, molekulların qarşılıqlı təsiri ilə). Elektromaqnit qarşılıqlı təsir də ikinci dərəcəli ola bilər - nəticədə. Molekulyar fizika Van der Waals qüvvəsini misal gətirir. Hissəciklər fizikası da çoxlu nümunələr təqdim edir.
Təbiətdə
Mən təbiətdə elektromaqnit qarşılıqlı təsirini işə saldıqda baş verən proseslərin sonuna varmaq istərdim. Onun qurduğu bütün ikinci dərəcəli qüvvələri müəyyən edən əsas qüvvə məhz hansıdır?Hər kəs elektromaqnit qarşılıqlı təsirinin və ya elektrik qüvvələrinin əsas olduğunu bilir. Bunu Maksvell tənliklərindən irəli gələn öz ümumiləşdirməsi olan Coulomb qanunu sübut edir. Sonuncu təbiətdə mövcud olan bütün maqnit və elektrik qüvvələrini təsvir edir. Buna görə də sübut edilmişdir ki, elektromaqnit sahələrinin qarşılıqlı təsiri təbiətin əsas qüvvəsidir. Növbəti misal cazibə qüvvəsidir. Hətta məktəblilər İsaak Nyutonun ümumdünya cazibə qanunu haqqında bilirlər, o da bu yaxınlarda Eynşteynin tənlikləri ilə öz ümumiləşdirməsini almış və onun cazibə nəzəriyyəsinə görə təbiətdəki bu elektromaqnit qarşılıqlı qüvvəsi də əsasdır.
Bir zamanlar yalnız bu iki əsas qüvvənin mövcud olduğu düşünülürdü, lakin elm irəliləyərək bunun heç də belə olmadığını tədricən sübut edir. Məsələn, atom nüvəsinin kəşfi ilə nüvə qüvvəsi anlayışını təqdim etmək lazım idi, əks halda zərrəciklərin nüvənin içində saxlanması prinsipini necə başa düşmək olar, niyə onlar müxtəlif istiqamətlərdə uçmurlar. Elektromaqnit qüvvəsinin təbiətdə necə işlədiyini başa düşmək nüvə qüvvələrini ölçməyə, öyrənməyə və təsvir etməyə kömək etdi. Lakin sonradan alimlər belə nəticəyə gəldilər ki, nüvə qüvvələri ikinci dərəcəlidir və bir çox cəhətdən Van der Vaals qüvvələrinə bənzəyir. Əslində, yalnız kvarkların bir-biri ilə qarşılıqlı təsir göstərərək təmin etdiyi qüvvələr həqiqətən əsasdır. Sonra artıq - ikincil təsir - nüvədəki neytronlar və protonlar arasında elektromaqnit sahələrinin qarşılıqlı təsiridir. Həqiqətən əsas olan, qluonları mübadilə edən kvarkların qarşılıqlı təsiridir. Belə oldutəbiətdə kəşf edilmiş üçüncü əsl əsas qüvvə.
Bu hekayənin davamı
Elementar hissəciklər, ağır hissəciklər daha yüngüllərə çevrilir və onların çürüməsi elektromaqnit qarşılıqlı təsirinin yeni qüvvəsini təsvir edir ki, bu da məhz belə adlanır - zəif qarşılıqlı təsir qüvvəsi. Niyə zəif? Bəli, çünki təbiətdəki elektromaqnit qarşılıqlı təsir daha güclüdür. Və yenə də məlum oldu ki, dünyanın mənzərəsinə bu qədər ahəngdar şəkildə daxil olan və başlanğıcda elementar hissəciklərin çürümələrini əla təsvir edən bu zəif qarşılıqlı təsir nəzəriyyəsi, enerji artarsa, eyni postulatları əks etdirmir. Buna görə də köhnə nəzəriyyə başqa birinə - zəif qarşılıqlı təsir nəzəriyyəsinə çevrildi, bu dəfə universal oldu. Baxmayaraq ki, hissəciklərin elektromaqnit qarşılıqlı təsirini təsvir edən digər nəzəriyyələrlə eyni prinsiplər üzərində qurulmuşdur. Müasir dövrdə dörd öyrənilmiş və sübut edilmiş fundamental qarşılıqlı əlaqə mövcuddur və beşincisi yoldadır, bu barədə daha sonra müzakirə olunacaq. Bütün dördü - qravitasiya, güclü, zəif, elektromaqnit - vahid prinsip üzərində qurulur: hissəciklər arasında yaranan qüvvə daşıyıcı və ya başqa şəkildə - qarşılıqlı təsir vasitəçisi tərəfindən həyata keçirilən bəzi mübadilənin nəticəsidir.
Bu necə köməkçidir? Bu fotondur - kütləsi olmayan, lakin buna baxmayaraq elektromaqnit dalğalarının kvantının və ya işıq kvantının mübadiləsi sayəsində elektromaqnit qarşılıqlı təsirini uğurla quran bir hissəcikdir. Elektromaqnit qarşılıqlı əlaqəsi həyata keçirilirMüəyyən bir qüvvə ilə əlaqə saxlayan yüklü hissəciklər sahəsində fotonların köməyi ilə Kulon qanununun şərhi məhz budur. Başqa bir kütləsiz hissəcik var - gluon, onun səkkiz çeşidi var, kvarkların əlaqə saxlamasına kömək edir. Bu elektromaqnit qarşılıqlı təsir yüklər arasında cazibədir və buna güclü deyilir. Bəli və zəif qarşılıqlı əlaqə kütləsi olan hissəciklər olan vasitəçilər olmadan tamamlanmır, üstəlik, onlar kütləvi, yəni ağırdırlar. Bunlar ara vektor bozonlarıdır. Onların kütləsi və ağırlığı qarşılıqlı təsirin zəifliyini izah edir. Qravitasiya qüvvəsi cazibə sahəsinin kvant mübadiləsini yaradır. Bu elektromaqnit qarşılıqlı təsir hissəciklərin cazibəsidir, o, hələ kifayət qədər tədqiq edilməmişdir, qraviton hələ eksperimental olaraq aşkar edilməmişdir və kvant cazibə qüvvəsi bizim tərəfimizdən tam hiss olunmur, buna görə də onu hələ təsvir edə bilmirik.
Beşinci Qüvvə
Biz əsas qarşılıqlı təsirin dörd növünü nəzərdən keçirdik: güclü, zəif, elektromaqnit, qravitasiya. Qarşılıqlı təsir müəyyən bir hissəcik mübadiləsi aktıdır və simmetriya anlayışı olmadan edə bilməzsiniz, çünki onunla əlaqəli olmayan qarşılıqlı əlaqə yoxdur. Hissəciklərin sayını və kütləsini təyin edən odur. Dəqiq simmetriya ilə kütlə həmişə sıfırdır. Beləliklə, fotonun və qlyonun kütləsi yoxdur, o, sıfıra bərabərdir, qraviton isə yoxdur. Əgər simmetriya pozulursa, kütlə sıfır olmaqdan çıxır. Beləliklə, ara vektor bizonun kütləsi var, çünki simmetriya pozulur. Bu dörd əsas qarşılıqlı əlaqə hər şeyi izah edirgörür və hiss edirik. Qalan qüvvələr onların elektromaqnit qarşılıqlı təsirinin ikinci dərəcəli olduğunu göstərir. Ancaq 2012-ci ildə elmdə bir irəliləyiş oldu və dərhal məşhurlaşan başqa bir hissəcik kəşf edildi. Elm aləmində inqilab Hiqqs bozonunun kəşfi ilə təşkil edildi və məlum oldu ki, o, həm də leptonlar və kvarklar arasında qarşılıqlı təsirlərin daşıyıcısı rolunu oynayır.
Ona görə də fiziklər indi Hiqqs bozonunun vasitəçiliyi ilə beşinci qüvvənin meydana gəldiyini deyirlər. Burada da simmetriya pozulub: Higgs bozonunun kütləsi var. Beləliklə, qarşılıqlı təsirlərin sayı (müasir hissəciklər fizikasında “qüvvə” sözü bu sözlə əvəz olunur) beşə çatıb. Bəlkə də biz yeni kəşflər gözləyirik, çünki bunlardan başqa qarşılıqlı təsirlərin olub-olmadığını dəqiq bilmirik. Çox ola bilər ki, artıq qurduğumuz və bu gün nəzərdən keçirdiyimiz və dünyada müşahidə olunan bütün hadisələri mükəmməl şəkildə izah edən model tam olaraq tamamlanmamışdır. Və bəlkə də bir müddət sonra yeni qarşılıqlı əlaqələr və ya yeni qüvvələr meydana çıxacaq. Belə bir ehtimal mövcuddur, çünki biz tədricən bu gün məlum olan fundamental qarşılıqlı təsirlərin olduğunu öyrənmişik - güclü, zəif, elektromaqnit, qravitasiya. Axı təbiətdə artıq elm aləmində haqqında danışılan supersimmetrik hissəciklər varsa, bu, yeni simmetriyanın mövcudluğu deməkdir və simmetriya həmişə yeni zərrəciklərin, onlar arasında vasitəçilərin meydana çıxmasına səbəb olur. Beləliklə, bir dəfə təəccüblə öyrəndiyimiz kimi, əvvəllər naməlum olan əsas qüvvə haqqında eşidəcəyikməsələn, elektromaqnit, zəif qarşılıqlı təsir var. Öz təbiətimiz haqqında məlumatımız çox natamamdır.
Əlaqə
Ən maraqlısı odur ki, hər hansı yeni qarşılıqlı əlaqə mütləq tamamilə naməlum bir fenomenə gətirib çıxarmalıdır. Məsələn, zəif qarşılıqlı təsir haqqında öyrənməsəydik, heç vaxt çürümə kəşf etməzdik və çürümə haqqında məlumatımız olmasaydı, nüvə reaksiyasını öyrənmək mümkün olmazdı. Əgər nüvə reaksiyalarını bilməsəydik, günəşin bizim üçün necə parladığını başa düşə bilməzdik. Axı o parlamasaydı, Yer üzündə həyat yaranmazdı. Beləliklə, qarşılıqlı əlaqənin olması onun həyati əhəmiyyət daşıdığını söyləyir. Güclü qarşılıqlı təsir olmasaydı, sabit atom nüvələri də olmazdı. Elektromaqnit qarşılıqlı təsirinə görə Yer Günəşdən enerji alır və ondan gələn işıq şüaları planeti qızdırır. Və bizə məlum olan bütün qarşılıqlı əlaqələr tamamilə zəruridir. Budur, məsələn, Higgs. Higgs bozonu sahə ilə qarşılıqlı əlaqədə hissəciyi kütlə ilə təmin edir, onsuz biz sağ qala bilməzdik. Və cazibə qüvvəsi olmadan planetin səthində necə qalmaq olar? Bu, təkcə bizim üçün deyil, heç bir şey üçün qeyri-mümkün olardı.
Tamamilə bütün qarşılıqlı əlaqələr, hətta hələ bilmədiyimiz də, bəşəriyyətin bildiyi, anladığı və mövcud olmağı sevdiyi hər şey üçün zərurətdir. Nəyi bilmədik? Bəli, çox. Məsələn, protonun nüvədə sabit olduğunu bilirik. Bu, bizim üçün çox, çox vacibdir.sabitlik, əks halda həyat eyni şəkildə mövcud olmazdı. Bununla belə, təcrübələr göstərir ki, protonun ömrü məhdud zamanlı bir kəmiyyətdir. Uzun, əlbəttə ki, 1034 il. Amma bu o deməkdir ki, gec-tez proton da parçalanacaq və bunun üçün hansısa yeni qüvvə, yəni yeni qarşılıqlı təsir tələb olunacaq. Protonun parçalanması ilə bağlı, artıq yeni, daha yüksək simmetriya dərəcəsinin fərz edildiyi nəzəriyyələr var, bu o deməkdir ki, yeni qarşılıqlı təsir mövcud ola bilər və bu barədə hələ də heç nə bilmirik.
Böyük Birlik
Təbiətin vəhdətində, bütün fundamental qarşılıqlı əlaqələrin qurulmasının yeganə prinsipi. Bir çox insanın onların sayı və bu rəqəmin səbəblərinin izahı ilə bağlı sualları var. Burada çoxlu versiyalar qurulmuşdur və onlar çıxarılan nəticələr baxımından çox fərqlidir. Onlar sadəcə bu qədər fundamental qarşılıqlı əlaqənin mövcudluğunu müxtəlif yollarla izah edirlər, lakin onların hamısı sübutların qurulmasının vahid prinsipi ilə ortaya çıxır. Tədqiqatçılar həmişə qarşılıqlı əlaqənin ən müxtəlif növlərini birləşdirməyə çalışırlar. Buna görə də belə nəzəriyyələr Böyük Birləşmə nəzəriyyələri adlanır. Sanki dünya ağacının budaqları: budaqlar çoxdur, amma gövdə həmişə birdir.
Hamısı ona görə ki, bütün bu nəzəriyyələri birləşdirən ideya var. Bütün məlum qarşılıqlı təsirlərin kökü eynidir, simmetriyanın itirilməsi nəticəsində budaqlanmağa başlayan və müxtəlif fundamental qarşılıqlı təsirləri əmələ gətirən bir gövdəni qidalandırırmüşahidə etmək. Bu fərziyyə hələ sınaqdan keçirilə bilməz, çünki bugünkü təcrübələr üçün əlçatmaz olan inanılmaz yüksək enerjili fizika tələb olunur. Ola bilsin ki, biz heç vaxt bu enerjilərə yiyələnə bilməyəcəyik. Lakin bu maneəni dəf etmək olduqca mümkündür.
Mənzil
Bizdə Kainat, bu təbii sürətləndirici və onda baş verən bütün proseslər bütün məlum qarşılıqlı təsirlərin ümumi kökü ilə bağlı ən cəsarətli fərziyyələri belə sınaqdan keçirməyə imkan verir. Təbiətdəki qarşılıqlı əlaqəni anlamaq üçün başqa bir maraqlı vəzifə, bəlkə də, daha çətindir. Cazibə qüvvəsinin təbiətin qalan qüvvələri ilə necə əlaqəli olduğunu başa düşmək lazımdır. Bu nəzəriyyənin konstruksiya prinsipinə görə bütün digərlərinə bənzəməsinə baxmayaraq, bu fundamental qarşılıqlı əlaqə, sanki bir-birindən fərqlənir.
Einstein cazibə nəzəriyyəsi ilə məşğul olub, onu elektromaqnetizmlə əlaqələndirməyə çalışırdı. Bu problemin həllinin real görünməsinə baxmayaraq, nəzəriyyə o zaman işləmədi. İndi bəşəriyyət bir az daha çox bilir, hər halda, biz güclü və zəif qarşılıqlı əlaqələr haqqında bilirik. Və əgər indi bu vahid nəzəriyyənin qurulmasını başa çatdırmaq lazımdırsa, o zaman bilik çatışmazlığı, şübhəsiz ki, yenidən təsir göstərəcəkdir. İndiyədək cazibə qüvvəsini digər qarşılıqlı təsirlərlə bərabər tutmaq mümkün olmayıb, çünki hamı kvant fizikasının diktə etdiyi qanunlara tabe olur, cazibə qüvvəsi isə yox. Kvant nəzəriyyəsinə görə, bütün hissəciklər müəyyən bir sahənin kvantlarıdır. Ancaq kvant cazibə qüvvəsi ən azı hələ mövcud deyil. Bununla birlikdə, artıq açıq olan qarşılıqlı əlaqənin sayı, bunu edə bilməyəcəyini yüksək səslə təkrarlayırbir növ vahid sxem olun.
Elektrik sahəsi
Hələ 1860-cı ildə böyük on doqquzuncu əsr fiziki Ceyms Maksvell elektromaqnit induksiyasını izah edən bir nəzəriyyə yaratmağa müvəffəq oldu. Maqnit sahəsi zamanla dəyişdikdə fəzanın müəyyən bir nöqtəsində elektrik sahəsi yaranır. Və bu sahədə qapalı bir keçirici tapılarsa, elektrik sahəsində bir induksiya cərəyanı görünür. Maksvell elektromaqnit sahələr nəzəriyyəsi ilə əks prosesin də mümkün olduğunu sübut edir: kosmosda müəyyən bir nöqtədə elektrik sahəsini vaxtında dəyişdirsəniz, mütləq maqnit sahəsi meydana çıxacaq. Bu o deməkdir ki, maqnit sahəsinin vaxtında hər hansı bir dəyişiklik dəyişən elektrik sahəsinin yaranmasına səbəb ola bilər və elektrik sahəsindəki dəyişiklik dəyişən bir maqnit sahəsi yarada bilər. Bu dəyişənlər, bir-birini yaradan sahələr tək bir sahə təşkil edir - elektromaqnit.
Maksvel nəzəriyyəsinin düsturlarından doğan ən mühüm nəticə elektromaqnit dalğalarının, yəni zaman və məkanda yayılan elektromaqnit sahələrinin mövcud olmasının proqnozlaşdırılmasıdır. Elektromaqnit sahəsinin mənbəyi sürətlənmə ilə hərəkət edən elektrik yükləridir. Səs (elastik) dalğalardan fərqli olaraq, elektromaqnit dalğaları istənilən maddədə, hətta vakuumda da yayıla bilir. Vakuumda elektromaqnit qarşılıqlı təsir işıq sürətində yayılır (c=299,792 km/san). Dalğa uzunluğu fərqli ola bilər. On min metrdən 0,005 metrə qədər olan elektromaqnit dalğalarıdırbizə məlumat ötürmək üçün xidmət edən radio dalğaları, yəni siqnalları müəyyən məsafədə heç bir naqilsiz. Radio dalğaları antenada axan yüksək tezliklərdə cərəyanla yaradılır.
Dalğalar nədir
Elektromaqnit şüalanmasının dalğa uzunluğu 0,005 metr ilə 1 mikrometr arasındadırsa, yəni radio dalğaları ilə görünən işıq arasındakı diapazonda olanlar infraqırmızı şüalanmadır. Bütün qızdırılan orqanlar tərəfindən yayılır: batareyalar, sobalar, közərmə lampaları. Xüsusi qurğular infraqırmızı şüalanmanı görünən işığa çevirir ki, hətta mütləq qaranlıqda belə onu yayan obyektlərin təsvirlərini əldə etsin. Görünən işıq 770 ilə 380 nanometr arasında dəyişən dalğa uzunluqlarını yayır - nəticədə qırmızıdan bənövşəyi rəngə çevrilir. Spektrin bu bölməsi insan həyatı üçün son dərəcə vacibdir, çünki biz dünya haqqında məlumatın böyük bir hissəsini görmə vasitəsilə alırıq.
Elektromaqnit şüalanmasının dalğa uzunluğu bənövşəyi rəngdən qısadırsa, o, patogen bakteriyaları öldürən ultrabənövşəyidir. X-şüaları gözə görünməzdir. Onlar demək olar ki, görünən işığa qeyri-şəffaf olan maddə qatlarını udmurlar. Rentgen şüalanması insan və heyvanların daxili orqanlarının xəstəliklərinin diaqnozunu qoyur. Əgər elektromaqnit şüalanma elementar hissəciklərin qarşılıqlı təsirindən yaranırsa və həyəcanlanmış nüvələr tərəfindən buraxılırsa, qamma şüalanması alınır. Bu, elektromaqnit spektrində ən geniş diapazondur, çünki o, yüksək enerjilərlə məhdudlaşmır. Qamma şüalanması yumşaq və sərt ola bilər: atom nüvələrində enerji keçidləri -yumşaq, nüvə reaksiyalarında isə sərtdir. Bu kvantlar molekulları, xüsusən də bioloji olanları asanlıqla məhv edir. Xoşbəxtlikdən, qamma radiasiya atmosferdən keçə bilmir. Qamma şüaları kosmosdan müşahidə edilə bilər. Ultra yüksək enerjilərdə elektromaqnit qarşılıqlı təsir işıq sürətinə yaxın sürətlə yayılır: qamma kvantları atomların nüvələrini əzərək, onları müxtəlif istiqamətlərdə uçan hissəciklərə parçalayır. Əyləc zamanı onlar xüsusi teleskoplar vasitəsilə görünən işıq saçırlar.
Keçmişdən gələcəyə
Elektromaqnit dalğaları, artıq qeyd edildiyi kimi, Maksvell tərəfindən proqnozlaşdırılıb. O, Faradeyin maqnit və elektrik hadisələrini əks etdirən bir qədər sadəlövh şəkillərini diqqətlə öyrəndi və riyazi olaraq inanmağa çalışdı. Simmetriyanın yoxluğunu kəşf edən Maksvell olmuşdur. Və bir sıra tənliklərlə alternativ elektrik sahələrinin maqnit sahələrini və əksinə əmələ gətirdiyini sübut etməyi bacaran o idi. Bu, onu belə sahələrin keçiricilərdən qoparaq vakuumda nəhəng sürətlə hərəkət etməsi fikrinə gətirib çıxardı. Və o, başa düşdü. Sürət saniyədə üç yüz min kilometrə yaxın idi.
Nəzəriyyə və təcrübə belə qarşılıqlı əlaqədədir. Buna misal olaraq elektromaqnit dalğalarının mövcudluğunu öyrəndiyimiz kəşfdir. Fizikanın köməyi ilə orada tamamilə heterojen anlayışlar birləşdirildi - maqnetizm və elektrik, çünki bu eyni nizamlı fiziki bir hadisədir, sadəcə onun müxtəlif tərəfləri qarşılıqlı təsirdədir. Nəzəriyyələr bir-birinin ardınca qurulur və hamısıonlar bir-biri ilə sıx bağlıdır: elektrozəif qarşılıqlı təsir nəzəriyyəsi, məsələn, zəif nüvə və elektromaqnit qüvvələri eyni mövqelərdən təsvir olunarsa, bütün bunlar güclü və elektrozəif qarşılıqlı təsirləri əhatə edən kvant xromodinamikası ilə birləşir (burada dəqiqlik hələ də aşağıdır, lakin iş davam edir). Fizikanın kvant cazibə qüvvəsi və sim nəzəriyyəsi kimi sahələri intensiv şəkildə tədqiq olunur.
Nəticələr
Məlum olur ki, bizi əhatə edən kosmos tamamilə elektromaqnit şüalanması ilə nüfuz edir: bunlar ulduzlar və Günəş, Ay və digər göy cisimləridir, bu, Yerin özüdür və hər bir telefon insanın əlindədir., və radiostansiya antenaları - bütün bunlar fərqli adlandırılan elektromaqnit dalğaları yayır. Obyektin buraxdığı vibrasiya tezliyindən asılı olaraq infraqırmızı şüalanma, radiodalğalar, görünən işıq, biosahə şüaları, rentgen şüaları və s. fərqləndirilir.
Elektromaqnit sahəsi yayıldıqda, elektromaqnit dalğasına çevrilir. O, sadəcə olaraq tükənməz enerji mənbəyidir, molekulların və atomların elektrik yüklərinin dalğalanmasına səbəb olur. Və əgər yük salınırsa, onun hərəkəti sürətlənir və buna görə də elektromaqnit dalğası yayır. Maqnit sahəsi dəyişərsə, burulğan elektrik sahəsi həyəcanlanır və bu da öz növbəsində burulğanlı maqnit sahəsini həyəcanlandırır. Proses kosmosdan keçir, bir nöqtəni digərini əhatə edir.
