Континуальная концепция описания природы: полевая форма материи

Контрольная работа по предмету:

«Концепции современного естествознания»

Вариант 20:

«Континуальная концепция описания природы: полевая форма материи»



Содержание:

1. Фундаментальные взаимодействия

1.1 Гравитация

1.2 Электромагнетизм

1.3 Слабое взаимодействие

1.4 Сильное взаимодействие

2. Концепции материи

3. Электромагнитная концепция

3.1 О передаче взаимодействия: этапы пути эфира

3.2 Развитие полевой концепции описания свойств материи

3.3 Концепции дальнодействия и близкодействия

3.4 Дискретность и непрерывность материи

3.5 Сущность электромагнитной теории Максвелла

Список использованной литературы



1. Фундаментальные взаимодействия

Многие основополагающие концепции современного естествознания прямо или косвенно связаны с описанием фундаментальных взаимодействий. Взаимодействие и движение - важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование. Взаимодействие обусловливает объединение различных материальных объектов в системы, т.е. системную организацию материи.

К настоящему времени известны четыре вида основных фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое, сильное. Каждое из четырех взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия.

1.1 Гравитация

Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундамен6тальным законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 10іє раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной?

Все дело во второй удивительной черте гравитации - ее универсальность. 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. Зато в микромире роль гравитации ничтожна. Никакие квантовые эффекты в гравитации пока не доступны наблюдению.

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.

Пока еще нет однозначного ответа на вопрос, чем является гравитация - неким полем, искривлением пространства - времени или тем и другим вместе. На этот счет существуют разные мнения и концепции. Поэтому нет и завершенной теории квантово-гравитационного взаимодействия.

1.2 Электромагнетизм

Решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. Дж.К.Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма - первой единой теории поля.

Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле - при их движении. В природе существуют как положительные, так и отрицательные заряды, что и определяет характер электромагнитного взаимодействия. Например, при движении зарядов в зависимости от их знака и направления движения между ними возникает либо притяжение, либо отталкивание. Различные агрегатные состояния вещества, явления трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электромагнитным. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля.

Электрическая и магнитная силы являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи - в мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов.

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных).

1.3 Слабое взаимодействие

К выявления существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.

У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто нарушается один из фундаментальных законов физики - закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В.Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она - нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э.Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».

Но предсказание нейтрино - это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу, но здесь оставалось много загадочного. Электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер нет таких частиц. Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляется три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие.

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10 № см от источника, и потому оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микромиром, субатомными частицами. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии.

Теория слабого взаимодействия была создана в конце 60-х гг. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики.

1.4 Сильное взаимодействие

Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий - сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, - Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Радиус действия новой оказался очень малым: сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10О№і см. кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы. Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.

Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился только в начале 60-х гг., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков.

Обычно для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия (табл. 1).

Таблица 1.

Вид взаимодействия	Константа взаимодействия	Радиус действия
Гравитационное Электромагнитное Сильное Слабое	6 · 10 і 1/37 1 10 №	? ? (0,1 - 1) · 10 №і см << 0,1 · 10 №і см

По данным табл. 1 видно, что константа гравитационного взаимодействия самая малая. Радиус действия его, как и электромагнитного взаимодействия, неограничен. Гравитационное взаимодействие в классическом представлении в процессах микромира существенной роли не играет, однако в макропроцессах ему принадлежит определяющая роль. Например, движение планет Солнечной системы происходит в строгом соответствии с законами гравитационного взаимодействия.

Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи. Она определяется работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю. С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут распадаться. Такой процесс называется радиоактивным распадом.

Взаимодействие между атомами и молекулами имеет преимущественно электромагнитную природу. Таким взаимодействием объясняется образование различных агрегатных состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. Например, между молекулами вещества в твердом состоянии взаимодействие в виде притяжения проявляется гораздо сильнее, чем между теми же молекулами в газообразном состоянии.



2. Концепции материи

Важнейшая задача естествознания - создание естественно-научной картины мира, образующей в целом упорядоченную систему, которая по мере развития науки уточняется и дополняется. Научный язык во многом похож на повседневный язык общения людей, но отличается от него тем, что научные термины являются, во-первых, более общими и абстрактными и, во-вторых, они более сконцентрированы и точны. Наука стремится выявить общее в предметах и явлениях, которые она изучает.

Выделение общего ведет к абстракциям, т.е. отвлечению от единичного, конкретного, случайного. Наиболее общие и абстрактные понятия, идеи и концепции естествознания выражают, с одной стороны, глубокие, а с другой - общие свойства природы. Такими понятиями и концепциями оперирует в первую очередь физика как фундаментальная основа естествознания. К наиболее общим, важным, фундаментальным концепциям физического описания природы относятся материя, движение, пространство и время.

Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю. Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них. В классическом представлении в естествознании различают два вида материи: вещество и поле. В современном представлении к ним следует добавить третий вид материи - физический вакуум. Некоторые ученые в духе концепции корпускулярно-волнового дуализма объединяют вещество и поле в единую материю, которая действует на наши органы чувств и проявляется в одних условиях как вещество (физические тела, молекулы, атомы, частицы), а в других - как поле (свет, радиация, гравитация, радиоволны). Однако такое объединение в большей степени касается не макро-, а микромира, многие свойства которого носят квантово-механический характер.

В классической механике Ньютона в качестве вещественных образований выступают материальная частица малых размеров - корпускула, часто называемая материальной точкой, и физическое тело, или просто тело как единая система корпускул, каким-то образом связанных между собой. Вряд ли вызывает сомнение существование этих вещественных образований в различных конкретных формах: песчинка, камень, капля воды и т.п. Что касается проблемы делимости вещества или дилеммы «атомизм - безграничная делимость», то она в значительной степени решена физиками и химиками только в начале нашего столетия, когда было экспериментально подтверждено существование атомов и молекул - мельчайших частиц химического элемента и химических соединений.

Идеальными и предельно абстрактными физическими образами реально существующих частиц и тел в классической механике служат материальная точка и абсолютно твердое тело как система материальных точек.

Повседневный опыт показывает, что тела действуют друг на друга, порождая всевозможные изменения и движения. Взаимодействие тел в макромире происходит под действием силы тяготения или электромагнитных сил. В классической механике понятие силы считается фундаментальным.

Сила - физическая мера взаимодействия тел и причина изменения их механического движения, т.е. их перемещения относительно друг друга.

Источником силы в соответствии с законом всемирного тяготения является масса тел. Таким образом, понятие массы, введенное впервые Ньютоном, более фундаментально, чем понятие силы.

Согласно квантовой теории поля частицы, обладающие массой, могут рождаться из физического вакуума, представляющего собой совокупность частиц с соответствующими им античастицами, при достаточно высокой концентрации энергии, которая тем самым выступает как еще более фундаментальная и общая концепция, чем масса, поскольку энергия присуща не только веществу, но и безмассовым полям.

Развитие физики в XIX в. показало, что источником другой разновидности сил, действующих в макромире, - электрических и магнитных - является электрический заряд, что хорошо подтверждается законом Кулона, формулой для силы Лоренца и уравнениями электромагнитной теории Максвелла. Хотя и реальное существование электрического заряда доказано и теоретически, и экспериментально, многие вопросы, связанные с его происхождением, знаком, квантованностью и т.п., предстоит еще выяснить.

Возвращаясь к концепции массы, отметим, что в отличие от электрического заряда масса не квантируется. Однако, возможно, данное утверждение соответствует только современному представлению о микромире.

Масса выступает не только как мера гравитационного взаимодействия, но и как мера инертности тел, т.е. способности тел сопротивляться воздействиям сил, стремящихся изменить скорость их движения. В этой связи часто говорят о массе тяжелой как мере гравитационного взаимодействия и о массе инертной как мере инертности.

Согласно закону Ньютона о противодействующих силах утверждение означает, что сила тяготения должна быть прямо пропорциональной не только массе притягиваемого тела m1, но и массе притягивающего тела m2, т.е. произведению масс обоих взаимодействующих тел. Если взаимодействующие тела принять за материальные точки, расположенные на расстоянии r друг от друга, то для силы гравитационного взаимодействия F можно записать:

m1 m2

F=G · rІ



где G - гравитационная постоянная.

Данной формулой определяется закон всемирного тяготения, сформулированный Ньютоном.



3. Электромагнитная концепция

3.1 О передаче взаимодействия: этапы пути эфира

Проблема пустоты всегда вызывала и до сих пор вызывает оживленные дискуссии. В привычном для нас мире большинство взаимодействий осуществляется путем прямого контакта. Аристотель различал следующие силы - тягу, давление и удар. Основываясь на первых двух понятиях (где сила прилагается непосредственно, через поверхность), он вывел характеристики вращательного движения. Понятие удара вело к баллистическим движениям отброшенных тел, поэтому Аристотель, желая сохранить картину действия сил целостной, считал, что отброшенное тело «ведет» среда.

Аристотелево представление о невозможности «пустоты» было отвергнуто только в XVII в. благодаря ртутному барометру физика и математика Эванджелиста Торричелли (1608 - 1647), ученика Галилея. Он налил в закрытую с одного конца стеклянную трубку ртуть, поместил трубку открытым концом в сосуд, наполненный ртутью. Столб жидкости в трубке опустился до 750 мм над уровнем ртути в сосуде, и в верхней части трубки образовалось пространство без признаков присутствия в нем воздуха. Так Торричелли открыл существование вакуума, а полученное им безвоздушное пространство получило название торричеллиевой пустоты. Через несколько лет французский математик, физик, философ и писатель Блез Паскаль (1623 - 1662) остроумными опытами подтвердил гипотезу Торричелли. Большую известность получил опыт немецкого естествоиспытателя Отто фон Герике (1602 - 1686), бургомистра Магдебурга. Он соединил два медных полушария, откачал воздух из полученной сферы, и две упряжки по 8 лошадей в каждой не могли рассоединить эти полушария. Тогда же выяснилось чрезвычайно важное обстоятельство, что вакуум не проводит звук, не проводит свет.

Демокрит, Эпикур, Лукреций и Гассенди доказывали, что мир состоит из частиц - атомов и их комбинаций, которые движутся в пустоте, и что любое явление природы можно объяснить, исходя из перегруппировки этих атомов. Декарт, не веря в пустоту, говорил, что мир заполнен эфиром - тонкой материей, и через вихри в ней передаются взаимодействия. Ньютон дал ясную картину мира, в которой действовали механические законы, подчиняя себе движение материальных точек во Вселенной, одной из которых является и Земля.

К XVIII в. теория Ньютона, вытеснив господствовавшее в течение двух тысячелетий аристотелево учение, распространилась по всей Европе и стала критерием для проверки правильности любой другой системы. Ньютон не искал причин притяжения или отталкивания, ему было достаточно того, что его формулы позволяют предсказать будущее движение и заглянуть в прошлое. Установить закон, по которому изменяется числовое значение от точки к точке, - вот единственный ответ, который может дать наука. Все остальное не должно интересовать ученого.

Ньютонова теория сводилась, в основном, к движению и взаимодействию небесных тел в пустом пространстве, оставляя в стороне природу материи и происходящих в ней процессов. Ньютоновы корпускулы стали «заразительным» примером для последующих поколений ученых, занявшихся поиском материальных частиц, способных переносить на расстояние различные физические явления. Так появились флогистон (греч. phlogistos «горящий, сжигаемый») - некое летучее, невидимое и невесомое вещество, выделяемое из тел в процессе горения, теплород, электрические и магнитные флюиды Кулона и т.д.

В конце концов проблема приобрела четкую формулировку: либо всепроницающий эфир существует, является носителем поперечных упругих волн и при этом не препятствует движению планет, либо световые волны - фикция, не допускающая наглядного толкования, т.е. следовало как-то объяснить столь странное сочетание свойств эфира; в противном случае признать бессмысленным обсуждение свойств света и перестать аппелировать к волновым или корпускулярным представлениям. Однако все формулы Френеля соответствовали наблюдаемым фактам (тогда и теперь), и потому эфир Гюйгенса - Френеля сочетал в себе столь необычные свойства.

Во второй половине XIX в. Фарадей, Дж. К. Максвелл и Густав Герц создали теорию электромагнитного поля, уже не сводимую к ньютоновым принципам, поскольку на место дальнодействия было выдвинуто близкодействие, когда силы распространяются с конечной скоростью, и все взаимодействия сводятся к вихревым движениям в эфире. Свойства тел определялись свойствами заполняющего их эфира, и даже атомы стали трактовать как центры особых вихревых возмущений в эфире («вихревые атомы» Кельвина). Так эфир стал единственной материальной основой Вселенной.

Но электромагнитные свойства эфира не поддавались наглядной механистической интерпретации. Например, нельзя было объяснить магнетизм вихревыми движениями в твердом теле (каким должен быть эфир из-за поперечности колебаний) - такие движения возможны только в жидкостях, и если эфир обладал столь противоречивыми свойствами, их нужно было объяснить. Лоренц (1853 - 1928) восстановил материальность заряда, поскольку в конце XIX в. был открыт электрон и стали создаваться модели атома. Считая эфир неподвижным, Лоренц оставил ему лишь одно свойство - передавать взаимодействия, а подвижной, по его мнению, может быть только материя.

Этим и завершился этап классической физики, который Френкель образно представил как установление единого Бога в физике, пришедшего на место многих богов, ранее переносивших взаимодействия: в теории теплоты - теплород, в теории горения - флогистон и прочие флюиды.

Эфиру приписывали много самых противоречивых свойств, на самом же деле хотели доказать, что он способен переносить силы на расстояние. В 1845 г. Стокс уподобил эфир таким желеобразным веществам, как смола или сапожный вар: с одной стороны, они обладают достаточной жесткостью, чтобы не допускать упругих колебаний, с другой стороны, достаточно пластичны, позволяя другим телам медленно продвигаться сквозь них. Подобным образом, по его мнению, должен вести себя и эфир: как твердое тело - по отношению к быстрым колебаниям, например, световым, и как жидкость - относительно медленных движений небесных тел.

Но все попытки обращения к эфиру для объяснения передачи действия на расстоянии потерпели неудачу, поскольку на него механически переносили свойства обычной материи, хотя уже в начале XX в. понимали, что эфир не является однородным упругим телом нашей механики. Математические оценки, несмотря на свою логичность и безупречность, никак не объясняли волновые свойства света.

После появления специальной теории относительности Эйнштейна, поводом к созданию которой послужил эксперимент, не обнаруживший эффекта увлечения эфира при движении Земли (опыт Майкельсона и Морли, многократно повторенный во второй половине XIX - XX вв.), эфир практически исчез из научного обихода, уступив место понятию поля. Эйнштейн отнял у эфира последнее его свойство - неподвижность.

Тем не менее, некоторые ученые до сих пор занимаются «эфироискательством». Одни связывают эфир с материализацией духов, другие строят его из квантов или виртуальных частиц. В какой-то степени это можно объяснить традициями и инертностью приемов мышления.

3.2 Развитие полевой концепции описания свойств материи

В классическом представлении, как отмечалось выше, различают два вида материи: вещество и поле. К первому из них относятся атомы, молекулы и все построенные из них тела, структура и форма которых весьма разнообразны. Поле - особая форма материи (иногда его называют физическим полем). Поле - это то, что излучается, распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует с веществом. К настоящему времени известно несколько разновидностей полей: электромагнитное и гравитационное, поле ядерных сил, а также волновые (квантовые) поля, соответствующие различным элементарным частицам.

Ограничимся рассмотрением электромагнитного поля. Именно для описания электромагнитных явлений выдающийся английский физик Майкл Фарадей (1791 - 1867) в 30-е годы XIX в. впервые ввел понятие поля.

Наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи - электромагнитного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами, называется электродинамикой.

Электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни и в технике мы чаще всего встречаемся с различными видами электромагнитных взаимодействий: силы упругости, трения, силы наших мышц и мышц различных животных и т.д.

Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас предметы и тела, так как свет - одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без сил электромагнитной природы. Живые существа и даже человек, как показывают полеты космонавтов, способны длительное время находиться в состоянии невесомости, когда силы всемирного тяготения заметно не проявляются. Но если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы (химическая связь) и образование из вещества тел различной формы определяются исключительно электромагнитным взаимодействием.

К созданию электромагнитной теории поля привела длинная цепь случайных открытий и планомерных кропотливых исследований, начиная с обнаружения способности янтаря, потертого о шелк, притягивать легкие предметы и кончая предложением великим английским ученым Джеймсом Клерком Максвеллом идеи о порождении магнитного поля переменным электрическим полем.

Лишь после создания Максвеллом электромагнитной теории поля во второй половине XIX в. началось широкое практическое использование электромагнитных явлений. Изобретение радио русским физиком и электромехаником А.С. Поповым (1859 - 1906) - одно из первых важнейших применений принципов новой, электромагнитной, теории. При развитии электромагнитной теории поля впервые научные исследования предшествовали техническим применениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель или радиоприемник оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов электродинамики.

Многочисленное практическое применение электромагнитных явлений несомненно способствовало существенному преобразованию сферы деятельности человека и развитию цивилизации.

3.3 Концепции дальнодействия и близкодействия

Утверждению понятия поля в значительной мере способствовало стремление осознать дальнодействующий характер электрических сил и сил тяготения.

Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участия в данном процессе. Передача взаимодействия происходит мгновенно. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия. Сам И.Ньютон считал невероятным и даже невозможным подобного рода взаимодействие тел.

Основоположником концепции дальнодействия является французский математик, физик и философ Рене Декарт. Многие ученые придерживались этой концепции вплоть до конца XIX в.

Экспериментальные исследования электромагнитных явлений показали несоответствие концепции дальнодействия физическому опыту. Кроме того, данная концепция находится в противоречии с постулатом специальной теории относительности, в соответствии с которым передачи взаимодействий тел ограничена и не должна превышать скорости света в вакууме.

Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно, и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время. Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие заряженные частицы, т.е. взаимодействие передается через «посредника» - электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в пустоте - примерно 300 000 км/с. Это и составляет сущность новой концепции - концепции близкодействия, которая распространяется не только на электромагнитное, но и на другие виды взаимодействий. Согласно концепции близкодействия взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение - посредством гравитационного поля), непрерывно распределенных в пространстве.

3.4 Дискретность и непрерывность материи

Самое простое представление о поле дает сплошная среда, например вода, заполняющая некоторую область пространства (или вообще все пространство). Эта среда в разных точках может иметь, например, различную плотность или температуру, по-разному двигаться. Именно конкретное физическое свойство среды, разное в разных точках и доступное для измерений, физически определяет поле. В связи с этим различают поле температур, поле скоростей, силовое поле и т.д.

В философском плане разделение мира на тела и частицы, с одной стороны, и сплошную среду, поле и пустое пространство - с другой, соответствует выделению двух крайних свойств мира - дискретности и непрерывности.

Дискретность (или прерывность) означает «зернистость», конечную делимость пространственно-временного строения и состояния предмета или объекта, его свойств и форм движения (скачки), тогда как непрерывность выражает единство, целостность и неделимость объекта, сам факт его устойчивого существования. Для непрерывного нет границ делимого.

В математике этим философским категориям соответствуют дискретное множество натуральных чисел и непрерывное множество (континуум) действительных чисел. Для точного пространственно-временного описания свойств сплошной среды (и поля) был разработан специальный раздел математики.

Дискретные и непрерывные свойства мира в рамках классической физики первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые друг от друга, хотя в целом и дополняющие общее представление о мире. И только развитие концепции поля, главным образом для описания электромагнитных явлений, позволило понять их диалектическое единство. В современной квантовой теории это единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

После появления квантовой теории поля представление о взаимодействии существенно изменилось. Согласно данной теории любое поле является не непрерывным, а имеет дискретную структуру. Например, электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами - квантами электромагнитного поля, т.е. фотоны - переносчики этого поля. Аналогично другие виды взаимодействия возникают в результате обмена частиц квантами соответствующих полей. Например, в гравитационном взаимодействии, как предполагается, принимают участие гравитоны (их существование пока экспериментально не подтверждено).

Согласно полевой концепции участвующие во взаимодействии частицы создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние - поле сил, проявляющееся в силовом воздействии на другие частицы, помещенные в какую-либо точку данного пространства. Первоначально выдвигалась механическая интерпретация поля как упругих напряжений гипотетической среды эфира. Теория относительности, отвергнув эфир как особую упругую среду, вместе с тем придала фундаментальный смысл понятию поля как первичной физической реальности.

В современной квантовой физике на роль «эфира» может претендовать новый возможный вид материи - физический вакуум. Первые представления о нем дал один из создателей квантовой теории поля английский физик П.Дирак, хотя вакуум мы непосредственно не видим (он прозрачен для электромагнитных явлений и не оказывает никакого сопротивления движению материальных частиц и тел), но все же он может проявляться при взаимодействии с ним тех же частиц или электромагнитных волн (гамма- квантов), обладающих достаточной энергией. Если эта энергия превышает удвоенную энергию покоя, например электрона, то гамма-квант при наличии еще одной частицы (атомного ядра) может, исчезнув сама, породить пару электрон-позитрон, как бы «вырванную» из вакуума. Есть и другие свидетельства в пользу физического вакуума.

В истории физики за последние 300 лет предложены по крайней мере четыре разные концепции «эфира»: абсолютное пространство Ньютона, светоносный эфир Гюйгенса, гравитационный эфир Эйнштейна и физический вакуум Дирака.



3.5 Сущность электромагнитной теории Максвелла

В 60-х г. 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.

Из закона Фарадея следует, что любое изменение сцепленного с контуром магнитного потока приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) - индукции, вследствие чего появляется индукционный ток. Следовательно, возникновение электромагнитной индукции возможно и в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Однако ЭДС в любой цепи возникает только тогда, когда в ней на носителей тока действуют сторонние силы, т.е. силы не электростатического происхождения. Поэтому возникает вопрос о природе сторонних сил. Опыт показывает, что сторонние силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами в контуре; их возникновение нельзя также объяснить силами Лоренца, так как они на не подвижные заряды не действуют. Дж. Максвелл высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Согласно представлению Максвелла контур, в котором появляется ЭДС, играет второстепенную роль, являясь своего рода лишь «прибором», обнаруживающим это поле. Электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым.

Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения, обладающий способностью создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Ток смещения в вакууме не связан с движением зарядов, а обусловливается только изменением электрического поля во времени и вместе с тем возбуждает магнитное поле - в этом заключается принципиально новое утверждение Максвелла.

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться или движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), или переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.

В стационарном случае, когда электрическое и магнитное поля не изменяются во времени, источниками электрического поля являются только электрические заряды, а источниками магнитного - только токи проводимости. В данном случае электрическое и магнитное поля независимы друг от друга, что и позволяет изучать отдельно постоянные электрические и магнитные поля.

Уравнения Максвелла - наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. В учении об электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле - с порождаемым им магнитным, т.е. электрическое и магнитное поля неразрывно взаимосвязаны и образуют единое электромагнитное поле.

К электромагнитному полю применим только принцип относительности Эйнштейна, поскольку факт распространения электромагнитных волн с одинаковой скоростью в вакууме во всех системах отсчета не совместим с принципом относительности Галилея.

Список использованной литературы:

1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник под ред. акад. РАН М.Ф. Жукова. - Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1997. - 832с.

2. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. - М.: «Высшая школа», 2000.

3. Недельский Н.Ф., Олейников Б.И. Концепции современного естествознания: Учебное пособие / Под общей редакцией проф., д. ф.-м. н. Тулинова В.Ф. - Москва, 1996.

4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие. - М.: Гардарики, 1999.