Αυτό το άρθρο θα εξετάσει αυτό που ονομάζεται δυνάμεις της φύσης - τη θεμελιώδη ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση και τις αρχές στις οποίες βασίζεται. Θα μιλήσει επίσης για τις δυνατότητες ύπαρξης νέων προσεγγίσεων στη μελέτη αυτού του θέματος. Ακόμη και στο σχολείο, στα μαθήματα φυσικής, οι μαθητές έρχονται αντιμέτωποι με μια εξήγηση της έννοιας της «δύναμης». Μαθαίνουν ότι οι δυνάμεις μπορεί να είναι πολύ διαφορετικές - η δύναμη της τριβής, η δύναμη της έλξης, η δύναμη της ελαστικότητας και πολλά άλλα παρόμοια. Δεν μπορούν να ονομαστούν όλα θεμελιώδη, αφού πολύ συχνά το φαινόμενο της δύναμης είναι δευτερεύον (η δύναμη της τριβής, για παράδειγμα, με την αλληλεπίδραση των μορίων της). Η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση μπορεί επίσης να είναι δευτερεύουσα - ως συνέπεια. Η μοριακή φυσική αναφέρει τη δύναμη Van der Waals ως παράδειγμα. Η σωματιδιακή φυσική παρέχει επίσης πολλά παραδείγματα.
Στη φύση
Θα ήθελα να φτάσω στο βάθος των διεργασιών που συμβαίνουν στη φύση, όταν κάνει την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση να λειτουργεί. Ποια ακριβώς είναι η θεμελιώδης δύναμη που καθορίζει όλες τις δευτερεύουσες δυνάμεις που έχει δημιουργήσει;Όλοι γνωρίζουν ότι η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, ή, όπως λέγεται επίσης, ηλεκτρικές δυνάμεις, είναι θεμελιώδης. Αυτό αποδεικνύεται από τον νόμο του Coulomb, ο οποίος έχει τη δική του γενίκευση που προκύπτει από τις εξισώσεις του Maxwell. Οι τελευταίες περιγράφουν όλες τις μαγνητικές και ηλεκτρικές δυνάμεις που υπάρχουν στη φύση. Γι' αυτό έχει αποδειχθεί ότι η αλληλεπίδραση των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων είναι η θεμελιώδης δύναμη της φύσης. Το επόμενο παράδειγμα είναι η βαρύτητα. Ακόμη και οι μαθητές γνωρίζουν για το νόμο της παγκόσμιας έλξης του Ισαάκ Νεύτωνα, ο οποίος επίσης πρόσφατα έλαβε τη δική του γενίκευση με τις εξισώσεις του Αϊνστάιν και, σύμφωνα με τη θεωρία της βαρύτητας, αυτή η δύναμη της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης στη φύση είναι επίσης θεμελιώδης.
Μια φορά κι έναν καιρό, πίστευαν ότι υπάρχουν μόνο αυτές οι δύο θεμελιώδεις δυνάμεις, αλλά η επιστήμη έχει προχωρήσει, αποδεικνύοντας σταδιακά ότι αυτό δεν ισχύει καθόλου. Για παράδειγμα, με την ανακάλυψη του ατομικού πυρήνα, ήταν απαραίτητο να εισαχθεί η έννοια της πυρηνικής δύναμης, αλλιώς πώς να κατανοήσουμε την αρχή της διατήρησης των σωματιδίων μέσα στον πυρήνα, γιατί δεν πετούν μακριά σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Η κατανόηση του πώς λειτουργεί η ηλεκτρομαγνητική δύναμη στη φύση βοήθησε στη μέτρηση, τη μελέτη και την περιγραφή των πυρηνικών δυνάμεων. Ωστόσο, μεταγενέστεροι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι πυρηνικές δυνάμεις είναι δευτερεύουσες και από πολλές απόψεις παρόμοιες με τις δυνάμεις van der Waals. Στην πραγματικότητα, μόνο οι δυνάμεις που παρέχουν τα κουάρκ αλληλεπιδρώντας μεταξύ τους είναι πραγματικά θεμελιώδεις. Τότε ήδη - ένα δευτερεύον αποτέλεσμα - είναι η αλληλεπίδραση ηλεκτρομαγνητικών πεδίων μεταξύ νετρονίων και πρωτονίων στον πυρήνα. Πραγματικά θεμελιώδης είναι η αλληλεπίδραση των κουάρκ που ανταλλάσσουν γκλουόνια. Έτσι ήτανμια τρίτη πραγματικά θεμελιώδης δύναμη που ανακαλύφθηκε στη φύση.
Συνέχεια αυτής της ιστορίας
Τα στοιχειώδη σωματίδια διασπώνται, τα βαριά - σε ελαφρύτερα, και η διάσπασή τους περιγράφει μια νέα δύναμη ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης, η οποία ονομάζεται ακριβώς αυτή - η δύναμη της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Γιατί αδύναμος; Ναι, γιατί η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση στη φύση είναι πολύ ισχυρότερη. Και πάλι, αποδείχθηκε ότι αυτή η θεωρία της αδύναμης αλληλεπίδρασης, η οποία τόσο αρμονικά μπήκε στην εικόνα του κόσμου και αρχικά περιέγραψε άριστα τις διασπάσεις των στοιχειωδών σωματιδίων, δεν αντανακλούσε τα ίδια αξιώματα εάν η ενέργεια αυξανόταν. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η παλιά θεωρία μετατράπηκε σε μια άλλη - η θεωρία της αδύναμης αλληλεπίδρασης, αυτή τη φορά αποδείχθηκε καθολική. Αν και χτίστηκε στις ίδιες αρχές με άλλες θεωρίες που περιέγραφαν την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση των σωματιδίων. Στη σύγχρονη εποχή, υπάρχουν τέσσερις μελετημένες και αποδεδειγμένες θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, και η πέμπτη είναι καθ' οδόν, θα συζητηθεί αργότερα. Και τα τέσσερα - βαρυτικά, ισχυρά, αδύναμα, ηλεκτρομαγνητικά - είναι χτισμένα σε μια ενιαία αρχή: η δύναμη που προκύπτει μεταξύ των σωματιδίων είναι το αποτέλεσμα κάποιας ανταλλαγής που πραγματοποιείται από έναν φορέα ή αλλιώς - ένας μεσολαβητής αλληλεπίδρασης.
Τι είδους βοηθός είναι αυτός; Αυτό είναι ένα φωτόνιο - ένα σωματίδιο χωρίς μάζα, αλλά παρόλα αυτά χτίζει επιτυχώς ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση λόγω της ανταλλαγής ενός κβαντικού ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων ή ενός κβαντικού φωτός. Πραγματοποιείται ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδρασημέσω φωτονίων στο πεδίο των φορτισμένων σωματιδίων που επικοινωνούν με μια ορισμένη δύναμη, αυτό ακριβώς ερμηνεύει ο νόμος του Coulomb. Υπάρχει ένα άλλο σωματίδιο χωρίς μάζα - το γλουόνιο, υπάρχουν οκτώ ποικιλίες του, βοηθά τα κουάρκ να επικοινωνούν. Αυτή η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση είναι μια έλξη μεταξύ φορτίων και ονομάζεται ισχυρή. Ναι, και η ασθενής αλληλεπίδραση δεν είναι πλήρης χωρίς ενδιάμεσους, τα οποία είναι σωματίδια με μάζα, επιπλέον, είναι μαζικά, δηλαδή βαριά. Αυτά είναι ενδιάμεσα διανυσματικά μποζόνια. Η μάζα και το βάρος τους εξηγεί την αδυναμία της αλληλεπίδρασης. Η βαρυτική δύναμη παράγει μια ανταλλαγή ενός κβάντου του βαρυτικού πεδίου. Αυτή η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση είναι η έλξη των σωματιδίων, δεν έχει ακόμη μελετηθεί αρκετά, το βαρυτόνιο δεν έχει ακόμη ανιχνευθεί πειραματικά και η κβαντική βαρύτητα δεν είναι πλήρως αισθητή από εμάς, γι' αυτό δεν μπορούμε να την περιγράψουμε ακόμα.
Η Πέμπτη Δύναμη
Έχουμε εξετάσει τέσσερις τύπους θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων: ισχυρή, ασθενής, ηλεκτρομαγνητική, βαρυτική. Η αλληλεπίδραση είναι μια συγκεκριμένη πράξη ανταλλαγής σωματιδίων και δεν μπορεί κανείς να κάνει χωρίς την έννοια της συμμετρίας, αφού δεν υπάρχει αλληλεπίδραση που να μην σχετίζεται με αυτήν. Είναι αυτή που καθορίζει τον αριθμό των σωματιδίων και τη μάζα τους. Με ακριβή συμμετρία, η μάζα είναι πάντα μηδέν. Άρα, ένα φωτόνιο και ένα γλουόνιο δεν έχουν μάζα, είναι ίσο με μηδέν και ένα γκραβιτόνιο δεν έχει. Και αν σπάσει η συμμετρία, η μάζα παύει να είναι μηδέν. Έτσι, οι ενδιάμεσοι διανυσματικοί βίσωνες έχουν μάζα επειδή η συμμετρία είναι σπασμένη. Αυτές οι τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις εξηγούν όλα αυτάβλέπουμε και νιώθουμε. Οι υπόλοιπες δυνάμεις δείχνουν ότι η ηλεκτρομαγνητική τους αλληλεπίδραση είναι δευτερεύουσα. Ωστόσο, το 2012 έγινε μια σημαντική ανακάλυψη στην επιστήμη και ανακαλύφθηκε ένα άλλο σωματίδιο, το οποίο έγινε αμέσως διάσημο. Η επανάσταση στον επιστημονικό κόσμο οργανώθηκε με την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, το οποίο, όπως αποδείχθηκε, χρησιμεύει και ως φορέας αλληλεπιδράσεων μεταξύ λεπτονίων και κουάρκ.
Γι' αυτό οι φυσικοί λένε τώρα ότι εμφανίστηκε μια πέμπτη δύναμη, με τη μεσολάβηση του μποζονίου Higgs. Η συμμετρία σπάει και εδώ: το μποζόνιο Χιγκς έχει μάζα. Έτσι, ο αριθμός των αλληλεπιδράσεων (η λέξη «δύναμη» αντικαθίσταται από αυτή τη λέξη στη σύγχρονη σωματιδιακή φυσική) έφτασε τις πέντε. Ίσως περιμένουμε νέες ανακαλύψεις, γιατί δεν γνωρίζουμε ακριβώς αν υπάρχουν και άλλες αλληλεπιδράσεις εκτός από αυτές. Είναι πολύ πιθανό το μοντέλο που έχουμε ήδη κατασκευάσει και το οποίο εξετάζουμε σήμερα, το οποίο φαίνεται να εξηγεί τέλεια όλα τα φαινόμενα που παρατηρούνται στον κόσμο, να μην είναι αρκετά ολοκληρωμένο. Και ίσως, μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, να εμφανιστούν νέες αλληλεπιδράσεις ή νέες δυνάμεις. Μια τέτοια πιθανότητα υπάρχει, έστω και μόνο επειδή μάθαμε πολύ σταδιακά ότι υπάρχουν θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις γνωστές σήμερα - ισχυρές, αδύναμες, ηλεκτρομαγνητικές, βαρυτικές. Άλλωστε, αν υπάρχουν υπερσυμμετρικά σωματίδια στη φύση, για τα οποία ήδη γίνεται λόγος στον επιστημονικό κόσμο, τότε αυτό σημαίνει την ύπαρξη μιας νέας συμμετρίας και η συμμετρία συνεπάγεται πάντα την εμφάνιση νέων σωματιδίων, μεσολαβητών μεταξύ τους. Έτσι, θα ακούσουμε για μια προηγουμένως άγνωστη θεμελιώδη δύναμη, όπως κάποτε μάθαμε με έκπληξη ότιυπάρχουν, για παράδειγμα, ηλεκτρομαγνητική, ασθενής αλληλεπίδραση. Η γνώση μας για τη φύση μας είναι πολύ ελλιπής.
Connectedness
Το πιο ενδιαφέρον είναι ότι κάθε νέα αλληλεπίδραση πρέπει απαραίτητα να οδηγεί σε ένα εντελώς άγνωστο φαινόμενο. Για παράδειγμα, αν δεν είχαμε μάθει για την αδύναμη αλληλεπίδραση, δεν θα είχαμε ανακαλύψει ποτέ τη διάσπαση, και αν δεν ήταν η γνώση μας για τη διάσπαση, δεν θα ήταν δυνατή καμία μελέτη της πυρηνικής αντίδρασης. Και αν δεν ξέραμε τις πυρηνικές αντιδράσεις, δεν θα καταλάβαμε πώς λάμπει ο ήλιος για εμάς. Άλλωστε, αν δεν έλαμπε, δεν θα είχε σχηματιστεί ζωή στη Γη. Άρα η παρουσία της αλληλεπίδρασης λέει ότι είναι ζωτικής σημασίας. Αν δεν υπήρχε ισχυρή αλληλεπίδραση, δεν θα υπήρχαν σταθεροί ατομικοί πυρήνες. Λόγω της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης, η Γη λαμβάνει ενέργεια από τον Ήλιο και οι ακτίνες φωτός που προέρχονται από αυτόν θερμαίνουν τον πλανήτη. Και όλες οι αλληλεπιδράσεις που είναι γνωστές σε εμάς είναι απολύτως απαραίτητες. Εδώ είναι το Higgs, για παράδειγμα. Το μποζόνιο Higgs παρέχει στο σωματίδιο μάζα μέσω της αλληλεπίδρασης με το πεδίο, χωρίς το οποίο δεν θα είχαμε επιβιώσει. Και πώς να μείνετε στην επιφάνεια του πλανήτη χωρίς βαρυτική αλληλεπίδραση; Θα ήταν αδύνατο όχι μόνο για εμάς, αλλά για τίποτα.
Απολύτως όλες οι αλληλεπιδράσεις, ακόμα και αυτές για τις οποίες δεν γνωρίζουμε ακόμη, είναι αναγκαιότητα για όλα όσα η ανθρωπότητα γνωρίζει, κατανοεί και αγαπά να υπάρχει. Τι δεν μπορούμε να ξέρουμε; Ναι, πολύ. Για παράδειγμα, γνωρίζουμε ότι το πρωτόνιο είναι σταθερό στον πυρήνα. Αυτό είναι πολύ, πολύ σημαντικό για εμάς.σταθερότητα, διαφορετικά η ζωή δεν θα υπήρχε με τον ίδιο τρόπο. Ωστόσο, τα πειράματα δείχνουν ότι η ζωή ενός πρωτονίου είναι μια χρονικά περιορισμένη ποσότητα. Μακριά, φυσικά, 1034 χρόνια. Αλλά αυτό σημαίνει ότι αργά ή γρήγορα και το πρωτόνιο θα διασπαστεί και αυτό θα απαιτήσει κάποια νέα δύναμη, δηλαδή μια νέα αλληλεπίδραση. Όσον αφορά τη διάσπαση πρωτονίων, υπάρχουν ήδη θεωρίες όπου υποτίθεται ότι ένας νέος, πολύ υψηλότερος βαθμός συμμετρίας, που σημαίνει ότι μπορεί κάλλιστα να υπάρχει μια νέα αλληλεπίδραση, για την οποία δεν γνωρίζουμε ακόμη τίποτα.
Μεγάλη Ενοποίηση
Στην ενότητα της φύσης, η μόνη αρχή της οικοδόμησης όλων των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων. Πολλοί άνθρωποι έχουν ερωτήσεις σχετικά με τον αριθμό τους και την εξήγηση των λόγων για αυτόν τον συγκεκριμένο αριθμό. Πολλές εκδόσεις έχουν κατασκευαστεί εδώ, και είναι πολύ διαφορετικές ως προς τα συμπεράσματα που εξάγονται. Εξηγούν την παρουσία ενός τέτοιου αριθμού θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων με διάφορους τρόπους, αλλά όλες αποδεικνύονται ότι είναι με μια ενιαία αρχή οικοδόμησης αποδεικτικών στοιχείων. Οι ερευνητές προσπαθούν πάντα να συνδυάσουν τους πιο διαφορετικούς τύπους αλληλεπιδράσεων σε ένα. Επομένως, τέτοιες θεωρίες ονομάζονται θεωρίες Μεγάλης Ενοποίησης. Σαν τα κλαδιά του κόσμου του δέντρου: υπάρχουν πολλά κλαδιά, αλλά ο κορμός είναι πάντα ένας.
Όλα επειδή υπάρχει μια ιδέα που ενώνει όλες αυτές τις θεωρίες. Η ρίζα όλων των γνωστών αλληλεπιδράσεων είναι η ίδια, τροφοδοτεί έναν κορμό, ο οποίος, ως αποτέλεσμα της απώλειας συμμετρίας, άρχισε να διακλαδίζεται και να σχηματίζει διαφορετικές θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, τις οποίες μπορούμε πειραματικάπαρατηρώ. Αυτή η υπόθεση δεν μπορεί ακόμη να ελεγχθεί, γιατί απαιτεί απίστευτα υψηλής ενέργειας φυσική, απρόσιτη για τα σημερινά πειράματα. Είναι επίσης πιθανό ότι δεν θα κυριαρχήσουμε ποτέ σε αυτές τις ενέργειες. Αλλά είναι πολύ πιθανό να ξεπεράσετε αυτό το εμπόδιο.
Διαμέρισμα
Έχουμε το Σύμπαν, αυτόν τον φυσικό επιταχυντή, και όλες οι διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε αυτό καθιστούν δυνατό τον έλεγχο ακόμη και των πιο τολμηρών υποθέσεων σχετικά με την κοινή ρίζα όλων των γνωστών αλληλεπιδράσεων. Ένα άλλο ενδιαφέρον έργο της κατανόησης των αλληλεπιδράσεων στη φύση είναι, ίσως, ακόμη πιο δύσκολο. Είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε πώς η βαρύτητα σχετίζεται με τις υπόλοιπες δυνάμεις της φύσης. Αυτή η θεμελιώδης αλληλεπίδραση ξεχωρίζει, όπως ήταν, παρά το γεγονός ότι αυτή η θεωρία είναι παρόμοια με όλες τις άλλες από την αρχή της κατασκευής.
Ο Αϊνστάιν ασχολήθηκε με τη θεωρία της βαρύτητας, προσπαθώντας να τη συνδέσει με τον ηλεκτρομαγνητισμό. Παρά τη φαινομενική πραγματικότητα της επίλυσης αυτού του προβλήματος, η θεωρία δεν λειτούργησε τότε. Τώρα η ανθρωπότητα γνωρίζει λίγα περισσότερα, σε κάθε περίπτωση, γνωρίζουμε για τις ισχυρές και τις αδύναμες αλληλεπιδράσεις. Και αν τώρα τελειώσει η οικοδόμηση αυτής της ενοποιημένης θεωρίας, τότε η έλλειψη γνώσης σίγουρα θα έχει και πάλι αποτέλεσμα. Μέχρι τώρα, δεν ήταν δυνατό να εξισωθεί η βαρύτητα με άλλες αλληλεπιδράσεις, αφού όλοι υπακούουν στους νόμους που υπαγορεύει η κβαντική φυσική, αλλά η βαρύτητα όχι. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, όλα τα σωματίδια είναι κβάντα κάποιου συγκεκριμένου πεδίου. Όμως η κβαντική βαρύτητα δεν υπάρχει, τουλάχιστον όχι ακόμη. Ωστόσο, ο αριθμός των ήδη ανοιχτών αλληλεπιδράσεων επαναλαμβάνει δυνατά ότι δεν μπορεί παράείναι ένα είδος ενοποιημένου σχήματος.
Ηλεκτρικό πεδίο
Πίσω στο 1860, ο σπουδαίος φυσικός του δέκατου ένατου αιώνα Τζέιμς Μάξγουελ κατάφερε να δημιουργήσει μια θεωρία που εξηγούσε την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή. Όταν το μαγνητικό πεδίο αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, σχηματίζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο σε ένα ορισμένο σημείο του χώρου. Και αν βρεθεί ένας κλειστός αγωγός σε αυτό το πεδίο, τότε εμφανίζεται ένα ρεύμα επαγωγής στο ηλεκτρικό πεδίο. Με τη θεωρία του για τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία, ο Maxwell αποδεικνύει ότι η αντίστροφη διαδικασία είναι επίσης δυνατή: εάν αλλάξετε το ηλεκτρικό πεδίο εγκαίρως σε ένα συγκεκριμένο σημείο του χώρου, σίγουρα θα εμφανιστεί ένα μαγνητικό πεδίο. Αυτό σημαίνει ότι οποιαδήποτε αλλαγή στο χρόνο του μαγνητικού πεδίου μπορεί να προκαλέσει την εμφάνιση ενός μεταβαλλόμενου ηλεκτρικού πεδίου και μια αλλαγή στο ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να προκαλέσει ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Αυτές οι μεταβλητές, πεδία που δημιουργούν το ένα το άλλο, οργανώνουν ένα μόνο πεδίο - ηλεκτρομαγνητικό.
Το πιο σημαντικό αποτέλεσμα που προκύπτει από τους τύπους της θεωρίας του Maxwell είναι η πρόβλεψη ότι υπάρχουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα, δηλαδή ηλεκτρομαγνητικά πεδία που διαδίδονται στο χρόνο και στο χώρο. Η πηγή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου είναι τα ηλεκτρικά φορτία που κινούνται με επιτάχυνση. Σε αντίθεση με τα ηχητικά (ελαστικά) κύματα, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορούν να διαδοθούν σε οποιαδήποτε ουσία, ακόμη και στο κενό. Η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση στο κενό διαδίδεται με την ταχύτητα του φωτός (c=299.792 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο). Το μήκος κύματος μπορεί να είναι διαφορετικό. Ηλεκτρομαγνητικά κύματα από δέκα χιλιάδες μέτρα έως 0,005 μέτρα είναιραδιοκύματα που μας χρησιμεύουν για τη μετάδοση πληροφοριών, δηλαδή σημάτων σε μια ορισμένη απόσταση χωρίς καλώδια. Τα ραδιοκύματα δημιουργούνται από ρεύμα σε υψηλές συχνότητες που ρέουν στην κεραία.
Τι είναι τα κύματα
Αν το μήκος κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι μεταξύ 0,005 μέτρων και 1 μικρομέτρου, δηλαδή αυτά που βρίσκονται στην περιοχή μεταξύ ραδιοκυμάτων και ορατού φωτός είναι υπέρυθρη ακτινοβολία. Εκπέμπεται από όλα τα θερμαινόμενα σώματα: μπαταρίες, σόμπες, λαμπτήρες πυρακτώσεως. Ειδικές συσκευές μετατρέπουν την υπέρυθρη ακτινοβολία σε ορατό φως προκειμένου να ληφθούν εικόνες αντικειμένων που την εκπέμπουν, ακόμη και στο απόλυτο σκοτάδι. Το ορατό φως εκπέμπει μήκη κύματος που κυμαίνονται από 770 έως 380 νανόμετρα - με αποτέλεσμα ένα χρώμα από κόκκινο έως μωβ. Αυτό το τμήμα του φάσματος είναι εξαιρετικά σημαντικό για την ανθρώπινη ζωή, επειδή λαμβάνουμε ένα τεράστιο μέρος των πληροφοριών για τον κόσμο μέσω της όρασης.
Αν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία έχει μήκος κύματος μικρότερο από το ιώδες, είναι υπεριώδες, το οποίο σκοτώνει τα παθογόνα βακτήρια. Οι ακτίνες Χ είναι αόρατες στο μάτι. Σχεδόν δεν απορροφούν στρώματα ύλης που είναι αδιαφανή στο ορατό φως. Η ακτινοβολία με ακτίνες Χ διαγιγνώσκει ασθένειες των εσωτερικών οργάνων του ανθρώπου και των ζώων. Εάν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία προκύπτει από την αλληλεπίδραση στοιχειωδών σωματιδίων και εκπέμπεται από διεγερμένους πυρήνες, προκύπτει ακτινοβολία γάμμα. Αυτό είναι το μεγαλύτερο εύρος στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα επειδή δεν περιορίζεται σε υψηλές ενέργειες. Η ακτινοβολία γάμμα μπορεί να είναι μαλακή και σκληρή: μεταπτώσεις ενέργειας μέσα στους ατομικούς πυρήνες -μαλακό, και στις πυρηνικές αντιδράσεις - σκληρό. Αυτά τα κβάντα καταστρέφουν εύκολα μόρια, και ιδιαίτερα βιολογικά. Ευτυχώς, η ακτινοβολία γάμμα δεν μπορεί να περάσει από την ατμόσφαιρα. Οι ακτίνες γάμμα μπορούν να παρατηρηθούν από το διάστημα. Σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση διαδίδεται με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός: τα κβάντα γάμμα συνθλίβουν τους πυρήνες των ατόμων, σπάζοντας τα σε σωματίδια που πετούν προς διαφορετικές κατευθύνσεις. Όταν φρενάρουν, εκπέμπουν φως ορατό μέσω ειδικών τηλεσκοπίων.
Από το παρελθόν στο μέλλον
Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, όπως ήδη αναφέρθηκε, είχαν προβλεφθεί από τον Maxwell. Μελέτησε προσεκτικά και προσπάθησε να πιστέψει μαθηματικά τις ελαφρώς αφελείς εικόνες του Faraday, που απεικόνιζαν μαγνητικά και ηλεκτρικά φαινόμενα. Ήταν ο Μάξγουελ που ανακάλυψε την απουσία συμμετρίας. Και ήταν αυτός που κατάφερε να αποδείξει με μια σειρά από εξισώσεις ότι τα εναλλασσόμενα ηλεκτρικά πεδία παράγουν μαγνητικά και αντίστροφα. Αυτό τον οδήγησε στην ιδέα ότι τέτοια πεδία αποσπώνται από τους αγωγούς και κινούνται μέσα στο κενό με κάποια γιγάντια ταχύτητα. Και το κατάλαβε. Η ταχύτητα ήταν κοντά στις τριακόσιες χιλιάδες χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.
Έτσι αλληλεπιδρούν θεωρία και πείραμα. Ένα παράδειγμα είναι η ανακάλυψη, χάρη στην οποία μάθαμε για την ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Με τη βοήθεια της φυσικής, συνδυάστηκαν εντελώς ετερογενείς έννοιες - μαγνητισμός και ηλεκτρισμός, καθώς αυτό είναι ένα φυσικό φαινόμενο της ίδιας τάξης, απλώς οι διαφορετικές πλευρές του βρίσκονται σε αλληλεπίδραση. Οι θεωρίες χτίζονται η μία μετά την άλλη, και όλασυνδέονται στενά μεταξύ τους: η θεωρία της ηλεκτροασθενούς αλληλεπίδρασης, για παράδειγμα, όπου οι ασθενείς πυρηνικές και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις περιγράφονται από τις ίδιες θέσεις, τότε όλα αυτά ενώνονται με την κβαντική χρωμοδυναμική, καλύπτοντας τις ισχυρές και ηλεκτροασθενείς αλληλεπιδράσεις (εδώ η ακρίβεια είναι ακόμα χαμηλότερο, αλλά η δουλειά συνεχίζεται). Τέτοιοι τομείς της φυσικής όπως η κβαντική βαρύτητα και η θεωρία χορδών ερευνώνται εντατικά.
Συμπεράσματα
Αποδεικνύεται ότι ο χώρος που μας περιβάλλει είναι πλήρως διαποτισμένος από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία: αυτά είναι τα αστέρια και ο Ήλιος, η Σελήνη και άλλα ουράνια σώματα, αυτή είναι η ίδια η Γη και κάθε τηλέφωνο στα χέρια ενός ατόμου, και κεραίες ραδιοφωνικού σταθμού - όλα αυτά εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα, που ονομάζονται διαφορετικά. Ανάλογα με τη συχνότητα των δονήσεων που εκπέμπει ένα αντικείμενο, διακρίνονται η υπέρυθρη ακτινοβολία, τα ραδιοκύματα, το ορατό φως, οι ακτίνες βιοπεδίου, οι ακτίνες Χ και παρόμοια.
Όταν ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο διαδίδεται, μετατρέπεται σε ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Είναι απλώς μια ανεξάντλητη πηγή ενέργειας, που προκαλεί διακυμάνσεις στα ηλεκτρικά φορτία των μορίων και των ατόμων. Και αν το φορτίο ταλαντώνεται, η κίνησή του επιταχύνεται, και ως εκ τούτου εκπέμπει ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Εάν το μαγνητικό πεδίο αλλάξει, διεγείρεται ένα ηλεκτρικό πεδίο δίνης, το οποίο, με τη σειρά του, διεγείρει ένα μαγνητικό πεδίο δίνης. Η διαδικασία περνά μέσα από το διάστημα, καλύπτοντας το ένα σημείο μετά το άλλο.
