سوف تتناول هذه المقالة ما يسمى قوى الطبيعة - التفاعل الكهرومغناطيسي الأساسي والمبادئ التي بنيت عليها. كما سيتحدث عن احتمالات وجود مناهج جديدة لدراسة هذا الموضوع. حتى في المدرسة ، في دروس الفيزياء ، يواجه الطلاب شرحًا لمفهوم "القوة". يتعلمون أن القوى يمكن أن تكون متنوعة للغاية - قوة الاحتكاك وقوة الجذب وقوة المرونة والعديد من القوى الأخرى المماثلة. لا يمكن وصفها جميعًا بالأساسيات ، نظرًا لأن ظاهرة القوة غالبًا ما تكون ثانوية (قوة الاحتكاك ، على سبيل المثال ، مع تفاعلها بين الجزيئات). يمكن أن يكون التفاعل الكهرومغناطيسي أيضًا ثانويًا - كنتيجة لذلك. تستشهد الفيزياء الجزيئية بقوة فان دير فال كمثال. توفر فيزياء الجسيمات أيضًا العديد من الأمثلة.
في الطبيعة
أود الوصول إلى الجزء السفلي من العمليات التي تحدث في الطبيعة ، عندما تجعل التفاعل الكهرومغناطيسي يعمل. ما هي بالضبط القوة الأساسية التي تحدد كل القوى الثانوية التي بنتها؟يعلم الجميع أن التفاعل الكهرومغناطيسي ، أو ، كما يطلق عليه أيضًا ، القوى الكهربائية ، أمر أساسي. يتضح هذا من خلال قانون كولوم ، الذي له تعميمه الخاص بعد معادلات ماكسويل. يصف الأخير جميع القوى المغناطيسية والكهربائية الموجودة في الطبيعة. هذا هو السبب في أنه ثبت أن تفاعل المجالات الكهرومغناطيسية هو القوة الأساسية للطبيعة. المثال التالي هو الجاذبية. حتى تلاميذ المدارس يعرفون قانون الجاذبية الكونية لإسحاق نيوتن ، الذي تلقى أيضًا مؤخرًا تعميمه الخاص من خلال معادلات أينشتاين ، ووفقًا لنظريته في الجاذبية ، فإن قوة التفاعل الكهرومغناطيسي في الطبيعة هي أيضًا أساسية.
ذات مرة ، كان يُعتقد أن هاتين القوتين الأساسيتين فقط موجودة ، لكن العلم تقدم إلى الأمام ، وأثبت تدريجياً أن هذا ليس هو الحال على الإطلاق. على سبيل المثال ، مع اكتشاف النواة الذرية ، كان من الضروري إدخال مفهوم القوة النووية ، وإلا كيف نفهم مبدأ إبقاء الجسيمات داخل النواة ، ولماذا لا تطير بعيدًا في اتجاهات مختلفة. ساعد فهم كيفية عمل القوة الكهرومغناطيسية في الطبيعة على قياس القوى النووية ودراستها ووصفها. ومع ذلك ، توصل العلماء في وقت لاحق إلى استنتاج مفاده أن القوى النووية ثانوية وتشبه في نواح كثيرة قوى فان دير فال. في الواقع ، فقط القوى التي توفرها الكواركات من خلال التفاعل مع بعضها البعض هي القوى الأساسية حقًا. ثم بالفعل - تأثير ثانوي - هو تفاعل المجالات الكهرومغناطيسية بين النيوترونات والبروتونات في النواة. من الجوهري حقًا تفاعل الكواركات التي تتبادل الغلوونات. هكذا كانتم اكتشاف قوة أساسية ثالثة في الطبيعة.
استمرار هذه القصة
الجسيمات الأولية تتحلل ، والجسيمات الثقيلة - إلى أخف ، ويصف تحللها قوة جديدة للتفاعل الكهرومغناطيسي ، والتي تسمى فقط - قوة التفاعل الضعيف. لماذا ضعيف؟ نعم ، لأن التفاعل الكهرومغناطيسي في الطبيعة أقوى بكثير. ومرة أخرى ، اتضح أن نظرية التفاعل الضعيف هذه ، التي دخلت بشكل متناغم في صورة العالم ووصفت في البداية بشكل ممتاز تحلل الجسيمات الأولية ، لا تعكس نفس الافتراضات إذا زادت الطاقة. هذا هو السبب في إعادة صياغة النظرية القديمة إلى نظرية أخرى - نظرية التفاعل الضعيف ، هذه المرة تحولت إلى نظرية عالمية. على الرغم من أنه بني على نفس المبادئ مثل النظريات الأخرى التي وصفت التفاعل الكهرومغناطيسي للجسيمات. في العصر الحديث ، هناك أربعة تفاعلات أساسية مدروسة ومثبتة ، والخامس في الطريق ، وسيتم مناقشته لاحقًا. الأربعة - الجاذبية ، القوية ، الضعيفة ، الكهرومغناطيسية - مبنية على مبدأ واحد: القوة التي تنشأ بين الجسيمات هي نتيجة لبعض التبادل الذي ينفذه الناقل ، أو بطريقة أخرى - وسيط التفاعل.
أي نوع من المساعد هذا؟ هذا فوتون - جسيم بدون كتلة ، ولكنه مع ذلك نجح في بناء تفاعل كهرومغناطيسي بسبب تبادل كمية من الموجات الكهرومغناطيسية أو كمية من الضوء. يتم تنفيذ التفاعل الكهرومغناطيسيعن طريق الفوتونات في مجال الجسيمات المشحونة التي تتصل بقوة معينة ، وهذا بالضبط ما يفسره قانون كولوم. هناك جسيم آخر عديم الكتلة - الغلوون ، هناك ثمانية أنواع منه ، يساعد الكواركات على التواصل. هذا التفاعل الكهرومغناطيسي هو عامل جذب بين الشحنات ، ويسمى قويًا. نعم ، والتفاعل الضعيف لا يكتمل بدون وسطاء ، وهي جسيمات ذات كتلة ، علاوة على أنها ضخمة ، أي ثقيلة. هذه بوزونات متجهة وسيطة. تفسر كتلتها وثقلها ضعف التفاعل. تنتج قوة الجاذبية تبادلًا لمجال الجاذبية. هذا التفاعل الكهرومغناطيسي هو جاذبية الجسيمات ، ولم تتم دراسته بعد بشكل كافٍ ، ولم يتم حتى اكتشاف الجرافيتون تجريبياً بعد ، والجاذبية الكمية لم نشعر بها بالكامل ، ولهذا لا يمكننا وصفها بعد.
القوة الخامسة
لقد درسنا أربعة أنواع من التفاعلات الأساسية: القوي ، الضعيف ، الكهرومغناطيسي ، الجاذبية. التفاعل هو فعل معين لتبادل الجسيمات ، ولا يمكن للمرء الاستغناء عن مفهوم التناظر ، حيث لا يوجد تفاعل غير مرتبط به. هي التي تحدد عدد الجسيمات وكتلتها. مع التناظر الدقيق ، تكون الكتلة دائمًا صفرًا. إذن ، الفوتون والغلون ليس لهما كتلة ، إنه يساوي صفرًا ، والجرافيتون ليس كذلك. وإذا تم كسر التناظر ، تتوقف الكتلة عن الصفر. وهكذا ، فإن ناقلات البيسون الوسيطة لها كتلة لأن التناظر مكسور. هذه التفاعلات الأربعة الأساسية تفسر كل ذلكنرى ونشعر. تشير القوى المتبقية إلى أن تفاعلها الكهرومغناطيسي ثانوي. ومع ذلك ، في عام 2012 كان هناك تقدم كبير في العلوم وتم اكتشاف جزيء آخر ، والذي اشتهر على الفور. تم تنظيم الثورة في العالم العلمي من خلال اكتشاف بوزون هيغز ، والذي ، كما اتضح ، يعمل أيضًا كحامل للتفاعلات بين اللبتونات والكواركات.
لهذا السبب يقول الفيزيائيون الآن أن قوة خامسة قد ظهرت ، بوساطة بوزون هيغز. التناظر مكسور هنا أيضًا: بوزون هيغز له كتلة. وهكذا ، بلغ عدد التفاعلات (كلمة "قوة" استبدلت بهذه الكلمة في فيزياء الجسيمات الحديثة) خمسة. ربما ننتظر اكتشافات جديدة ، لأننا لا نعرف بالضبط ما إذا كانت هناك تفاعلات أخرى غير هذه. من المحتمل جدًا أن النموذج الذي بنيناه بالفعل والذي ندرسه اليوم ، والذي يبدو أنه يشرح تمامًا جميع الظواهر التي لوحظت في العالم ، لم يكتمل تمامًا. وربما بعد فترة ستظهر تفاعلات جديدة أو قوى جديدة. يوجد مثل هذا الاحتمال ، فقط لأننا تعلمنا تدريجيًا أن هناك تفاعلات أساسية معروفة اليوم - قوية ، ضعيفة ، كهرومغناطيسية ، جاذبية. بعد كل شيء ، إذا كانت هناك جسيمات فائقة التناظر في الطبيعة ، والتي يتم الحديث عنها بالفعل في العالم العلمي ، فهذا يعني وجود تناظر جديد ، والتناظر يستلزم دائمًا ظهور جسيمات جديدة ، وسطاء فيما بينها. وبالتالي ، سوف نسمع عن قوة أساسية لم تكن معروفة من قبل ، كما تعلمنا ذلك بدهشةهناك ، على سبيل المثال ، تفاعل كهرومغناطيسي ضعيف. معرفتنا بطبيعتنا غير مكتملة للغاية.
الترابط
الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أن أي تفاعل جديد يجب أن يؤدي بالضرورة إلى ظاهرة غير معروفة تمامًا. على سبيل المثال ، إذا لم نتعلم شيئًا عن التفاعل الضعيف ، فلن نكتشف الانحلال أبدًا ، ولولا معرفتنا بالتحلل ، فلن تكون هناك دراسة للتفاعل النووي. وإذا لم نكن نعرف التفاعلات النووية ، فلن نفهم كيف تشرق لنا الشمس. بعد كل شيء ، إذا لم يلمع ، فلن تتشكل الحياة على الأرض. لذا فإن وجود التفاعل يقول أنه أمر حيوي. إذا لم يكن هناك تفاعل قوي ، فلن تكون هناك نوى ذرية مستقرة. بسبب التفاعل الكهرومغناطيسي ، تستقبل الأرض الطاقة من الشمس ، وتسخن أشعة الضوء المنبعثة منها الكوكب. وجميع التفاعلات المعروفة لنا ضرورية للغاية. هنا هيغز ، على سبيل المثال. يزود بوزون هيغز الجسيم بكتلة من خلال التفاعل مع المجال ، والذي بدونه لم نكن لننجو. وكيف تبقى على سطح الكوكب دون تفاعل الجاذبية؟ سيكون من المستحيل ليس فقط بالنسبة لنا ، ولكن من أجل لا شيء على الإطلاق.
بالتأكيد جميع التفاعلات ، حتى تلك التي لا نعرف عنها بعد ، هي ضرورة لكل ما تعرفه الإنسانية وتفهمه وتحبه. ماذا لا نستطيع ان نعرف؟ نعم، الكثير. على سبيل المثال ، نعلم أن البروتون مستقر في النواة. هذا مهم جدا جدا بالنسبة لنا.الاستقرار ، وإلا لما وجدت الحياة بنفس الطريقة. ومع ذلك ، تظهر التجارب أن عمر البروتون هو كمية محدودة زمنيا. طويلة ، بالطبع ، 1034سنوات. لكن هذا يعني أنه عاجلاً أم آجلاً سوف يتحلل البروتون أيضًا ، وهذا سيتطلب بعض القوة الجديدة ، أي تفاعل جديد. فيما يتعلق بانحلال البروتونات ، هناك بالفعل نظريات يُفترض فيها درجة جديدة أعلى بكثير من التناظر ، مما يعني أن تفاعلًا جديدًا قد يكون موجودًا جيدًا ، والذي ما زلنا لا نعرف شيئًا عنه.
التوحيد الكبير
في وحدة الطبيعة ، المبدأ الوحيد لبناء جميع التفاعلات الأساسية. كثير من الناس لديهم أسئلة حول عددهم وشرح أسباب هذا الرقم بالذات. تم بناء العديد من الإصدارات هنا ، وهي مختلفة جدًا من حيث الاستنتاجات المستخلصة. يشرحون وجود مثل هذا العدد من التفاعلات الأساسية بطرق مختلفة ، لكنهم جميعًا يتحولون إلى مبدأ واحد لبناء الأدلة. يحاول الباحثون دائمًا الجمع بين أكثر أنواع التفاعلات تنوعًا في واحد. لذلك ، تسمى هذه النظريات بنظريات التوحيد الكبير. كأن فروع شجرة العالم: يوجد العديد من الفروع ولكن الجذع دائما واحد.
كل ذلك لأن هناك فكرة توحد كل هذه النظريات. إن جذر جميع التفاعلات المعروفة هو نفسه ، حيث يغذي جذعًا واحدًا ، والذي ، نتيجة لفقدان التناظر ، بدأ في التفرع وشكل تفاعلات أساسية مختلفة ، والتي يمكننا تجربتهايراقب. لا يمكن اختبار هذه الفرضية بعد ، لأنها تتطلب فيزياء عالية الطاقة بشكل لا يصدق ، لا يمكن الوصول إليها في تجارب اليوم. من الممكن أيضًا ألا نتقن هذه الطاقات أبدًا. لكن من الممكن جدا الالتفاف على هذه العقبة
شقة
لدينا الكون ، هذا المُسرِّع الطبيعي ، وجميع العمليات التي تحدث فيه تجعل من الممكن اختبار حتى أكثر الفرضيات جرأة فيما يتعلق بالجذر المشترك لجميع التفاعلات المعروفة. مهمة أخرى مثيرة للاهتمام لفهم التفاعلات في الطبيعة ربما تكون أكثر صعوبة. من الضروري فهم كيفية ارتباط الجاذبية ببقية قوى الطبيعة. هذا التفاعل الأساسي يقف منفصلاً ، كما كان ، على الرغم من حقيقة أن هذه النظرية تشبه كل الآخرين بمبدأ البناء.
انخرط أينشتاين في نظرية الجاذبية ، محاولًا ربطها بالكهرومغناطيسية. على الرغم من الحقيقة الظاهرة لحل هذه المشكلة ، إلا أن النظرية لم تنجح في ذلك الوقت. الآن تعرف الإنسانية أكثر قليلاً ، على أي حال ، نحن نعرف عن التفاعلات القوية والضعيفة. وإذا انتهينا الآن من بناء هذه النظرية الموحدة ، فإن الافتقار إلى المعرفة سيكون له تأثير بالتأكيد مرة أخرى. حتى الآن ، لم يكن من الممكن وضع الجاذبية على قدم المساواة مع التفاعلات الأخرى ، لأن الجميع يطيع القوانين التي تمليها فيزياء الكم ، لكن الجاذبية لا تفعل ذلك. وفقًا لنظرية الكم ، فإن جميع الجسيمات عبارة عن كميات من مجال معين. لكن الجاذبية الكمية غير موجودة ، على الأقل حتى الآن. ومع ذلك ، فإن عدد التفاعلات المفتوحة بالفعل يكرر بصوت عالٍ أنه لا يمكن إلاكن نوعا من مخطط موحد
المجال الكهربائي
في عام 1860 ، تمكن عالم الفيزياء العظيم جيمس ماكسويل من القرن التاسع عشر من وضع نظرية تشرح الحث الكهرومغناطيسي. عندما يتغير المجال المغناطيسي بمرور الوقت ، يتشكل مجال كهربائي في نقطة معينة في الفضاء. وإذا تم العثور على موصل مغلق في هذا المجال ، فسيظهر تيار تحريضي في المجال الكهربائي. من خلال نظريته في المجالات الكهرومغناطيسية ، يثبت ماكسويل أن العملية العكسية ممكنة أيضًا: إذا قمت بتغيير المجال الكهربائي في الوقت المناسب في نقطة معينة في الفضاء ، سيظهر مجال مغناطيسي بالتأكيد. هذا يعني أن أي تغيير في وقت المجال المغناطيسي يمكن أن يتسبب في ظهور مجال كهربائي متغير ، ويمكن أن ينتج عن التغيير في المجال الكهربائي مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا. هذه المتغيرات ، الحقول التي تولد بعضها البعض ، تنظم حقلاً واحدًا - كهرومغناطيسي.
أهم نتيجة نشأت عن معادلات نظرية ماكسويل هي التنبؤ بوجود موجات كهرومغناطيسية ، أي مجالات كهرومغناطيسية تنتشر في الزمان والمكان. مصدر المجال الكهرومغناطيسي هو الشحنات الكهربائية التي تتحرك مع التسارع. على عكس الموجات الصوتية (المرنة) ، يمكن للموجات الكهرومغناطيسية أن تنتشر في أي مادة ، حتى في الفراغ. ينتشر التفاعل الكهرومغناطيسي في الفراغ بسرعة الضوء (c=299.792 كيلومترًا في الثانية). يمكن أن يكون الطول الموجي مختلفًا. الموجات الكهرومغناطيسية من عشرة آلاف متر إلى 0.005 متر هيموجات الراديو التي تخدمنا في نقل المعلومات ، أي الإشارات عبر مسافة معينة دون أي أسلاك. يتم إنشاء موجات الراديو بواسطة التيار عند الترددات العالية التي تتدفق في الهوائي.
ما هي الموجات
إذا كان الطول الموجي للإشعاع الكهرومغناطيسي بين 0.005 متر و 1 ميكرومتر ، فإن تلك الموجودة في النطاق بين موجات الراديو والضوء المرئي هي الأشعة تحت الحمراء. تنبعث من جميع الأجسام الساخنة: البطاريات والمواقد والمصابيح المتوهجة. تقوم أجهزة خاصة بتحويل الأشعة تحت الحمراء إلى ضوء مرئي من أجل الحصول على صور للأشياء التي تنبعث منها ، حتى في الظلام المطلق. يصدر الضوء المرئي أطوال موجية تتراوح من 770 إلى 380 نانومتر - مما ينتج عنه لون من الأحمر إلى الأرجواني. هذا القسم من الطيف مهم للغاية لحياة الإنسان ، لأننا نتلقى جزءًا كبيرًا من المعلومات حول العالم من خلال الرؤية.
إذا كان للإشعاع الكهرومغناطيسي طول موجي أقصر من البنفسجي ، فهو الأشعة فوق البنفسجية التي تقتل البكتيريا المسببة للأمراض. الأشعة السينية غير مرئية للعين. تكاد لا تمتص طبقات المادة غير الشفافة للضوء المرئي. تعمل الأشعة السينية على تشخيص أمراض الأعضاء الداخلية للإنسان والحيوان. إذا نشأ الإشعاع الكهرومغناطيسي من تفاعل الجسيمات الأولية وانبعث من نوى مثارة ، يتم الحصول على إشعاع جاما. هذا هو أوسع نطاق في الطيف الكهرومغناطيسي لأنه لا يقتصر على الطاقات العالية. يمكن أن يكون إشعاع جاما لينًا وصلبًا: تحولات الطاقة داخل النوى الذرية -لينة ، وفي التفاعلات النووية - صعبة. هذه الكميات تدمر الجزيئات بسهولة ، وخاصة الجزيئات البيولوجية. لحسن الحظ ، لا يمكن لأشعة جاما المرور عبر الغلاف الجوي. يمكن ملاحظة أشعة جاما من الفضاء. في الطاقات الفائقة ، ينتشر التفاعل الكهرومغناطيسي بسرعة قريبة من سرعة الضوء: تسحق جاما كوانتا نوى الذرات ، وتكسرها إلى جسيمات تطير في اتجاهات مختلفة. عند الكبح ينبعث منها ضوء مرئي من خلال تلسكوبات خاصة.
من الماضي الى المستقبل
تنبأ ماكسويل بالموجات الكهرومغناطيسية ، كما ذكرنا سابقًا. درس بعناية وحاول أن يصدق رياضيًا الصور الساذجة قليلاً لفاراداي ، والتي تصور الظواهر المغناطيسية والكهربائية. كان ماكسويل هو الذي اكتشف غياب التناظر. وكان هو الذي تمكن من إثبات من خلال عدد من المعادلات أن الحقول الكهربائية المتناوبة تولد مجالات مغناطيسية والعكس صحيح. قاده هذا إلى فكرة أن مثل هذه الحقول تنفصل عن الموصلات وتتحرك عبر الفراغ بسرعة هائلة. وقد توصل إلى حلها. كانت السرعة تقترب من ثلاثمائة ألف كيلومتر في الثانية
هكذا تتفاعل النظرية والتجربة. مثال على ذلك هو الاكتشاف ، والذي بفضله تعلمنا عن وجود الموجات الكهرومغناطيسية. بمساعدة الفيزياء ، تم دمج مفاهيم غير متجانسة تمامًا فيه - المغناطيسية والكهرباء ، نظرًا لأن هذه ظاهرة فيزيائية من نفس الترتيب ، فقط جوانبها المختلفة متفاعلة. تُبنى النظريات الواحدة تلو الأخرى ، وكلهاترتبط ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض: نظرية التفاعل الكهروضعيف ، على سبيل المثال ، حيث يتم وصف القوى النووية والكهرومغناطيسية الضعيفة من نفس المواضع ، ثم يتم توحيد كل هذا بواسطة الديناميكا اللونية الكمومية ، التي تغطي التفاعلات القوية والكهربائية الضعيفة (هنا الدقة لا يزال أقل ، لكن العمل مستمر). مجالات الفيزياء مثل الجاذبية الكمية ونظرية الأوتار قيد البحث بشكل مكثف.
الاستنتاجات
اتضح أن المساحة المحيطة بنا مليئة بالإشعاع الكهرومغناطيسي: هذه النجوم والشمس والقمر والأجرام السماوية الأخرى ، هذه هي الأرض نفسها ، وكل هاتف في يد الإنسان ، وهوائيات محطة الراديو - كل هذا يصدر موجات كهرومغناطيسية ، تسمى بشكل مختلف. اعتمادًا على تردد الاهتزازات التي يصدرها الجسم ، يتم تمييز الأشعة تحت الحمراء وموجات الراديو والضوء المرئي وأشعة المجال الحيوي والأشعة السينية وما شابه.
عندما ينتشر مجال كهرومغناطيسي ، يصبح موجة كهرومغناطيسية. إنه ببساطة مصدر طاقة لا ينضب ، مما يتسبب في تذبذب الشحنات الكهربائية للجزيئات والذرات. وإذا تذبذبت الشحنة ، تتسارع حركتها ، وبالتالي تنبعث منها موجة كهرومغناطيسية. إذا تغير المجال المغناطيسي ، فإن المجال الكهربائي الدوامي يكون متحمسًا ، والذي بدوره يثير مجالًا مغناطيسيًا دواميًا. تمر العملية عبر الفضاء ، وتغطي نقطة تلو الأخرى.
