Tento článek se bude zabývat tím, čemu se říká přírodní síly – základní elektromagnetická interakce a principy, na kterých je postavena. Bude také hovořit o možnostech existence nových přístupů ke studiu tohoto tématu. I ve škole se studenti v hodinách fyziky potýkají s vysvětlením pojmu „síla“. Učí se, že síly mohou být velmi různorodé – síla tření, síla přitažlivosti, síla pružnosti a mnoho dalších podobných. Ne všechny lze nazvat základními, protože fenomén síly je velmi často sekundární (například síla tření s její interakcí molekul). Elektromagnetická interakce může být také sekundární - v důsledku toho. Molekulární fyzika uvádí jako příklad Van der Waalsovu sílu. Částicová fyzika také poskytuje mnoho příkladů.
V přírodě
Chtěl bych se dostat na dno procesů probíhajících v přírodě, kdy elektromagnetická interakce funguje. Co přesně je základní síla, která určuje všechny sekundární síly, které vybudovala?Každý ví, že elektromagnetická interakce, nebo, jak se také říká, elektrické síly, je zásadní. Dokládá to Coulombův zákon, který má své zobecnění vyplývající z Maxwellových rovnic. Ty druhé popisují všechny magnetické a elektrické síly, které existují v přírodě. Proto bylo prokázáno, že interakce elektromagnetických polí je základní přírodní silou. Dalším příkladem je gravitace. Dokonce i školáci vědí o zákonu univerzální gravitace Isaaca Newtona, který také nedávno získal vlastní zobecnění Einsteinovými rovnicemi, a podle jeho teorie gravitace je tato síla elektromagnetické interakce v přírodě také zásadní.
Kdysi se myslelo, že existují pouze tyto dvě základní síly, ale věda se posunula vpřed a postupně dokazuje, že tomu tak vůbec není. Například s objevem atomového jádra bylo nutné zavést pojem jaderná síla, jak jinak chápat princip udržení částic uvnitř jádra, proč neodlétají různými směry. Pochopení toho, jak funguje elektromagnetická síla v přírodě, pomohlo měřit, studovat a popisovat jaderné síly. Pozdější vědci však došli k závěru, že jaderné síly jsou druhotné a v mnohém podobné silám van der Waalsovým. Ve skutečnosti jsou skutečně zásadní pouze síly, které kvarky poskytují vzájemnou interakcí. Pak již - sekundární efekt - je interakce elektromagnetických polí mezi neutrony a protony v jádře. Skutečně zásadní je interakce kvarků, které si vyměňují gluony. Tak bylotřetí skutečně základní síla objevená v přírodě.
Pokračování tohoto příběhu
Elementární částice se rozpadají, těžké - na lehčí a jejich rozpad popisuje novou sílu elektromagnetické interakce, která se nazývá právě tak - síla slabé interakce. Proč slabý? Ano, protože elektromagnetická interakce v přírodě je mnohem silnější. A opět se ukázalo, že tato teorie slabé interakce, která tak harmonicky vstoupila do obrazu světa a zpočátku skvěle popisovala rozpady elementárních částic, neodrážela stejné postuláty, pokud energie vzrostla. Proto byla stará teorie přepracována na jinou - teorii slabé interakce, která se tentokrát ukázala jako univerzální. I když byla postavena na stejných principech jako jiné teorie, které popisovaly elektromagnetickou interakci částic. V moderní době existují čtyři studované a osvědčené základní interakce a pátá je na cestě, o tom bude řeč později. Všechny čtyři - gravitační, silný, slabý, elektromagnetický - jsou postaveny na jediném principu: síla, která vzniká mezi částicemi, je výsledkem nějaké výměny prováděné nosičem, nebo jinak - zprostředkovatelem interakce.
Co je to za pomocníka? Jedná se o foton - částici bez hmotnosti, ale přesto úspěšně budující elektromagnetickou interakci díky výměně kvanta elektromagnetických vln nebo kvanta světla. Provádí se elektromagnetická interakcepomocí fotonů v poli nabitých částic, které komunikují určitou silou, přesně to vykládá Coulombův zákon. Existuje další bezhmotná částice - gluon, existuje osm jeho druhů, pomáhá kvarkům komunikovat. Tato elektromagnetická interakce je přitažlivost mezi náboji a nazývá se silná. Ano a slabá interakce se neobejde bez prostředníků, což jsou částice s hmotností, navíc jsou masivní, tedy těžké. Jedná se o střední vektorové bosony. Jejich hmotnost a tíže vysvětluje slabost interakce. Gravitační síla vytváří výměnu kvanta gravitačního pole. Tato elektromagnetická interakce je přitahováním částic, není ještě dostatečně prozkoumána, graviton ještě nebyl ani experimentálně detekován a kvantovou gravitaci necítíme plně, proto ji zatím neumíme popsat.
Pátá síla
Uvažovali jsme o čtyřech typech základních interakcí: silné, slabé, elektromagnetické, gravitační. Interakce je určitý akt výměny částic a člověk se neobejde bez pojmu symetrie, protože neexistuje žádná interakce, která by s ní nebyla spojena. Je to ona, kdo určuje počet částic a jejich hmotnost. Při přesné symetrii je hmotnost vždy nulová. Foton a gluon tedy nemají žádnou hmotnost, jsou rovny nule a graviton ne. A pokud je symetrie narušena, hmotnost přestane být nulová. Střední vektorový bizon má tedy hmotnost, protože je porušena symetrie. Tyto čtyři základní interakce vše vysvětlujívidíme a cítíme. Zbývající síly naznačují, že jejich elektromagnetická interakce je sekundární. V roce 2012 však došlo ve vědě k průlomu a byla objevena další částice, která se okamžitě proslavila. Revoluci ve vědeckém světě zorganizoval objev Higgsova bosonu, který, jak se ukázalo, slouží také jako nosič interakcí mezi leptony a kvarky.
Proto fyzici nyní říkají, že se objevila pátá síla, zprostředkovaná Higgsovým bosonem. I zde je symetrie narušena: Higgsův boson má hmotnost. Počet interakcí (slovo „síla“je v moderní částicové fyzice nahrazen tímto slovem) tak dosáhl pěti. Možná čekáme na nové objevy, protože přesně nevíme, jestli kromě nich existují i jiné interakce. Je velmi možné, že model, který jsme již postavili a o kterém dnes uvažujeme a který by se zdál dokonale vysvětlovat všechny jevy pozorované ve světě, není zcela úplný. A možná se po nějaké době objeví nové interakce nebo nové síly. Taková pravděpodobnost existuje, už jen proto, že jsme se velmi postupně dozvěděli, že dnes existují základní interakce – silné, slabé, elektromagnetické, gravitační. Pokud totiž v přírodě existují supersymetrické částice, o kterých se již ve vědeckém světě mluví, znamená to existenci nové symetrie a symetrie vždy znamená vznik nových částic, prostředníků mezi nimi. Uslyšíme tedy o dosud neznámé základní síle, jak jsme se kdysi s překvapením dozvěděliexistuje např. elektromagnetická, slabá interakce. Naše znalosti o naší vlastní povaze jsou velmi neúplné.
Připojení
Nejzajímavější na tom je, že každá nová interakce musí nutně vést ke zcela neznámému jevu. Například, pokud bychom se nedozvěděli o slabé interakci, nikdy bychom neobjevili rozpad a nebýt našich znalostí rozpadu, nebylo by možné studovat jadernou reakci. A kdybychom neznali jaderné reakce, nechápali bychom, jak pro nás svítí slunce. Kdyby totiž nesvítilo, život na Zemi by nevznikl. Přítomnost interakce tedy říká, že je životně důležitá. Pokud by neexistovala silná interakce, neexistovala by stabilní atomová jádra. Díky elektromagnetické interakci získává Země energii ze Slunce a paprsky světla z ní vycházející ohřívají planetu. A všechny nám známé interakce jsou naprosto nezbytné. Tady je například ten Higgsův. Higgsův boson poskytuje částici hmotu prostřednictvím interakce s polem, bez které bychom nepřežili. A jak se udržet na povrchu planety bez gravitační interakce? Bylo by to nemožné nejen pro nás, ale vůbec pro nic.
Absolutně všechny interakce, dokonce i ty, o kterých ještě nevíme, jsou nezbytností pro existenci všeho, co lidstvo zná, chápe a miluje. Co nemůžeme vědět? Ano hodně. Například víme, že proton je v jádře stabilní. To je pro nás velmi, velmi důležité.stabilitu, jinak by život neexistoval stejným způsobem. Experimenty však ukazují, že životnost protonu je časově omezená veličina. Samozřejmě dlouhých, 1034 let. To ale znamená, že dříve nebo později se rozpadne i proton a to bude vyžadovat nějakou novou sílu, tedy novou interakci. Ohledně rozpadu protonů již existují teorie, kde se předpokládá nový, mnohem vyšší stupeň symetrie, což znamená, že může klidně existovat nová interakce, o které stále nic nevíme.
Velké sjednocení
V jednotě přírody, jediném principu budování všech základních interakcí. Mnoho lidí má otázky ohledně jejich počtu a vysvětlení důvodů tohoto konkrétního počtu. Bylo zde vytvořeno velké množství verzí, které se velmi liší, pokud jde o vyvozené závěry. Vysvětlují přítomnost právě takového množství základních interakcí různými způsoby, ale ukázalo se, že všechny jsou založeny na jediném principu budování důkazů. Výzkumníci se vždy snaží spojit nejrozmanitější typy interakcí do jedné. Proto se takové teorie nazývají teorie velkého sjednocení. Jako by se svět větví: větví je mnoho, ale kmen je vždy jedna.
Vše proto, že existuje myšlenka, která všechny tyto teorie spojuje. Kořen všech známých interakcí je stejný, živí jeden kmen, který se v důsledku ztráty symetrie začal větvit a vytvořil různé základní interakce, které můžeme experimentálněpozorovat. Tuto hypotézu zatím nelze otestovat, protože vyžaduje neuvěřitelně vysokoenergetickou fyziku, nepřístupnou dnešním experimentům. Je také možné, že tyto energie nikdy nezvládneme. Ale je docela možné tuto překážku obejít.
Apartmán
Máme Vesmír, tento přirozený urychlovač, a všechny procesy, které v něm probíhají, umožňují testovat i ty nejodvážnější hypotézy týkající se společného kořene všech známých interakcí. Další zajímavý úkol porozumění interakcím v přírodě je možná ještě obtížnější. Je nutné pochopit, jak gravitace souvisí se zbytkem přírodních sil. Tato základní interakce stojí jakoby stranou, přestože tato teorie je podobná všem ostatním principem konstrukce.
Einstein se zabýval teorií gravitace a snažil se ji propojit s elektromagnetismem. Přes zdánlivou realitu řešení tohoto problému tehdy teorie nefungovala. Nyní lidstvo ví o něco více, v každém případě víme o silných a slabých interakcích. A pokud nyní dokončíme budování této jednotné teorie, pak se nedostatek znalostí jistě znovu projeví. Až dosud nebylo možné postavit gravitaci na roveň ostatním interakcím, protože každý dodržuje zákony diktované kvantovou fyzikou, ale gravitace nikoli. Podle kvantové teorie jsou všechny částice kvanty nějakého konkrétního pole. Ale kvantová gravitace neexistuje, alespoň zatím. Množství již otevřených interakcí však hlasitě opakuje, že nemůže nežbýt nějakým druhem jednotného schématu.
Elektrické pole
V roce 1860 se skvělému fyzikovi devatenáctého století Jamesi Maxwellovi podařilo vytvořit teorii vysvětlující elektromagnetickou indukci. Když se magnetické pole v průběhu času mění, vzniká v určitém bodě prostoru elektrické pole. A pokud je v tomto poli nalezen uzavřený vodič, pak se v elektrickém poli objeví indukční proud. Maxwell svou teorií elektromagnetických polí dokazuje, že je možný i opačný proces: změníte-li elektrické pole v čase v určitém bodě prostoru, určitě se objeví magnetické pole. To znamená, že jakákoli změna v čase magnetického pole může způsobit vznik měnícího se elektrického pole a změna elektrického pole může vytvořit měnící se magnetické pole. Tyto proměnné, pole, která se navzájem generují, organizují jediné pole – elektromagnetické.
Nejdůležitějším výsledkem vyplývajícím ze vzorců Maxwellovy teorie je předpověď, že existují elektromagnetické vlny, tedy elektromagnetická pole šířící se v čase a prostoru. Zdrojem elektromagnetického pole jsou elektrické náboje pohybující se se zrychlením. Na rozdíl od zvukových (elastických) vln se elektromagnetické vlny mohou šířit v jakékoli látce, dokonce i ve vakuu. Elektromagnetická interakce se ve vakuu šíří rychlostí světla (c=299 792 kilometrů za sekundu). Vlnová délka může být různá. Elektromagnetické vlny jsou od deseti tisíc metrů do 0,005 metrurádiové vlny, které nám slouží k přenosu informací, tedy signálů na určitou vzdálenost bez jakýchkoli drátů. Rádiové vlny jsou vytvářeny proudem o vysokých frekvencích, který proudí v anténě.
Jaké jsou vlny
Pokud je vlnová délka elektromagnetického záření mezi 0,005 metry a 1 mikrometrem, to znamená, že ty, které jsou v rozsahu mezi rádiovými vlnami a viditelným světlem, jsou infračervené záření. Vyzařují ho všechna ohřívaná tělesa: baterie, sporáky, žárovky. Speciální přístroje převádějí infračervené záření na viditelné světlo, aby získaly obrazy objektů, které je vyzařují, a to i v absolutní tmě. Viditelné světlo vyzařuje vlnové délky v rozmezí od 770 do 380 nanometrů – výsledkem je barva od červené po fialovou. Tato část spektra je pro lidský život nesmírně důležitá, protože obrovskou část informací o světě přijímáme zrakem.
Pokud má elektromagnetické záření vlnovou délku kratší než fialová, jedná se o ultrafialové záření, které zabíjí patogenní bakterie. Rentgenové záření je okem neviditelné. Téměř neabsorbují vrstvy hmoty, které jsou pro viditelné světlo neprůhledné. Rentgenové záření diagnostikuje onemocnění vnitřních orgánů lidí a zvířat. Pokud elektromagnetické záření vzniká interakcí elementárních částic a je emitováno excitovanými jádry, získává se záření gama. Jedná se o nejširší rozsah v elektromagnetickém spektru, protože není omezen na vysoké energie. Gama záření může být měkké a tvrdé: energetické přechody uvnitř atomových jader -měkké a při jaderných reakcích - tvrdé. Tato kvanta snadno ničí molekuly, a zvláště ty biologické. Naštěstí gama záření nemůže projít atmosférou. Gama paprsky lze pozorovat z vesmíru. Při ultravysokých energiích se elektromagnetická interakce šíří rychlostí blízkou rychlosti světla: gama kvanta rozdrtí jádra atomů a rozbijí je na částice letící různými směry. Při brzdění vyzařují světlo viditelné speciálními dalekohledy.
Z minulosti do budoucnosti
Elektromagnetické vlny, jak již bylo zmíněno, předpověděl Maxwell. Pečlivě studoval a snažil se matematicky uvěřit lehce naivním Faradayovým obrázkům, které znázorňovaly magnetické a elektrické jevy. Byl to Maxwell, kdo objevil absenci symetrie. A právě jemu se podařilo řadou rovnic dokázat, že střídavá elektrická pole generují magnetická a naopak. To ho vedlo k myšlence, že taková pole se oddělují od vodičů a pohybují se vakuem nějakou gigantickou rychlostí. A on na to přišel. Rychlost se blížila třem stům tisíc kilometrů za sekundu.
Takto se vzájemně ovlivňují teorie a experiment. Příkladem je objev, díky kterému jsme se dozvěděli o existenci elektromagnetického vlnění. S pomocí fyziky se v něm spojily zcela heterogenní pojmy - magnetismus a elektřina, jelikož se jedná o fyzikální jev stejného řádu, jen jeho různé strany jsou v interakci. Teorie se budují jedna za druhou a všechnyúzce spolu souvisí: např. teorie elektroslabé interakce, kde jsou slabé jaderné a elektromagnetické síly popsány ze stejných pozic, pak to vše spojuje kvantová chromodynamika, pokrývající silné a elektroslabé interakce (zde přesnost je stále nižší, ale práce pokračují). Oblasti fyziky, jako je kvantová gravitace a teorie strun, jsou intenzivně zkoumány.
Závěry
Ukazuje se, že prostor kolem nás je zcela prostoupen elektromagnetickým zářením: to jsou hvězdy a Slunce, Měsíc a další nebeská tělesa, to je samotná Země a každý telefon v rukou člověka, a antény rozhlasových stanic - to vše vyzařuje elektromagnetické vlny, pojmenované jinak. V závislosti na frekvenci vibrací, které objekt vyzařuje, se rozlišují infračervené záření, rádiové vlny, viditelné světlo, paprsky biopole, rentgenové záření a podobně.
Když se šíří elektromagnetické pole, stává se elektromagnetickou vlnou. Je to prostě nevyčerpatelný zdroj energie, který způsobuje kolísání elektrických nábojů molekul a atomů. A pokud náboj kmitá, jeho pohyb se zrychluje, a proto vydává elektromagnetické vlnění. Pokud se magnetické pole změní, vybudí se vířivé elektrické pole, které naopak vybudí vířivé magnetické pole. Proces prochází prostorem a pokrývá jeden bod za druhým.
