Elektromagnes

Punktem wyjścia badań było zbadanie sił między ładunkami elektrycznymi. Prawo Coulomba z około 1785 roku określa tę siłę między dwoma ładunkami punktowymi, w sposób analogiczny do prawa grawitacji. Działanie sił elektrycznych na odległe ładunki opisuje pojęcie pola elektrycznego. Jest to spowodowane nie tylko ładunkami elektrycznymi, ale także zmianami pól magnetycznych w czasie. To odkrycie jest głównie zasługą Michaela Faradaya. Podczas gdy stacjonarne ładunki elektryczne najwyraźniej nie mają nic wspólnego ze zjawiskiem magnetyzmu, poruszający się ładunek elektryczny okazuje się być przyczyną pola magnetycznego, jak zauważył Hans Christian Ørsted w 1820 roku. Jeśli drugi ładunek porusza się w tym polu, doświadcza siły magnetycznej zgodnie z prawami klasycznej elektrodynamiki, która jest wtedy mniej więcej tak duża jak siła elektryczna, jeśli prędkość względna jest rzędu prędkości światła. Elektrodynamika klasyczna jest pierwszym przykładem teorii pola, która spełnia zasadę względności Einsteina. Gdyby elektrodynamika była tylko niezmienna w stosunku do transformacji Galileusza, nie byłoby zjawiska indukcji i propagacji fal elektromagnetycznych.

Teoria elektrodynamiki klasycznej sięga zaś czasów Jamesa Clerka Maxwella, który w XIX wieku uznał prawa elektryczności, magnetyzmu i światła za różne aspekty fundamentalnego oddziaływania, elektromagnetyzmu, w nazwanych jego imieniem równaniach Maxwella. Oddziaływanie elektromagnetyczne, które samo jest wynikiem połączenia teorii oddziaływań elektrycznych i magnetycznych, określane jest od 1967 r. wraz z oddziaływaniem słabym jako oddziaływanie elektro-słabe. Celem jest integracja oddziaływań silnych ze wspólną zunifikowaną teorią pola.

Ze względu na dalekosiężny efekt, oddziaływanie elektromagnetyczne przejawia się zauważalnie zarówno na poziomie makroskopowym, jak i mikroskopowym. W rzeczywistości zdecydowana większość sił fizycznych w mechanice klasycznej – siła przywracająca, siły tarcia, siły napięcia powierzchniowego itp. – ma charakter elektromagnetyczny.

Oddziaływanie elektromagnetyczne determinuje większość właściwości fizycznych ciał makroskopowych, a w szczególności zmianę tych właściwości przy przejściu z jednego stanu materii w inny. Oddziaływania elektromagnetyczne podlegają reakcjom chemicznym. Zjawiska elektryczne, magnetyczne i optyczne również sprowadzają się do oddziaływań elektromagnetycznych.

Na poziomie mikroskopowym oddziaływanie elektromagnetyczne (z uwzględnieniem efektów kwantowych) determinuje strukturę orbitali atomowych, strukturę molekuł oraz większych kompleksów i klastrów molekularnych. W szczególności wielkość ładunku elementarnego determinuje wielkość atomów i długość wiązań w cząsteczkach.

Oddziaływanie elektromagnetyczne charakteryzuje się tym, że ma duży (w zasadzie nieskończony) zasięg i jednocześnie jest nasycalne, tj. skutki ładunku ujemnego i dodatniego na odległym trzecim ładunku są praktycznie anulowane. Siła oddziaływania elektromagnetycznego jest określona przez stałą struktury subtelnej. Ta stała sprzężenia jest około 100 razy mniejsza niż w przypadku oddziaływania silnego, ale większa o kilka rzędów wielkości niż w przypadku oddziaływania słabego i znacznie większa niż w przypadku oddziaływania silnego.

W obszarze najmniejszych cząstek oddziaływanie elektromagnetyczne opisuje elektrodynamika kwantowa. Potencjały elektromagnetyczne są rozumiane jako operatory pola, za pomocą których fotony, cząstki oddziaływania elektromagnetycznego, są tworzone lub niszczone. Oznacza to, że oddziaływanie między naładowanymi cząstkami, czyli wymiana pędu i energii, jest wynikiem wymiany fotonów między tymi cząstkami.

Dodajmy też, że oddziaływanie słabe (nazywane również słabą siłą jądrową lub dynamiką zapachu kwantowego) jest jedną z czterech podstawowych sił fizycznych. W przeciwieństwie do oddziaływań grawitacji i elektromagnetyzmu znanych z życia codziennego, działa tylko na bardzo krótkie odległości, podobnie jak oddziaływanie silne. Podobnie jak inne siły, może zapewnić wymianę energii i pędu, ale jest przede wszystkim skuteczne, gdy zaangażowane cząstki rozpadają się lub przekształcają (na przykład rozpad beta niektórych radioaktywnych jąder atomowych). Ze względu na oddziaływanie słabe nie mogą powstawać stany związane, co odróżnia je od pozostałych trzech oddziaływań. Oddziaływanie słabe ma kluczowe znaczenie dla życia na Ziemi ze względu na jego rolę w syntezie wodoru w hel w słońcu (reakcja proton-proton), ponieważ jest to jedyny sposób zamiany protonów w neutrony. W ten sposób w kilku etapach pośrednich z czterech protonów (jąder wodoru) powstaje stabilne jądro helu z dwoma protonami i dwoma neutronami. Dzięki temu procesowi słońce uwalnia energię. Ze względu na niską siłę oddziaływania słabego, proces ten jest tak powolny, że Słońce świeci nieprzerwanie przez 4,5 miliarda lat i oczekuje się, że będzie tak świeciło przez kolejne pięć do sześciu miliardów lat.