Selles artiklis käsitletakse seda, mida nimetatakse loodusjõududeks – põhilist elektromagnetilist vastasmõju ja selle loomise põhimõtteid. Samuti räägitakse uute lähenemisviiside olemasolust selle teema uurimisel. Isegi koolis, füüsikatundides, seisavad õpilased silmitsi mõiste "jõu" seletusega. Nad õpivad, et jõud võivad olla väga mitmekesised – hõõrdejõud, tõmbejõud, elastsusjõud ja paljud teised sarnased. Neid kõiki ei saa nimetada fundamentaalseteks, kuna väga sageli on jõu nähtus sekundaarne (hõõrdejõud näiteks selle molekulide vastasmõjuga). Elektromagnetiline interaktsioon võib olla ka sekundaarne – selle tagajärg. Molekulaarfüüsika toob näiteks Van der Waalsi jõu. Osakeste füüsika pakub ka palju näiteid.
Looduses
Tahaksin jõuda looduses toimuvate protsesside põhja, kui see elektromagnetilise vastastikmõju toimima paneb. Mis täpselt on see põhijõud, mis määrab kõik selle üles ehitatud sekundaarsed jõud?Kõik teavad, et elektromagnetiline interaktsioon või, nagu seda nimetatakse ka elektrilisteks jõududeks, on põhiline. Seda tõendab Coulombi seadus, millel on oma üldistus, mis tuleneb Maxwelli võrranditest. Viimased kirjeldavad kõiki looduses esinevaid magnet- ja elektrijõude. Seetõttu on tõestatud, et elektromagnetväljade vastastikmõju on looduse põhijõud. Järgmine näide on gravitatsioon. Isegi koolilapsed teavad Isaac Newtoni universaalse gravitatsiooni seadust, kes sai ka hiljuti Einsteini võrrandite abil oma üldistuse, ja tema gravitatsiooniteooria kohaselt on see elektromagnetilise vastastikmõju jõud looduses samuti fundamentaalne.
Kunagi arvati, et eksisteerivad ainult need kaks põhijõudu, kuid teadus on edasi liikunud, tõestades järk-järgult, et see pole sugugi nii. Näiteks aatomituuma avastamisega oli vaja juurutada tuumajõu mõiste, muidu kuidas mõista osakeste tuuma sees hoidmise põhimõtet, miks nad eri suundades minema ei lenda. Elektromagnetilise jõu looduses toimimise mõistmine on aidanud tuumajõude mõõta, uurida ja kirjeldada. Hilisemad teadlased jõudsid aga järeldusele, et tuumajõud on teisejärgulised ja paljuski sarnased van der Waalsi jõududega. Tegelikult on põhilised ainult need jõud, mida kvargid üksteisega suheldes annavad. Siis juba - sekundaarne efekt - on elektromagnetväljade vastastikmõju neutronite ja prootonite vahel tuumas. Tõeliselt põhiline on gluuone vahetavate kvarkide koostoime. Nii oligikolmas looduses avastatud tõeliselt fundamentaalne jõud.
Selle loo jätk
Elementaarosakesed lagunevad, rasked – kergemateks ja nende lagunemine kirjeldab uut elektromagnetilise vastastikmõju jõudu, mida nimetatakse just nii – nõrga vastastikmõju jõuks. Miks nõrk? Jah, sest elektromagnetiline vastastikmõju looduses on palju tugevam. Ja jälle selgus, et see nõrga vastasmõju teooria, mis nii harmooniliselt maailmapilti sisenes ja algselt suurepäraselt elementaarosakeste lagunemist kirjeldas, ei peegeldanud energia suurenemise korral samu postulaate. Seetõttu töötati vana teooria ümber teiseks - nõrga interaktsiooni teooriaks, seekord osutus universaalseks. Kuigi see oli üles ehitatud samadele põhimõtetele nagu teised teooriad, mis kirjeldasid osakeste elektromagnetilist vastasmõju. Tänapäeval on neli uuritud ja tõestatud fundamentaalset vastasmõju ning viies on teel, sellest tuleb juttu hiljem. Kõik neli – gravitatsiooniline, tugev, nõrk, elektromagnetiline – on üles ehitatud ühele põhimõttele: osakeste vahel tekkiv jõud on mingi kandja või muul viisil interaktsiooni vahendaja poolt läbi viidud vahetuse tulemus.
Milline abimees see on? See on footon - osake, millel pole massi, kuid mis sellegipoolest loob eduk alt elektromagnetilise interaktsiooni elektromagnetlainete kvanti või valguskvanti vahetuse tõttu. Toimub elektromagnetiline interaktsioonteatud jõuga suhtlevate laetud osakeste väljas olevate footonite abil tõlgendab Coulombi seadus just seda. On veel üks massitu osake - gluoon, seda on kaheksa sorti, see aitab kvarkidel suhelda. See elektromagnetiline interaktsioon on laengute vaheline külgetõmme ja seda nimetatakse tugevaks. Jah, ja nõrk interaktsioon pole täielik ilma vahendajateta, mis on massiga osakesed, pealegi on nad massiivsed, st rasked. Need on vahepealsed vektorbosonid. Nende mass ja raskus selgitab koostoime nõrkust. Gravitatsioonijõud tekitab gravitatsioonivälja kvantide vahetuse. See elektromagnetiline vastastikmõju on osakeste külgetõmbejõud, seda ei ole veel piisav alt uuritud, gravitoni pole veel isegi eksperimentaalselt tuvastatud ja kvantgravitatsiooni me ei tunneta täielikult, mistõttu me ei saa seda veel kirjeldada.
Viies jõud
Oleme kaalunud nelja tüüpi fundamentaalset vastasmõju: tugev, nõrk, elektromagnetiline, gravitatsiooniline. Interaktsioon on teatud osakeste vahetuse toiming ja ilma sümmeetria mõisteta ei saa hakkama, kuna pole olemas vastasmõju, mida sellega ei seostataks. Tema määrab osakeste arvu ja nende massi. Täpse sümmeetria korral on mass alati null. Niisiis, footonil ja gluoonil pole massi, see on võrdne nulliga ja gravitonil mitte. Ja kui sümmeetria on katki, lakkab mass olemast null. Seega on vahepealsetel vektorpiisonitel mass, kuna sümmeetria on rikutud. Need neli põhilist interaktsiooni selgitavad kõike sedame näeme ja tunneme. Ülejäänud jõud näitavad, et nende elektromagnetiline interaktsioon on sekundaarne. 2012. aastal toimus aga teaduses läbimurre ja avastati veel üks osake, mis sai kohe kuulsaks. Revolutsiooni teadusmaailmas korraldas Higgsi bosoni avastamine, mis, nagu selgus, toimib ka leptonite ja kvarkide vastastikmõju kandjana.
Seetõttu väidavad füüsikud nüüd, et on ilmunud viies jõud, vahendab Higgsi boson. Ka siin on sümmeetria rikutud: Higgsi bosonil on mass. Seega jõudis interaktsioonide arv (tänapäevases osakeste füüsikas asendatakse selle sõnaga sõna "jõud") viieni. Võib-olla ootame uusi avastusi, sest me ei tea täpselt, kas peale nende on ka muid koostoimeid. Väga võimalik, et mudel, mille oleme juba üles ehitanud ja mida me täna kaalume ja mis näib suurepäraselt seletavat kõiki maailmas täheldatud nähtusi, pole päris valmis. Ja võib-olla mõne aja pärast ilmnevad uued vastasmõjud või uued jõud. Selline tõenäosus on olemas, kasvõi sellepärast, et saime väga järk-järgult teada, et tänapäeval on teada fundamentaalsed vastastikmõjud – tugev, nõrk, elektromagnetiline, gravitatsiooniline. Kui looduses on ju supersümmeetrilised osakesed, millest teadusmaailmas juba räägitakse, siis see tähendab uue sümmeetria olemasolu ja sümmeetriaga kaasneb alati uute osakeste, nende vahele vahendajate ilmumine. Nii saame kuulda senitundmatust põhijõust, nagu kunagi üllatusega teada saimeesineb näiteks elektromagnetiline, nõrk vastastikmõju. Meie teadmised oma olemusest on väga puudulikud.
Ühendus
Kõige huvitavam on see, et iga uus suhtlus peab tingimata viima täiesti tundmatu nähtuseni. Näiteks kui me poleks saanud teada nõrgast interaktsioonist, poleks me kunagi avastanud lagunemist ja kui poleks meie teadmisi lagunemisest, poleks tuumareaktsiooni uurimine võimalik. Ja kui me ei teaks tuumareaktsioone, ei saaks me aru, kuidas päike meile paistab. Lõppude lõpuks, kui see ei säraks, poleks elu Maal tekkinud. Seega ütleb interaktsiooni olemasolu, et see on ülioluline. Kui poleks tugevat vastastikmõju, poleks ka stabiilseid aatomituumasid. Elektromagnetilise vastastikmõju tõttu saab Maa energiat Päikeselt ja sellelt tulevad valguskiired soojendavad planeeti. Ja kõik meile teadaolevad interaktsioonid on hädavajalikud. Siin on näiteks Higgsi oma. Higgsi boson annab osakesele massi läbi interaktsiooni väljaga, ilma milleta poleks me ellu jäänud. Ja kuidas püsida planeedi pinnal ilma gravitatsioonilise vastasmõjuta? See oleks võimatu mitte ainult meie jaoks, vaid üldse mitte millegi jaoks.
Absoluutselt kõik interaktsioonid, isegi need, millest me veel ei tea, on vajalikud selleks, et eksisteeriks kõik, mida inimkond teab, mõistab ja armastab. Mida me ei saa teada? Jah palju. Näiteks teame, et prooton on tuumas stabiilne. See on meile väga-väga oluline.stabiilsus, muidu ei eksisteeriks elu samamoodi. Katsed näitavad aga, et prootoni eluiga on ajaliselt piiratud suurus. Muidugi kaua, 1034 aastat. See aga tähendab, et varem või hiljem laguneb ka prooton ja selleks on vaja mingit uut jõudu ehk uut interaktsiooni. Seoses prootonite lagunemisega on juba teooriaid, kus eeldatakse uut, palju kõrgemat sümmeetriaastet, mis tähendab, et võib tekkida uus interaktsioon, mille kohta me veel midagi ei tea.
Suur ühinemine
Looduse ühtsuses on kõigi fundamentaalsete vastastikmõjude loomise ainus põhimõte. Paljudel inimestel on küsimusi nende arvu ja selle konkreetse numbri põhjuste kohta. Siin on ehitatud väga palju versioone ja need on tehtud järelduste poolest väga erinevad. Need selgitavad just sellise arvu fundamentaalseid interaktsioone mitmel viisil, kuid kõik need osutuvad tõendite kogumise ühe põhimõttega. Teadlased püüavad alati ühendada kõige erinevamad interaktsioonitüübid üheks. Seetõttu nimetatakse selliseid teooriaid suureks ühendamise teooriateks. Nagu hargneks maailmapuu: oksi on palju, aga tüvi on alati üks.
Kõik sellepärast, et on olemas idee, mis kõiki neid teooriaid ühendab. Kõigi teadaolevate interaktsioonide juur on sama, toidab ühte tüve, mis sümmeetria kaotuse tagajärjel hakkas hargnema ja moodustas erinevaid fundamentaalseid interaktsioone, mida saame eksperimentaalseltjälgima. Seda hüpoteesi ei saa veel kontrollida, sest see nõuab uskumatult suure energiaga füüsikat, mis on tänapäevaste katsete jaoks kättesaamatu. Samuti on võimalik, et me ei suuda neid energiaid kunagi valdada. Kuid sellest takistusest on täiesti võimalik mööda hiilida.
Korter
Meil on Universum, see loomulik kiirendi ja kõik selles toimuvad protsessid võimaldavad testida isegi kõige julgemaid hüpoteese kõigi teadaolevate vastastikmõjude ühise juure kohta. Teine huvitav ülesanne looduses toimuvate vastastikmõjude mõistmisel on võib-olla veelgi keerulisem. On vaja mõista, kuidas gravitatsioon on seotud ülejäänud loodusjõududega. See fundamentaalne interaktsioon eristub justkui sellest hoolimata, et see teooria sarnaneb kõigi teistega konstrueerimispõhimõtte poolest.
Einstein tegeles gravitatsiooniteooriaga, püüdes seda ühendada elektromagnetismiga. Vaatamata selle probleemi lahendamise näilisele reaalsusele, teooria siis ei töötanud. Nüüd teab inimkond veidi rohkem, igal juhul teame tugevast ja nõrgast koostoimest. Ja kui nüüd see ühtne teooria valmis ehitada, siis teadmiste puudusel on kindlasti taas mõju. Siiani pole olnud võimalik gravitatsiooni teiste vastastikmõjudega võrdsustada, kuna kõik järgivad kvantfüüsika dikteeritud seadusi, gravitatsioon aga mitte. Kvantteooria järgi on kõik osakesed mingi kindla välja kvantid. Kuid kvantgravitatsiooni ei eksisteeri, vähem alt mitte veel. Juba avatud interaktsioonide arv kordab aga valjult, et ei saa muudolema mingi ühtne skeem.
Elektriväli
Veel 1860. aastal õnnestus üheksateistkümnenda sajandi suurel füüsikul James Maxwellil luua elektromagnetilist induktsiooni selgitav teooria. Kui magnetväli ajas muutub, tekib teatud ruumipunktis elektriväli. Ja kui sellel väljal leitakse suletud juht, siis tekib elektriväljas induktsioonvool. Maxwell tõestab oma elektromagnetväljade teooriaga, et võimalik on ka pöördprotsess: kui teatud ruumipunktis ajas elektrivälja muuta, tekib kindlasti magnetväli. See tähendab, et igasugune magnetvälja ajamuutus võib põhjustada muutuva elektrivälja tekkimist ja elektrivälja muutus võib tekitada muutuva magnetvälja. Need muutujad, üksteist genereerivad väljad, moodustavad ühtse elektromagnetvälja.
Kõige olulisem Maxwelli teooria valemitest tulenev tulemus on ennustus, et eksisteerivad elektromagnetlained ehk ajas ja ruumis levivad elektromagnetväljad. Elektromagnetvälja allikaks on kiirendusega liikuvad elektrilaengud. Erinev alt helilainetest (elastsed) võivad elektromagnetlained levida mis tahes aines, isegi vaakumis. Elektromagnetiline interaktsioon vaakumis levib valguse kiirusel (c=299 792 kilomeetrit sekundis). Lainepikkus võib olla erinev. Elektromagnetlained ulatuvad kümnest tuhandest meetrist kuni 0,005 meetriniraadiolained, mis edastavad meile teavet, st signaale teatud kaugusel ilma juhtmeteta. Raadiolaineid tekitab antennis voolav kõrge sagedusega vool.
Mis on lained
Kui elektromagnetkiirguse lainepikkus on vahemikus 0,005 meetrit kuni 1 mikromeetrini, st need, mis jäävad raadiolainete ja nähtava valguse vahele, on infrapunakiirgus. Seda kiirgavad kõik köetavad kehad: akud, ahjud, hõõglambid. Spetsiaalsed seadmed muudavad infrapunakiirguse nähtavaks valguseks, et saada pilte seda kiirgavatest objektidest isegi absoluutses pimeduses. Nähtav valgus kiirgab lainepikkusi vahemikus 770–380 nanomeetrit – tulemuseks on värvus punasest lillani. See spektriosa on inimelu jaoks äärmiselt oluline, sest me saame suure osa maailma teabest nägemise kaudu.
Kui elektromagnetkiirguse lainepikkus on violetsest lühem, on see ultraviolettkiirgus, mis tapab patogeensed bakterid. Röntgenikiirgus on silmale nähtamatu. Nad peaaegu ei ima nähtavale valgusele läbipaistmatud ainekihte. Röntgenikiirgus diagnoosib inimeste ja loomade siseorganite haigusi. Kui elektromagnetkiirgus tekib elementaarosakeste vastasmõjul ja seda kiirgavad ergastatud tuumad, saadakse gammakiirgus. See on elektromagnetilise spektri kõige laiem vahemik, kuna see ei ole piiratud kõrgete energiatega. Gammakiirgus võib olla pehme ja kõva: energia üleminekud aatomituumades -pehme ja tuumareaktsioonides - kõva. Need kvantid hävitavad kergesti molekule ja eriti bioloogilisi. Õnneks ei saa gammakiirgus atmosfääri läbida. Gammakiirgust saab jälgida kosmosest. Ülikõrgete energiate korral levib elektromagnetiline vastastikmõju valguse kiirusele lähedase kiirusega: gamma kvantid purustavad aatomite tuumad, purustades need erinevates suundades lendavateks osakesteks. Pidurdamisel kiirgavad need läbi spetsiaalsete teleskoopide nähtavat valgust.
Minevikust tulevikku
Elektromagnetlaineid, nagu juba mainitud, ennustas Maxwell. Ta uuris hoolik alt ja püüdis matemaatiliselt uskuda veidi naiivseid Faraday pilte, mis kujutasid magnetilisi ja elektrilisi nähtusi. Maxwell avastas sümmeetria puudumise. Ja just tema suutis mitme võrrandiga tõestada, et vahelduvad elektriväljad tekitavad magnetvälja ja vastupidi. See viis ta mõttele, et sellised väljad murduvad juhtide küljest lahti ja liiguvad läbi vaakumi mingi hiiglasliku kiirusega. Ja ta mõtles selle välja. Kiirus oli ligi kolmsada tuhat kilomeetrit sekundis.
Nii interakteeruvad teooria ja eksperiment. Näiteks on avastus, tänu millele saime teada elektromagnetlainete olemasolust. Füüsika abil ühendati selles täiesti heterogeensed mõisted - magnetism ja elekter, kuna see on sama järjekorda füüsikaline nähtus, lihts alt selle erinevad küljed on koostoimes. Teooriaid ehitatakse üksteise järel ja kõikneed on omavahel tihed alt seotud: näiteks elektronõrga interaktsiooni teooria, kus nõrku tuuma- ja elektromagnetilisi jõude kirjeldatakse samadest positsioonidest, siis kõike seda ühendab kvantkromodünaamika, kattes tugeva ja elektronõrga vastastikmõju (siinkohal on täpsus on endiselt madalam, kuid töö jätkub). Selliseid füüsikavaldkondi nagu kvantgravitatsioon ja stringiteooria uuritakse intensiivselt.
Järeldused
Selgub, et meid ümbritsev ruum on täielikult elektromagnetkiirgusest läbi imbunud: need on tähed ja Päike, Kuu ja muud taevakehad, see on Maa ise ja iga telefon inimese käes, ja raadiojaama antennid - kõik see kiirgab elektromagnetlaineid, mida nimetatakse erinev alt. Sõltuv alt objekti kiirgavate vibratsioonide sagedusest eristatakse infrapunakiirgust, raadiolaineid, nähtavat valgust, bioväljakiiri, röntgenikiirgust ja muud sarnast.
Kui elektromagnetväli levib, muutub see elektromagnetlaineks. See on lihts alt ammendamatu energiaallikas, mis põhjustab molekulide ja aatomite elektrilaengute kõikumist. Ja kui laeng võngub, siis selle liikumine kiireneb ja seepärast kiirgab elektromagnetlaine. Magnetvälja muutumisel ergastatakse keerise elektriväli, mis omakorda ergastab keerise magnetvälja. Protsess kulgeb läbi ruumi, kattes ühe punkti teise järel.
