Концепция близкодействия и свойства фундаментальных материальных полей

Ампер является основателем электродинамики.

Но электродинамика была основана на дальнодействии. Революционную идею высказал  Майкл Фарадей.

 

Прежде всего он первый получил электрический ток, используя магнетизм, обнаружив тем самым эффект, обратный тому, который наблюдал Эрстед. Этот результат явился последним звеном в цепи, окончательно установившим тесную связь между электричеством и магнетизмом. Фарадей, по сути дела, ввел в физику идею поля, превратив заряды и токи из главных действующих лиц на арене электромагнитного взаимодействия во вспомогательные и, передав главные роли среде, считая, что “материя присутствует везде, и нет промежуточного пространства, не занятого ею”.

День 28 октября 1831 года, когда Фарадей  получил электрический ток, вращая медный диск между полюсами магнита, является великой датой в истории  нашей цивилизации: эра громоздких и дорогостоящих химических генераторов окончилась; машина Фарадея открыла век современных электростанций.

В 60-х годах XIX в. английский физик Максвелл развил теорию Фарадея об электромагнитном поле и создал теорию электромагнитного  поля. Это была первая теория поля. Она  касается только электрического и магнитного полей и весьма успешно объясняет  многие электромагнитные явления.

Теория  Максвелла по-новому поставила вопрос о взаимосвязи электричества  и магнетизма. Их единство проявляется  в том, что изменяющееся электрическое  поле порождает магнитное, а изменяющееся магнитное порождает электрическое.

  Принципиально новой чертой теории  Максвелла, выражающей последовательное  проведение идеи близкодействия, является то, что теория

Максвелла исходит из признания конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Из этого вытекает то, что сигнал,

испущенный источником, но не принятый еще приемником, живет самостоятельной жизнью как реальное образование, обладающее энергией, которая по Максвеллу, сосредоточена в поле. Теория Максвелла на основе

 

понятия поля свела в единую систему все  знания по электричеству и магнетизму.

Теория близкодействия одержала окончательную победу. Электромагнитное поле обнаруживает себя как нечто реально существующее, это особая форма материи, осуществляющая взаимодействие между заряженными частицами, существующая независимо от наших представлений о нем. Доказательством его реальности является и конечная скорость распространения электромагнитных взаимодействий (около 300 000 км/с).

 

2. О гравитационном.

 

Догадка о единстве причин, управляющих движением планет и падением земных тел была высказана в глубокой древности. Первым ясно высказал эту

мысль греческий философ Анаксагор, выходец  из Малой Азии, живший в Афинах почти  две тысячи лет назад. Он говорил, что Луна, если бы не двигалась, упала  бы на Землю, как падает камень из пращи. Не правда ли,

сказано неплохо, особенно если учесть, что  такое высказывание появилось более  чем за двадцать веков до Ньютона.

Однако  никакого практического влияния  на развитие науки гениальная догадка  Анаксагора, по-видимому, не имела. Ей суждено  было оказаться не понятой современниками и забытой потомками. Античные и  средневековые мыслители, чье внимание привлекало движение планет, были очень  далеки от правильного истолкования причин этого движения. Ведь даже великий  Кеплер, сумевший ценой гигантского  труда сформулировать точные

математические  законы движения планет, считал, что  причиной этого движения является вращение Солнца.

Согласно  представлениям Кеплера, Солнце, вращаясь, постоянными толчками увлекает планеты  во вращение.

 

 

Результаты  естествознания XVII в. обобщил Исаак  Ньютон. Именно он завершил постройку  фундамента нового классического естествознания.

Все свои великие открытия он сделал или  подготовил в молодые годы, в 1665-1667 гг., спасаясь в родном Вульсторпе от чумы, свирепствовавшей в

городах Англии. (К этому периоду относится известный анекдот об упавшем яблоке, наведшем Ньютона на мысль о тяготении.)

Создание  теории тяготения стала вершиной научного творчества Ньютона. Его теория тяготения и провозглашение первого действительно универсального закона природы – закона всемирного тяготения.

В 1666 г. у Ньютона возникает идея всемирного тяготения, его родства  с силой тяжести на Земле и  идея о том, каким образом можно  вычислить силу тяготения.

Ньютон  сделал вывод, что для всех планет имеет место притяжение к Солнцу, что все планеты тяготеют друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Далее  Ньютон выдвинул тезис, в соответствии с которым сила тяжести пропорциональна  лишь количеству материи (массе) и не зависит от формы материала и  других свойств тела. Развивая это  положение, Ньютон формулирует закон  всемирного тяготения в общем  виде:

   

 

где F – сила притяжения между двумя  материальными телами с массами  М1 и М2, а R – расстояние между этими телами. Коэффициент G называется гравитационной постоянной. Гравитационная постоянная очень мала и

следовательно гравитационные эффекты становятся заметными только при большой массе тел.

Разработанный Ньютоном способ изучения явлений природы  оказался исключительно плодотворным. Его учение о тяготении – не общее 

 

натурфилософское  рассуждение и умозрительная  схема, а логически строгая, точная (и более чем на два века единственная) фундаментальная теория, которая  стала рабочим инструментом исследования окружающего мира,

прежде  всего движения небесных тел. Законы движения планет предстали как следствия закона всемирного тяготения. Причину и природу тяготения Ньютон не считал возможным обсуждать, не имея на этот счет достаточного количества фактов («Гипотез не измышляю!»).

Ньютон  вычислил орбиту кометы из наблюдений ее перемещения на фоне звезд и  убедился, что она, подобно планетам, двигалась в солнечной системе  под действием тяготения Солнца. Позднее английский ученый Галилей  вычислил орбиты уже многих наблюдавшихся  комет и установил, что кометы, наблюдавшиеся в 1531, 1607 и 1682 гг., —  это одно и то же светило, периодически возвращающееся к Солнцу. Галилей впервые предсказал появление кометы в 1758 г. Через много лет после его смерти

она действительно появилась. Ей присвоили  название кометы Галилея и видели ее еще в 1835 и в 1910  и в 1986 годах.

Галилей доказал, что если не учитывать сопротивления  воздуха, то все тела независимо от их веса падают на землю с одинаковым ускорением. Если с 

высокой башни сбросить два предмета, тяжелый  и легкий, то они ударятся о землю  одновременно. Это противоречило  бытовавшему тогда представлению  о том, что, чем тяжелее предмет, тем быстрее он должен падать. (Существует легенда, что эту гипотезу Галилей проверял, бросая

предметы  с Пизанской башни.) Тридцать лет  спустя Роберт Бойль, проверяя гипотезу Галилея о падении тел, показал, что в вакууме с одинаковой скоростью падают и перо, и тяжелая  золотая монета.

 

 

 

 

 

3. Фундаментальные материальные поля. Проблема физического вакуума.
1. Фундаментальные материальные поля

Несмотря  на великое многообразие взаимодействий тел друг с другом, в природе  существует четыре вида взаимодействий и, соответственно, четыре типа полей. Перечислим их все в порядке возрастания  величины взаимодействия:

  Гравитационные взаимодействия  обеспечивают тяготение тел друг  к другу. 

Слабые  взаимодействия ответственны за большинство  распадов и превращений элементарных частиц.

Электромагнитные  взаимодействия - это взаимодействие заряженных тел.

Сильные взаимодействия связываются протоны  и нейтроны (нуклоны) в атомном  ядре.

 

Гравитационные поля.  Гравитация обладает рядом особенностей, резко отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Поэтому в описании взаимодействий элементарных частиц оно обычно не учитывается. В микромире гравитация ничтожна.

Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой  во Вселенной? Все дело во второй удивительной черте гравитации — ее универсальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по

мере  образования все больших скоплений  вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со

 

 

 

 

стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас.

Кроме того, гравитация — дальнодействующая  сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного  взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В  астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной  развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления  в Метагалактике.

Сила  гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда  не наблюдалось.

 

Электромагнитные поля.  Это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между заряженными частицами. Представляет собой взаимосвязанные переменные электрическое поле и магнитное поле. Взаимная связь электрического  и магнитного  полей заключается в том, что всякое изменение одного из них приводит к появлению другого. Таким образом, электромагнитное поле распространяется от точки к точке пространства в виде электромагнитных

волн, бегущих от источника. Благодаря  конечности скорости распространения  электромагнитное поле может существовать автономно от породившего его

источника и не исчезает с устранением источника (например, радиоволны не исчезают с прекращением тока в излучившей их антенне).

Электромагнитное  поле в вакууме описывается напряженностью электрического поля и магнитной индукцией (при изменении магнитного

 

 

потока, пронизывающего замкнутый контур, в  нем возникает электрический  ток. Это явление было названо электромагнитной индукцией).

Распространение возмущений электромагнитного поля на далёкие расстояния называется  электромагнитной волной.

Электромагнитные  волны представляют собой электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды.

Любая электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве (вакууме) с  одинаковой скоростью — скоростью  света (свет также является электромагнитной волной).

Существует  теория, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействие в одно —  электрослабое.

Электромагнитное  поле Земли простирается далеко в  космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную  систему; существуют и галактические  электромагнитные поля. В то же время  электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и молекул (положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны).

Оно отвечает за подавляющее большинство  физических и химических явлений  и процессов (за исключением ядерных): силы упругости, трения,

поверхностного  натяжения, им определяются свойства агрегатных состояний вещества, химических превращений, оптические явления,  многие реакции  в мире элементарных частиц.

 

Ядерные поля. В ядре существует некое поле, которое создают частицы, входящие в ядро (нуклоны).

Ядра  большинства природных изотопов представляют собой очень устойчивые образования. Нейтроны и протоны  в них удерживаются мощными ядерными силами притяжения. Поэтому в ядре ядерные силы притяжения,

 

 

наряду  с силами отталкивания между протонами (кулоновскими), образуют устойчивую систему частиц. Интересно отметить, что ядерные силы между

двумя протонами, между двумя нейтронами, между протоном и нейтроном всегда одинаковы. Поэтому как протоны, так и нейтроны рассматриваются как разные состояния одной частицы - нуклона. Величина ядерных сил не зависит от наличия или отсутствия электрического заряда нуклона. Следовательно, ядерные силы имеют совершенно иную природу, отличающуюся от природы электромагнитных, гравитационных и других сил.

Особенности ядерных сил:

1. Ядерные силы - короткодействующие.

2. В основном, устойчивом состоянии  полная энергия ядра минимальна. При получении энергии извне  ядро переходит в одно из возбужденных состояний.

Но  так как нуклоны сильно связаны  между собой, то полученная энергия  быстро перераспределяется между ними.

3. Возбужденное ядро, как и возбужденная  капля жидкости, начинает интенсивно  колебаться. Многочисленные столкновения нуклонов могут в какой-то момент времени привести к сосредоточению полученной энергии на одном из поверхностных нуклонов. И если дополнительная энергия больше энергии связи, то нуклон преодолеет силу поверхностного натяжения и

вылетит за пределы ядра. Таким образом, по капельной модели выброс нуклона  из ядра аналогичен испарению.

 

Слабые поля. Экзотическими представляются слабые взаимодействия: загадочное нейтрино, распад странных частиц — вот следы их деятельности. А на самом деле это не так. Слабые взаимодействия совсем не являются экзотическими. Сейчас ученые считают, что они, по-видимому, присущи всем элементарным частицам.

 

 

 

Все дело в том, что в процессах, протекающих  за счет действия электромагнитных или  ядерных сил, слабые взаимодействия заметным образом не проявляют себя, оказываются в тени именно потому, что они с

слабы. Ими можно просто пренебречь. Лишь в тех случаях, когда электромагнитные и ядерные силы ничего не могут сделать,

слабые  взаимодействия выступают на первый план. Только в этих случаях такое  грубое макроскопическое существо, как  человек, способно заметить их