Este artigo considerará o que é chamado de forças da natureza - a interação eletromagnética fundamental e os princípios sobre os quais ela é construída. Também falará sobre as possibilidades da existência de novas abordagens para o estudo deste tema. Ainda na escola, nas aulas de física, os alunos se deparam com uma explicação do conceito de “força”. Eles aprendem que as forças podem ser muito diversas - a força de atrito, a força de atração, a força de elasticidade e muitas outras assim. Nem todos eles podem ser chamados de fundamentais, pois muitas vezes o fenômeno da força é secundário (a força de atrito, por exemplo, com sua interação de moléculas). A interação eletromagnética também pode ser secundária - como consequência. A física molecular cita a força de Van der Waals como exemplo. A física de partículas também fornece muitos exemplos.
Na natureza
Gostaria de ir ao fundo dos processos que ocorrem na natureza, quando ela faz a interação eletromagnética funcionar. Qual é exatamente a força fundamental que determina todas as forças secundárias que ela construiu?Todos sabem que a interação eletromagnética, ou, como também é chamada, forças elétricas, é fundamental. Isso é evidenciado pela lei de Coulomb, que tem sua própria generalização seguindo as equações de Maxwell. Estes últimos descrevem todas as forças magnéticas e elétricas que existem na natureza. É por isso que ficou provado que a interação dos campos eletromagnéticos é a força fundamental da natureza. O próximo exemplo é a gravidade. Até os escolares conhecem a lei da gravitação universal de Isaac Newton, que também recebeu recentemente sua própria generalização pelas equações de Einstein, e, de acordo com sua teoria da gravidade, essa força de interação eletromagnética na natureza também é fundamental.
Era uma vez, pensava-se que apenas essas duas forças fundamentais existem, mas a ciência avançou, provando gradualmente que isso não é verdade. Por exemplo, com a descoberta do núcleo atômico, foi necessário introduzir o conceito de força nuclear, senão como entender o princípio de manter as partículas dentro do núcleo, por que elas não voam em direções diferentes. Compreender como a força eletromagnética funciona na natureza ajudou a medir, estudar e descrever as forças nucleares. No entanto, cientistas posteriores chegaram à conclusão de que as forças nucleares são secundárias e, em muitos aspectos, semelhantes às forças de van der Waals. Na verdade, apenas as forças que os quarks fornecem ao interagir uns com os outros são realmente fundamentais. Então já - um efeito secundário - é a interação de campos eletromagnéticos entre nêutrons e prótons no núcleo. Verdadeiramente fundamental é a interação de quarks que trocam glúons. Assim foiuma terceira força verdadeiramente fundamental descoberta na natureza.
Continuação desta história
As partículas elementares decaem, as pesadas - em mais leves, e seu decaimento descreve uma nova força de interação eletromagnética, que é chamada exatamente assim - a força de interação fraca. Por que fraco? Sim, porque a interação eletromagnética na natureza é muito mais forte. E, novamente, descobriu-se que essa teoria da interação fraca, que tão harmoniosamente entrou na imagem do mundo e inicialmente descreveu com excelência os decaimentos das partículas elementares, não refletia os mesmos postulados se a energia aumentasse. É por isso que a velha teoria foi retrabalhada em outra - a teoria da interação fraca, desta vez acabou sendo universal. Embora tenha sido construído sobre os mesmos princípios de outras teorias que descreviam a interação eletromagnética das partículas. Nos tempos modernos, existem quatro interações fundamentais estudadas e comprovadas, e a quinta está a caminho, será discutida mais adiante. Todos os quatro - gravitacional, forte, fraco, eletromagnético - são construídos em um único princípio: a força que surge entre as partículas é o resultado de alguma troca realizada por um transportador, ou não - um mediador de interação.
Que tipo de ajudante é esse? Este é um fóton - uma partícula sem massa, mas, no entanto, construindo com sucesso a interação eletromagnética devido à troca de um quantum de ondas eletromagnéticas ou um quantum de luz. A interação eletromagnética é realizadapor meio de fótons no campo de partículas carregadas que se comunicam com uma certa força, é exatamente isso que a lei de Coulomb interpreta. Há outra partícula sem massa - o glúon, existem oito variedades dele, ajuda os quarks a se comunicarem. Essa interação eletromagnética é uma atração entre cargas e é chamada de forte. Sim, e a interação fraca não é completa sem intermediários, que são partículas com massa, além disso, são massivas, ou seja, pesadas. Estes são bósons vetoriais intermediários. Sua massa e peso explicam a fraqueza da interação. A força gravitacional produz uma troca de um quantum do campo gravitacional. Essa interação eletromagnética é a atração de partículas, ainda não foi estudada o suficiente, o gráviton ainda não foi detectado experimentalmente, e a gravidade quântica não é totalmente sentida por nós, e é por isso que não podemos descrevê-la ainda.
A Quinta Força
Consideramos quatro tipos de interação fundamental: forte, fraca, eletromagnética, gravitacional. A interação é um certo ato de troca de partículas, e não se pode prescindir do conceito de simetria, pois não há interação que não esteja associada a ela. É ela quem determina o número de partículas e sua massa. Com simetria exata, a massa é sempre zero. Assim, um fóton e um glúon não têm massa, é igual a zero e um gráviton não. E se a simetria for quebrada, a massa deixa de ser zero. Assim, o bisão vetorial intermediário tem massa porque a simetria é quebrada. Essas quatro interações fundamentais explicam tudo o quevemos e sentimos. As forças restantes indicam que sua interação eletromagnética é secundária. No entanto, em 2012 houve um avanço na ciência e outra partícula foi descoberta, que imediatamente se tornou famosa. A revolução no mundo científico foi organizada pela descoberta do bóson de Higgs, que, como se viu, também serve como portador de interações entre léptons e quarks.
É por isso que os físicos estão dizendo agora que uma quinta força apareceu, mediada pelo bóson de Higgs. A simetria também é quebrada aqui: o bóson de Higgs tem massa. Assim, o número de interações (a palavra "força" é substituída por esta palavra na física de partículas moderna) chegou a cinco. Talvez estejamos aguardando novas descobertas, pois não sabemos exatamente se existem outras interações além dessas. É muito possível que o modelo que já construímos e que estamos considerando hoje, que parece explicar perfeitamente todos os fenômenos observados no mundo, não esteja totalmente completo. E talvez, depois de algum tempo, novas interações ou novas forças apareçam. Tal probabilidade existe, mesmo porque muito gradualmente aprendemos que existem interações fundamentais conhecidas hoje - fortes, fracas, eletromagnéticas, gravitacionais. Afinal, se existem partículas supersimétricas na natureza, das quais já se fala no mundo científico, isso significa a existência de uma nova simetria, e a simetria sempre implica o aparecimento de novas partículas, mediadoras entre elas. Assim, ouviremos falar de uma força fundamental anteriormente desconhecida, como uma vez aprendemos com surpresa quehá, por exemplo, interação eletromagnética fraca. Nosso conhecimento de nossa própria natureza é muito incompleto.
Conectividade
O mais interessante é que qualquer nova interação deve necessariamente levar a um fenômeno completamente desconhecido. Por exemplo, se não tivéssemos aprendido sobre a interação fraca, nunca teríamos descoberto o decaimento, e se não fosse pelo nosso conhecimento do decaimento, nenhum estudo da reação nuclear seria possível. E se não conhecêssemos as reações nucleares, não entenderíamos como o sol brilha para nós. Afinal, se não brilhasse, a vida na Terra não teria se formado. Portanto, a presença de interação diz que é vital. Se não houvesse interação forte, não haveria núcleos atômicos estáveis. Devido à interação eletromagnética, a Terra recebe energia do Sol e os raios de luz que vêm dela aquecem o planeta. E todas as interações conhecidas por nós são absolutamente necessárias. Aqui está o de Higgs, por exemplo. O bóson de Higgs fornece massa à partícula através da interação com o campo, sem o qual não teríamos sobrevivido. E como ficar na superfície do planeta sem interação gravitacional? Seria impossível não só para nós, mas para nada.
Absolutamente todas as interações, mesmo aquelas que ainda não conhecemos, são uma necessidade para que tudo o que a humanidade conhece, compreende e ama existir. O que não podemos saber? Sim muito. Por exemplo, sabemos que o próton é estável no núcleo. Isso é muito, muito importante para nós.estabilidade, caso contrário a vida não existiria da mesma forma. No entanto, experimentos mostram que a vida de um próton é uma quantidade limitada no tempo. Longo, claro, 1034 anos. Mas isso significa que mais cedo ou mais tarde o próton também decairá, e isso exigirá uma nova força, ou seja, uma nova interação. Em relação ao decaimento de prótons, já existem teorias em que um novo grau de simetria muito maior é assumido, o que significa que pode existir uma nova interação, sobre a qual ainda não sabemos nada.
Grande Unificação
Na unidade da natureza, o único princípio de construção de todas as interações fundamentais. Muitas pessoas têm dúvidas sobre o número deles e a explicação dos motivos desse número específico. Muitas versões foram construídas aqui e são muito diferentes em termos das conclusões tiradas. Eles explicam a presença de um número tão grande de interações fundamentais de várias maneiras, mas todas elas se baseiam em um único princípio de construção de evidências. Os pesquisadores sempre tentam combinar os mais diversos tipos de interações em um só. Portanto, tais teorias são chamadas de teorias da Grande Unificação. Como se a árvore do mundo se ramificasse: há muitos galhos, mas o tronco é sempre um.
Tudo porque existe uma ideia que une todas essas teorias. A raiz de todas as interações conhecidas é a mesma, alimentando um tronco, que, como resultado da perda de simetria, começou a se ramificar e formou diferentes interações fundamentais, que podemos experimentar experimentalmente.observar. Essa hipótese ainda não pode ser testada, pois requer física incrivelmente de alta energia, inacessível aos experimentos atuais. Também é possível que nunca dominemos essas energias. Mas é bem possível contornar esse obstáculo.
Apartamento
Temos o Universo, este acelerador natural, e todos os processos que nele ocorrem permitem testar até as hipóteses mais ousadas sobre a raiz comum de todas as interações conhecidas. Outra tarefa interessante de entender as interações na natureza é, talvez, ainda mais difícil. É necessário entender como a gravidade se relaciona com o resto das forças da natureza. Essa interação fundamental se destaca, por assim dizer, apesar do fato de que essa teoria é semelhante a todas as outras pelo princípio da construção.
Einstein estava envolvido na teoria da gravidade, tentando conectá-la com o eletromagnetismo. Apesar da aparente realidade de resolver este problema, a teoria não funcionou então. Agora a humanidade sabe um pouco mais, em todo caso, sabemos sobre as interações fortes e fracas. E se agora terminarmos de construir essa teoria unificada, então a f alta de conhecimento certamente terá efeito novamente. Até agora, não foi possível equiparar a gravidade com outras interações, pois todos obedecem às leis ditadas pela física quântica, mas a gravidade não. De acordo com a teoria quântica, todas as partículas são quanta de algum campo particular. Mas a gravidade quântica não existe, pelo menos ainda não. No entanto, o número de interações já abertas repete em voz alta que não pode deixar deser algum tipo de esquema unificado.
Campo elétrico
Em 1860, o grande físico do século XIX James Maxwell conseguiu criar uma teoria explicando a indução eletromagnética. Quando o campo magnético muda ao longo do tempo, um campo elétrico é formado em um determinado ponto do espaço. E se um condutor fechado for encontrado nesse campo, uma corrente de indução aparecerá no campo elétrico. Com sua teoria dos campos eletromagnéticos, Maxwell prova que o processo inverso também é possível: se você alterar o campo elétrico no tempo em um determinado ponto do espaço, um campo magnético definitivamente aparecerá. Isso significa que qualquer mudança no tempo do campo magnético pode causar o surgimento de um campo elétrico variável, e uma mudança no campo elétrico pode produzir um campo magnético variável. Essas variáveis, campos gerando uns aos outros, organizam um único campo - eletromagnético.
O resultado mais importante decorrente das fórmulas da teoria de Maxwell é a previsão de que existem ondas eletromagnéticas, ou seja, campos eletromagnéticos se propagando no tempo e no espaço. A fonte do campo eletromagnético são as cargas elétricas que se movem com aceleração. Ao contrário das ondas sonoras (elásticas), as ondas eletromagnéticas podem se propagar em qualquer substância, mesmo no vácuo. A interação eletromagnética no vácuo se propaga na velocidade da luz (c=299.792 quilômetros por segundo). O comprimento de onda pode ser diferente. Ondas eletromagnéticas de dez mil metros a 0,005 metros sãoondas de rádio que nos servem para transmitir informações, ou seja, sinais a uma certa distância sem fios. As ondas de rádio são criadas pela corrente em altas frequências que fluem na antena.
Quais são as ondas
Se o comprimento de onda da radiação eletromagnética está entre 0,005 metros e 1 micrômetro, ou seja, aqueles que estão na faixa entre as ondas de rádio e a luz visível são radiação infravermelha. É emitido por todos os corpos aquecidos: baterias, fogões, lâmpadas incandescentes. Dispositivos especiais convertem a radiação infravermelha em luz visível para obter imagens dos objetos que a emitem, mesmo na escuridão absoluta. A luz visível emite comprimentos de onda que variam de 770 a 380 nanômetros - resultando em uma cor de vermelho a roxo. Esta seção do espectro é extremamente importante para a vida humana, pois recebemos uma grande parte das informações sobre o mundo através da visão.
Se a radiação eletromagnética tem comprimento de onda menor que o violeta, é ultravioleta, que mata as bactérias patogênicas. Os raios X são invisíveis aos olhos. Quase não absorvem camadas de matéria opacas à luz visível. A radiação de raios-X diagnostica doenças dos órgãos internos de humanos e animais. Se a radiação eletromagnética surge da interação de partículas elementares e é emitida por núcleos excitados, a radiação gama é obtida. Esta é a faixa mais ampla no espectro eletromagnético porque não se limita a altas energias. A radiação gama pode ser suave e dura: transições de energia dentro de núcleos atômicos -macio e em reações nucleares - duro. Esses quanta destroem facilmente as moléculas, especialmente as biológicas. Felizmente, a radiação gama não pode passar pela atmosfera. Os raios gama podem ser observados do espaço. Em energias ultra- altas, a interação eletromagnética se propaga a uma velocidade próxima à velocidade da luz: os gama quanta esmagam os núcleos dos átomos, quebrando-os em partículas que voam em diferentes direções. Ao frear, eles emitem luz visível através de telescópios especiais.
Do passado para o futuro
As ondas eletromagnéticas, como já mencionado, foram previstas por Maxwell. Ele estudou cuidadosamente e tentou acreditar matematicamente nas imagens ligeiramente ingênuas de Faraday, que retratavam fenômenos magnéticos e elétricos. Foi Maxwell quem descobriu a ausência de simetria. E foi ele quem conseguiu provar por uma série de equações que campos elétricos alternados geram campos magnéticos e vice-versa. Isso o levou à ideia de que esses campos se separam dos condutores e se movem no vácuo a uma velocidade gigantesca. E ele descobriu. A velocidade estava perto de trezentos mil quilômetros por segundo.
É assim que teoria e experimento interagem. Um exemplo é a descoberta, graças à qual aprendemos sobre a existência de ondas eletromagnéticas. Com a ajuda da física, foram combinados conceitos completamente heterogêneos - magnetismo e eletricidade, pois este é um fenômeno físico da mesma ordem, apenas seus diferentes lados estão em interação. As teorias são construídas uma após a outra, e todaseles estão intimamente relacionados entre si: a teoria da interação eletrofraca, por exemplo, onde as forças nucleares e eletromagnéticas fracas são descritas a partir das mesmas posições, então tudo isso é unido pela cromodinâmica quântica, abrangendo as interações fortes e eletrofracas (aqui a precisão ainda é menor, mas o trabalho continua). Áreas da física como gravidade quântica e teoria das cordas estão sendo intensamente pesquisadas.
Conclusões
Acontece que o espaço que nos cerca está completamente permeado de radiação eletromagnética: são as estrelas e o Sol, a Lua e outros corpos celestes, esta é a própria Terra e cada telefone nas mãos de uma pessoa, e antenas de estações de rádio - tudo isso emite ondas eletromagnéticas, com nomes diferentes. Dependendo da frequência de vibrações que um objeto emite, a radiação infravermelha, ondas de rádio, luz visível, raios de biocampo, raios-x e similares são distinguidos.
Quando um campo eletromagnético se propaga, ele se torna uma onda eletromagnética. É simplesmente uma fonte inesgotável de energia, fazendo com que as cargas elétricas de moléculas e átomos flutuem. E se a carga oscila, seu movimento é acelerado e, portanto, emite uma onda eletromagnética. Se o campo magnético mudar, um campo elétrico de vórtice é excitado, o que, por sua vez, excita um campo magnético de vórtice. O processo percorre o espaço, cobrindo um ponto após o outro.
