Бул макалада жаратылыш күчтөрү деп аталган нерсе – негизги электромагниттик өз ара аракеттенүү жана ал курулган принциптер каралат. Ошондой эле бул теманы изилдөөдө жаңы ыкмалардын болушунун мүмкүнчүлүктөрү жөнүндө сөз болот. Мектепте деле физика сабагында окуучулар «күч» түшүнүгүн түшүндүрүүгө туш болушат. Алар күчтөр өтө ар түрдүү болушу мүмкүн экенин үйрөнүшөт - сүрүлүү күчү, тартуу күчү, ийкемдүүлүк күчү жана башка ушул сыяктуу. Алардын бардыгын фундаменталдуу деп атоого болбойт, анткени көбүнчө күч кубулушу экинчи даражада (сүүрүлүү күчү, мисалы, молекулалардын өз ара аракети менен) болот. Натыйжада, электромагниттик өз ара аракеттенүү экинчи даражада болушу мүмкүн. Молекулярдык физика мисал катары Ван дер Ваальс күчүн келтирет. Бөлүкчөлөр физикасы да көптөгөн мисалдарды келтирет.
Табигатта
Мен жаратылышта болуп жаткан процесстердин түбүнө киргим келет, качан ал электромагниттик өз ара аракеттенүүнү ишке ашырат. Ал курган бардык экинчи күчтөрдү аныктоочу негизги күч эмне?Ар бир адам электромагниттик өз ара аракеттенүү же, ошондой эле, электрдик күчтөр деп аталат, негизги экенин билет. Муну Максвеллдин теңдемелеринен келип чыккан өзүнүн жалпылоосу бар Кулон мыйзамы далилдейт. Акыркысы жаратылышта болгон бардык магниттик жана электрдик күчтөрдү сүрөттөйт. Мына ошондуктан электромагниттик талаалардын өз ара аракети жаратылыштын негизги күчү экени далилденген. Кийинки мисал - тартылуу. Жадакалса мектеп окуучулары Исаак Ньютондун бүткүл дүйнөлүк тартылуу мыйзамын билишет, ал жакында эле Эйнштейндин теңдемелери аркылуу өзүнүн жалпылоосун алган жана анын тартылуу теориясына ылайык, жаратылыштагы электромагниттик өз ара аракеттенүүнүн бул күчү да фундаменталдуу болуп саналат.
Бир убакта ушул эки негизги күч гана бар деп ойлошкон, бирок илим алга жылып, мунун такыр андай эмес экенин акырындап далилдеди. Мисалы, атом ядросунун ачылышы менен ядролук күч деген түшүнүктү киргизүү зарыл болгон, антпесе бөлүкчөлөрдү ядронун ичинде кармоо принцибин кантип түшүнүү керек, эмне үчүн алар ар кайсы багытта учуп кетпейт. Жаратылышта электромагниттик күчтүн кандай иштээрин түшүнүү ядролук күчтөрдү өлчөөгө, изилдөөгө жана сүрөттөөгө жардам берди. Бирок, кийинчерээк окумуштуулар өзөктүк күчтөр экинчи даражадагы жана көп жагынан ван-дер-Ваальс күчтөрүнө окшош деген жыйынтыкка келишкен. Чындыгында, кварктар бири-бири менен өз ара аракеттенүү аркылуу камсыз кылган күчтөр гана чындыгында негизги. Анда буга чейин - экинчилик эффект - ядродогу нейтрондор менен протондордун ортосундагы электромагниттик талаалардын өз ара аракеттенүүсү. Глюондорду алмаштырган кварктардын өз ара аракети чындыгында негизги болуп саналат. Ушундай болдужаратылышта ачылган үчүнчү чыныгы негизги күч.
Бул окуянын уландысы
Элементардык бөлүкчөлөр, оор бөлүкчөлөр жеңилирээк бөлүкчөлөргө, ал эми алардын ажыроосу электромагниттик өз ара аракеттенүүнүн жаңы күчүн сүрөттөйт, ал дал ушундай деп аталат - алсыз аракеттенүү күчү. Эмне үчүн алсыз? Ооба, анткени жаратылышта электромагниттик өз ара аракеттенүү алда канча күчтүү. Жана дагы, дүйнөнүн картинасына ушунчалык гармониялуу кирген жана алгач элементардык бөлүкчөлөрдүн ажыроолорун эң сонун сүрөттөгөн алсыз өз ара аракеттенүүнүн бул теориясы энергия көбөйсө, ошол эле постулатты чагылдырбайт экен. Ошон үчүн эски теория башкага – начар өз ара аракеттенүү теориясына кайра иштелип чыккан, бул жолу универсалдуу болуп чыкты. Ал бөлүкчөлөрдүн электромагниттик өз ара аракеттенүүсүн сүрөттөгөн башка теориялар сыяктуу эле принциптерге негизделген. Азыркы мезгилде төрт изилденген жана далилденген фундаменталдуу өз ара аракеттенүү бар, бешинчиси жолдо, ал кийинчерээк талкууланат. Төртөө тең - гравитациялык, күчтүү, алсыз, электромагниттик - бир принципке курулган: бөлүкчөлөрдүн ортосунда пайда болгон күч алып жүрүүчү же башка жол менен - өз ара аракеттенүү медиатору тарабынан жүргүзүлгөн кандайдыр бир алмашуунун натыйжасы.
Бул кандай жардамчы? Бул фотон - массасы жок бөлүкчө, бирок ошого карабастан электромагниттик толкундардын квантынын же жарыктын квантынын алмашуусунун эсебинен электромагниттик өз ара аракеттенүүнү ийгиликтүү куруп жатат. Электромагниттик өз ара аракеттенүү жүргүзүлөтБелгилүү бир күч менен байланышта болгон заряддуу бөлүкчөлөр тармагындагы фотондор аркылуу Кулон мыйзамы дал ушундай чечмелейт. Дагы бир массасы жок бөлүкчө бар - глюон, анын сегиз түрү бар, ал кварктардын байланышуусуна жардам берет. Бул электромагниттик өз ара аракеттешүү заряддардын ортосундагы тартылуу болуп саналат жана ал күчтүү деп аталат. Ооба, жана алсыз өз ара аракеттенүү ортомчуларсыз бүтпөйт, алар массасы бар бөлүкчөлөр болуп саналат, анын үстүнө алар массивдүү, башкача айтканда, оор. Булар аралык вектор бозондор. Алардын массасы жана оордугу өз ара аракеттенүүнүн алсыздыгын түшүндүрөт. Тартуу күчү тартылуу талаасынын квантынын алмашуусун жаратат. Бул электромагниттик өз ара аракеттешүү бөлүкчөлөрдүн тартылышы, ал азырынча жетиштүү изилдене элек, гравитон али эксперименталдык түрдө аныктала элек жана кванттык тартылуу биз тарабынан толук сезиле элек, ошондуктан биз аны азырынча сүрөттөй албайбыз.
Бешинчи Күч
Биз негизги өз ара аракеттенүүнүн төрт түрүн карап чыктык: күчтүү, алсыз, электромагниттик, гравитациялык. Өз ара аракеттенүү – бул бөлүкчөлөрдүн белгилүү бир алмашуу актысы жана симметрия түшүнүгүсүз кыла албайт, анткени аны менен байланышпаган өз ара аракеттенүү жок. Ал бөлүкчөлөрдүн санын жана алардын массасын аныктайт. Так симметрия менен масса ар дайым нөлгө барабар. Демек, фотон менен глюондун массасы жок, ал нөлгө барабар, ал эми гравитондун массасы жок. Ал эми симметрия бузулса, масса нөл болбой калат. Ошентип, симметрия бузулгандыктан, аралык вектор бизонунун массасы бар. Бул төрт негизги өз ара аракеттенүү баарын түшүндүрөткөрөбүз жана сезебиз. Калган күчтөр алардын электромагниттик өз ара аракеттенүүсү экинчи даражада экенин көрсөтүп турат. Бирок 2012-жылы илимде ачылыш болуп, дароо атактуу болгон дагы бир бөлүкчө табылды. Илим дүйнөсүндөгү революция Хиггс бозонун ачылышы менен уюштурулган, ал дагы лептондор менен кварктардын өз ара аракеттешүүсүнүн алып жүрүүчүсү катары кызмат кылат.
Ошондуктан физиктер азыр Хиггс бозону ортомчу бешинчи күч пайда болгонун айтышууда. Бул жерде да симметрия бузулган: Хиггс бозонун массасы бар. Ошентип, өз ара аракеттенүүлөрдүн саны («күч» деген сөз азыркы бөлүкчөлөр физикасында бул сөз менен алмаштырылган) бешке жетти. Балким, биз жаңы ачылыштарды күтүп жаткандырбыз, анткени биз булардан башка өз ара аракеттенишүүлөр бар же жок экенин так билбейбиз. Дүйнөдө байкалган бардык кубулуштарды кемчиликсиз түшүндүрүп жаткандай көрүнгөн, биз курган жана бүгүн карап жаткан модель толук эмес болушу мүмкүн. Жана балким, бир нече убакыт өткөндөн кийин, жаңы өз ара аракеттенүү же жаңы күчтөр пайда болот. Күчтүү, алсыз, электромагниттик, гравитациялык - бүгүнкү күндө белгилүү болгон фундаменталдуу өз ара аракеттенишүүлөр бар экенин акырындык менен үйрөнгөндүктөн, мындай ыктымалдык бар. Анткени, табиятта илимий дүйнөдө айтылып жаткан суперсимметриялык бөлүкчөлөр бар болсо, анда бул жаңы симметриянын бар экенин билдирет, ал эми симметрия дайыма жаңы бөлүкчөлөрдүн, алардын ортосундагы ортомчулардын пайда болушуна алып келет. Ошентип, биз буга чейин белгисиз болгон фундаменталдык күч жөнүндө уга алабыз, анткени биз бир жолу таң калып үйрөнгөнбүзмисалы, электромагниттик, начар өз ара аракеттенүү бар. Биздин табиятыбыз жөнүндө билимибиз толук эмес.
Байланыш
Эң кызыгы, ар кандай жаңы өз ара аракеттенүү сөзсүз түрдө таптакыр белгисиз көрүнүшкө алып келиши керек. Мисалы, биз алсыз өз ара аракеттенишүүнү билбегенибизде, ажыроону эч качан ачмак эмеспиз жана ажыроо жөнүндөгү билимибиз болбогондо, ядролук реакцияны изилдөө мүмкүн болмок эмес. Ал эми биз ядролук реакцияларды билбесек, күндүн бизге кандайча жаркырап жатканын түшүнбөй калмакпыз. Анткени, ал жаркырабаса, жер бетинде жашоо пайда болмок эмес. Демек, өз ара аракеттенүүнүн болушу өтө маанилүү экенин айтат. Эгерде күчтүү өз ара аракеттенүү болбосо, туруктуу атомдук ядролор болмок эмес. Электромагниттик өз ара аракеттенүүнүн аркасында Жер Күндөн энергия алат жана андан келген жарыктын нурлары планетаны жылытат. Ал эми бизге белгилүү болгон бардык өз ара аракеттенүү абдан зарыл. Бул жерде, мисалы, Хиггс бири болуп саналат. Хиггс бозону талаа менен өз ара аракеттенүү аркылуу бөлүкчөлөрдү масса менен камсыз кылат, ансыз биз жашай алмак эмеспиз. Ал эми планетанын бетинде гравитациялык өз ара аракеттенүүсүз кантип калуу керек? Бул биз үчүн эле мүмкүн эмес, бирок эч нерсеге мүмкүн эмес.
Бардык карым-катнаштар, атүгүл биз али билбегендер да, адамзат билген, түшүнгөн жана бар болууну сүйгөн бардык нерсе үчүн зарылчылык. Эмнени биле албайбыз? Ооба көп. Мисалы, биз протондун ядродо туруктуу экенин билебиз. Бул биз үчүн абдан маанилүү.стабилдүүлүк, антпесе жашоо бир калыпта болмок эмес. Бирок эксперименттер протондун жашоосу убакыт менен чектелген сан экенин көрсөтүп турат. Узак, албетте, 1034 жыл. Бирок бул эртеби-кечпи протон да чирийт жана бул кандайдыр бир жаңы күчтү, башкача айтканда, жаңы өз ара аракеттенүүнү талап кылат дегенди билдирет. Протондордун ажыроосу боюнча, симметриянын жаңы, алда канча жогору даражасы болжолдонгон теориялар бар, бул жаңы өз ара аракеттенүү болушу мүмкүн дегенди билдирет, ал тууралуу биз дагы эле эч нерсе билбейбиз.
Улуу Биригүү
Табияттын биримдигинде, бардык фундаменталдуу өз ара аракеттенүүнү куруунун бирден-бир принциби. Көптөгөн адамдарда алардын саны жана бул конкреттүү сандын себептерин түшүндүрүү боюнча суроолор бар. Бул жерде көптөгөн версиялар курулган жана алар чыгарылган тыянактар жагынан абдан айырмаланат. Алар ушундай бир катар негизги өз ара аракеттенүүнүн болушун ар кандай жолдор менен түшүндүрүшөт, бирок алардын бардыгы далилдерди куруунун бирдиктүү принциби менен чыгат. Изилдөөчүлөр ар дайым өз ара аракеттенүүнүн ар түрдүү түрлөрүн бириктирүүгө аракет кылышат. Ошондуктан, мындай теориялар Улуу бириктирүү теориялары деп аталат. Дүйнө дарагынын бутактары дегендей: бутактары көп, бирок сөңгөгү дайыма бир.
Бардык бул теориялардын баарын бириктирген идея бар. Белгилүү болгон өз ара аракеттенүүнүн тамыры бир эле, бир сөңгөктү азыктандырат, ал симметрияны жоготуунун натыйжасында бутактай баштаган жана ар кандай фундаменталдуу өз ара аракеттешүүлөрдү пайда кылган, биз эксперименталдык түрдө аларды түзө алабыз.байкоо. Бул гипотеза азырынча сыналышы мүмкүн эмес, анткени ал укмуштуудай жогорку энергиялуу физиканы талап кылат, бүгүнкү эксперименттер үчүн жеткиликсиз. Ошондой эле, биз бул энергияларды эч качан өздөштүрбөй калышыбыз мүмкүн. Бирок бул тоскоолдукту айланып өтүү толук мүмкүн.
Квартира
Бизде Аалам бар, бул табигый тездеткич жана анда болуп жаткан бардык процесстер бардык белгилүү болгон өз ара аракеттенүүнүн жалпы тамырына байланыштуу эң тайманбас гипотезаларды да сынап көрүүгө мүмкүндүк берет. Табияттагы өз ара аракеттенүүнү түшүнүүнүн дагы бир кызыктуу милдети, балким, андан да кыйын. Тартылыштын табияттын калган күчтөрү менен кандай байланышы бар экенин түшүнүү зарыл. Бул теория курулуш принциби боюнча башкаларга окшош болгонуна карабастан, бул фундаменталдуу өз ара аракеттенүү өзүнчө турат.
Эйнштейн тартылуу теориясы менен алектенип, аны электромагнетизм менен байланыштырууга аракет кылган. Бул маселени чечүү реалдуу көрүнгөнүнө карабастан, теория ал кезде иштеген жок. Азыр адамзат бир аз көбүрөөк билет, кандай болгон күндө да, биз күчтүү жана алсыз өз ара аракеттенүү жөнүндө билебиз. Эми бул бирдиктүү теорияны куруп бүтүрө турган болсок, анда билимдин жетишсиздиги кайрадан таасирин тийгизет. Ушул убакка чейин тартылуу күчүн башка өз ара аракеттешүүлөр менен бир катарга коюу мүмкүн болгон эмес, анткени ар бир адам кванттык физика айткан мыйзамдарга баш ийет, бирок тартылуу күчү андай эмес. Кванттык теорияга ылайык, бардык бөлүкчөлөр белгилүү бир талаанын кванттары. Бирок кванттык тартылуу жок, жок дегенде азырынча жок. Бирок, буга чейин эле ачык өз ара саны, бирок мүмкүн эмес экенин катуу кайталайткандайдыр бир бирдиктүү схема болуңуз.
Электр талаасы
Тээ 1860-жылы он тогузунчу кылымдын улуу физиги Джеймс Максвелл электромагниттик индукцияны түшүндүргөн теория түзүүгө жетишкен. Магнит талаасы убакыттын өтүшү менен өзгөргөндө мейкиндиктин белгилүү бир чекитинде электр талаасы пайда болот. Ал эми бул талаада жабык өткөргүч табылса, анда электр талаасында индукциялык ток пайда болот. Максвелл өзүнүн электромагниттик талаалар теориясы менен тескери процесс да мүмкүн экенин далилдейт: эгер сиз мейкиндиктин белгилүү бир чекитинде электр талаасын убагында өзгөртсөңүз, анда сөзсүз түрдө магнит талаасы пайда болот. Бул магнит талаасынын убакыттын ар кандай өзгөрүүсү өзгөрүлмө электр талаасынын пайда болушуна алып келиши мүмкүн, ал эми электр талаасынын өзгөрүшү өзгөрүлмө магнит талаасын пайда кылышы мүмкүн дегенди билдирет. Бул өзгөрмөлөр, бири-бирин жаратуучу талаалар бир талааны уюштурат - электромагниттик.
Максвелл теориясынын формулаларынан келип чыккан эң маанилүү жыйынтык – бул электромагниттик толкундардын, б.а., убакыт жана мейкиндикте таралган электромагниттик талаалар бар экенин алдын ала айтуу. Электромагниттик талаанын булагы - ылдамдануу менен кыймылдаган электр заряддары. Үн (серпилгичтүү) толкундардан айырмаланып, электромагниттик толкундар кандайдыр бир затта, атүгүл вакуумда да тарай алат. Вакуумдагы электромагниттик өз ара аракеттенүү жарык ылдамдыгы менен тарайт (c=299 792 км/сек). Толкун узундугу ар кандай болушу мүмкүн. Он миң метрден 0,005 метрге чейинки электромагниттик толкундарбизге маалыматты, б.а. кандайдыр бир зымсыз белгилүү аралыкка сигналдарды берүү үчүн кызмат кылган радио толкундар. Радио толкундар антеннада агып жаткан жогорку жыштыктагы ток тарабынан түзүлөт.
Толкундар кандай
Эгер электромагниттик нурлануунун толкун узундугу 0,005 метрден 1 микрометрге чейин болсо, башкача айтканда, радиотолкундар менен көзгө көрүнгөн жарыктын ортосундагы диапазондо болгондор инфракызыл нурлануу болуп саналат. Ал бардык жылытылган органдар тарабынан чыгарылат: батареялар, мештер, ысытуу лампалары. Атайын аппараттар абсолюттук караңгылыкта да инфракызыл нурланууну көзгө көрүнгөн жарыкка айландырышат. Көрүнүүчү жарык 770ден 380 нанометрге чейинки толкун узундуктарын чыгарат, натыйжада кызылдан кызгылт көккө чейин түс пайда болот. Спектрдин бул бөлүмү адамдын жашоосу үчүн өтө маанилүү, анткени биз дүйнө жөнүндөгү маалыматтын чоң бөлүгүн көрүү аркылуу алабыз.
Эгер электромагниттик нурлануунун толкун узундугу кызгылт көккө караганда кыска болсо, ал патогендик бактерияларды өлтүрүүчү ультрафиолет. Рентген нурлары көзгө көрүнбөйт. Алар көзгө көрүнгөн жарыкка тунук эмес зат катмарларын дээрлик сиңире алышпайт. Рентген нурлануусу адамдын жана жаныбарлардын ички органдарынын ооруларын аныктайт. Эгерде электромагниттик нурлануу элементардык бөлүкчөлөрдүн өз ара аракеттешүүсүнөн келип чыкса жана дүүлүккөн ядролор тарабынан чыгарылса, гамма нурлануу алынат. Бул электромагниттик спектрдеги эң кеңири диапазон, анткени ал жогорку энергиялар менен чектелбейт. Гамма нурлануу жумшак жана катуу болушу мүмкүн: атомдук ядролордун ичиндеги энергия өтүүлөр -жумшак, ал эми ядролук реакцияларда – катуу. Бул кванттар молекулаларды, өзгөчө биологиялык заттарды оңой жок кылышат. Бактыга жараша, гамма нурлануу атмосфера аркылуу өтө албайт. Гамма нурларын космостон байкоого болот. Өтө жогорку энергияларда электромагниттик өз ара аракеттешүү жарыктын ылдамдыгына жакын ылдамдыкта таралат: гамма кванттар атомдордун ядролорун талкалап, аларды ар кайсы багытта учкан бөлүкчөлөргө бөлөт. Тормоздоодо алар атайын телескоптор аркылуу көрүнгөн жарыкты чыгарышат.
Өткөндөн келечекке
Электромагниттик толкундар, мурда айтылгандай, Максвелл тарабынан алдын ала айтылган. Ал кылдаттык менен изилдеп, Магниттик жана электрдик кубулуштарды чагылдырган Фарадейдин бир аз жөнөкөй сүрөттөрүнө математикалык ишенүүгө аракет кылган. Симметриянын жоктугун Максвелл ачкан. Жана ал өзгөрүлмө электр талаалары магниттик талааларды жаратаарын жана тескерисинче, бир катар теңдемелер менен далилдей алган. Бул аны мындай талаалар өткөргүчтөрдөн ажырап, вакуум аркылуу кандайдыр бир гиганттык ылдамдыкта жылат деген ойго алып келди. Ал муну түшүндү. Ылдамдыгы секундасына үч жүз миң километрге жакын болгон.
Теория менен эксперимент ушинтип өз ара аракеттенет. Мисалы, ачылыш, анын аркасында биз электромагниттик толкундардын бар экендиги жөнүндө билдик. Физиканын жардамы менен анда толугу менен гетерогендик түшүнүктөр айкалышкан - магнетизм жана электр, анткени бул бирдей тартиптеги физикалык кубулуш, жөн гана анын ар кандай тараптары өз ара аракеттенүүдө. Теориялар биринин артынан бири курулат жана баарыалар бири-бири менен тыгыз байланышта: электр алсыз өз ара аракеттенүү теориясы, мисалы, алсыз ядролук жана электромагниттик күчтөр бирдей абалдан сүрөттөлсө, анда мунун бардыгы күчтүү жана электр алсыз өз ара аракеттенишүүнү камтыган кванттык хромодинамика менен бириктирилген (бул жерде тактык дагы эле төмөн, бирок иш уланууда). Физиканын кванттык тартылуу жана сап теориясы сыяктуу тармактары интенсивдүү изилденүүдө.
Тыянактар
Бизди курчап турган мейкиндик толугу менен электромагниттик нурлануу менен өтөт экен: булар жылдыздар жана Күн, Ай жана башка асман телолор, бул Жердин өзү жана ар бир телефон адамдын колунда, жана радиостанциянын антенналары - мунун баары башкача аталган электромагниттик толкундарды чыгарат. Объект чыгарган термелүүлөрдүн жыштыгына жараша инфракызыл нурлар, радиотолкундар, көрүнүүчү жарык, биоталаалык нурлар, рентген нурлары жана ушул сыяктуулар бөлүнөт.
Электромагниттик талаа тараганда ал электромагниттик толкунга айланат. Бул жөн гана энергиянын түгөнгүс булагы, молекулалардын жана атомдордун электр заряддарынын өзгөрүшүнө алып келет. Ал эми заряд термелсе, анын кыймылы тездейт, демек электромагниттик толкунду чыгарат. Магнит талаасы өзгөрсө, куюндуу электр талаасы козголот, ал өз кезегинде куюндук магнит талаасын козгойт. Процесс мейкиндик аркылуу өтүп, бир чекиттин артынан экинчисин камтыйт.
