В данной статье будет рассмотрено то, что называется силами природы, - фундаментальное электромагнитное взаимодействие и принципы, на которых оно строится. Также будет рассказано о возможностях существования новых подходов к изучению этой темы. Ещё в школе на уроках физики учащиеся сталкиваются с объяснением понятия "сила". Они узнают, что силы могут быть самыми разнообразными - сила трения, сила притяжения, сила упругости и множество тому подобных. Не все они могут называться фундаментальными, поскольку очень часто явление силы вторично (сила трения, например, с её взаимодействием молекул). Электромагнитное взаимодействие тоже может быть вторичным - как следствие. Молекулярная физика приводит в пример силы Ван-дер-Ваальса. Также много примеров даёт и физика элементарных частиц.
В природе
Хотелось бы докопаться до самой сути процессов, происходящих в природе, когда она заставляет работать электромагнитное взаимодействие. Что именно является фундаментальной силой, определяющей все построенные ею вторичные силы? Все знают, что электромагнитное взаимодействие, или, как ещё его называют, электрические силы, является фундаментальным. Об этом говорит закон Кулона, имеющий собственное обобщение, вытекающее из уравнений Максвелла. Последние описывают все существующие в природе магнитные и электрические силы. Именно поэтому доказано, что взаимодействие электромагнитных полей - фундаментальные силы природы. Следующий пример - сила тяготения. Даже школьники знают о законе всемирного тяготения Исаака Ньютона, который тоже не так давно получил собственное обобщение уравнениями Эйнштейна, и, по его теории тяготения, эта сила электромагнитного взаимодействия в природе тоже фундаментальна.
Когда-то давно считалось, что существуют только две эти фундаментальные силы, однако наука шла вперёд, постепенно доказывая, что это совсем не так. Например, с открытием атомного ядра пришлось ввести понятие ядерной силы, иначе как понять принцип удержания частиц внутри ядра, почему они не улетают в разные стороны. Понимание того, как работает электромагнитное взаимодействие в природе, помогло измерить ядерные силы, изучить и описать. Однако впоследствии учёные пришли к выводу, что и ядерные силы вторичны и по многим проявлениям похожи на силы Ван-дер-Ваальса. На самом деле действительно фундаментальны только силы, которые обеспечивают кварки, взаимодействуя друг с другом. Потом уже - вторичным эффектом - является взаимодействие электромагнитных полей между нейтронами и протонами в ядре. Поистине фундаментальным является взаимодействие кварков, которые обмениваются глюонами. Таким образом была обнаружена в природе третья действительно фундаментальная сила.
Продолжение этой истории
Элементарные частицы распадаются, тяжёлые - на более лёгкие, и их распад описывает новую силу электромагнитного взаимодействия, которая так и названа - сила слабого взаимодействия. Почему слабого? Да потому, что электромагнитное взаимодействие в природе гораздо сильнее. И опять же оказалось, что эта теория слабого взаимодействия, так стройно вставшая в картину мира и первоначально превосходно описывавшая распады элементарных частиц, не отражала те же постулаты, если энергия повышалась. А потому старая теория была переработана в другую - теорию слабого взаимодействия, на сей раз оказавшуюся универсальной. Хотя и построена она была на тех же самых принципах, что и остальные теории, описывавшие электромагнитное взаимодействие частиц. В современности существуют четыре изученных и доказанных фундаментальных взаимодействий, и пятое - на подходе, о нём будет речь впереди. Все четыре - гравитационное, сильное, слабое, электромагнитное - построены на единственном принципе: сила, возникающая между частицами, есть результат некоего обмена, осуществлённого переносчиком, или иначе - посредником взаимодействия.
Что же это за помощник? Это фотон - частица без массы, но тем не менее успешно выстраивающая электромагнитное взаимодействие за счёт обмена квантом электромагнитных волн или квантом света. Электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством фотонов в поле заряженных частиц, которые общаются с определённой силой, как раз это и трактует закон Кулона. Есть ещё одна безмассовая частица - глюон, её существует восемь разновидностей, она помогает общаться кваркам. Это электромагнитное взаимодействие является притяжением между зарядами, и оно называется сильным. Да и слабое взаимодействие не обходится без посредников, коими стали частицы с массой, более того, они массивные, то есть тяжёлые. Это промежуточные векторные бозоны. Их массой и тяжестью объясняется слабость взаимодействия. Гравитационная же сила производит обмен квантом гравитационного поля. Это электромагнитное взаимодействие является притяжением частиц, оно изучено пока недостаточно, гравитон даже экспериментально пока не обнаружен, а квантовая гравитация нами не вполне ощущается, именно потому и описать мы её пока не можем.
Пятая сила
Мы рассмотрели четыре вида фундаментального взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное, гравитационное. Взаимодействие - это некий акт обмена частицами, и без понятия симметрии никак не обойтись, поскольку не бывает взаимодействия, с нею не связанного. Именно она определяет количество частиц и их массу. С точной симметрией масса всегда нулевая. Так, у фотона и глюона массы нет, она равняется нулю, у гравитона - тоже. А если симметрия нарушается, масса нулевой быть перестаёт. Так, промежуточные векторные бизоны имеют массу, потому что симметрия нарушена. Этими четырьмя фундаментальными взаимодействиями объясняется всё, что мы видим и ощущаем. Остальные силы говорят о том, что их электромагнитное взаимодействие является вторичным. Однако в 2012 году произошёл прорыв в науке и была обнаружена ещё одна частица, сразу ставшая знаменитой. Революцию в научном мире организовало открытие хиггсовского бозона, который, как оказалось, тоже служит переносчиком взаимодействий между лептонами и кварками.
Именно поэтому и говорят теперь учёные-физики о том, что появилась пятая сила, посредником которой оказался хиггсовский бозон. Симметрия нарушена и здесь: у хиггсовского бозона есть масса. Таким образом число взаимодействий (этим словом в современной физике частиц заменяется слово "сила") достигло пяти. Возможно, нас ждут новые открытия, поскольку мы в точности не знаем, если ли ещё взаимодействия помимо этих. Очень возможно, что уже выстроенная и сегодня нами рассматриваемая модель, казалось бы, превосходно объясняющая все явления, наблюдаемые в мире, и не совсем полна. И возможно, через какое-то время появятся новые взаимодействия или новые силы. Вероятность такая существует хотя бы потому, что мы очень постепенно узнавали о том, что существуют известные на сегодняшний день фундаментальные взаимодействия - сильное, слабое, электромагнитное, гравитационное. Ведь если есть в природе суперсимметричные частицы, о которых уже говорят в учёном мире, то это означает существование новой симметрии, а симметрия всегда влечёт за собой появление новых частиц, посредников между ними. Таким образом, мы услышим о ранее неизвестной фундаментальной силе, как некогда с удивлением узнавали, что существуют, например, электромагнитное, слабое взаимодействие. Знания наши относительно собственной природы весьма неполны.
Взаимосвязанность
Самое интересное то, что любое новое взаимодействие обязательно должно приводить к совершенно неизведанному явлению. Например, если бы мы не узнали о слабом взаимодействии, никогда не обнаружили бы распад, а если бы не было в нашем знании распада, никакое изучение ядерной реакции было бы невозможно. А если бы мы не знали ядерных реакций, не поняли бы, каким образом светит нам солнышко. Ведь если бы оно не светило, и жизнь на Земле не образовалась бы. Так что наличие взаимодействия говорит о том, что это жизненно важно. Если бы сильного взаимодействия не существовало, и атомных ядер стабильных бы не было. Благодаря электромагнитному взаимодействию Земля получает энергию от Солнца, и лучи света, прилетающие от него, греют планету. И все известные нам взаимодействия совершенно необходимы. Вот хиггсовское, например. Хиггсовский бозон обеспечивает частице массу посредством взаимодействия с полем, мы без этого бы не выжили. А как без гравитационного взаимодействия удержаться на поверхности планеты? Это было бы невозможно не только нам, но и ничему вообще.
Абсолютно все взаимодействия, даже те, о которых мы пока не знаем, являются необходимостью для того, чтобы всё, что человечество знает, понимает и любит, существовало. Что мы можем не знать? Да многое. Например, мы знаем, что протон стабилен в ядре. Очень и очень важна нам эта его стабильность, иначе точно так же не существовало бы жизни. Однако эксперименты говорят о том, что жизнь протона - величина во времени ограниченная. Долгая, конечно, 1034 лет. Но это значит, что рано или поздно и протон распадётся, и для этого понадобится какая-то новая сила, то есть новое взаимодействие. Относительно распада протона уже существуют теории, где предполагается новая, гораздо более высокая степень симметрии, значит, и новое взаимодействие вполне может существовать, о котором мы пока ничего не знаем.
Великое объединение
В единстве природы единственный принцип построения всех фундаментальных взаимодействий. У многих возникают вопросы относительно количества их и объяснения причин именно этого количества. Версий здесь построено великое множество, и они самые различные по сделанным выводам. Объясняют наличие именно такого числа фундаментальных взаимодействий всевозможными способами, но все они оказываются с единым принципом выстраивания доказательств. Всегда самые разные виды взаимодействий исследователи пытаются объединить в одно. Поэтому такие теории и названы теориями Великого объединения. Словно мировое древо ветвится: ветвей множество, а ствол всегда один.
Всё потому, что есть объединяющая все эти теории идея. Корень у всех известных взаимодействий единый, питающий один ствол, который в результате утери симметрии начал ветвиться и образовал разные фундаментальные взаимодействия, которые мы можем экспериментально пронаблюдать. Эту гипотезу пока проверить невозможно, поскольку требуется физика неимоверно высоких энергий, недоступных экспериментам сегодняшнего дня. Очень возможен и такой вариант, что мы никогда этими энергиями не овладеем. Но обойти эту помеху вполне можно.
Особняком
У нас есть Вселенная, этот естественный ускоритель, и все процессы, которые в ней происходят, дают возможность проверять даже самые смелые гипотезы относительно единого корня всех известных взаимодействий. Другой интереснейшей задачей понимания взаимодействий в природе является, пожалуй, ещё более сложная. Необходимо понять, как соотносится гравитация с остальными силами природы. Это фундаментальное взаимодействие стоит как бы отдельно, несмотря на то, что по принципу построения эта теория похожа на все другие.
Эйнштейн занимался теорией гравитации, пытаясь связать её с электромагнетизмом. Несмотря на кажущуюся реальность решения этой проблемы, теории тогда всё-таки не получилось. Теперь человечество знает несколько больше, во всяком случае нам известно про сильное и слабое взаимодействие. И если сейчас достраивать эту единую теорию, то непременно скажется опять нехватка знаний. До сей поры не удалось поставить гравитацию в один ряд с другими взаимодействиями, поскольку все подчиняются законам, которые диктует квантовая физика, а гравитация - нет. По квантовой теории все частицы являются квантами какого-то определённого поля. А вот квантовой гравитации не существует, во всяком случае, пока. Однако количество уже открытых взаимодействий громко твердит о том, что не может не быть какой-то единой схемы.
Электрическое поле
Ещё в 1860 году великому физику девятнадцатого века Джеймсу Максвеллу удалось создать теорию, объясняющую электромагнитную индукцию. При изменении во времени магнитного поля в некоей точке пространства образуется электрическое поле. А если в этом поле обнаружится замкнутый проводник, то в электрическом поле появляется индукционный ток. Своей теорией электромагнитных полей Максвелл доказывает, что вероятен и обратный процесс: если изменить во времени электрическое поле в некоей точке пространства, обязательно появится магнитное поле. Значит, любым изменением во времени магнитного поля можно вызвать возникновение изменяющегося поля электрического, а изменением электрического можно получить изменяющееся поле магнитное. Этими переменными, порождающими друг друга полями организуется единое поле - электромагнитное.
Важнейший результат, вытекающий из формул теории Максвелла, - предсказание того, что существуют электромагнитные волны, то есть распространяющиеся электромагнитные поля во времени и пространстве. Источником электромагнитного поля являются движущиеся с ускорением электрические заряды. В отличие от звуковых (упругих) волн электромагнитные могут распространяться в любом веществе, даже в вакууме. Электромагнитное взаимодействие в вакууме распространяется со скоростью света (с = 299 792 километра в секунду). Длина волны может быть разной. Электромагнитные волны от десяти тысяч метров до 0,005 метра - это радиоволны, которые служат нам для передачи информации, то есть сигналов на определённое расстояние безо всяких проводов. Создаются радиоволны током на высоких частотах, которые текут в антенне.
Какие бывают волны
Если длина волны электромагнитного излучения составляет от 0,005 метра до 1 микрометра, то есть те, которые находятся в диапазоне между радиоволнами и видимым светом, - это инфракрасное излучение. Его испускают все нагретые тела: батареи, печи, лампы накаливания. Специальные приборы преобразовывают инфракрасное излучение в видимый свет, чтобы получить изображения предметов, излучающих его, даже в абсолютной темноте. Видимый свет излучает волны длиной от 770 до 380 нанометров - получается цвет от красного до фиолетового. Этот участок спектра имеет для жизни человека исключительно большое значение, ведь огромную часть сведений о мире мы получаем с помощью зрения.
Если электромагнитное излучение имеет длину волны меньшую, чем фиолетовый цвет, это ультрафиолет, убивающий болезнетворные бактерии. Рентгеновские лучи глазу не видны. Они почти не поглощают непрозрачные для видимого света слои вещества. Рентгеновским излучением диагностируются заболевания внутренних органов человека и животных. Если же электромагнитное излучение возникает от взаимодействия элементарных частиц и испускается возбуждёнными ядрами, получается гамма-излучение. Это наиболее широкий диапазон в электромагнитном спектре, потому что он не ограничивается высокими энергиями. Гамма-излучение может быть мягким и жёстким: энергетические переходы внутри атомных ядер - мягкое, а при ядерных реакциях - жёсткое. Эти кванты легко рушат молекулы, и биологические особенно. Большое счастье, что через атмосферу гамма-излучение пройти не может. Наблюдать гамма-кванты можно из космоса. При сверхвысоких энергиях электромагнитное взаимодействие распространяется со скоростью, близкой к световой: гамма-кванты сокрушают ядра атомов, разбивая их на частицы, разлетающиеся в разные стороны. При торможении они испускают свет, видимый в специальные телескопы.
Из прошлого - в будущее
Электромагнитные волны, как уже было сказано, предсказаны Максвеллом. Он тщательно изучал и пытался поверить математикой слегка наивные картинки Фарадея, на которых были изображены магнитные и электрические явления. Именно Максвелл обнаружил отсутствие симметрии. И именно ему удалось доказать рядом уравнений, что переменные электрические поля порождают магнитные и наоборот. Это и натолкнуло его на мысль, что такие поля отрываются от проводников и движутся через вакуум с какой-то гигантской скоростью. И он вычислил её. Скорость оказалась близкой к трёхстам тысячам километров в секунду.
Вот так взаимодействуют теория и эксперимент. Примером может послужить открытие, благодаря которому мы узнали о существовании электромагнитных волн. В нём объединились с помощью физики абсолютно разнородные понятия - магнетизм и электричество, поскольку это физическое явление одного порядка, просто разные его стороны находятся во взаимодействии. Теории выстраиваются одна за другой, и все они тесно связаны друг с другом: теория электрослабого взаимодействия, например, где с одних и тех же позиций описываются слабые ядерные силы и электромагнитные, далее всё это объединяет квантовая хромодинамика, охватывающая сильное и электрослабое взаимодействия (здесь точность пока ниже, но работа продолжается). Интенсивно исследуются такие направления физики, как квантовая гравитация и теория струн.
Выводы
Оказывается, пространство, окружающее нас, полностью пронизано электромагнитными излучениями: это звёзды и Солнце, Луна и остальные небесные тела, это и сама Земля, и каждый телефон в руках у человека, и антенны радиостанций - всё это испускает электромагнитные волны, по-разному называющиеся. В зависимости от той частоты колебаний, которую излучает предмет, различаются инфракрасное излучение, радиоволны, видимый свет, лучи биополя, рентгеновские и тому подобные.
Когда электромагнитное поле распространяется, оно становится электромагнитной волной. Это источник энергии просто неиссякаемый, заставляющий колебаться электрические заряды молекул и атомов. А если заряд колеблется, его движение получает ускорение, а потому излучает электромагнитную волну. Если изменяется магнитное поле, возбуждается поле вихревое электрическое, которое, в свою очередь, возбуждает поле вихревое магнитное. Процесс идёт через пространство, охватывая одну точку за другой.
