Dieser Artikel behandelt die sogenannten Naturkräfte - die grundlegende elektromagnetische Wechselwirkung und die Prinzipien, auf denen sie aufgebaut ist. Es wird auch über die Möglichkeiten der Existenz neuer Ansätze zur Untersuchung dieses Themas gesprochen. Schon in der Schule, im Physikunterricht, werden Schüler mit einer Erklärung des Begriffs „Kraft“konfrontiert. Sie lernen, dass Kräfte sehr unterschiedlich sein können – die Reibungskraft, die Anziehungskraft, die Elastizitätskraft und vieles mehr. Nicht alle können als grundlegend bezeichnet werden, da das Phänomen der Kraft sehr oft sekundär ist (z. B. die Reibungskraft mit ihrer Wechselwirkung von Molekülen). Elektromagnetische Wechselwirkungen können auch sekundär sein - als Folge. Als Beispiel nennt die Molekularphysik die Van-der-Waals-Kraft. Auch die Teilchenphysik liefert viele Beispiele.
In der Natur
Ich möchte den Vorgängen in der Natur auf den Grund gehen, wenn sie die elektromagnetische Wechselwirkung zum Laufen bringt. Was genau ist die fundamentale Kraft, die alle sekundären Kräfte bestimmt, die sie aufgebaut hat?Jeder weiß, dass die elektromagnetische Wechselwirkung oder, wie sie auch genannt wird, elektrische Kräfte grundlegend sind. Dies wird durch das Coulombsche Gesetz belegt, das seine eigene Verallgemeinerung hat, die aus den Maxwellschen Gleichungen folgt. Letztere beschreiben alle in der Natur vorkommenden magnetischen und elektrischen Kräfte. Deshalb ist bewiesen, dass die Wechselwirkung elektromagnetischer Felder die fundamentale Kraft der Natur ist. Das nächste Beispiel ist die Schwerkraft. Sogar Schulkinder kennen das Gesetz der universellen Gravitation von Isaac Newton, der kürzlich auch seine eigene Verallgemeinerung durch Einsteins Gleichungen erhielt, und gemäß seiner Gravitationstheorie ist diese Kraft der elektromagnetischen Wechselwirkung auch in der Natur grundlegend.
Es war einmal, dass man dachte, dass nur diese beiden fundamentalen Kräfte existieren, aber die Wissenschaft hat Fortschritte gemacht und nach und nach bewiesen, dass dies überhaupt nicht der Fall ist. Zum Beispiel war es mit der Entdeckung des Atomkerns notwendig, das Konzept der Kernkraft einzuführen, sonst wie man das Prinzip versteht, Teilchen im Kern zu h alten, warum sie nicht in verschiedene Richtungen wegfliegen. Das Verständnis, wie die elektromagnetische Kraft in der Natur wirkt, hat dazu beigetragen, nukleare Kräfte zu messen, zu untersuchen und zu beschreiben. Spätere Wissenschaftler kamen jedoch zu dem Schluss, dass Kernkräfte zweitrangig und in vielerlei Hinsicht den Van-der-Waals-Kräften ähnlich sind. Tatsächlich sind nur die Kräfte, die Quarks durch Wechselwirkung miteinander erzeugen, wirklich fundamental. Dann kommt es bereits – als Nebeneffekt – zur Wechselwirkung elektromagnetischer Felder zwischen Neutronen und Protonen im Atomkern. Wirklich grundlegend ist die Wechselwirkung von Quarks, die Gluonen austauschen. So wareine dritte wirklich fundamentale Kraft, die in der Natur entdeckt wurde.
Fortsetzung dieser Geschichte
Elementarteilchen zerfallen, schwere - in leichtere, und ihr Zerfall beschreibt eine neue Kraft der elektromagnetischen Wechselwirkung, die genau so genannt wird - die Kraft der schwachen Wechselwirkung. Warum schwach? Ja, denn die elektromagnetische Wechselwirkung in der Natur ist viel stärker. Und wieder stellte sich heraus, dass diese Theorie der schwachen Wechselwirkung, die so harmonisch ins Bild der Welt trat und die Zerfälle von Elementarteilchen zunächst hervorragend beschrieb, bei steigender Energie nicht die gleichen Postulate widerspiegelte. Deshalb wurde die alte Theorie in eine andere umgearbeitet - die Theorie der schwachen Wechselwirkung, die sich diesmal als universell herausstellte. Obwohl es auf den gleichen Prinzipien aufgebaut war wie andere Theorien, die die elektromagnetische Wechselwirkung von Teilchen beschrieben. In der Neuzeit gibt es vier untersuchte und nachgewiesene grundlegende Wechselwirkungen, und die fünfte ist auf dem Weg, sie wird später besprochen. Alle vier – gravitativ, stark, schwach, elektromagnetisch – sind auf einem einzigen Prinzip aufgebaut: Die Kraft, die zwischen Partikeln entsteht, ist das Ergebnis eines Austauschs, der von einem Träger oder auf andere Weise – einem Wechselwirkungsvermittler – durchgeführt wird.
Was ist das für ein Helfer? Dies ist ein Photon - ein Teilchen ohne Masse, das jedoch aufgrund des Austauschs eines Quants elektromagnetischer Wellen oder eines Lichtquants erfolgreich eine elektromagnetische Wechselwirkung aufbaut. Es findet eine elektromagnetische Wechselwirkung stattMittels Photonen im Feld geladener Teilchen, die mit einer bestimmten Kraft kommunizieren, interpretiert das Coulombsche Gesetz genau dies. Es gibt noch ein weiteres masseloses Teilchen – das Gluon, es gibt acht Varianten davon, es hilft den Quarks bei der Kommunikation. Diese elektromagnetische Wechselwirkung ist eine Anziehungskraft zwischen Ladungen und wird als stark bezeichnet. Ja, und schwache Wechselwirkung ist nicht vollständig ohne Vermittler, die Teilchen mit Masse sind, außerdem sind sie massiv, das heißt schwer. Dies sind Zwischenvektorbosonen. Ihre Masse und Schwere erklärt die Schwäche der Interaktion. Die Gravitationskraft bewirkt einen Austausch eines Quantums des Gravitationsfeldes. Diese elektromagnetische Wechselwirkung ist die Anziehungskraft von Teilchen, sie wurde noch nicht ausreichend untersucht, das Graviton wurde noch nicht einmal experimentell nachgewiesen, und die Quantengravitation wird von uns noch nicht vollständig gespürt, weshalb wir sie noch nicht beschreiben können.
Die fünfte Kraft
Wir haben vier Arten grundlegender Wechselwirkungen betrachtet: stark, schwach, elektromagnetisch, gravitativ. Wechselwirkung ist ein bestimmter Akt des Teilchenaustauschs, und man kann auf den Begriff der Symmetrie nicht verzichten, da es keine Wechselwirkung gibt, die nicht damit verbunden ist. Sie bestimmt die Anzahl der Teilchen und ihre Masse. Bei exakter Symmetrie ist die Masse immer Null. Ein Photon und ein Gluon haben also keine Masse, sie sind gleich Null, und ein Graviton nicht. Und wenn die Symmetrie gebrochen ist, hört die Masse auf, Null zu sein. Daher haben Zwischenvektorbisons Masse, weil die Symmetrie gebrochen ist. Diese vier grundlegenden Wechselwirkungen erklären all daswir sehen und fühlen. Die verbleibenden Kräfte weisen darauf hin, dass ihre elektromagnetische Wechselwirkung sekundär ist. 2012 gab es jedoch einen Durchbruch in der Wissenschaft und ein weiteres Teilchen wurde entdeckt, das sofort berühmt wurde. Die Revolution in der wissenschaftlichen Welt wurde durch die Entdeckung des Higgs-Bosons organisiert, das, wie sich herausstellte, auch als Träger von Wechselwirkungen zwischen Leptonen und Quarks dient.
Deshalb sagen Physiker jetzt, dass eine fünfte Kraft aufgetaucht ist, vermittelt durch das Higgs-Boson. Auch hier ist die Symmetrie gebrochen: Das Higgs-Boson hat eine Masse. Damit erreichte die Zahl der Wechselwirkungen (das Wort „Kraft“wird in der modernen Teilchenphysik durch dieses Wort ersetzt) fünf. Vielleicht warten wir auf neue Entdeckungen, weil wir nicht genau wissen, ob es neben diesen noch andere Wechselwirkungen gibt. Es ist sehr wahrscheinlich, dass das Modell, das wir bereits gebaut haben und das wir heute betrachten und das alle auf der Welt beobachteten Phänomene perfekt zu erklären scheint, nicht ganz vollständig ist. Und vielleicht treten nach einiger Zeit neue Wechselwirkungen oder neue Kräfte auf. Eine solche Wahrscheinlichkeit besteht schon deshalb, weil wir ganz allmählich gelernt haben, dass heute grundlegende Wechselwirkungen bekannt sind – stark, schwach, elektromagnetisch, gravitativ. Wenn es in der Natur supersymmetrische Teilchen gibt, über die in der wissenschaftlichen Welt bereits gesprochen wird, bedeutet dies die Existenz einer neuen Symmetrie, und Symmetrie bedeutet immer das Auftreten neuer Teilchen, Vermittler zwischen ihnen. So werden wir von einer bisher unbekannten Grundkraft hören, wie wir das einst mit Erstaunen erfahren habenes gibt zum Beispiel elektromagnetische, schwache Wechselwirkung. Unser Wissen über unsere eigene Natur ist sehr unvollständig.
Verbundenheit
Das Interessanteste ist, dass jede neue Interaktion zwangsläufig zu einem völlig unbekannten Phänomen führen muss. Wenn wir zum Beispiel nichts über die schwache Wechselwirkung gelernt hätten, hätten wir den Zerfall nie entdeckt, und ohne unser Wissen über den Zerfall wäre keine Untersuchung der Kernreaktion möglich. Und wenn wir Kernreaktionen nicht kennen würden, würden wir nicht verstehen, wie die Sonne für uns scheint. Denn wenn es nicht leuchten würde, wäre kein Leben auf der Erde entstanden. Das Vorhandensein von Interaktion sagt also, dass es lebenswichtig ist. Gäbe es keine starke Wechselwirkung, gäbe es keine stabilen Atomkerne. Aufgrund der elektromagnetischen Wechselwirkung erhält die Erde Energie von der Sonne, und die von ihr kommenden Lichtstrahlen erwärmen den Planeten. Und alle uns bekannten Wechselwirkungen sind zwingend notwendig. Hier ist zum Beispiel der von Higgs. Das Higgs-Boson verleiht dem Teilchen durch Wechselwirkung mit dem Feld Masse, ohne die wir nicht überlebt hätten. Und wie kann man ohne Gravitationswechselwirkung auf der Oberfläche des Planeten bleiben? Es wäre nicht nur für uns unmöglich, sondern umsonst.
Absolut alle Interaktionen, auch die, von denen wir noch nichts wissen, sind eine Notwendigkeit für alles, was die Menschheit kennt, versteht und liebt, um zu existieren. Was können wir nicht wissen? Ja sehr viel. Wir wissen zum Beispiel, dass das Proton im Kern stabil ist. Das ist uns sehr, sehr wichtig. Stabilität, sonst würde das Leben nicht so existieren. Experimente zeigen jedoch, dass die Lebensdauer eines Protons eine zeitlich begrenzte Größe ist. Lange natürlich, 1034 Jahre. Das bedeutet aber, dass früher oder später auch das Proton zerfällt, und das erfordert eine neue Kraft, also eine neue Wechselwirkung. Zum Protonenzerfall gibt es bereits Theorien, bei denen ein neuer, viel höherer Symmetriegrad angenommen wird, was bedeutet, dass möglicherweise eine neue Wechselwirkung existiert, über die wir noch nichts wissen.
Große Vereinigung
In der Einheit der Natur, dem einzigen Prinzip, alle grundlegenden Wechselwirkungen aufzubauen. Viele Menschen haben Fragen zu ihrer Anzahl und zur Erklärung der Gründe für diese bestimmte Anzahl. Hier wurden sehr viele Versionen gebaut, und sie unterscheiden sich sehr in den gezogenen Schlussfolgerungen. Sie erklären das Vorhandensein einer solchen Anzahl grundlegender Wechselwirkungen auf unterschiedliche Weise, aber es stellt sich heraus, dass sie sich alle auf ein einziges Prinzip der Beweisführung beziehen. Forscher versuchen immer, die unterschiedlichsten Arten von Interaktionen zu einer zu kombinieren. Daher werden solche Theorien als Theorien der großen Vereinigung bezeichnet. Als ob sich der Weltbaum verzweigt: Es gibt viele Äste, aber der Stamm ist immer einer.
Alles, weil es eine Idee gibt, die all diese Theorien vereint. Die Wurzel aller bekannten Wechselwirkungen ist dieselbe und speist einen Stamm, der sich infolge des Symmetrieverlusts zu verzweigen begann und verschiedene grundlegende Wechselwirkungen bildete, die wir experimentell untersuchen könnenbeobachten. Diese Hypothese kann noch nicht überprüft werden, weil sie eine unglaubliche Hochenergiephysik erfordert, die für heutige Experimente unzugänglich ist. Es ist auch möglich, dass wir diese Energien nie beherrschen werden. Aber es ist durchaus möglich, dieses Hindernis zu umgehen.
Wohnung
Wir haben das Universum, diesen natürlichen Beschleuniger, und all die Prozesse, die darin ablaufen, ermöglichen es, selbst die kühnsten Hypothesen über die gemeinsame Wurzel aller bekannten Wechselwirkungen zu testen. Eine andere interessante Aufgabe, die Wechselwirkungen in der Natur zu verstehen, ist vielleicht sogar noch schwieriger. Es ist notwendig zu verstehen, wie die Schwerkraft mit den übrigen Naturkräften zusammenhängt. Diese fundamentale Wechselwirkung steht gleichsam abseits, obwohl diese Theorie allen anderen vom Konstruktionsprinzip her ähnlich ist.
Einstein beschäftigte sich mit der Gravitationstheorie und versuchte, sie mit dem Elektromagnetismus in Verbindung zu bringen. Trotz der scheinbaren Realität, dieses Problem zu lösen, funktionierte die Theorie damals nicht. Jetzt weiß die Menschheit etwas mehr, jedenfalls wissen wir um die starken und schwachen Wechselwirkungen. Und wenn man nun diese einheitliche Theorie zu Ende baut, dann wird sich das Unwissen sicher wieder auswirken. Bisher war es nicht möglich, die Schwerkraft mit anderen Wechselwirkungen gleichzusetzen, da jeder den Gesetzen der Quantenphysik gehorcht, die Schwerkraft jedoch nicht. Nach der Quantentheorie sind alle Teilchen Quanten eines bestimmten Feldes. Aber Quantengravitation existiert nicht, zumindest noch nicht. Die Zahl der bereits offenen Interaktionen wiederholt jedoch lautstark, dass dies nicht anders sein kanneine Art einheitliches Schema sein.
Elektrofeld
Im Jahr 1860 gelang es dem großen Physiker des 19. Jahrhunderts, James Maxwell, eine Theorie zur Erklärung der elektromagnetischen Induktion aufzustellen. Wenn sich das Magnetfeld mit der Zeit ändert, entsteht an einem bestimmten Punkt im Raum ein elektrisches Feld. Und wenn in diesem Feld ein geschlossener Leiter gefunden wird, erscheint im elektrischen Feld ein Induktionsstrom. Mit seiner Theorie der elektromagnetischen Felder beweist Maxwell, dass auch der umgekehrte Vorgang möglich ist: Ändert man das elektrische Feld zeitlich an einem bestimmten Punkt im Raum, entsteht auf jeden Fall ein magnetisches Feld. Das bedeutet, dass jede zeitliche Änderung des Magnetfelds ein sich änderndes elektrisches Feld hervorrufen kann und eine Änderung des elektrischen Felds ein sich änderndes Magnetfeld erzeugen kann. Diese Variablen, Felder, die sich gegenseitig erzeugen, organisieren ein einziges Feld – elektromagnetisch.
Das wichtigste Ergebnis, das sich aus den Formeln der Maxwellschen Theorie ergibt, ist die Vorhersage, dass es elektromagnetische Wellen gibt, also elektromagnetische Felder, die sich in Zeit und Raum ausbreiten. Die Quelle des elektromagnetischen Feldes sind die sich mit Beschleunigung bewegenden elektrischen Ladungen. Im Gegensatz zu (elastischen) Schallwellen können sich elektromagnetische Wellen in jeder Substanz ausbreiten, sogar im Vakuum. Die elektromagnetische Wechselwirkung breitet sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit aus (c=299.792 Kilometer pro Sekunde). Die Wellenlänge kann unterschiedlich sein. Elektromagnetische Wellen von zehntausend Meter bis 0,005 Meter sindFunkwellen, die uns dazu dienen, Informationen, also Signale, über eine gewisse Distanz drahtlos zu übertragen. Radiowellen werden durch hochfrequenten Strom erzeugt, der in der Antenne fließt.
Was sind das für Wellen
Wenn die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung zwischen 0,005 Meter und 1 Mikrometer liegt, also im Bereich zwischen Radiowellen und sichtbarem Licht liegt, handelt es sich um Infrarotstrahlung. Es wird von allen erhitzten Körpern abgegeben: Batterien, Öfen, Glühlampen. Spezielle Geräte wandeln Infrarotstrahlung in sichtbares Licht um, um auch bei absoluter Dunkelheit Bilder von Objekten zu erh alten, die diese aussenden. Sichtbares Licht emittiert Wellenlängen im Bereich von 770 bis 380 Nanometern – was zu einer Farbe von Rot bis Violett führt. Dieser Bereich des Spektrums ist für das menschliche Leben äußerst wichtig, da wir einen großen Teil der Informationen über die Welt durch das Sehen erh alten.
Wenn elektromagnetische Strahlung eine kürzere Wellenlänge als Violett hat, ist es Ultraviolett, das pathogene Bakterien abtötet. Röntgenstrahlen sind für das Auge unsichtbar. Sie absorbieren fast keine Materieschichten, die für sichtbares Licht undurchlässig sind. Röntgenstrahlen diagnostizieren Erkrankungen der inneren Organe von Mensch und Tier. Entsteht elektromagnetische Strahlung aus der Wechselwirkung von Elementarteilchen und wird von angeregten Kernen emittiert, entsteht Gammastrahlung. Dies ist der breiteste Bereich im elektromagnetischen Spektrum, da er nicht auf hohe Energien beschränkt ist. Gammastrahlung kann weich und hart sein: Energieübergänge im Inneren von Atomkernen -weich und in Kernreaktionen - hart. Diese Quanten zerstören leicht Moleküle, insbesondere biologische. Glücklicherweise kann Gammastrahlung die Atmosphäre nicht passieren. Gammastrahlen können aus dem Weltraum beobachtet werden. Bei ultrahohen Energien breitet sich die elektromagnetische Wechselwirkung mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus: Gammaquanten zermalmen die Kerne von Atomen und zerbrechen sie in Teilchen, die in verschiedene Richtungen fliegen. Beim Bremsen senden sie Licht aus, das durch spezielle Teleskope sichtbar ist.
Von der Vergangenheit in die Zukunft
Elektromagnetische Wellen wurden, wie bereits erwähnt, von Maxwell vorhergesagt. Er studierte sorgfältig und versuchte, die leicht naiven Bilder von Faraday, die magnetische und elektrische Phänomene darstellten, mathematisch zu glauben. Es war Maxwell, der das Fehlen von Symmetrie entdeckte. Und er war es, der durch eine Reihe von Gleichungen beweisen konnte, dass elektrische Wechselfelder magnetische erzeugen und umgekehrt. Das brachte ihn auf die Idee, dass sich solche Felder von den Leitern lösen und sich mit einer gigantischen Geschwindigkeit durch das Vakuum bewegen. Und er hat es kapiert. Die Geschwindigkeit betrug fast dreihunderttausend Kilometer pro Sekunde.
So interagieren Theorie und Experiment. Ein Beispiel ist die Entdeckung, dank der wir von der Existenz elektromagnetischer Wellen erfahren haben. Mit Hilfe der Physik wurden darin völlig heterogene Konzepte kombiniert - Magnetismus und Elektrizität, da dies ein physikalisches Phänomen derselben Ordnung ist, stehen nur seine verschiedenen Seiten in Wechselwirkung. Theorien werden eine nach der anderen aufgebaut, und so weitersie sind eng miteinander verwandt: die theorie der elektroschwachen wechselwirkung zum beispiel, wo schwache kern- und elektromagnetische kräfte von denselben positionen aus beschrieben werden, dann wird all dies vereint durch die quantenchromodynamik, die die starken und elektroschwachen wechselwirkungen abdeckt (hier die genauigkeit ist immer noch niedriger, aber die Arbeit geht weiter). Bereiche der Physik wie Quantengravitation und Stringtheorie werden intensiv erforscht.
Schlussfolgerungen
Es stellt sich heraus, dass der uns umgebende Raum vollständig von elektromagnetischer Strahlung durchdrungen ist: Dies sind die Sterne und die Sonne, der Mond und andere Himmelskörper, dies ist die Erde selbst und jedes Telefon in den Händen eines Menschen, und Radioantennen - all das sendet elektromagnetische Wellen, anders benannt. Je nach Schwingungsfrequenz, die ein Objekt aussendet, unterscheidet man zwischen Infrarotstrahlung, Radiowellen, sichtbarem Licht, Biofeldstrahlen, Röntgenstrahlen und dergleichen.
Wenn sich ein elektromagnetisches Feld ausbreitet, wird es zu einer elektromagnetischen Welle. Es ist einfach eine unerschöpfliche Energiequelle, die die elektrischen Ladungen von Molekülen und Atomen zum Schwanken bringt. Und wenn die Ladung schwingt, wird ihre Bewegung beschleunigt und sendet daher eine elektromagnetische Welle aus. Wenn sich das Magnetfeld ändert, wird ein elektrisches Wirbelfeld angeregt, das wiederum ein magnetisches Wirbelfeld erregt. Der Prozess geht durch den Raum, wobei ein Punkt nach dem anderen durchlaufen wird.
