Vznik elektromagnetické interakce a elektromagnetismus
V kvantovém čase 33 tj.10-10 sekundy od vzniku vesmíru při teplotě 1012 K se od kvant silné jaderné interakce oddělila energetická kvanta elektromagnetické interakce. Ta byla nestabilní do kvantového času 44 tj.10 sec. od vzniku vesmíru, kdy se jejich základní elektromagnetická kvanta ustálila do podoby elektronů a pozitronů a utvořila elektrický náboj kvarků.
Standardní model částicové fyziky popisuje slabou a elektromagnetickou interakci jako dvě složky elektroslabé interakce. Je zprostředkovaná tripletem bosonů W+, W- a B0, přičemž všechny uvedené bosony mají nenulovou klidovou hmotnost. Při nižších energiích se symetrie interakce naruší přeměnou bosonů W a Z . Přitom vznikne odštěpený (indukovaný) foton elektromagnetické interakce a 3 bosony slabé interakce W+, W- a Z0 s nenulovou klidovou hmotností. Za tuto teorii dostali Sheldon Glashow, Abdus Salam a Stewen Weinberg v roce 1979 Nobelovu cenu za fyziku.
Situace je však principiálně jednodušší. Elektron je jednoduchou levotočivou variantou uspořádání nízko energetického vlnění. Jeho energetické kvantum obíhá v kvarku jako spirála kolem gluonu silné jaderné interakce. S vynaložením poměrně malé energie v MeV se však z gluonu oddělí a pohybuje se samostatně jako levotočivý záporný elektron nebo pravotočivý kladný pozitron. Obě varianty však postupně oddělují jednotlivé závity vytvářející elektromagnetické záření s dalekým dosahem. Existují tři záporné elektrické náboje o různé energii : tauon, mion a elektron. V současné době je však stabilní pouze levotočivý elektron, který je nejméně energetický a tudíž nejlehčí a nejstabilnější. Pravotočivá kvanta základů elektromagnetické interakce tvoří v současné době pozitrony. V případě pozitronu se při oddělování základů elektromagnetické interakce z kvant gluonů oddělilo neutrino a v případě elektronu se oddělilo antineutrino. Tím se vyrovnaly momenty hybnosti. Počet původních a vzniklých kladných a záporných nábojů tak zůstal vyrovnaný. Současně se ze středně energetických bosonů W+ a W- stal přechodový boson Z0 a z něj se dalším oddělením antineutrina (neutrina) stal nízko energetický boson W + nebo W-.
Celkový náboj hmotné částice je dán směrem obíhání elektrického (elektromagnetického) fotonu v kvarcích, počtem a natočením kvarků vůči dalším kvarkům ve hmotné částici. Vlastní jednotkový náboj tvoří poměrně nízkoenergetický elektron nebo pozitron. Vzhledem ke způsobu oddělení kvant elektrického náboje z energetických strun gluonů musí být shodný počet kladných a záporných nábojů elektrických sil z nich vzniklých. To je i v praxi pozorováno.
Situace je komplikovanější tím, že síla bosonů a gluonů ovlivňuje výrazně dráhu kvant elektrické (elektromagnetické) interakce a tím se mění i velikost náboje kvarku. Základní konfigurace kvarku bez kvant elektrické interakce by měla být reálně bez náboje. Vzhledem k levotočivému otáčení bosonů slabé jaderné interakce i gluonů silné jaderné interakce však vlastní kvark ve skutečnosti rotuje a ovlivňuje tak svůj náboj. Kvark up má náboj + 2/3 náboje pozitronu. Po doplnění orbitu o levotočivý foton elektrické interakce neboli elektron má vzniklý kvark down náboj – 1/3. Vidíme tak, že volný kvark je nestabilní, protože jsou nestabilní jeho hladiny gluonů a elektrické (elektromagnetické) interakce. Hladiny gluonů i elektrického náboje se však mohou stabilizovat spojením 3 kvarků do jednoho protonu nebo neutronu tak, aby tato nově vzniklá částice měla celistvý náboj. Tím jsou vyrovnány hladiny bosonů slabé jaderné interakce, gluonů i fotonů elektrické (elektromagnetické) interakce a vzniklé baryony jsou relativně stabilní.
Nízkoenergetická kvanta elektrického náboje vytvářejí své indukované fotony o velké vlnové délce, které jsou kolmé na směr jejich pohybu. Vzniklé indukované fotony vytvářejí elektromagnetické pole s velikým dosahem. Proto má elektromagnetická síla (elektromagnetické pole) poměrně dalekosáhlý účinek. Tento dalekosáhlý účinek je umožněn tím, že indukovaný elektromagnetický foton má nulovou klidovou hmotnost a dále tím, že v kvarku se stabilizuje i směr otáčení elektronu a indukované fotony magnetické síly se tak vzájemně neruší. Tuto situaci vícekvarkové hmotné částice s elektrickým nábojem představuje proton. V něm je uspořádání směru otáčení elektrických strun neboli uspořádání nábojů shodné a elektromagnetická pole jednotlivých kvarků se sčítají. Síla elektromagnetické interakce však klesá se čtvercem vzdálenosti a v celém vesmíru s třetí mocninou vzdálenosti od centra.
Zcela jiná je situace u vícekvarkových hmotných částic bez elektrického náboje. V nich se vzájemným natočením kvarků jejich elektrické náboje vyrovnají a jejich elektromagnetické pole je na venek nulové. Vzhledem k silné jaderné interakci tohoto spojení kvarků nemůže být za běžných podmínek účinné ani působení nabité částice (protonu, elektronu) na toto uskupení, jehož příkladem je neutron. Proto tyto částice na elektromagnetické pole nereagují. Elektromagneticky aktivní se stávají až po převedení do stavu plazmatu, kdy se jednotlivé náboje dostávají z uspořádaného stavu.
Mechanismus působení si vysvětlíme na příkladě proudového vodiče a elektromagnetu. Nejlépe je vznik indukovaných elektromagnetických fotonů vidět na pevném elektromagnetu při pokusu s železnými pilinami. Při tvorbě elektromagnetu se v silném elektromagnetickém poli atomy železa při tuhnutí směsi urovnají tak, že pomyslné osy otáčení těchto atomů směřují převážně jedním směrem. Těleso takto uspořádané má na opačných koncích obrácené elektromagnetické póly. Na uspořádání železných pilin vidíme dráhy indukovaných elektromagnetických fotonů neboli dráhy siločar elektromagnetického pole i v našem měřítku na velké vzdálenosti.
Ze způsobu vytvoření magnetického pole vyplývá, že vektor intenzity elektrického pole a vektor intenzity magnetického pole jsou na sebe kolmé. Elektrický náboj standardně vytváří magnetické pole. Za určitých podmínek však magnetické pole může měnit uspořádání elektrických nábojů v hmotné částici a tím měnit její elektrický náboj. V přilehlé části však dojde ke změně náboje opačného směru a náboje mají snahu se vyrovnat.
U atomů se silně vázanými elektrony ve valenční sféře může dojít k jejich elektromagnetickému uspořádání až ve velice silném elektromagnetickém poli, což znamená, že se za běžně dosažitelných podmínek nemohou stát ani elektromagnetické ani vodivé.
Lze uvažovat o tom, že ve velmi silném elektromagnetickém poli vytvořeném například supravodivými magnety s energií odpovídající frekvenci reakcí elementárních částic 1020 Hz by se nejen vnější indukované elektromagnetické fotony ale i silové struny slabé jaderné interakce orientovaly pouze jedním směrem. Tím by byly shodným způsobem orientovány i silové gravitační fotony a jejich vlastní gravitační působení a to je princip gravitačního pohonu. Snižováním a zvyšováním síly elektromagnetického pole na hranici tohoto přechodu by šlo ovládat i vlastní pohyb tělesa. Používaný kov nebo polovodič by však musel být při pracovní teplotě v tekutém stavu. Efektivní využití by pak bylo při uspořádání elektromagnetického pole na obvodu tělesa a nesená zátěž v odstíněném prostoru uprostřed. Tak by mohl principiálně vypadat létající talíř.
Potřebnou energii by však létající talíř musel čerpat (nasávat) z energetického pole Země nebo jiného velmi hmotného a elektromagneticky aktivního tělesa. Proto by mohl létat jen v blízkosti Země, jiné planety nebo slunce.
Ve vodiči s protékajícím proudem se volné valenční elektrony hmotných částic pohybují jedním směrem. Indukované vlnění jejich silových strun slabé jaderné interakce je kolmé na směr proudu a vytváří kolem vodiče kruhové magnetické pole, které se skládá z jednotlivých závitů spirály obíhající kolem vodiče. Přitom se síla těchto indukovaných závitů elektromagnetické interakce sčítá a současně s elektrony pohybuje.
Ve spirále složené ze 2 proudových vláken stejného směru má magnetické pole mezi oběma proudy opačný směr a vyruší se, ale na venek je magnetické pole velké a náboj se sčítá. V případě pravděpodobných dvojitých protisměrných vláken je relativní protékající proud velký, ale magnetické pole malé. Náboj se odečítá. To je názorně vidět na mezonech složených z kvarku a antikvarku. Ty mohou být podle vzájemného natočení spirálových fotonů elektromagnetické interakce a vlastního složení kladné, záporné nebo zcela bez náboje. Viz přílohu č.1.
Elektromagnetická interakce působí pouze na nabité hmotné částice. Pro částice se stejným nábojem je odpudivá a pro částice s opačným nábojem je přitažlivá. Na hmotné částice bez náboje nepůsobí, protože jejich indukované elektromagnetické fotony se vzájemně vyruší a nemohou tedy reagovat (prolínat se) s indukovanými elektromagnetickými fotony elektricky nabitých částic. Při těchto přeměnách platí zákon zachování hmoty a energie. Můžeme ho však rozšířit takto. Při vzájemných přeměnách interakcí zůstává jejich celkový součet energie nezměněn. K přeměnám interakcí při rozpínání vesmíru skutečně dochází. Jak dále uvidíme slabá jaderná interakce se skokově z části přeměnila na silnou jadernou interakci a gravitaci neutrin a volných energetických strun. Silná jaderná interakce se později z části přeměnila na elektromagnetickou interakci, indukované fotony tzv.biologické síly a gravitaci neutrin. Elektromagnetická interakce se již dále nerozkládá a vlivem rozpínání energetických strun a jejich indukovaných fotonů ve hmotných částicích v důsledku rozpínání vesmíru velice mírně narůstá. Její nárůst je asi o 1 řád menší než nárůst gravitace. Jedinou trvale narůstající interakcí hmoty i volných fotonů a neutrin je gravitace.
O uvedených interakcích předpokládáme, že jsou zprostředkovány kvanty silových polí (virtuálními částicemi) a interakce si představujeme tak, že si částice vyměňují tato kvanta energie tvořící jednodušší nebo složitější částice nebo interakce. Udržování termodynamické rovnováhy hmotné částice s prostředím je nejlépe vidět na příkladu elektromagnetické interakce. Hmotná částice elektron prostřednictvím fotonu této interakce v elektricky nabitém kvarku neustále přijímá (absorbuje) ze svého okolí elektromagnetické fotony vhodné vlnové délky. Přitom se tento foton a současně elektron, jehož je součástí, posune na vyšší energetickou hladinu. Pro udržení rovnovážného stavu pak většinou musí nějaký foton opět vyzářit. Ne vždy však elektron vyzáří foton o stejné energii. Při stálé teplotě prostředí se vyzáří foton o stejné velikosti. Při vzestupu teploty spočívající v tom, že více elektronů zachytí foton, dojde k mírnému posunu drah všech elektronů ve hmotné částici a nemůže již dojít k vyzáření stejného fotonu. Elektron musí přijmout další foton o vhodné vlnové délce a teprve poté může vyzářit foton a usadit se na stabilnější energetické hladině.Takto vyzářený foton má již větší energii než předtím samostatně přijaté fotony. Při ochlazování prostředí jde o opačný postup. Větší množství elektronů vyzáří foton. Tím se dráhy všech fotonů elektromagnetické síly a tím i elektronů mírně posunou na nižší energetickou hladinu a následně vyzářený foton má nižší energii. Další vyzařování fotonů pak záleží na příjmu nebo výdeji energie ostatními elektrony ve hmotné částici.
Po stránce prostorové je situace ještě složitější. V atomech s větším počtem protonů a neutronů jsou díky vzájemnému působení energetických strun všech interakcí dráhy všech protonů a neutronů i elektronů na vnější hladině u sebe blíže než v atomech s malým počtem protonů a neutronů. Při udržování termodynamické rovnováhy se i dráhy energetických strun a fotonů jednotlivých interakcí posunují průběžně na vyšší nebo nižší hladinu. Ve stabilních hmotných částicích je rozestup působení jednotlivých interakcí přibližně tři řády.To je dostatečný prostor pro posuny energetických drah jednotlivých interakcí uvnitř atomů při udržování termodynamické rovnováhy s prostředím.
Všechny kvarky jsou samostatné nestabilní. Stabilitu získaly až uspořádáním do hadronů (nejjednodušších dlouhodobě stabilních hmotných částic), ke kterému došlo v kvantovém čase 38 tedy v čase 10-5 sec. Přechod mezi kvark-gluonovým plazmatem a normální jadernou hmotou nastává při hustotě energie okolo 1 GeV/fm3. Teplota odpovídající této hustotě energie 180 MeV v energetických jednotkách je v jednotkách teploty 2,1*1012 K. Uvedený odhad hustoty je založen na prostorové úvaze, neboť odpovídá situaci, kdy se v charakteristickém objemu hadronů (1-3 fm-3) překrývá několik lehkých hadronů.