Cet article examinera ce qu'on appelle les forces de la nature - l'interaction électromagnétique fondamentale et les principes sur lesquels elle repose. Il parlera également des possibilités de l'existence de nouvelles approches pour l'étude de ce sujet. Même à l'école, dans les cours de physique, les élèves sont confrontés à une explication du concept de "force". Ils apprennent que les forces peuvent être très diverses - la force de frottement, la force d'attraction, la force d'élasticité et bien d'autres comme ça. Tous ne peuvent pas être qualifiés de fondamentaux, car très souvent le phénomène de force est secondaire (la force de frottement, par exemple, avec son interaction de molécules). L'interaction électromagnétique peut également être secondaire - par conséquent. La physique moléculaire cite la force de Van der Waals comme exemple. La physique des particules fournit également de nombreux exemples.
Dans la nature
J'aimerais aller au fond des processus qui se produisent dans la nature, quand cela fait fonctionner l'interaction électromagnétique. Quelle est exactement la force fondamentale qui détermine toutes les forces secondaires qu'elle a construites ?Tout le monde sait que l'interaction électromagnétique, ou, comme on l'appelle aussi, les forces électriques, est fondamentale. Ceci est mis en évidence par la loi de Coulomb, qui a sa propre généralisation suite aux équations de Maxwell. Ces derniers décrivent toutes les forces magnétiques et électriques qui existent dans la nature. C'est pourquoi il a été prouvé que l'interaction des champs électromagnétiques est la force fondamentale de la nature. L'exemple suivant est la gravité. Même les écoliers connaissent la loi de la gravitation universelle d'Isaac Newton, qui a également reçu récemment sa propre généralisation par les équations d'Einstein, et, selon sa théorie de la gravité, cette force d'interaction électromagnétique dans la nature est également fondamentale.
Il était une fois, on pensait que seules ces deux forces fondamentales existaient, mais la science a avancé, prouvant peu à peu que ce n'est pas du tout le cas. Par exemple, avec la découverte du noyau atomique, il a fallu introduire le concept de force nucléaire, sinon comment comprendre le principe de maintien des particules à l'intérieur du noyau, pourquoi elles ne s'envolent pas dans des directions différentes. Comprendre comment la force électromagnétique fonctionne dans la nature a aidé à mesurer, étudier et décrire les forces nucléaires. Cependant, les scientifiques ultérieurs sont arrivés à la conclusion que les forces nucléaires sont secondaires et à bien des égards similaires aux forces de van der Waals. En fait, seules les forces que les quarks fournissent en interagissant les uns avec les autres sont vraiment fondamentales. Alors déjà - un effet secondaire - est l'interaction des champs électromagnétiques entre les neutrons et les protons dans le noyau. L'interaction des quarks qui échangent des gluons est vraiment fondamentale. Ainsi étaitune troisième force véritablement fondamentale découverte dans la nature.
Suite de cette histoire
Les particules élémentaires se désintègrent, les plus lourdes - en plus légères, et leur désintégration décrit une nouvelle force d'interaction électromagnétique, qui s'appelle exactement cela - la force de l'interaction faible. Pourquoi faible ? Oui, car l'interaction électromagnétique dans la nature est beaucoup plus forte. Et encore une fois, il s'est avéré que cette théorie de l'interaction faible, qui entrait si harmonieusement dans l'image du monde et décrivait initialement excellemment les désintégrations des particules élémentaires, ne reflétait pas les mêmes postulats si l'énergie augmentait. C'est pourquoi l'ancienne théorie a été retravaillée en une autre - la théorie de l'interaction faible, cette fois-ci s'est avérée universelle. Bien qu'elle ait été construite sur les mêmes principes que d'autres théories décrivant l'interaction électromagnétique des particules. A l'époque moderne, il existe quatre interactions fondamentales étudiées et prouvées, et la cinquième est en route, on en reparlera plus tard. Tous les quatre - gravitationnel, fort, faible, électromagnétique - sont construits sur un principe unique: la force qui se produit entre les particules est le résultat d'un échange effectué par un porteur, ou autrement - un médiateur d'interaction.
Quel genre d'assistant est-ce ? Il s'agit d'un photon - une particule sans masse, mais qui construit néanmoins avec succès une interaction électromagnétique grâce à l'échange d'un quantum d'ondes électromagnétiques ou d'un quantum de lumière. L'interaction électromagnétique s'effectueau moyen de photons dans le champ de particules chargées qui communiquent avec une certaine force, c'est précisément ce qu'interprète la loi de Coulomb. Il existe une autre particule sans masse - le gluon, il en existe huit variétés, il aide les quarks à communiquer. Cette interaction électromagnétique est une attraction entre charges, et elle est dite forte. Oui, et l'interaction faible n'est pas complète sans intermédiaires, qui sont des particules avec une masse, de plus, elles sont massives, c'est-à-dire lourdes. Ce sont des bosons vecteurs intermédiaires. Leur masse et leur lourdeur expliquent la faiblesse de l'interaction. La force gravitationnelle produit un échange d'un quantum du champ gravitationnel. Cette interaction électromagnétique est l'attraction des particules, elle n'a pas encore été suffisamment étudiée, le graviton n'a même pas encore été détecté expérimentalement, et la gravité quantique n'est pas encore pleinement ressentie par nous, c'est pourquoi nous ne pouvons pas encore la décrire.
La Cinquième Force
Nous avons considéré quatre types d'interactions fondamentales: forte, faible, électromagnétique, gravitationnelle. L'interaction est un certain acte d'échange de particules, et on ne peut se passer du concept de symétrie, puisqu'il n'y a pas d'interaction qui ne lui soit associée. C'est elle qui détermine le nombre de particules et leur masse. Avec une symétrie exacte, la masse est toujours nulle. Ainsi, un photon et un gluon n'ont pas de masse, elle est égale à zéro, et un graviton n'en a pas. Et si la symétrie est brisée, la masse cesse d'être nulle. Ainsi, les bisons vecteurs intermédiaires ont une masse car la symétrie est brisée. Ces quatre interactions fondamentales expliquent tout ce quinous voyons et ressentons. Les forces restantes indiquent que leur interaction électromagnétique est secondaire. Cependant, en 2012, il y a eu une percée scientifique et une autre particule a été découverte, qui est immédiatement devenue célèbre. La révolution dans le monde scientifique a été organisée par la découverte du boson de Higgs, qui, en fin de compte, sert également de vecteur d'interactions entre les leptons et les quarks.
C'est pourquoi les physiciens disent maintenant qu'une cinquième force est apparue, médiée par le boson de Higgs. La symétrie est ici aussi brisée: le boson de Higgs a une masse. Ainsi, le nombre d'interactions (le mot "force" est remplacé par ce mot dans la physique des particules moderne) a atteint cinq. Peut-être attendons-nous de nouvelles découvertes, car nous ne savons pas exactement s'il existe d'autres interactions que celles-ci. Il est fort possible que le modèle que nous avons déjà construit et que nous envisageons aujourd'hui, qui semblerait expliquer parfaitement tous les phénomènes observés dans le monde, ne soit pas tout à fait complet. Et peut-être, après un certain temps, de nouvelles interactions ou de nouvelles forces apparaîtront. Une telle probabilité existe, ne serait-ce que parce que nous avons très progressivement appris qu'il existe aujourd'hui des interactions fondamentales connues - fortes, faibles, électromagnétiques, gravitationnelles. Après tout, s'il existe des particules supersymétriques dans la nature, dont on parle déjà dans le monde scientifique, cela signifie l'existence d'une nouvelle symétrie, et la symétrie entraîne toujours l'apparition de nouvelles particules, médiatrices entre elles. Ainsi, nous entendrons parler d'une force fondamentale jusque-là inconnue, comme nous avons appris un jour avec surprise queil y a, par exemple, des interactions électromagnétiques faibles. Notre connaissance de notre propre nature est très incomplète.
Connectivité
Le plus intéressant est que toute nouvelle interaction doit nécessairement conduire à un phénomène complètement inconnu. Par exemple, si nous n'avions pas appris l'interaction faible, nous n'aurions jamais découvert la désintégration, et sans notre connaissance de la désintégration, aucune étude de la réaction nucléaire ne serait possible. Et si nous ne connaissions pas les réactions nucléaires, nous ne comprendrions pas comment le soleil brille pour nous. Après tout, s'il ne brillait pas, la vie sur Terre ne se serait pas formée. Donc la présence d'interaction dit qu'elle est vitale. S'il n'y avait pas d'interaction forte, il n'y aurait pas de noyaux atomiques stables. En raison de l'interaction électromagnétique, la Terre reçoit de l'énergie du Soleil et les rayons de lumière qui en proviennent réchauffent la planète. Et toutes les interactions que nous connaissons sont absolument nécessaires. Voici celui de Higgs, par exemple. Le boson de Higgs donne à la particule une masse par interaction avec le champ, sans laquelle nous n'aurions pas survécu. Et comment rester à la surface de la planète sans interaction gravitationnelle ? Ce serait impossible non seulement pour nous, mais pour rien du tout.
Absolument toutes les interactions, même celles que nous ne connaissons pas encore, sont une nécessité pour que tout ce que l'humanité connaît, comprenne et aime exister. Que ne pouvons-nous pas savoir ? Oui beaucoup. Par exemple, nous savons que le proton est stable dans le noyau. C'est très, très important pour nous.stabilité, sinon la vie n'existerait pas de la même manière. Cependant, les expériences montrent que la vie d'un proton est une quantité limitée dans le temps. Long, bien sûr, 1034 ans. Mais cela signifie que tôt ou tard le proton se désintégrera également, ce qui nécessitera une nouvelle force, c'est-à-dire une nouvelle interaction. En ce qui concerne la désintégration du proton, il existe déjà des théories où un nouveau degré de symétrie beaucoup plus élevé est supposé, ce qui signifie qu'une nouvelle interaction pourrait bien exister, dont nous ne savons toujours rien.
Grande Unification
Dans l'unité de la nature, seul principe de construction de toutes les interactions fondamentales. Beaucoup de gens se posent des questions sur leur nombre et sur l'explication des raisons de ce nombre particulier. De très nombreuses versions ont été construites ici, et elles sont très différentes quant aux conclusions tirées. Ils expliquent la présence d'un tel nombre d'interactions fondamentales de diverses manières, mais ils s'avèrent tous être avec un seul principe de construction de preuves. Les chercheurs essaient toujours de combiner les types d'interactions les plus divers en un seul. Par conséquent, ces théories sont appelées les théories de la Grande Unification. Comme si l'arbre du monde se ramifiait: il y a plusieurs branches, mais le tronc est toujours un.
All parce qu'il y a une idée qui unit toutes ces théories. La racine de toutes les interactions connues est la même, alimentant un tronc qui, à la suite de la perte de symétrie, a commencé à se ramifier et a formé différentes interactions fondamentales, que nous pouvons expérimentalementobserver. Cette hypothèse ne peut pas encore être testée, car elle nécessite une physique incroyablement haute énergie, inaccessible aux expériences d'aujourd'hui. Il est aussi possible que nous ne maîtriserons jamais ces énergies. Mais il est tout à fait possible de contourner cet obstacle.
Appartement
Nous avons l'Univers, cet accélérateur naturel, et tous les processus qui s'y déroulent permettent de tester même les hypothèses les plus audacieuses concernant la racine commune de toutes les interactions connues. Une autre tâche intéressante de compréhension des interactions dans la nature est peut-être encore plus difficile. Il est nécessaire de comprendre comment la gravité se rapporte au reste des forces de la nature. Cette interaction fondamentale se démarque, en quelque sorte, malgré le fait que cette théorie se rapproche de toutes les autres par le principe de construction.
Einstein était engagé dans la théorie de la gravité, essayant de la relier à l'électromagnétisme. Malgré la réalité apparente de la résolution de ce problème, la théorie n'a pas fonctionné alors. Maintenant l'humanité en sait un peu plus, en tout cas, on connaît les interactions fortes et faibles. Et si maintenant pour terminer la construction de cette théorie unifiée, alors le manque de connaissances aura certainement un effet à nouveau. Jusqu'à présent, il n'a pas été possible de mettre la gravité sur un pied d'égalité avec les autres interactions, puisque tout le monde obéit aux lois dictées par la physique quantique, mais pas la gravité. Selon la théorie quantique, toutes les particules sont des quanta d'un champ particulier. Mais la gravité quantique n'existe pas, du moins pas encore. Cependant, le nombre d'interactions déjà ouvertes répète haut et fort qu'il ne peut queêtre une sorte de schéma unifié.
Champ électrique
En 1860, le grand physicien du XIXe siècle James Maxwell a réussi à créer une théorie expliquant l'induction électromagnétique. Lorsque le champ magnétique change avec le temps, un champ électrique se forme à un certain point de l'espace. Et si un conducteur fermé se trouve dans ce champ, alors un courant d'induction apparaît dans le champ électrique. Avec sa théorie des champs électromagnétiques, Maxwell prouve que le processus inverse est également possible: si vous modifiez le champ électrique dans le temps à un certain point de l'espace, un champ magnétique apparaîtra définitivement. Cela signifie que tout changement dans le temps du champ magnétique peut provoquer l'émergence d'un champ électrique changeant, et un changement du champ électrique peut produire un champ magnétique changeant. Ces variables, champs qui s'engendrent, organisent un champ unique - électromagnétique.
Le résultat le plus important découlant des formules de la théorie de Maxwell est la prédiction qu'il existe des ondes électromagnétiques, c'est-à-dire des champs électromagnétiques se propageant dans le temps et dans l'espace. La source du champ électromagnétique est constituée par les charges électriques se déplaçant avec une accélération. Contrairement aux ondes sonores (élastiques), les ondes électromagnétiques peuvent se propager dans n'importe quelle substance, même dans le vide. L'interaction électromagnétique dans le vide se propage à la vitesse de la lumière (c=299 792 kilomètres par seconde). La longueur d'onde peut être différente. Les ondes électromagnétiques de dix mille mètres à 0,005 mètre sontondes radio qui nous servent à transmettre des informations, c'est-à-dire des signaux sur une certaine distance sans aucun fil. Les ondes radio sont créées par le courant à haute fréquence qui circule dans l'antenne.
Quelles sont les vagues
Si la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique est comprise entre 0,005 mètre et 1 micromètre, c'est-à-dire que ceux qui se situent dans la plage entre les ondes radio et la lumière visible sont des rayonnements infrarouges. Il est émis par tous les corps chauffés: batteries, réchauds, lampes à incandescence. Des dispositifs spéciaux convertissent le rayonnement infrarouge en lumière visible afin d'obtenir des images des objets qui l'émettent, même dans l'obscurité absolue. La lumière visible émet des longueurs d'onde allant de 770 à 380 nanomètres - résultant en une couleur allant du rouge au violet. Cette section du spectre est extrêmement importante pour la vie humaine, car nous recevons une grande partie des informations sur le monde par le biais de la vision.
Si le rayonnement électromagnétique a une longueur d'onde plus courte que le violet, il s'agit de l'ultraviolet, qui tue les bactéries pathogènes. Les rayons X sont invisibles à l'œil. Ils n'absorbent presque pas les couches de matière opaques à la lumière visible. Le rayonnement X diagnostique les maladies des organes internes des humains et des animaux. Si un rayonnement électromagnétique provient de l'interaction de particules élémentaires et est émis par des noyaux excités, on obtient un rayonnement gamma. C'est la gamme la plus large du spectre électromagnétique car elle n'est pas limitée aux hautes énergies. Le rayonnement gamma peut être doux et dur: transitions d'énergie à l'intérieur des noyaux atomiques -doux et dans les réactions nucléaires - dur. Ces quanta détruisent facilement les molécules, notamment biologiques. Heureusement, le rayonnement gamma ne peut pas traverser l'atmosphère. Les rayons gamma peuvent être observés depuis l'espace. Aux ultra-hautes énergies, l'interaction électromagnétique se propage à une vitesse proche de la vitesse de la lumière: les quanta gamma écrasent les noyaux des atomes, les brisant en particules volant dans des directions différentes. Lors du freinage, ils émettent une lumière visible à travers des télescopes spéciaux.
Du passé au futur
Les ondes électromagnétiques, comme déjà mentionné, ont été prédites par Maxwell. Il a soigneusement étudié et essayé de croire mathématiquement les images légèrement naïves de Faraday, qui représentaient des phénomènes magnétiques et électriques. C'est Maxwell qui a découvert l'absence de symétrie. Et c'est lui qui a réussi à prouver par un certain nombre d'équations que les champs électriques alternatifs génèrent des champs magnétiques et vice versa. Cela l'a conduit à l'idée que de tels champs se détachent des conducteurs et se déplacent dans le vide à une vitesse gigantesque. Et il l'a compris. La vitesse était proche de trois cent mille kilomètres par seconde.
C'est ainsi que la théorie et l'expérience interagissent. Un exemple est la découverte, grâce à laquelle nous avons appris l'existence des ondes électromagnétiques. Avec l'aide de la physique, des concepts complètement hétérogènes y ont été combinés - le magnétisme et l'électricité, puisqu'il s'agit d'un phénomène physique du même ordre, seuls ses différents côtés sont en interaction. Les théories se construisent les unes après les autres, et toutesils sont étroitement liés les uns aux autres: la théorie de l'interaction électrofaible, par exemple, où les forces nucléaires et électromagnétiques faibles sont décrites à partir des mêmes positions, alors tout cela est uni par la chromodynamique quantique, couvrant les interactions fortes et électrofaibles (ici la précision est encore plus bas, mais le travail continue). Des domaines de la physique tels que la gravité quantique et la théorie des cordes font l'objet de recherches intensives.
Conclusions
Il s'avère que l'espace qui nous entoure est complètement imprégné de rayonnement électromagnétique: ce sont les étoiles et le Soleil, la Lune et d'autres corps célestes, c'est la Terre elle-même et chaque téléphone entre les mains d'une personne, et les antennes des stations de radio - tout cela émet des ondes électromagnétiques, nommées différemment. En fonction de la fréquence des vibrations émises par un objet, on distingue le rayonnement infrarouge, les ondes radio, la lumière visible, les rayons du champ biologique, les rayons X, etc.
Lorsqu'un champ électromagnétique se propage, il devient une onde électromagnétique. C'est simplement une source d'énergie inépuisable, qui fait fluctuer les charges électriques des molécules et des atomes. Et si la charge oscille, son mouvement s'accélère, et émet donc une onde électromagnétique. Si le champ magnétique change, un champ électrique vortex est excité, qui, à son tour, excite un champ magnétique vortex. Le processus traverse l'espace, couvrant un point après l'autre.
