מאמר זה ידון במה שנקרא כוחות הטבע - האינטראקציה האלקטרומגנטית הבסיסית והעקרונות שעליהם היא בנויה. זה גם ידבר על האפשרויות של קיומן של גישות חדשות לחקר נושא זה. גם בבית הספר, בשיעורי פיזיקה, מתמודדים התלמידים עם הסבר למושג "כוח". הם לומדים שכוחות יכולים להיות מאוד מגוונים - כוח החיכוך, כוח המשיכה, כוח האלסטיות ועוד רבים אחרים. לא כולם יכולים להיקרא יסודיים, שכן לעתים קרובות מאוד תופעת הכוח היא משנית (כוח החיכוך, למשל, עם האינטראקציה שלו בין מולקולות). אינטראקציה אלקטרומגנטית יכולה להיות גם משנית - כתוצאה מכך. הפיזיקה המולקולרית מביאה את כוח ואן דר ואלס כדוגמה. פיזיקת החלקיקים מספקת גם דוגמאות רבות.
בטבע
אני רוצה לרדת לעומקם של התהליכים המתרחשים בטבע, כאשר זה גורם לאינטראקציה האלקטרומגנטית לעבוד. מהו בעצם הכוח היסודי שקובע את כל הכוחות המשניים שבנה?כולם יודעים שהאינטראקציה האלקטרומגנטית, או כפי שהיא נקראת גם כוחות חשמליים, היא בסיסית. מעיד על כך חוק קולומב, שיש לו הכללה משלו בעקבות משוואות מקסוול. האחרונים מתארים את כל הכוחות המגנטיים והחשמליים הקיימים בטבע. לכן הוכח שהאינטראקציה של שדות אלקטרומגנטיים היא הכוח הבסיסי של הטבע. הדוגמה הבאה היא כוח המשיכה. אפילו תלמידי בית ספר יודעים על חוק הכבידה האוניברסלית של אייזק ניוטון, שגם קיבל לאחרונה הכללה משלו על ידי משוואות איינשטיין, ולפי תורת הכבידה שלו, כוח זה של אינטראקציה אלקטרומגנטית בטבע הוא גם מהותי.
פעם חשבו שרק שני הכוחות היסודיים האלה קיימים, אבל המדע התקדם, והוכיח בהדרגה שזה בכלל לא כך. לדוגמה, עם גילוי גרעין האטום, היה צורך להציג את המושג כוח גרעיני, אחרת איך להבין את העיקרון של שמירת חלקיקים בתוך הגרעין, מדוע הם לא עפים לכיוונים שונים. ההבנה כיצד פועל הכוח האלקטרומגנטי בטבע סייעה למדוד, לחקור ולתאר כוחות גרעיניים. עם זאת, מדענים מאוחרים יותר הגיעו למסקנה שכוחות גרעיניים הם משניים ובמובנים רבים דומים לכוחות ואן דר ואלס. למעשה, רק הכוחות שהקווארקים מספקים על ידי אינטראקציה זה עם זה הם באמת בסיסיים. אז כבר - השפעה משנית - היא האינטראקציה של שדות אלקטרומגנטיים בין נויטרונים לפרוטונים בגרעין. מהותית באמת היא האינטראקציה של קווארקים המחליפים גלוונים. כך היהכוח בסיסי באמת שלישי שהתגלה בטבע.
המשך הסיפור הזה
חלקיקים אלמנטריים מתפוררים, כבדים - לקלים יותר, והדעיכה שלהם מתארת כוח חדש של אינטראקציה אלקטרומגנטית, שנקרא בדיוק כך - כוח האינטראקציה החלשה. למה חלש? כן, כי האינטראקציה האלקטרומגנטית בטבע הרבה יותר חזקה. ושוב, התברר כי התיאוריה הזו של אינטראקציה חלשה, שנכנסה בצורה כה הרמונית לתמונת העולם ובתחילה תיארה מצוין את ההתפרקות של חלקיקים יסודיים, לא משקפת את אותן הנחות אם האנרגיה תגבר. לכן התיאוריה הישנה עובדה מחדש לאחרת - התיאוריה של אינטראקציה חלשה, התבררה הפעם כאוניברסלית. למרות שהוא נבנה על אותם עקרונות כמו תיאוריות אחרות שתיארו את האינטראקציה האלקטרומגנטית של חלקיקים. בעידן המודרני, ישנן ארבע אינטראקציות יסוד נלמדות ומוכחות, והחמישית בדרך, עליה נדון בהמשך. כל הארבעה - כבידה, חזקה, חלשה, אלקטרומגנטית - בנויים על עיקרון אחד: הכוח שנוצר בין חלקיקים הוא תוצאה של חילוף כלשהו המבוצע על ידי נושא, או אחרת - מתווך אינטראקציה.
איזה סוג של עוזר זה? זהו פוטון - חלקיק ללא מסה, אך בכל זאת בונה בהצלחה אינטראקציה אלקטרומגנטית עקב חילופי קוואנטים של גלים אלקטרומגנטיים או קוונטי של אור. אינטראקציה אלקטרומגנטית מתבצעתבאמצעות פוטונים בשדה של חלקיקים טעונים המתקשרים בכוח מסוים, זה בדיוק מה שמפרש חוק קולומב. יש עוד חלקיק חסר מסה - הגלואון, יש שמונה סוגים שלו, הוא עוזר לקווארקים לתקשר. אינטראקציה אלקטרומגנטית זו היא משיכה בין מטענים, והיא נקראת חזק. כן, ואינטראקציה חלשה אינה שלמה ללא מתווכים, שהם חלקיקים בעלי מסה, יתר על כן, הם מסיביים, כלומר, כבדים. אלו הם בוזונים וקטורים ביניים. המסה והכבדות שלהם מסבירים את חולשת האינטראקציה. כוח הכבידה מייצר חילופי קוונטים של שדה הכבידה. האינטראקציה האלקטרומגנטית הזו היא משיכה של חלקיקים, היא עדיין לא נחקרה מספיק, הגרביטון אפילו לא זוהה עדיין בניסוי, והכבידה הקוונטית אינה מורגשת במלואה על ידינו, וזו הסיבה שאיננו יכולים לתאר אותה עדיין.
The Fifth Force
שקלנו ארבעה סוגים של אינטראקציה בסיסית: חזקה, חלשה, אלקטרומגנטית, כבידה. אינטראקציה היא פעולה מסוימת של חילופי חלקיקים, ואי אפשר בלי מושג הסימטריה, שכן אין אינטראקציה שאינה קשורה אליו. היא זו שקובעת את מספר החלקיקים ואת המסה שלהם. עם סימטריה מדויקת, המסה תמיד אפס. אז לפוטון ולגלואון אין מסה, זה שווה לאפס, ולגרביטון אין. ואם הסימטריה נשברת, המסה מפסיקה להיות אפס. לפיכך, לביזון וקטור ביניים יש מסה מכיוון שהסימטריה נשברת. ארבע האינטראקציות הבסיסיות הללו מסבירות את כל זהאנו רואים ומרגישים. הכוחות הנותרים מצביעים על כך שהאינטראקציה האלקטרומגנטית שלהם היא משנית. עם זאת, בשנת 2012 חלה פריצת דרך במדע והתגלה חלקיק נוסף, שהתפרסם מיד. המהפכה בעולם המדעי אורגנה בעקבות גילוי בוזון היגס, שכפי שהתברר, משמש גם כנושא של אינטראקציות בין הלפטונים לקווארקים.
לכן פיזיקאים אומרים כעת שהופיע כוח חמישי, בתיווך בוזון היגס. הסימטריה נשברת גם כאן: לבוזון היגס יש מסה. לפיכך, מספר האינטראקציות (המילה "כוח" מוחלפת במילה זו בפיזיקת החלקיקים המודרנית) הגיע לחמש. אולי אנחנו מחכים לתגליות חדשות, כי אנחנו לא יודעים בדיוק אם יש אינטראקציות אחרות מלבד אלה. יתכן מאוד שהמודל שכבר בנינו ואשר אנו שוקלים היום, אשר נראה להסביר בצורה מושלמת את כל התופעות הנצפות בעולם, אינו שלם לגמרי. ואולי, לאחר זמן מה, יופיעו אינטראקציות חדשות או כוחות חדשים. סבירות כזו קיימת, ולו רק בגלל שלמדנו בהדרגה מאוד שישנן אינטראקציות בסיסיות המוכרות כיום - חזקות, חלשות, אלקטרומגנטיות, גרביטציוניות. הרי אם יש בטבע חלקיקים סופר-סימטריים, שכבר מדברים עליהם בעולם המדעי, אז זה אומר קיומה של סימטריה חדשה, וסימטריה גוררת תמיד הופעת חלקיקים חדשים, מתווכים ביניהם. לפיכך, אנו נשמע על כוח יסודי שלא היה ידוע קודם לכן, כפי שלמדנו פעם בהפתעהיש, למשל, אינטראקציה אלקטרומגנטית, חלשה. הידע שלנו על הטבע שלנו הוא מאוד לא שלם.
Connectedness
הדבר המעניין ביותר הוא שכל אינטראקציה חדשה חייבת להוביל בהכרח לתופעה לא ידועה לחלוטין. למשל, אם לא היינו לומדים על האינטראקציה החלשה, לעולם לא היינו מגלים ריקבון, ואלמלא הידע שלנו על ריקבון, שום מחקר על התגובה הגרעינית לא היה אפשרי. ואם לא היינו יודעים תגובות גרעיניות, לא היינו מבינים איך השמש זורחת עבורנו. אחרי הכל, אם זה לא היה זורח, החיים על פני כדור הארץ לא היו נוצרים. אז הנוכחות של אינטראקציה אומרת שהיא חיונית. אם לא הייתה אינטראקציה חזקה, לא היו גרעיני אטום יציבים. עקב אינטראקציה אלקטרומגנטית, כדור הארץ מקבל אנרגיה מהשמש, וקרני האור המגיעות ממנה מחממות את כדור הארץ. וכל האינטראקציות המוכרות לנו הן הכרחיות לחלוטין. הנה ההיגס, למשל. בוזון היגס מספק לחלקיק מסה באמצעות אינטראקציה עם השדה, שבלעדיה לא היינו שורדים. ואיך להישאר על פני כדור הארץ ללא אינטראקציה כבידה? זה יהיה בלתי אפשרי לא רק עבורנו, אלא לחינם.
לחלוטין כל האינטראקציות, גם אלו שעדיין איננו יודעות עליהן, הן הכרח לכל מה שהאנושות יודעת, מבינה ואוהבת להתקיים. מה אנחנו לא יכולים לדעת? כן הרבה. לדוגמה, אנו יודעים שהפרוטון יציב בגרעין. זה מאוד מאוד חשוב לנו.יציבות, אחרת החיים לא היו קיימים באותו אופן. עם זאת, ניסויים מראים כי חייו של פרוטון הם כמות מוגבלת בזמן. ארוך, כמובן, 1034 שנים. אבל זה אומר שבמוקדם או במאוחר גם הפרוטון יתכלה, וזה ידרוש כוח חדש כלשהו, כלומר אינטראקציה חדשה. לגבי ריקבון פרוטונים, יש כבר תיאוריות שבהן מניחים דרגת סימטריה חדשה, הרבה יותר גבוהה, מה שאומר שייתכן שקיימת אינטראקציה חדשה, שעדיין איננו יודעים עליה כלום.
Grand Unification
באחדות הטבע, העיקרון היחיד של בניית כל האינטראקציות הבסיסיות. לאנשים רבים יש שאלות לגבי מספרם והסבר הסיבות למספר המסוים הזה. נבנו כאן הרבה מאוד גרסאות, והן שונות מאוד מבחינת המסקנות שהוסקו. הם מסבירים את נוכחותם של מספר כזה של אינטראקציות בסיסיות בדרכים שונות, אבל מסתבר שכולן מתבססות על עיקרון יחיד של בניית ראיות. חוקרים תמיד מנסים לשלב את סוגי האינטראקציות המגוונים ביותר לאחד. לכן, תיאוריות כאלה נקראות תיאוריות האיחוד הגדול. כאילו עץ העולם מסתעף: יש הרבה ענפים, אבל הגזע הוא תמיד אחד.
הכל בגלל שיש רעיון שמאחד את כל התיאוריות האלה. השורש של כל האינטראקציות המוכרות זהה, ומזין גזע אחד, שכתוצאה מאובדן הסימטריה, החל להסתעף ויצר אינטראקציות בסיסיות שונות, אותן נוכל בניסוילצפות. השערה זו עדיין לא ניתנת לבדיקה, כי היא דורשת פיזיקה באנרגיה גבוהה להפליא, בלתי נגישה לניסויים של היום. ייתכן גם שלעולם לא נשלוט באנרגיות הללו. אבל בהחלט אפשרי לעקוף את המכשול הזה.
דירה
יש לנו את היקום, המאיץ הטבעי הזה, וכל התהליכים המתרחשים בו מאפשרים לבדוק אפילו את ההשערות הנועזות ביותר לגבי השורש המשותף של כל האינטראקציות המוכרות. משימה מעניינת נוספת של הבנת האינטראקציות בטבע היא, אולי, אפילו יותר קשה. יש צורך להבין כיצד הכבידה קשורה לשאר כוחות הטבע. אינטראקציה בסיסית זו עומדת בנפרד, כביכול, למרות העובדה שתיאוריה זו דומה לכל האחרות על ידי עקרון הבנייה.
איינשטיין עסק בתורת הכבידה, וניסה לחבר אותה עם אלקטרומגנטיות. למרות המציאות לכאורה של פתרון בעיה זו, התיאוריה לא עבדה אז. עכשיו האנושות יודעת קצת יותר, בכל מקרה, אנחנו יודעים על האינטראקציות החזקות והחלשות. ואם עכשיו לסיים לבנות את התיאוריה המאוחדת הזו, אז חוסר הידע בהחלט ישפיע שוב. עד כה לא ניתן היה להעמיד את כוח הכבידה בשורה אחת עם אינטראקציות אחרות, שכן כולם מצייתים לחוקים המוכתבים על ידי הפיזיקה הקוונטית, אך כוח הכבידה לא. על פי תורת הקוונטים, כל החלקיקים הם קוונטים של שדה מסוים. אבל כוח הכבידה הקוונטי לא קיים, לפחות עדיין לא. עם זאת, מספר האינטראקציות שכבר פתוחות חוזר בקול רם שאיננו יכול אלאלהיות איזושהי תכנית מאוחדת.
שדה חשמלי
בשנת 1860, הפיזיקאי הגדול של המאה התשע-עשרה ג'יימס מקסוול הצליח ליצור תיאוריה המסבירה אינדוקציה אלקטרומגנטית. כאשר השדה המגנטי משתנה עם הזמן, נוצר שדה חשמלי בנקודה מסוימת בחלל. ואם נמצא מוליך סגור בשדה זה, אז מופיע זרם אינדוקציה בשדה החשמלי. עם התיאוריה שלו על שדות אלקטרומגנטיים, מקסוול מוכיח שהתהליך ההפוך אפשרי גם: אם תשנה את השדה החשמלי בזמן בנקודה מסוימת בחלל, בהחלט יופיע שדה מגנטי. המשמעות היא שכל שינוי בזמן של השדה המגנטי יכול לגרום להופעת שדה חשמלי משתנה, ושינוי בשדה החשמלי יכול לייצר שדה מגנטי משתנה. משתנים אלה, שדות יוצרים זה את זה, מארגנים שדה בודד - אלקטרומגנטי.
התוצאה החשובה ביותר הנובעת מהנוסחאות של התיאוריה של מקסוול היא התחזית שישנם גלים אלקטרומגנטיים, כלומר שדות אלקטרומגנטיים המתפשטים בזמן ובמרחב. מקור השדה האלקטרומגנטי הוא המטענים החשמליים הנעים בתאוצה. בניגוד לגלי קול (אלסטיים), גלים אלקטרומגנטיים יכולים להתפשט בכל חומר, אפילו בוואקום. אינטראקציה אלקטרומגנטית בוואקום מתפשטת במהירות האור (c=299,792 קילומטרים לשנייה). אורך הגל יכול להיות שונה. גלים אלקטרומגנטיים מעשרת אלפים מטרים עד 0.005 מטרים הםגלי רדיו המשרתים אותנו להעברת מידע, כלומר אותות לאורך מרחק מסוים ללא כל חוטים. גלי רדיו נוצרים על ידי זרם בתדרים גבוהים הזורמים באנטנה.
מהם הגלים
אם אורך הגל של קרינה אלקטרומגנטית הוא בין 0.005 מטר ל-1 מיקרומטר, כלומר אלו שנמצאים בטווח שבין גלי רדיו לאור הנראה הם קרינת אינפרא אדום. זה נפלט על ידי כל הגופים המחוממים: סוללות, תנורים, מנורות ליבון. מכשירים מיוחדים ממירים קרינת אינפרא אדום לאור נראה על מנת לקבל תמונות של עצמים הפולטים אותה, גם בחושך מוחלט. האור הנראה פולט אורכי גל הנעים בין 770 ל-380 ננומטר - וכתוצאה מכך צבע מאדום לסגול. חלק זה של הספקטרום חשוב ביותר עבור חיי אדם, מכיוון שאנו מקבלים חלק עצום מהמידע על העולם דרך הראייה.
אם לקרינה אלקטרומגנטית אורך גל קצר יותר מסגול, היא אולטרה סגולה, שהורגת חיידקים פתוגניים. צילומי רנטגן אינם נראים לעין. הם כמעט ולא סופגים שכבות של חומר אטומות לאור הנראה. קרינת רנטגן מאבחנת מחלות של איברים פנימיים של בני אדם ובעלי חיים. אם קרינה אלקטרומגנטית נובעת מאינטראקציה של חלקיקים יסודיים ונפלטת על ידי גרעינים נרגשים, מתקבלת קרינת גמא. זהו הטווח הרחב ביותר בספקטרום האלקטרומגנטי מכיוון שהוא אינו מוגבל לאנרגיות גבוהות. קרינת גמא יכולה להיות רכה וקשה: מעברי אנרגיה בתוך גרעיני אטום -רך, ובתגובות גרעיניות - קשה. הקוונטים הללו הורסים בקלות מולקולות, ובעיקר ביולוגיות. למרבה המזל, קרינת גמא אינה יכולה לעבור דרך האטמוספרה. ניתן לצפות בקרני גמא מהחלל. באנרגיות גבוהות במיוחד, האינטראקציה האלקטרומגנטית מתפשטת במהירות הקרובה למהירות האור: גמא קוונטות מרסקות את גרעיני האטומים, ומפרקות אותם לחלקיקים שעפים בכיוונים שונים. בעת בלימה, הם פולטים אור הנראה דרך טלסקופים מיוחדים.
מהעבר לעתיד
גלים אלקטרומגנטיים, כפי שכבר הוזכר, נחזו על ידי מקסוול. הוא למד בקפידה וניסה להאמין מתמטית לתמונות המעט נאיביות של פאראדיי, שתיארו תופעות מגנטיות וחשמליות. מקסוול היה זה שגילה את היעדר הסימטריה. והוא זה שהצליח להוכיח במספר משוואות ששדות חשמליים מתחלפים יוצרים שדות מגנטיים ולהיפך. זה הוביל אותו לרעיון ששדות כאלה מתנתקים מהמוליכים ועוברים דרך הוואקום באיזו מהירות ענקית. והוא הבין את זה. המהירות הייתה קרובה לשלוש מאות אלף קילומטרים לשנייה.
כך מתקשרים תיאוריה וניסוי. דוגמה לכך היא התגלית, שבזכותה למדנו על קיומם של גלים אלקטרומגנטיים. בעזרת הפיזיקה שולבו בה מושגים הטרוגניים לחלוטין - מגנטיות וחשמל, היות ומדובר בתופעה פיזיקלית מאותו סדר, רק הצדדים השונים שלה נמצאים באינטראקציה. תיאוריות נבנות בזו אחר זו, והכלהם קשורים קשר הדוק זה לזה: התיאוריה של האינטראקציה האלקטרו-חלשה, למשל, שבה מתוארים כוחות גרעיניים ואלקטרומגנטיים חלשים מאותם מיקומים, אז כל זה מאוחד על ידי כרומודינמיקה קוונטית, המכסה את האינטראקציות החזקות והאלקטרו-חלשות (כאן הדיוק עדיין נמוך יותר, אבל העבודה נמשכת). תחומים כגון כבידה קוונטית ותורת המיתרים נחקרים באופן אינטנסיבי.
מסקנות
מסתבר שהחלל המקיף אותנו חדור לחלוטין בקרינה אלקטרומגנטית: אלה הכוכבים והשמש, הירח וגרמי שמימיים אחרים, זה כדור הארץ עצמו, וכל טלפון בידיו של אדם, ואנטנות תחנות רדיו - כל זה פולט גלים אלקטרומגנטיים, בשם שונה. בהתאם לתדירות הרעידות שאובייקט פולט, מובחנים קרינת אינפרא אדום, גלי רדיו, אור נראה, קרני ביו-שדה, קרני רנטגן וכדומה.
כאשר שדה אלקטרומגנטי מתפשט, הוא הופך לגל אלקטרומגנטי. זה פשוט מקור בלתי נדלה של אנרגיה, הגורם למטענים החשמליים של מולקולות ואטומים לתנודות. ואם המטען מתנודד, תנועתו מואצת, ולכן פולט גל אלקטרומגנטי. אם השדה המגנטי משתנה, שדה חשמלי מערבולת מעורר, אשר בתורו מעורר שדה מגנטי מערבולת. התהליך עובר בחלל, מכסה נקודה אחת אחרי השנייה.
