Este artículo considerará lo que se llama las fuerzas de la naturaleza: la interacción electromagnética fundamental y los principios sobre los que se construye. También se hablará de las posibilidades de la existencia de nuevos enfoques para el estudio de este tema. Incluso en la escuela, en las lecciones de física, los estudiantes se enfrentan a una explicación del concepto de "fuerza". Aprenden que las fuerzas pueden ser muy diversas: la fuerza de fricción, la fuerza de atracción, la fuerza de elasticidad y muchas otras similares. No todos ellos pueden llamarse fundamentales, ya que muy a menudo el fenómeno de la fuerza es secundario (la fuerza de fricción, por ejemplo, con su interacción de moléculas). La interacción electromagnética también puede ser secundaria, como consecuencia. La física molecular cita la fuerza de Van der Waals como ejemplo. La física de partículas también proporciona muchos ejemplos.
En la naturaleza
Me gustaría llegar al fondo de los procesos que ocurren en la naturaleza, cuando hace funcionar la interacción electromagnética. ¿Cuál es exactamente la fuerza fundamental que determina todas las fuerzas secundarias que ha construido?De todos es sabido que la interacción electromagnética, o, como también se le llama, fuerzas eléctricas, es fundamental. Esto se evidencia por la ley de Coulomb, que tiene su propia generalización a partir de las ecuaciones de Maxwell. Estos últimos describen todas las fuerzas magnéticas y eléctricas que existen en la naturaleza. Por eso se ha comprobado que la interacción de los campos electromagnéticos es la fuerza fundamental de la naturaleza. El siguiente ejemplo es la gravedad. Incluso los escolares conocen la ley de la gravitación universal de Isaac Newton, quien también recibió recientemente su propia generalización mediante las ecuaciones de Einstein y, según su teoría de la gravedad, esta fuerza de interacción electromagnética en la naturaleza también es fundamental.
Érase una vez, se pensaba que solo existían estas dos fuerzas fundamentales, pero la ciencia ha avanzado, demostrando gradualmente que no es así en absoluto. Por ejemplo, con el descubrimiento del núcleo atómico, fue necesario introducir el concepto de fuerza nuclear, de lo contrario, cómo entender el principio de mantener las partículas dentro del núcleo, por qué no vuelan en diferentes direcciones. Comprender cómo funciona la fuerza electromagnética en la naturaleza ha ayudado a medir, estudiar y describir las fuerzas nucleares. Sin embargo, científicos posteriores llegaron a la conclusión de que las fuerzas nucleares son secundarias y, en muchos aspectos, similares a las fuerzas de van der Waals. De hecho, solo las fuerzas que proporcionan los quarks al interactuar entre sí son realmente fundamentales. Entonces ya - un efecto secundario - es la interacción de campos electromagnéticos entre neutrones y protones en el núcleo. Verdaderamente fundamental es la interacción de los quarks que intercambian gluones. Así fueuna tercera fuerza verdaderamente fundamental descubierta en la naturaleza.
Continuación de esta historia
Las partículas elementales se descomponen, las pesadas, en otras más ligeras, y su descomposición describe una nueva fuerza de interacción electromagnética, que se llama precisamente así: la fuerza de interacción débil. ¿Por qué débil? Sí, porque la interacción electromagnética en la naturaleza es mucho más fuerte. Y nuevamente, resultó que esta teoría de la interacción débil, que tan armoniosamente entró en la imagen del mundo e inicialmente describió excelentemente las desintegraciones de las partículas elementales, no reflejaba los mismos postulados si la energía aumentaba. Es por eso que la vieja teoría fue transformada en otra: la teoría de la interacción débil, esta vez resultó ser universal. Aunque se construyó sobre los mismos principios que otras teorías que describían la interacción electromagnética de las partículas. En la actualidad existen cuatro interacciones fundamentales estudiadas y comprobadas, y la quinta está en camino, se discutirá más adelante. Los cuatro (gravitacional, fuerte, débil, electromagnético) se basan en un solo principio: la fuerza que surge entre las partículas es el resultado de algún intercambio llevado a cabo por un portador o, de otro modo, un mediador de interacción.
¿Qué tipo de ayudante es este? Este es un fotón, una partícula sin masa, pero que, sin embargo, construye con éxito una interacción electromagnética debido al intercambio de un cuanto de ondas electromagnéticas o un cuanto de luz. La interacción electromagnética se lleva a cabomediante fotones en el campo de partículas cargadas que se comunican con cierta fuerza, esto es precisamente lo que interpreta la ley de Coulomb. Hay otra partícula sin masa: el gluón, hay ocho variedades, ayuda a los quarks a comunicarse. Esta interacción electromagnética es una atracción entre cargas, y se llama fuerte. Sí, y la interacción débil no está completa sin intermediarios, que son partículas con masa, además, son masivas, es decir, pesadas. Estos son bosones vectoriales intermedios. Su masa y pesadez explica la debilidad de la interacción. La fuerza gravitatoria produce un intercambio de un cuanto del campo gravitatorio. Esta interacción electromagnética es la atracción de partículas, aún no se ha estudiado lo suficiente, el gravitón ni siquiera se ha detectado experimentalmente todavía, y la gravedad cuántica no la sentimos completamente, por lo que aún no podemos describirla.
La Quinta Fuerza
Hemos considerado cuatro tipos de interacción fundamental: fuerte, débil, electromagnética, gravitacional. La interacción es un cierto acto de intercambio de partículas, y uno no puede prescindir del concepto de simetría, ya que no hay interacción que no esté asociada con él. Es ella quien determina el número de partículas y su masa. Con simetría exacta, la masa siempre es cero. Entonces, un fotón y un gluón no tienen masa, es igual a cero, y un gravitón no. Y si se rompe la simetría, la masa deja de ser cero. Por lo tanto, los bisontes vectoriales intermedios tienen masa porque se rompe la simetría. Estas cuatro interacciones fundamentales explican todo lo quevemos y sentimos. Las fuerzas restantes indican que su interacción electromagnética es secundaria. Sin embargo, en 2012 hubo un gran avance en la ciencia y se descubrió otra partícula, que inmediatamente se hizo famosa. La revolución en el mundo científico fue organizada por el descubrimiento del bosón de Higgs que, como se vio después, también sirve como portador de interacciones entre leptones y quarks.
Es por eso que los físicos ahora dicen que ha aparecido una quinta fuerza, mediada por el bosón de Higgs. La simetría también se rompe aquí: el bosón de Higgs tiene una masa. Por lo tanto, el número de interacciones (la palabra "fuerza" se reemplaza por esta palabra en la física de partículas moderna) llegó a cinco. Quizás estemos esperando nuevos descubrimientos, porque no sabemos exactamente si hay otras interacciones además de estas. Es muy posible que el modelo que ya hemos construido y que estamos considerando hoy, que parecería explicar perfectamente todos los fenómenos observados en el mundo, no sea del todo completo. Y quizás, después de algún tiempo, aparecerán nuevas interacciones o nuevas fuerzas. Tal probabilidad existe, aunque solo sea porque aprendimos muy gradualmente que existen interacciones fundamentales conocidas hoy en día: fuerte, débil, electromagnética, gravitatoria. Después de todo, si hay partículas supersimétricas en la naturaleza, de las que ya se habla en el mundo científico, entonces esto significa la existencia de una nueva simetría, y la simetría siempre implica la aparición de nuevas partículas, mediadoras entre ellas. Así, oiremos hablar de una fuerza fundamental previamente desconocida, como una vez supimos con sorpresa quehay, por ejemplo, interacción electromagnética, débil. Nuestro conocimiento de nuestra propia naturaleza es muy incompleto.
Conectividad
Lo más interesante es que cualquier nueva interacción debe conducir necesariamente a un fenómeno completamente desconocido. Por ejemplo, si no hubiéramos aprendido acerca de la interacción débil, nunca habríamos descubierto la descomposición, y si no fuera por nuestro conocimiento de la descomposición, ningún estudio de la reacción nuclear sería posible. Y si no conociéramos las reacciones nucleares, no entenderíamos cómo brilla el sol para nosotros. Después de todo, si no brillara, la vida en la Tierra no se habría formado. Entonces la presencia de la interacción dice que es vital. Si no hubiera una interacción fuerte, no habría núcleos atómicos estables. Debido a la interacción electromagnética, la Tierra recibe energía del Sol y los rayos de luz que emanan de él calientan el planeta. Y todas las interacciones que conocemos son absolutamente necesarias. Aquí está el de Higgs, por ejemplo. El bosón de Higgs proporciona masa a la partícula a través de la interacción con el campo, sin el cual no habríamos sobrevivido. ¿Y cómo permanecer en la superficie del planeta sin interacción gravitacional? Sería imposible no solo para nosotros, sino para nada en absoluto.
Absolutamente todas las interacciones, incluso aquellas que aún no conocemos, son una necesidad para que exista todo lo que la humanidad conoce, comprende y ama. ¿Qué no podemos saber? Sí mucho. Por ejemplo, sabemos que el protón es estable en el núcleo. Esto es muy, muy importante para nosotros.estabilidad, de lo contrario la vida no existiría de la misma manera. Sin embargo, los experimentos muestran que la vida de un protón es una cantidad limitada en el tiempo. Largo, por supuesto, 1034 años. Pero esto significa que, tarde o temprano, el protón también decaerá, y esto requerirá una nueva fuerza, es decir, una nueva interacción. En cuanto a la desintegración de protones, ya existen teorías en las que se asume un nuevo grado de simetría mucho mayor, lo que significa que bien puede existir una nueva interacción, de la que aún no sabemos nada.
Gran Unificación
En la unidad de la naturaleza, el único principio de construcción de todas las interacciones fundamentales. Mucha gente tiene preguntas sobre el número de ellos y la explicación de las razones de este número en particular. Aquí se han construido muchas versiones, y son muy diferentes en cuanto a las conclusiones extraídas. Explican la presencia de tal número de interacciones fundamentales de varias maneras, pero todas resultan ser con un solo principio de construcción de evidencia. Los investigadores siempre intentan combinar los más diversos tipos de interacciones en una sola. Por lo tanto, tales teorías se denominan teorías de la Gran Unificación. Como si el árbol del mundo se ramificara: hay muchas ramas, pero el tronco siempre es uno.
Todo porque hay una idea que une todas estas teorías. La raíz de todas las interacciones conocidas es la misma, alimentando un tronco que, como resultado de la pérdida de simetría, comenzó a ramificarse y formó diferentes interacciones fundamentales, que experimentalmente podemosobservar. Esta hipótesis aún no se puede probar, porque requiere una física de energía increíblemente alta, inaccesible para los experimentos actuales. También es posible que nunca lleguemos a dominar estas energías. Pero es muy posible sortear este obstáculo.
Apartamento
Tenemos el Universo, este acelerador natural, y todos los procesos que en él tienen lugar permiten comprobar hasta las hipótesis más atrevidas sobre la raíz común de todas las interacciones conocidas. Otra tarea interesante de comprender las interacciones en la naturaleza es, quizás, aún más difícil. Es necesario comprender cómo se relaciona la gravedad con el resto de las fuerzas de la naturaleza. Esta interacción fundamental se destaca, por así decirlo, a pesar del hecho de que esta teoría es similar a todas las demás por el principio de construcción.
Einstein estaba involucrado en la teoría de la gravedad, tratando de conectarla con el electromagnetismo. A pesar de la aparente realidad de resolver este problema, la teoría no funcionó entonces. Ahora la humanidad sabe un poco más, en todo caso, sabemos de las interacciones fuertes y débiles. Y si ahora para terminar de construir esta teoría unificada, entonces la f alta de conocimiento seguramente tendrá un efecto nuevamente. Hasta ahora no ha sido posible equiparar la gravedad con otras interacciones, ya que todos obedecen las leyes dictadas por la física cuántica, pero la gravedad no. Según la teoría cuántica, todas las partículas son cuantos de algún campo particular. Pero la gravedad cuántica no existe, al menos no todavía. Sin embargo, el número de interacciones ya abiertas repite en voz alta que no puede sinoser una especie de esquema unificado.
Campo eléctrico
En 1860, el gran físico del siglo XIX James Maxwell logró crear una teoría que explicaba la inducción electromagnética. Cuando el campo magnético cambia con el tiempo, se forma un campo eléctrico en un punto determinado del espacio. Y si se encuentra un conductor cerrado en este campo, aparece una corriente de inducción en el campo eléctrico. Con su teoría de los campos electromagnéticos, Maxwell demuestra que el proceso inverso también es posible: si cambias el campo eléctrico en el tiempo en un punto determinado del espacio, definitivamente aparecerá un campo magnético. Esto significa que cualquier cambio en el tiempo del campo magnético puede provocar la aparición de un campo eléctrico cambiante, y un cambio en el campo eléctrico puede producir un campo magnético cambiante. Estas variables, campos que se generan unos a otros, organizan un solo campo - electromagnético.
El resultado más importante que surge de las fórmulas de la teoría de Maxwell es la predicción de que existen ondas electromagnéticas, es decir, campos electromagnéticos que se propagan en el tiempo y el espacio. La fuente del campo electromagnético son las cargas eléctricas que se mueven con aceleración. A diferencia de las ondas sonoras (elásticas), las ondas electromagnéticas pueden propagarse en cualquier sustancia, incluso en el vacío. La interacción electromagnética en el vacío se propaga a la velocidad de la luz (c=299.792 kilómetros por segundo). La longitud de onda puede ser diferente. Las ondas electromagnéticas de diez mil metros a 0,005 metros sonondas de radio que nos sirven para transmitir información, es decir, señales a cierta distancia sin ningún tipo de cables. Las ondas de radio son creadas por la corriente a altas frecuencias que fluyen en la antena.
¿Qué son las olas?
Si la longitud de onda de la radiación electromagnética está entre 0,005 metros y 1 micrómetro, es decir, aquellas que están en el rango entre las ondas de radio y la luz visible son las radiaciones infrarrojas. Es emitido por todos los cuerpos calentados: baterías, estufas, lámparas incandescentes. Dispositivos especiales convierten la radiación infrarroja en luz visible para obtener imágenes de los objetos que la emiten, incluso en la más absoluta oscuridad. La luz visible emite longitudes de onda que van desde 770 a 380 nanómetros, lo que da como resultado un color que va del rojo al púrpura. Esta sección del espectro es extremadamente importante para la vida humana, porque recibimos una gran parte de la información sobre el mundo a través de la visión.
Si la radiación electromagnética tiene una longitud de onda más corta que la violeta, es ultravioleta, que mata las bacterias patógenas. Los rayos X son invisibles al ojo. Casi no absorben capas de materia que son opacas a la luz visible. La radiación de rayos X diagnostica enfermedades de los órganos internos de humanos y animales. Si la radiación electromagnética surge de la interacción de partículas elementales y es emitida por núcleos excitados, se obtiene radiación gamma. Este es el rango más amplio del espectro electromagnético porque no se limita a las altas energías. La radiación gamma puede ser suave y dura: transiciones de energía dentro de los núcleos atómicos -blando, y en reacciones nucleares - duro. Estos cuantos destruyen fácilmente las moléculas, y especialmente las biológicas. Afortunadamente, la radiación gamma no puede atravesar la atmósfera. Los rayos gamma se pueden observar desde el espacio. A energías ultra altas, la interacción electromagnética se propaga a una velocidad cercana a la de la luz: los cuantos gamma aplastan los núcleos de los átomos, descomponiéndolos en partículas que vuelan en diferentes direcciones. Al frenar, emiten una luz visible a través de telescopios especiales.
Del pasado al futuro
Las ondas electromagnéticas, como ya se mencionó, fueron predichas por Maxwell. Estudió cuidadosamente y trató de creer matemáticamente las imágenes ligeramente ingenuas de Faraday, que representaban fenómenos magnéticos y eléctricos. Fue Maxwell quien descubrió la ausencia de simetría. Y fue él quien logró demostrar mediante una serie de ecuaciones que los campos eléctricos alternos generan campos magnéticos y viceversa. Esto lo llevó a la idea de que tales campos se desprenden de los conductores y se mueven a través del vacío a una velocidad gigantesca. Y lo descubrió. La velocidad era cercana a los trescientos mil kilómetros por segundo.
Así interactúan la teoría y el experimento. Un ejemplo es el descubrimiento, gracias al cual conocimos la existencia de ondas electromagnéticas. Con la ayuda de la física, se combinaron conceptos completamente heterogéneos: magnetismo y electricidad, ya que este es un fenómeno físico del mismo orden, solo que sus diferentes lados están en interacción. Las teorías se construyen una tras otra, y todasestán estrechamente relacionados entre sí: la teoría de la interacción electrodébil, por ejemplo, donde las fuerzas nucleares y electromagnéticas débiles se describen desde las mismas posiciones, luego todo esto se une por la cromodinámica cuántica, cubriendo las interacciones fuerte y electrodébil (aquí la precisión es aún menor, pero el trabajo continúa). Se están investigando intensamente áreas de la física como la gravedad cuántica y la teoría de cuerdas.
Conclusiones
Resulta que el espacio que nos rodea está completamente impregnado de radiación electromagnética: estas son las estrellas y el Sol, la Luna y otros cuerpos celestes, esta es la Tierra misma, y cada teléfono en manos de una persona, y antenas de estaciones de radio - todo esto emite ondas electromagnéticas, nombradas de manera diferente. Según la frecuencia de las vibraciones que emite un objeto, se distinguen la radiación infrarroja, las ondas de radio, la luz visible, los rayos de biocampo, los rayos X y similares.
Cuando un campo electromagnético se propaga, se convierte en una onda electromagnética. Es simplemente una fuente inagotable de energía, que hace que las cargas eléctricas de las moléculas y los átomos fluctúen. Y si la carga oscila, su movimiento se acelera y por lo tanto emite una onda electromagnética. Si el campo magnético cambia, se excita un campo eléctrico de vórtice que, a su vez, excita un campo magnético de vórtice. El proceso atraviesa el espacio, cubriendo un punto tras otro.
