Научный метод

Вторая ветвь классич. линии  развития понятия П. ф. связана с  достижениями в области теоретич. исследования П. ф. сил тяготения (гравитационного  П. ф.). Начиная с Ньютона и вплоть до работ Эйнштейна по общей теории относительности (10-е гг. 20 в.) тяготение трактовалось на основе представления о дальнодействующих силах и не поддавалось включению в рамки концепции близкодействия.

Опираясь на факт равенства инертной и тяжелой массы, Эйнштейн сформулировал реляти- вистскую теорию гравитац. П. ф., в к-рой как гравитационное П. ф., так и геометрич. св-ва пространства описываются одной и той же величиной. Это позволяет сделать новый шаг в развитии понятия П. ф. по сравнению с тем, что было достигнуто в классич. релятивистской теории электромагнетизма. Спец. теория относительности впервые вскрыла фундаментальную роль электромагнитного П. ф. в установлении метрических характеристик пространства и времени, зависящих, как оказалось, от скорости света. Но в ней пространственно-временной континуум по-прежнему оставался независимым элементом физич. реальности, служа лишь ареной взаимодействия П. ф. и вещества. Его можно было рассматривать как нечто абсолютное, ибо П. ф. и вещество существовали в пространстве – времени. В общей теории относительности пространственно-временной аспект реальности полностью выражается гравитац. П. ф., зависящим от четырех координат-параметров (три пространственных и одна временная). "...Он есть свойство этого поля. Если мы представим себе, что поле удалено, то не останется и "пространства", т.к. пространство не имеет независимого существования" (Эйнштейн Α., Сущность теории относительности, М., 1955, с. 147). То же самое, очевидно, можно сказать и о времени.

Наличие в классич. физике двух видов физич. реальности, коренным образом различающихся по своей пространственной структуре (П. ф. и вещества), а также двух качественно различных типов П. ф. (электромагнитного и гравитационного) породило многочисл. попытки построить последовательную единую теорию П. ф., в к-рой гравитация и электромагнетизм, с одной стороны, должны быть не логически разобщенными видами П. ф., а различными аспектами одного, единого П. ф.; с др. стороны, частицы вещества должны трактоваться в ней как особые области П. ф., так что П. ф. и его источники, трактуемые как особые точки (сингулярности) П. ф., были бы единств. средством описания физич. реальности. Однако отсутствие успехов в последоват. и убедит. выполнении такой программы породило сильный скептицизм по отношению к ней, так что в наст. время она имеет не много сторонников.

Квантовая линия развития п о  н я т и я П. ф. Эта линия, продолжающаяся и в наст. время, возникла в связи с потребностью интерпретировать результаты опытов по изучению фотоэффекта. Вплоть до работ Л. де Бройля (1924) представление о свете как потоке пространственно-дискретных частиц (фотонов), введенное Эйнштейном в 1905 для объяснения этих опытов, казалось несовместимым с классич. представлением о свете как пространственно непрерывном П. ф. Де Бройль предположил, что с каждой частицей (а не только с фотоном) связано волновое П. ф. Корпускулярно-волновой дуализм стал существенной чертой и в нерелятивистской квантовой механике. Однако ψ-поле в ней не так прямолинейно онтологизируется, как у де Бройля и развивавших его идеи Э. Шрёдингера (1926, 1952) и Д. Бома (1952). Согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики, разделяемой в наст. время подавляющим большинством ученых, ψ-поле представляет собой т.н. п о л е вероятности (см. Микрочастицы). В релятивистской квантовой теории на совр. этапе ее развития квантовая теория волновых П. ф. является единств. способом описания элементарных частиц и их взаимодействий. В ее рамках понятие П. ф. претерпевает дальнейшее развитие. Благодаря волновым св-вам любых элементарных частиц и квантовым (корпускулярным) св-вам всех П. ф., каждое П. ф. (в прежнем, классич. смысле) является в то же время коллективом частиц, а каждый набор частиц (в прежнем, классич. понимании) представляет собой П. ф. Т.о., релятивистская квантовая теория на новой основе возвращается к онтологизации корпускулярно-волнового дуализма, трактуя ψ-поле Шрёдингера как классич. П. ф. материи (см. Э. Хенли и В. Тирринг, Элементарная квантовая теория поля, М., 1963, с. 19). Существенно, что онтологич. равноправие частиц и П. ф. имеет место лишь при учете т.н. в и р т у а л ь н ы х ч а с т и ц. Если же учитывать только р е а л ь н ы е ч а с т и ц ы, то П. ф. оказывается онтологически более существенным, ибо оно имеет вакуумное состояние, в к-ром отсутствуют реальные частицы (но имеется неопределенное переменное количество виртуальных частиц, существование к-рых проявляется во флуктуациях вакуумного состояния П. ф.). Нередко проводят различия между П. ф. частиц-источников взаимодействия и П. ф. частиц- п е р е н о с ч и к о в взаимодействия. Это связано с трактовкой взаимодействия между частицами-источниками как обмена виртуальными квантами П.ф., служащего переносчиком взаимодействия. При достаточной интенсивности взаимодействия (мерой интенсивности служит энергия) виртуальные кванты могут превращаться в реальные, давая начало существованию т.н. свободных П. ф. Свободные П. ф., описывающие состояние частиц до и после взаимодействия, не являются наблюдаемыми, ибо наблюдение в квантовой механике неотъемлемо от взаимодействия. Последнее же, с т. зр. квантовой теории П. ф., есть не что иное, как превращение одного определ. состояния П. ф. (совокупности частиц) в другое. Взаимодействие П. ф. обычно интерпретируют на основании представления о поглощении и испускании частиц. Эти частицы могут быть как реальными, так и виртуальными. У виртуальных частиц энергия и импульс подчиняются законам сохранения лишь с точностью до неопределенностей соотношения, поэтому на малых расстояниях может происходить обмен очень большим количеством виртуальных частиц. Это приводит к тому, что при наличии взаимодействий теряется отмеченная выше простая связь между частицами и П. ф. Взаимодействующие частицы (а также одна реальная частица, в отсутствии других взаимодействующая с вакуумом, а также со своим собств. П. ф., источником к-рого она сама является) окружены облаком виртуальных частиц. Строго говоря, с реальной частицей нельзя больше сопоставлять одно отд. П. ф. Др. словами, в ее образ входят в той или иной мере П. ф. всех др. элементарных частиц.

Осн. трудности совр. квантовой  теории П. ф. заключаются в отсутствии методов точного решения уравнений  взаимодействующих П. ф. В квантовой  электродинамике (теории взаимо-действия электромагнитного и электронно-позитронного П. ф.) приблизительное решение таких уравнений облегчается малостью силы взаимодействия, что позволяет использовать упрощенную модель взаимодействия (теорию возмущений). В теории же сильных взаимодействий, где квантовая теория П. ф. представляет собой лишь схему, до сих пор не решено строго ни одной задачи без предположения о малости взаимодействия.

Необходимость привлечения всех П. ф. (в т.ч. и гравитационного, к  к-рому также применим квантовый  подход) для точного описания взаимодействий элементарных частиц породила стремление построить единую квантовую теорию. П. ф., к-рая не брала бы из опыта весь спектр масс и спинов элементарных частиц, а получила бы его автоматически. Наиболее известная попытка в этом направлении принадлежит Гейзенбергу (теория единого нелинейного спипорного П. ф. – "праматерии"), к-рая, однако, пока не принесла ощутимых физич. результатов. Упомянутые трудности квантовой теории П. ф. вызвали к жизни идею заменить попытки решения уравнений для операторов П. ф. построением такой системы уравнений, к-рая бы опиралась только на общие св-ва матрицы рассеяния (S-матрицы), непосредственно связывающей состояние свободного П. ф. до и после взаимодействия и не претендовала бы на детальное пространственно-временное описание процессов взаимодействия. На этом пути в наст. время нек-рыми учеными выдвигаются радикальные требования вообще отказаться от применения понятия П. ф. Это делается на основании допущения, что понятие пространственно-временного континуума не имеет физич. смысла в совр. микрофизике и по своему статусу похоже на понятие эфира в физике 19 в. (см. G. F. Chew, The dubious role of space-time continuum in microscopic physics, в журн.: "Science Progress", 1963, v. 51, No 204, p. 529). При этом отказ от использования пространственно-временных представлений (и вместе с ним представления о П. ф.) в микрофизике, разумеется, никоим образом не означает отказа от использования их в макрофизике (см. там жеи Е. I. Zimmerman, The macroscopio nature of space-time, в журн.: "American Journal of Physics", 1962, v. 30, p. 97). Однако большинство ученых по-прежнему считает необходимым использовать понятие П. ф. (а вместе с ним, естественно, и пространственно- временное представление) в качестве онтологич. основы для описания взаимодействия элементарных частиц. На этом пути в теории П. ф. возникает, в частности, интересная идея о существовании в природе т.н. к о м п е н с и р у ю щ и х П.ф., каждое из к-рых ответственно за сохранение той или иной фундаментальной физич. величины при взаимодействиях.

Комплекс методологич. проблем, возникающих  в связи с совр. представлениями  о П. ф., чрезвычайно многогранен. Он включает проблему интерпретации  крайне абстрактного математич. аппарата совр. теории П. ф. (в частности, сюда относится вопрос об онтологич. статусе виртуальных частиц) и проблему приемов описания взаимодействия (гамильтонов формализм или S-матрица?). Последняя проблема аналогична старой проблеме выражения движения в логике понятий, зафиксированной в апориях Зенона Элейского: как описывать взаимодействие – через его результаты (S-матрица) или через его пространственно-временное протекание (гамильтонов формализм). Сюда же относится и проблема адекватности описания взаимодействия на основе отд. представлений о П. ф. и о его источнике, поставленная Паули еще в 30-х гг. Дискуссии по всем этим и многим др. методологич. проблемам теории П. ф. продолжаются и еще далеки от своего завершения.

Лит.: Максвелл Д. К., Избр. соч. по теории электромагнитного поля, пер. [с англ.], М., 1954; Эйнштейн Α., Инфельд Л., Эволюция физики, пер. с англ., 2 изд., М., 1956; Овчинников Η. Φ., Понятие массы и энергии в их историч. развитии и филос. значении, М., 1957, с. 177; Марковы. Α., Гипероны и К-мезоны, М., 1958; его же, О совр. форме атомизма, "ВФ", 1960, No 3, 4; Штейнман Р. Я., Пространство и время, М., 1962, с. 68, 143; Кузнецов Б.Г., Развитие физич. идей от Галилея до Эйнштейна в свете совр. науки, М., 1963, гл. 2, 3, 4; Whittaker Ε., The history of the theories of aether and electricity. The classical theories, L.– [a. o.], 1951.

Континуальность

- непрерывность, отсутствие  лакун, квантованности, разделенности  на фрагменты. Противоположность  дискретности. М. Мамардашвили нашел,  что внутренне пространство бинарной  оппозиции под названием субъект-объектное  отношение континуально.

Волна́ — изменение  состояния среды или физического  поля (возмущение), распространяющееся либо колеблющееся в пространстве и  времени или в фазовом пространстве. Другими словами, «…волнами или  волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины — например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры[1]».

В связи с этим волновой процесс может иметь самую  разную физическую природу: механическую, химическую (реакция Белоусова — Жаботинского, протекающая в автоколебательном режиме каталитического окисления различных восстановителей бромисто-водородной кислотой HBrO3 ), электромагнитную (электромагнитное излучение), гравитационную (гравитационные волны), спиновую (магнон), плотности вероятности (ток вероятности) и т. д.

Многообразие волновых процессов приводит к тому, что  никаких абсолютных общих свойств  волн выделить не удаётся[2]. Одним из часто встречающихся признаков  волн считается близкодействие, проявляющееся во взаимосвязи возмущений в соседних точках среды или поля, однако в общем случае может отсутствовать и оно[2].

Среди всего многообразия волн выделяют некоторые их простейшие типы, которые возникают во многих физических ситуациях из-за математического сходства описывающих их физических законов[2]. Об этих законах говорят в таком случае как о волновых уравнениях. Для непрерывных систем это обычно дифференциальные уравнения в частных производных в фазовом пространстве системы, для сред часто сводимые к уравнениям, связывающим возмущения в соседних точках через пространственные и временные производные этих возмущений[2]. Важным частным случаем волн являются линейные волны, для которых справедлив принцип суперпозиции.

По своему характеру  волны подразделяются на[источник не указан 665 дней]:

По признаку распространения  в пространстве: стоячие, бегущие.

По характеру волны: колебательные, уединённые (солитоны).

По типу волн: поперечные, продольные, смешанного типа.

По законам, описывающим  волновой процесс: линейные, нелинейные.

По свойствам субстанции: волны в дискретных структурах, волны  в непрерывных субстанциях.

По геометрии: сферические (пространственные), одномерные (плоские), спиральные.

 Отличие колебания  от волны.

Бегущие волны, как правило, способны удаляться на значительные расстояния от места своего возникновения (по этой причине волны иногда называют «колебанием, оторвавшимся от излучателя»[источник не указан 665 дней]).

В основном физические волны  не переносят материю, но возможен вариант, где происходит волновой перенос именно материи, а не только энергии. Такие волны способны распространяться сквозь абсолютную пустоту. Примером таких волн может служить нестационарное излучение газа в вакуум, волны вероятности электрона и других частиц, волны горения, волны химической реакции, волны плотности реагентов, волны плотности транспортных потоков.

Вакуум (физический)

Перевод

Вакуум (физический)

Вакуум физический, среда, в которой нет частиц вещества или поля. В технике В. называют среду, в которой содержится «очень мало» частиц; чем меньше частиц находится в единице объёма такой среды, тем более высок В. Однако полный В. ≈ среда, в которой совсем нет частиц, вовсе не есть лишённое всяких свойств «ничто». Отсутствие частиц в физической системе не означает, что она «абсолютно пуста» и в ней ничего не происходит.

 ═ Современное  понятие В. оформилось в рамках  квантовой теории поля. В микромире,  который описывается квантовой  теорией, имеет место корпускулярно-волновой  дуализм: любые частицы (молекулы, атомы, элементарные частицы) обладают некоторыми волновыми свойствами и любым волнам присущи некоторые свойства частиц (корпускул). В квантовой теории поля все частицы, в том числе и «корпускулы» световых волн, фотоны, выступают на одинаковых основаниях ≈ как кванты соответствующих им физических полей: фотон ≈ квант электромагнитного поля; электрон и позитрон ≈ кванты электронно-позитронного поля; мезоны ≈ кванты мезонного, или ядерного, поля и т.д. С каждым квантом связаны присущие частицам физические величины: масса, энергия, количество движения (импульс), электрический заряд, спин и др. Состояние системы и её физические характеристики полностью определяются числом составляющих её частиц ≈ квантов ≈ и их индивидуальными состояниями. В частности, у любой квантовой системы имеется вакуумное состояние, в котором она вовсе не содержит частиц (квантов). В таком состоянии энергия системы принимает наименьшее из возможных значений, а её заряд, спин и прочие характеризующие систему квантовые числа равны нулю. Эти факты интуитивно понятны: поскольку в вакуумном состоянии нет материальных носителей физических свойств, то, казалось бы, для такого состояния значения всех физических величин должны равняться нулю. Но в квантовой теории действует принцип неопределённостей (см. Неопределённостей соотношение), согласно которому только часть относящихся к системе физических величин может иметь одновременно точные значения; остальные величины оказываются неопределёнными. (Так, точное задание импульса частицы влечёт за собой полную неопределённость её координаты.) Поэтому во всякой квантовой системе не могут одновременно точно равняться нулю все физические величины.

 ═ К величинам,  которые не могут быть одновременно  точно заданы, относятся, например, число фотонов и напряжённость  электрического (или магнитного) поля: строгая фиксация числа фотонов приводит к разбросу (флуктуациям) в величине напряжённости электрического поля относительно некоторого среднего значения (и наоборот). Если число фотонов в системе в точности равно нулю (вакуумное состояние электромагнитного поля), то напряжённость электрического поля не имеет определённого значения: поле всё время будет испытывать флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряжённости будет равно нулю. Таким флуктуациям подвержены и все другие физические поля ≈ электронно-позитронное, мезонное и т.д.

 ═ В квантовой  теории поля флуктуации интерпретируются  как рождение и уничтожение  виртуальных частиц (то есть частиц, которые непрерывно рождаются  и сразу же уничтожаются), или  виртуальных квантов данного поля. Наличие флуктуаций не сказывается на значениях полного электрического заряда, спина и др. характеристик системы, которые, как уже говорилось, равны нулю в состоянии В. Однако виртуальные частицы точно так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные. Например, виртуальный фотон способен породить виртуальную пару электрон-позитрон, аналогично рождению реальным фотоном реальной электрон-позитронной пары (см. Аннигиляция и рождение пар). Благодаря флуктуациям В. приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах, и, следовательно, состояние В. обладает всеми правами «настоящих» физических состояний.

 ═ Рассмотрим систему,  состоящую только из одного  реального электрона. Реальных  фотонов в такой системе нет,  но флуктуации фотонного В. (этот термин и означает отсутствие реальных фотонов) приводят к возникновению «облака» виртуальных фотонов возле этого электрона, а вслед за ними ≈ виртуальных пар электрон-позитрон. Такие пары проявляют себя подобно связанным зарядам в диэлектрике: под действием кулоновского поля реального электрона они поляризуются и экранируют (то есть эффективно уменьшают) заряд электрона. По аналогии с диэлектриком, эффект экранирования заряда виртуальными частицами называется поляризацией вакуума.

 ═ В результате поляризации В электрическое поле заряженной частицы на малых расстояниях от неё слегка отличается от кулоновского. Из-за этого, например, смещаются энергетические уровни ближайших к ядру электронов в атоме (см. Сдвиг уровней). Поляризация В. влияет и на поведение заряженных частиц в магнитном поле. Характеризующий это поведение магнитный момент частицы в итоге отличается от своего «нормального» значения, определяемого массой и спином частицы (см. Магнетон). Поправки как к уровням энергии, так и к магнитному моменту, составляют доли процента, и теоретически вычисленные значения с очень высокой