vienas iš pagrindinių 2 pusėje iškilusias fizikos sąvokas. XVII a [nors terminas "P.f." į fiziką buvo įvestas daug vėliau nei anglų kalba. fizikas J.C. Maxwellas; matematinė išvaizda; terminas „laukas“ siejamas su anglų kalbos kūryba. matematikas W. R. Hamiltonas „On quaternions“ (W. R. Hamilton, Lectures on quarternions, Dublin, 1853)]. Nuo to laiko sąvoka P. f. ne kartą keitė savo prasmę, tačiau išliko visuose šio pokyčio etapuose glaudus ryšys su erdvės sąvoka, išreikšta P. f sąvokos vartojimu. apibūdinti erdvinį nenutrūkstamą fizinių. kiekiai Šiuolaikinės reprezentacijos fizikai apie P. f. atsiskleisti pagal dvi labai skirtingas linijas – klasikinę ir kvantinę. Klasikinė linija P. f koncepcijos plėtra. Ši eilutė prasideda Niutono dėsniu universalioji gravitacija (1687), kuris leido apskaičiuoti P. f. gravitacijos jėgų. Jis tęsiasi hidrodinamine. Eulerio (XVIII a. 50-ųjų) darbai, nagrinėjęs greičių pasiskirstymą erdvėje, užpildytoje judančiu idealiu skysčiu (greičio lauku). Didžiausi nuopelnai plėtojant P. f. koncepciją. priklauso anglams fizikas M. Faradėjus (XIX a. 30-ieji), detaliai sukūręs fizikos lauko linijų sampratą. Klasika koncepcijos raidos linija P. f. šakos į dvi. Pagrindinė šaka siejama su tyrimu P. f. elektrines ir magnetines jėgas (Kulono dėsnis, 1785), kurios iš pradžių buvo laikomos nepriklausomomis, bet dėl datų darbo. fizika H. Oerstedas (1821), prancūzas. fizikai A. Ampere'as (1826) ir Faraday'us (1831), jie buvo pradėti laikyti kartu – kaip vienos elektromagnetinės fizikos komponentai. Šiuo laikotarpiu P. f. sąvokos reikšmė. priklausė nuo idėjų apie jėgų veikimo pobūdį. Tolimojo veiksmo sampratoje, datuojamoje nuo Niutono, P. f. grojo aux. vaidmenį, jis buvo tik kaip sutrumpintas tuščios erdvės regiono, kuriame gali pasireikšti tolimojo nuotolio jėgos, pavadinimas. Žinant fizinės funkcijos potencialą, buvo galima kiekviename erdvės taške apskaičiuoti jėgą, veikiančią ten patalpintą kūną, nesiimant kūnų sąveikos dėsnio. Fizinių savybių nešėjai. tikrovė (masė, energija, impulsas, krūvis, jėga) šioje sąvokoje buvo kūnai, sąveikaujantys per atstumą be k.-l pagalbos. tarpininkai agentai. Nesant bent vieno iš sąveikaujančių kūnų, nebuvo ir jėgų, t.y. P. f. nepriklausomybės neturėjo. egzistavimą. Iš Dekarto kilusioje trumpojo nuotolio veiksmo koncepcijoje sąveika buvo vykdoma keičiant tarpinės terpės – eterio – būseną, užpildant visą erdvę. Energijos nešėjai šioje koncepcijoje buvo ne tik sąveika. kūnus, bet ir juos supantį eterį, kad kartu su galios lauku būtų galima kalbėti ir apie energijos lauką. Tuo pačiu metu, kaip ir mechanikos inžinerijoje. teorijos, kurios paaiškino mechaninių jėgų atsiradimą. eterio judėjimas ir tamprioji įtampa, o grynai elektromagnetinėse teorijose, dėl kurių eteris liko nejudantis ir nedeformuojamas, P. f. vis dar buvo atimta nepriklausomybė. egzistavimą. Būdamas eterio – substancijos, turėjusios pirminę tikrovę – būsenos pokyčiams, P. f. turėjo ontologinį jo atributo statusas, t.y. turėjo tik antrinę tikrovę. Šį pokytį lėmė atskiri P. f. šaltiniai. – srovės ir krūviai, kad su jais neatsiejamai susijęs P. f. būtų laisvas nuo P. šaltinių. f. eteris neegzistavo. Kitas žingsnis kuriant klasiką. sąvokos P. f. siejamas su laisvosios dinamikos teorijos pasiekimais. elektromagnetinis P. f. ( elektromagnetines bangas , kurio ypatingas atvejis yra šviesa), kuri, sukūrusi, gali egzistuoti nepriklausomai nuo ją sukūrusių šaltinių (Maxwell, 1864; Hertz, 1888). Dėl to tapo įmanoma priskirti P. f. pulsas. Tačiau, kadangi eteris ir toliau tarnavo kaip medžiagos nešiklis dinamikai. P.f., pastarajam vis tiek buvo atimta nepriklausomybė. egzistavimą, todėl impulsas P. f. (taip pat ir jo energija) iš tikrųjų buvo ne P. f., o eterio charakteristika. Dėl to sąvoka „lauko energija“ turėtų būti suprantama ne tiesiogine prasme, o kaip „energijos laukas“. Klasika elektromagnetinio Pf teorija. buvo baigtas A. Einšteino darbu apie specialų. reliatyvumo teorija (1905). Eterio atėmimas iš abs funkcijos. atskaitos sistema sukūrė galimybę priskirti P. f. savarankiškas egzistavimą. Nors šį sprendimą padiktavo ne būtinybė, tačiau dauguma fizikų jam pritarė. Iš materialios substancijos (eterio) būsenos pavirtęs į savarankišką. medžiaginė medžiaga, elektromagnetinė P. f. su medžiaga dalijasi energijos, impulso ir masės nešėjo funkcijomis. Energija ir impulsas ir toliau yra judėjimo charakteristikos. [Kartais materialios substancijos statusas priskiriamas ne P. f., o energijai. Taigi judėjimas (energija) (žr. F. Engelsas, Gamtos dialektika, 1964, p. 45, 78, 168) iš atributo virsta substancija. Šiuo atveju P. f. vis dar neturi nepriklausomybės. egzistavimą, bet tarnauja kaip nuolatinio energijos pasiskirstymo erdvėje charakteristika, dėl kurios frazė „energijos laukas“, o ne „lauko energija“ yra teisingesnė. Substancijos statusą energijai priskirianti kryptis kartais tapatinama su energingumu).] Antroji klasikos šaka. koncepcijos raidos kryptys P. f. siejamas su pažanga teorinėje srityje tyrimas P. f. gravitacijos jėgos (gravitacinė fizika). Pradedant nuo Niutono ir iki Einšteino darbo apie bendrąją reliatyvumo teoriją (XX a. 10-ieji), gravitacija buvo aiškinama remiantis tolimojo nuotolio jėgų idėja ir negalėjo būti įtraukta į sąvokos „reliatyvumo“ rėmus. trumpo nuotolio veiksmas. Remdamasis inercinės ir sunkiosios masės lygybės faktu, Einšteinas suformulavo reliatyvistinę gravitacijos teoriją. P. f., kuris apima ir gravitacinį P. f. Erdvės savybės apibūdinamos tuo pačiu dydžiu. Tai leidžia žengti naują žingsnį plėtojant P. f. koncepciją. palyginti su tuo, kas buvo pasiekta klasikinėje reliatyvistinė elektromagnetizmo teorija. specialistas. Reliatyvumo teorija pirmą kartą atskleidė pagrindinį elektromagnetinės energijos vaidmenį. f. nustatant metrines erdvės ir laiko charakteristikas, kurios, kaip paaiškėjo, priklauso nuo šviesos greičio. Tačiau erdvės ir laiko kontinuumas jame vis tiek išliko nepriklausomas elementas fizinis tikrovė, tarnaujanti tik kaip P. f. sąveikos arena. ir medžiagos. Tai galima būtų laikyti kažkuo absoliučiu, nes P. f. o materija egzistavo erdvėlaikyje. Bendrojoje reliatyvumo teorijoje tikrovės erdvės ir laiko aspektą visiškai išreiškia gravitacija. Pf, priklausomai nuo keturių koordinačių parametrų (trijų erdvinių ir vieno laiko). „...Tai yra šio lauko savybė Jei įsivaizduosime, kad laukas pašalintas, tada neliks „erdvės“, nes erdvė neturi savarankiškos egzistencijos“ (Einšteinas?., Reliatyvumo teorijos esmė. , M., 1955, p. 147). Tą patį, be abejo, galima pasakyti ir apie laiką. Prieinamumas klasikinis dviejų tipų fizika. realybe, radikaliai skiriasi savo erdvinė struktūra(P. f. ir medžiagos), taip pat dviejų kokybiškai skirtingų tipų P. f. (elektromagnetinis ir gravitacinis) sukėlė daugybę. bando sukurti nuoseklią vieningą P. f. teoriją, kurioje, viena vertus, gravitacija ir elektromagnetizmas neturėtų būti logiškai atskiri P. f. tipai, bet įvairių aspektų vienas, vienvietis P. f.; kita vertus, materijos dalelės jame turėtų būti aiškinamos kaip ypatingi Pf. regionai, kad Pf. o jos šaltiniai, interpretuojami kaip specialūs Pf. taškai (singuliarumai), būtų vienybė. fizinės apibūdinimo priemonės realybe. Tačiau sėkmės stoka vėliau ir įtikins. tokios programos įgyvendinimas sukėlė didelį skepticizmą jos atžvilgiu, todėl šiuo metu. Tuo metu ji neturi daug šalininkų. Kvantinė P. f koncepcijos raidos linija. Ši linija tęsiasi iki šiol. laiko, atsirado dėl poreikio interpretuoti fotoelektrinio efekto tyrimo eksperimentų rezultatus. Iki L. de Broglie (1924) darbų šviesos, kaip erdviškai atskirų dalelių (fotonų) srauto, idėja, kurią Einšteinas pristatė 1905 m. šiems eksperimentams paaiškinti, atrodė nesuderinama su klasikine. šviesos kaip erdvėje nenutrūkstamos fizinės funkcijos idėja. De Broglie teigė, kad kiekviena dalelė (ir ne tik fotonas) turi bangų funkciją, susijusią su ja. Bangų ir dalelių dvilypumas taip pat tapo esminiu nereliatyvistinės kvantinės mechanikos bruožu. Tačiau ?-laukas jame nėra taip tiesmukai ontologizuotas kaip de Broglie ir jo idėjas plėtojusių E. Schrödingerio (1926, 1952) ir D. Bohmo (1952) idėjos. Remiantis Kopenhagos kvantinės mechanikos interpretacija, kuria dalijamasi šiandien. laiko, didžioji dauguma mokslininkų, ?-laukas yra vadinamasis. Tikimybių laukas (žr. Mikrodalelės). Reliatyvistiniu požiūriu kvantinė teorijašiuolaikinėje jos raidos etapas, banginių funkcijų kvantinė teorija. yra vienintelis. elementariųjų dalelių ir jų sąveikos apibūdinimo būdas. Jos rėmuose P. f. koncepcija. yra toliau tobulinamas. Dėl bet kokių elementariųjų dalelių banginių savybių ir visų P. f. kvantinių (korpuskulinių) savybių kiekvienas P. f. (buvusiąja, klasikine prasme) kartu yra ir dalelių kolektyvas, o kiekvienas dalelių rinkinys (ankstąją, klasikine prasme) reiškia funkcinę funkciją. Taigi, reliatyvistinė kvantinė teorija naujas pagrindas grįžta prie banginių dalelių dualizmo ontologizavimo, traktuodamas Schrödingerio lauką kaip klasikinį. P. f. materija (žr. E. Henley ir W. Thirring, Elementary quantum field theory, Moscow, 1963, p. 19). Reikšminga, kad ontologinis. dalelių lygybė ir P. f. vyksta tik atsižvelgus į vadinamąjį v i r t u a l p a c t s. Jei atsižvelgsime tik į realias dalis, tai P. f. pasirodo ontologiškai reikšmingesnis, nes turi vakuuminę būseną, kurioje nėra tikrų dalelių (bet yra neapibrėžtas kintamas kiekis virtualios dalelės, kurio egzistavimas pasireiškia Pf vakuuminės būsenos svyravimais.). Dažnai skiriami P. f. dalelės-sąveikos šaltiniai ir P. f. dalelės pereina į sąveiką. Taip yra dėl to, kad šaltinio dalelių sąveika aiškinama kaip virtualių Pf kvantų mainai, kurie tarnauja kaip sąveikos nešėjas. Esant pakankamam sąveikos intensyvumui (intensyvumo matas yra energija), virtualūs kvantai gali virsti tikraisiais, sukeldami vadinamųjų egzistavimą. nemokamas P. f. Laisvosios funkcinės funkcijos, apibūdinančios dalelių būklę prieš ir po sąveikos, nėra stebimos, nes stebėjimas kvantinėje mechanikoje yra neatsiejamas nuo sąveikos. Paskutinis, žiūrint iš taško. P. f. kvantinė teorija yra ne kas kita, kaip vieno apibrėžimo transformacija. būklė P. f. (dalelių rinkinys) į kitą. Sąveika su P. f. dažniausiai aiškinamas remiantis dalelių sugerties ir emisijos samprata. Šios dalelės gali būti realios arba virtualios. Virtualioms dalelėms energija ir impulsas paklūsta išsaugojimo dėsniams tik iki santykių neapibrėžtumo, todėl mažais atstumais didelis skaičius virtualios dalelės. Tai veda prie to, kad esant sąveikai minėti paprastas ryšys tarp dalelių ir P. f. Sąveikaujančios dalelės (taip pat ir viena reali dalelė, kuri, nesant kitų, sąveikauja su vakuumu, taip pat su savo PF, kurios šaltinis ji pati yra) yra apsupta virtualių dalelių debesies. Griežtai kalbant, vienos dalies nebegalima lyginti su tikra dalele. P. f. Dr. žodžiais, jos įvaizdis vienu ar kitu laipsniu apima P. f. visos kitos elementarios dalelės. Pagrindinis šių laikų sunkumai kvantinė teorija P. f. slypi tame, kad trūksta metodų, kaip tiksliai išspręsti sąveikaujančių funkcinių funkcijų lygtis. Kvantinėje elektrodinamikoje (elektromagnetinių ir elektronų-pozitroninių funkcijų sąveikos teorijoje) apytikslį tokių lygčių sprendimą palengvina sąveikos jėgos mažumas, todėl galima naudoti supaprastintą sąveikos modelį (perturbacijos teoriją). Stipriųjų sąveikų teorijoje, kur kvantinė teorija P. f. yra tik diagrama, dar nėra griežtai išspręsta be prielaidos, kad sąveika yra nedidelė. Poreikis pritraukti visus P. f. (įskaitant gravitacinį, kuriam taip pat taikomas kvantinis metodas), siekiant tiksliai aprašyti elementariųjų dalelių sąveiką, kilo noras sukurti vieningą kvantinę teoriją. Pf nebūtų paėmęs iš patirties viso elementariųjų dalelių masių ir sukimų spektro, o būtų gavęs jį automatiškai. Garsiausias bandymas šia kryptimi priklauso Heisenbergui (vienos netiesinės spiporinės fizikos teorija - „pirma materija“), kuri vis dėlto dar neatnešė apčiuopiamų fizinių rezultatų. rezultatus. Minėti Pf kvantinės teorijos sunkumai. gimė idėja pakeisti P. f operatorių lygtis. sudaryti tokią lygčių sistemą, kuri remtųsi tik bendromis sklaidos matricos savybėmis (S-matrica), kuri tiesiogiai sieja laisvosios funkcinės funkcijos būseną. prieš ir po sąveikos ir nepretenduotų į išsamų sąveikos procesų erdvėlaikinį aprašymą. Šiuo keliu į dabartį. Tuo metu kai kurie mokslininkai kėlė radikalius reikalavimus visiškai atsisakyti Pf sąvokos vartojimo. Tai daroma remiantis prielaida, kad erdvės ir laiko kontinuumo sąvoka neturi fizinės reikšmės. prasmė šiuolaikiškai mikrofizika ir jos statusas panašus į eterio sąvoką XIX a. fizikoje. (žr. G. F. Chew „Abejotinas erdvės-laiko kontinuumo vaidmuo mikroskopinėje fizikoje“, žurnale: „Science Progress“, 1963, t. 51, Nr. 204, p. 529). Tuo pačiu metu atsisakoma naudoti erdvės ir laiko sąvokas (o kartu ir idėjas apie P. f. ) mikrofizikoje, žinoma, jokiu būdu nereiškia atsisakymo juos naudoti makrofizikoje (taip pat žr. E. I. Zimmerman, The macroscopio nature of space-time, žurnale: "American Journal of Physics", 1962, v. 30, p. 97). Tačiau dauguma mokslininkų vis dar mano, kad būtina vartoti sąvoką P. f. (ir kartu su juo, žinoma, erdvės ir laiko reprezentacija) kaip ontologinis. elementariųjų dalelių sąveikos aprašymo pagrindas. Šiuo keliu P. f. teorijoje. kyla, ypač įdomi idėja apie egzistavimą gamtoje vadinamųjų. kompensiruyuschih P.f., kurių kiekvienas yra atsakingas už vienokių ar kitokių pagrindinių fizinių savybių išsaugojimą. kiekiai sąveikos metu. Sudėtinga metodinė problemų, kylančių dėl šiuolaikinių idėjos apie P. f., itin įvairiapusės. Tai susiję su labai abstrakčios matematikos interpretavimo problema. modernus prietaisas teorija apie P. f. (ypač tai apima virtualių dalelių ontologinio statuso klausimą) ir sąveikos apibūdinimo metodų problemą (Hamiltono formalizmas ar S matrica?). Paskutinė problema panaši sena problema judėjimo išraiškos sąvokų logikoje, fiksuotos Zenono Elėjos aporijose: kaip apibūdinti sąveiką – per jos rezultatus (S-matrica) arba per jos erdvinę-laikinę eigą (Hamiltono formalizmas). Tai taip pat apima sąveikos aprašymo adekvatumo problemą, pagrįstą dep. idėjos apie P. f. ir apie jo šaltinį, kurį 30-aisiais iškėlė Pauli. Diskusijos visais šiais ir daugeliu kitų metodinių klausimų. P. f. teorijos problemos. yra vykdomi ir dar toli gražu nėra baigti. Lit.: Maxwell D.K., Izbr. op. pagal teoriją elektro magnetinis laukas, vert. [iš anglų kalbos], M., 1954; Einšteinas?., Infeld L., Fizikos evoliucija, vert. iš anglų k., 2 leidimas, M., 1956; Ovčinikovas?. ?., Masės ir energijos samprata jų istorine prasme. plėtra ir filosofija reikšmė, M., 1957, p. 177; Markovas. ?., Hiperonai ir K-mezonai, M., 1958; jis, o modernus. atomizmo forma, „VF“, 1960, Nr. 3, 4; Steinman R. Ya., Erdvė ir laikas, M., 1962, p. 68, 143; Kuznecovas B.G., Fizikos raida. idėjos nuo Galilėjaus iki Einšteino šiuolaikinių laikų šviesoje. Mokslai, M., 1963, sk. 2, 3, 4; Whitaker?., Istorija eterio ir elektros teorijos. Klasikinės teorijos, L.–, 1951 m.
Fizinis laukas- tai ypatinga materijos forma, egzistuojanti kiekviename erdvės taške ir pasireiškianti darant įtaką medžiagai, kuri turi savybę, susijusią su ta, kuri sukūrė šį lauką. Pagrindinis skirtumas yra lygumas.
korpusas + krūvio laukas kūnas + krūvis
Fizinių laukų savybės
Yra esminis materijos ir lauko elgsenos skirtumas. Medžiaga visada turi aštrią užimamo tūrio ribą, bet laukas iš esmės negali turėti aštrios ribos, ji sklandžiai keičiasi iš taško į tašką.
Viename erdvės taške gali egzistuoti begalinis skaičius fizinių laukų, kurie nedaro įtakos vienas kitam.
Laukas ir materija gali vienas kitą paveikti.
Matematinė laukų klasifikacija
Elektromagnetinis laukas- tai ypatinga materijos forma, kuriai būdinga vektorių E ir H reikšmė kiekviename erdvės taške.
Laukai skirstomi į: skaliarinį, vektorinį, tenzorinį.
Skaliariniai laukai yra tam tikra skaliarinė funkcija, kurios apibrėžimo sritis yra nuolat paskirstyta kiekviename erdvės taške.
Skaliarinis laukas apibūdinamas lygiu paviršiumi, kuris pateikiamas pagal lygtį:
(1.1)
Vektorinis laukas yra ištisinis vektorinis dydis, kurio apibrėžimo sritis nurodyta kiekviename erdvės taške.
APIE 
Pagrindinė šio lauko charakteristika yra vektorinė linija. Tai yra linija, kurios kiekviename taške lauko vektorius nukreiptas tangentiškai.
Fizinis elektros linijų registravimas:
(1.2)
Tenzorinis laukas yra nuolatinis tenzorinis dydis, paskirstytas erdvėje.
tenzoras 
(1.3)
Diferencinės fizikinių laukų charakteristikos
Gradientas yra skaliariniam laukui būdingas vektorius. Skaliarinės funkcijos gradientas yra vektorius, kuris skaitiniu požiūriu yra lygus šios funkcijos išvestinei normalės link lygaus paviršiaus ir nukreiptas išilgai šios normalės.
(1.4)
Gradiento savybės:
gradientas yra skaitiniu požiūriu lygus maksimalus greitis funkcijų pokyčiai.
D 
atvaizdavimas:
(1.5)
gradiento kryptis sutampa su greičiausio funkcijos pokyčio kryptimi.
(1.6)
Divergencija yra vektorinio lauko skaliarinė charakteristika. Vektoriaus lauko divergencija 
yra srauto santykio per uždarą paviršių riba S iki tūrio, esančio šiame paviršiuje.
(1.7)
- tam tikras srautas
(1.8)
D 
Ivergencija apibūdina šaltinių buvimą arba nebuvimą tam tikrame lauko taške (kur laukas prasideda arba baigiasi).
Jei kuriuo nors momentu 
, tada šioje vietoje yra lauko šaltinis, t. y. jo pradžia ir vieta, kur laukas baigiasi 
, ir šis taškas vadinamas nutekėjimu. Taške, kur nėra šaltinių 
.
M. Faradėjus į mokslą įstojo vien dėl savo talento ir kruopštumo saviugdoje. Atvyksta iš neturtinga šeima, dirbo knygrišykloje, kur susipažino su mokslininkų ir filosofų darbais. Garsus anglų fizikas G. Davy (1778-1829), prisidėjęs prie M. Faradėjaus patekimo į mokslo bendruomenę, kartą yra sakęs, kad didžiausias jo pasiekimas moksle buvo M. Faradėjaus „atradimas“. M. Faradėjus išrado elektros variklį ir elektros generatorių, t.y. mašinas elektrai gaminti. Jis sugalvojo, kad elektra turi vienintelę fizinę prigimtį, tai yra, nepriklausomai nuo to, kaip ji gaunama: judant magnetui ar praeinant laidininke elektra įkrautoms dalelėms. Siekdamas paaiškinti elektros krūvių sąveiką per atstumą, M. Faradėjus pristatė fizikinio lauko sampratą. Fizinis laukas jis reprezentavo pačios erdvės aplink elektra įkrautą kūną savybę veikti fizinis poveikisį kitą įkrautą kūną, patalpintą šioje erdvėje. Naudodamas metalo daleles, jis parodė jėgų, veikiančių erdvėje aplink magnetą (magnetinės jėgos) ir elektra įkrautą kūną (elektrą), vietą ir buvimą. M. Faradėjus savo mintis apie fizinį lauką išdėstė laiške-testamente, kuris buvo atidarytas tik 1938 m., dalyvaujant Londono nariams. Karališkoji draugija. Šiame laiške buvo išsiaiškinta, kad M. Faradėjus turėjo lauko savybių tyrimo techniką ir jo teorijoje elektromagnetinės bangos sklinda baigtiniu greičiu. Priežastys, kodėl jis išdėstė savo idėjas apie fizinį lauką testamento laišku, galbūt yra šios. Prancūzų fizikos mokyklos atstovai pareikalavo iš jo teorinio elektrinių ir magnetinių jėgų ryšio įrodymų. Be to, fizinio lauko sąvoka, anot M. Faradėjaus, reiškė, kad elektrinės ir magnetinės jėgos sklinda nuolat iš vieno lauko taško į kitą, todėl šios jėgos turi trumpojo nuotolio jėgų pobūdį. o ne tolimojo, kaip tikėjo C. Coulombas. M. Faradėjus turi dar vieną vaisingą idėją. Tyrinėdamas elektrolitų savybes, jis atrado, kad elektrą formuojančių dalelių elektros krūvis nėra trupmeninis. Ši mintis pasitvirtino
nustatant jau esantį elektrono krūvį pabaigos XIX V.
D. Maksvelo elektromagnetinių jėgų teorija
Kaip ir I. Niutonas, D. Maksvelas pateikė visus elektrinių ir magnetinių jėgų tyrimų rezultatus teorinė forma. Tai atsitiko 70-aisiais metų XIX V. Jis suformulavo savo teoriją, remdamasis elektros ir magnetinių jėgų sąveikos komunikacijos dėsniais, kurių turinį galima pavaizduoti taip:
1. Bet kokia elektros srovė ją supančioje erdvėje sukelia arba sukuria magnetinį lauką. Nuolatinė elektros srovė sukuria pastovų magnetinį lauką. Bet pastovus magnetinis laukas (fiksuotas magnetas) išvis negali sukurti elektrinio lauko (nei pastovaus, nei kintamo).
2. Susidaręs kintamasis magnetinis laukas sukuria kintamąjį elektrinį lauką, kuris savo ruožtu sukuria kintamąjį magnetinį lauką,
3. Elektrinio lauko linijos uždarytos elektros krūviais.
4. Magnetinio lauko linijos yra uždaros pačios savaime ir niekada nesibaigia, t.y., magnetiniai krūviai gamtoje neegzistuoja.
D. Maksvelo lygtyse buvo keletas pastovus C, kuris nurodė, kad elektromagnetinių bangų sklidimo greitis fizikiniame lauke yra baigtinis ir sutampa su šviesos sklidimo greičiu vakuume, lygus 300 tūkst. km/s.
Pagrindinės elektromagnetizmo sąvokos ir principai.
D. Maksvelo teoriją kai kurie mokslininkai vertino su didelėmis abejonėmis. Pavyzdžiui, G. Helmholtzas (1821-1894) laikėsi požiūrio, pagal kurį elektra yra „nesvarus skystis“, sklindantis begaliniu greičiu. Jo prašymu G. Hercas (1857 m.
1894) pradėjo eksperimentą, įrodantį sklandžią elektros prigimtį.
Iki to laiko O. Fresnelis (1788-1827) parodė, kad šviesa sklinda ne išilginėmis, o skersinėmis bangomis. 1887 metais G. Hertzui pavyko sukonstruoti eksperimentą. Šviesa erdvėje tarp elektros krūvių sklinda skersinėmis bangomis 300 tūkst. km/s greičiu. Tai leido jam pasakyti, kad jo eksperimentas pašalina abejones dėl šviesos tapatumo, šiluminė spinduliuotė ir banginis elektromagnetinis judėjimas.
Šis eksperimentas tapo pagrindu sukurti elektromagnetinį fizinį pasaulio vaizdą, kurio vienas iš šalininkų buvo G. Helmholtzas. Jis tuo tikėjo viskuo fizinės jėgos, dominuojantis iš prigimties, turi būti paaiškintas traukos ir atstūmimo pagrindu. Tačiau kuriant elektromagnetinį pasaulio vaizdą iškilo sunkumų.
1. Pagrindinė Galilėjaus-Niutono mechanikos samprata buvo substancijos samprata,
turinčios masę, bet pasirodo, kad materija gali turėti krūvį.
Krūvis – tai fizinė medžiagos savybė sukurti aplink save fizinį lauką, kuris fiziškai veikia kitus įkrautus kūnus ir medžiagas (trauka, atstūmimas).
2. Medžiagos krūvis ir masė gali turėti skirtingų dydžių ty jie yra atskiri dydžiai. Tuo pačiu metu fizinio lauko samprata suponuoja perdavimą fizinė sąveika nuolat iš vieno taško į kitą. Tai reiškia, kad elektrinės ir magnetinės jėgos yra trumpo nuotolio jėgos, nes fiziniame lauke nėra tuščios vietos, kuri nebūtų užpildyta elektromagnetinėmis bangomis.
3. Galilėjaus-Niutono mechanikoje galimas be galo didelis greitis
fizinė sąveika, čia taip pat teigiama, kad elektromagnetinis
bangos sklinda dideliu, bet ribotu greičiu.
4. Kodėl gravitacijos jėga ir elektromagnetinės sąveikos jėga veikia nepriklausomai viena nuo kitos? Tolstant nuo Žemės, gravitacija mažėja ir silpnėja, o elektromagnetiniai signalai veikia erdvėlaivis lygiai taip pat kaip ir Žemėje. XIX amžiuje taip pat įtikinamą pavyzdį būtų galima pateikti be erdvėlaivio.
5. Atidarymas 1902 m P. Lebedevas (1866-1912) – Maskvos universiteto profesorius – šviesos slėgis paaštrino klausimą apie šviesos fizikinę prigimtį: ar tai dalelių srautas, ar tik tam tikro ilgio elektromagnetinės bangos? Spaudimas, kaip fizikinis reiškinys, siejamas su materijos samprata, su diskretiškumu – tiksliau. Taigi šviesos slėgis parodė atskirą šviesos, kaip dalelių srauto, prigimtį.
6. Gravitacijos ir elektromagnetinių jėgų mažėjimo panašumas – pagal dėsnį
„atvirkščiai proporcingas atstumo kvadratui“ - iškėlė pagrįstą klausimą: kodėl atstumo kvadratas, o, pavyzdžiui, ne kubas? Kai kurie mokslininkai pradėjo kalbėti apie elektromagnetinį lauką kaip vieną iš „eterio“, užpildančio erdvę tarp planetų ir žvaigždžių, būsenų.
Visi šie sunkumai kilo dėl to meto žinių apie atomo sandarą trūkumo, tačiau M. Faradėjus buvo teisus sakydamas, kad nežinant, kaip atomas yra sandarus, galime tyrinėti reiškinius, kuriais jis reiškiasi. fizinė prigimtis. Iš tiesų, elektromagnetinės bangos neša reikšmingą informaciją apie procesus, vykstančius atomų viduje cheminiai elementai ir medžiagos molekules. Jie suteikia informacijos apie tolimą Visatos praeitį ir dabartį: apie temperatūrą kosminiai kūnai, jų cheminė sudėtis, atstumas iki jų ir kt.
7. Šiuo metu naudojama tokia elektromagnetinių bangų skalė:
radijo bangos, kurių bangos ilgis nuo 104 iki 10 -3 m;
infraraudonųjų bangų- nuo 10-3 iki 810-7 m;
matoma šviesa - nuo 8 10-7 iki 4 10-7 m;
ultravioletinės bangos - nuo 4 10-7 iki 10-8 m;
Rentgeno bangos (spinduliai) - nuo 10-8 iki 10-11 m;
gama spinduliuotė - nuo 10-11 iki 10-13 m.
8. Kalbant apie praktinius elektrinių ir magnetinių jėgų tyrimo aspektus, tai buvo atlikta XIX a. greitas tempas: pirmas telegrafo linija tarp miestų (1844), tiesiant transatlantinį kabelį (1866), telefoną (1876), kaitrinę lempą (1879), radiją (1895).
Mažiausia elektromagnetinės energijos dalis yra fotonas. Tai mažiausias nedalomas elektromagnetinės spinduliuotės kiekis.
sensacinga pradžios XXI V. yra rusų mokslininkų iš Troicko (Maskvos sritis) sukurtas polimeras, pagamintas iš anglies atomų, turintis magneto savybių. Paprastai buvo manoma, kad metalų buvimas medžiagoje yra atsakingas už magnetines savybes. Šio polimero metališkumo tyrimas parodė, kad jame nėra metalų.
Laukas– viena iš materijos egzistavimo formų ir, ko gero, pati svarbiausia. „Lauko“ sąvoka atspindi faktą, kad elektrinės ir magnetinės jėgos veikia ribotu greičiu per atstumą, tarpusavyje ir nuolat generuodamos viena kitą. Laukas spinduliuojamas, erdvėje sklinda ribotu greičiu ir sąveikauja su medžiaga. Faradėjus suformulavo lauko idėjas kaip nauja forma materiją, o raštelius įdėjo į užklijuotą voką, palikdamas jį atplėšti po jo mirties (šis vokas buvo atrastas tik 1938 m.). Faradėjus panaudojo (1840) visuotinio energijos išsaugojimo ir transformavimo idėją, nors pats įstatymas dar nebuvo atrastas.
Savo paskaitose (1845 m.) Faradėjus kalbėjo ne tik apie lygiaverčius energijos virsmus iš vienos formos į kitą, bet ir apie tai, kad jis jau seniai bandė „atrasti tiesioginį ryšį tarp šviesos ir elektros“ ir kad „jam pavyko įmagnetinti ir elektrifikuoti šviesos spindulys ir apšviečia magnetinės jėgos liniją." Jam priklauso erdvės aplink įkrautą kūną tyrimo metodas, naudojant bandomuosius kūnus, įvadas į lauko vaizdą elektros linijos. Jis aprašė savo eksperimentus sukant šviesos poliarizacijos plokštumą magnetiniu lauku. Medžiagų elektrinių ir magnetinių savybių ryšio tyrimas paskatino Faradėjų ne tik atrasti para- ir diamagnetizmą, bet ir sukurti pagrindinę idėją - lauko idėją. Jis rašė (1852): „Ją supanti aplinka ar erdvė atlieka tokį pat svarbų vaidmenį kaip ir pats magnetas, nes yra tikros ir išbaigtos magnetinės sistemos dalis.
Faradėjus parodė, kad elektrovaros indukcijos jėga E atsiranda pasikeitus magnetiniam srautui F(atidarymas, uždarymas, srovės keitimas laiduose, artėjimas prie magneto ar jo pašalinimas ir kt.). Maxwellas išreiškė šį faktą taip: E = -dF/dt. Pasak Faradėjaus, gebėjimas sukelti sroves pasireiškia ratu aplink magnetinį rezultantą. Anot Maksvelo, kintamąjį magnetinį lauką supa sūkurinis elektrinis laukas, o minuso ženklas siejamas su Lenco taisykle: indukuota srovė kyla tokia kryptimi, kad užkirstų kelią ją generuojančiam pokyčiui. Pavadinimas rot – iš anglų kalbos. rotorius - sūkurys. 1846 metais F. Neumannas nustatė, kad indukcinei srovei sukurti reikia išleisti tam tikrą energijos kiekį.
Apskritai Maxwello parašyta lygčių sistema vektorinė forma, turi kompaktišką formą:
Į šias lygtis įtraukti elektrinės ir magnetinės indukcijos vektoriai (D ir B) bei elektrinio ir magnetinio lauko stiprumo vektoriai (E ir H) yra susiję nurodytais paprastais ryšiais su dielektrine konstanta e ir terpės magnetine pralaidumu μ. Šios operacijos naudojimas reiškia, kad magnetinio lauko stiprumo vektorius sukasi aplink srovės tankio vektorių j.
Pagal (1) lygtį bet kokia srovė sukelia magnetinio lauko atsiradimą supančioje erdvėje, nuolatinė srovė – pastovų magnetinį lauką. Toks laukas negali sukelti elektrinio lauko „kituose“ regionuose, nes pagal (2) lygtį tik kintantis magnetinis laukas sukuria srovę. Aplink AC taip pat sukuriamas kintamasis magnetinis laukas, galintis „kitame“ erdvės elemente sukurti bangos elektrinį lauką, nuolatinę bangą - tuštumos magnetinio lauko energija visiškai paverčiama elektros energija ir atvirkščiai. Kadangi šviesa keliauja forma skersinės bangos, galima padaryti dvi išvadas: šviesa yra elektromagnetinis trikdis; elektromagnetinis laukas sklinda erdvėje skersinių bangų pavidalu greičiu Su= 3 10 8 m/s, priklausomai nuo terpės savybių, todėl „momentinis tolimojo veikimo veiksmas“ neįmanomas. Taigi šviesos bangose virpesius sukelia elektrinių ir magnetinių laukų intensyvumas, o bangos nešėja yra pati erdvė, kuri yra įtampos būsenoje. O dėl poslinkio srovės jis sukurs naują magnetinį lauką ir taip toliau iki begalybės .
(3) ir (4) lygčių reikšmė aiški – (3) aprašo elektrostatinė teorema Gauso ir apibendrina Kulono dėsnį, (4) atspindi magnetinių krūvių nebuvimo faktą. Divergencija (iš lat. skirtis - aptikti neatitikimą) yra šaltinio matas. Jei, pavyzdžiui, stikle šviesos spinduliai negimsta, o tik pro jį praeina, divD = 0. Saulė, kaip šviesos ir šilumos šaltinis, turi teigiamą divergenciją, o tamsa – neigiamą. Todėl elektrinio lauko linijos baigiasi krūviais, kurių tankis yra p, o magnetinio lauko linijos yra uždaros ir niekur nesibaigia.
Požiūrių sistema, sudariusi Maksvelo lygčių pagrindą, buvo vadinama Maksvelo elektromagnetinio lauko teorija. Nors šios lygtys yra paprastos, kuo daugiau Maksvelas ir jo pasekėjai jas dirbo, tuo gilesnė jų reikšmė jiems buvo atskleista. G. Hertzas, kurio eksperimentai buvo pirmasis tiesioginis Faradėjaus-Maksvelo elektromagnetinio lauko teorijos pagrįstumo įrodymas, rašė apie Maksvelo lygčių neišsemiamumą: „Negalite studijuoti šios nuostabios teorijos, kartais nepatirdami jausmo, kad matematines formules gyventi savo gyvenimą, turi savo protą – atrodo, kad šios formulės yra protingesnės už mus, protingesnės net už patį autorių, tarsi jos duoda mums daugiau, nei jose buvo iš pradžių.
Lauko dauginimo procesas tęsis neribotą laiką formoje neslopinama banga- magnetinio lauko energija tuštumoje visiškai paverčiama elektros energija ir atvirkščiai. Tarp konstantų, įtrauktų į lygtis, buvo konstanta c; Maksvelas nustatė, kad jo vertė lygiai tokia pati kaip šviesos greitis. Į šį sutapimą buvo neįmanoma nekreipti dėmesio. Taigi šviesos bangose virpesius sukelia elektrinių ir magnetinių laukų intensyvumas, o bangos nešėja yra pati erdvė, kuri yra įtampos būsenoje.
šviesos banga- tai elektromagnetinė banga,„bėgdamas erdvėje ir atskirtas nuo jį skleidžiančių užtaisų“, kaip sakė Weiskopf. Jis palygino Maxwello atradimo svarbą su Niutono gravitacijos dėsnio atradimu. Niutonas susiejo planetų judėjimą su gravitacija Žemėje ir atrado pagrindinius dėsnius, reguliuojančius mechaninį masių judėjimą veikiant jėgoms. Maksvelas sujungė optiką su elektra ir išvedė pagrindinius dėsnius (Maksvelo lygtis), reguliuojančius elektrinių ir magnetinių laukų elgesį bei jų sąveiką su krūviais ir magnetais. Niutono darbai paskatino įvesti visuotinio gravitacijos dėsnio sampratą, Maksvelo darbus – elektromagnetinio lauko sampratą ir nustatyti jo sklidimo dėsnius. Jei elektromagnetinis laukas gali egzistuoti nepriklausomai nuo medžiagos nešiklio, tai tolimojo nuotolio veiksmas turi užleisti vietą trumpojo nuotolio veikimui, laukams, sklindantiems erdvėje ribotu greičiu. Idėjos apie poslinkio srovę (1861 m.), elektromagnetines bangas ir elektromagnetinę šviesos prigimtį (1865 m.) buvo tokios drąsios ir neįprastos, kad net naujos kartos fizikai ne iš karto priėmė Maksvelo teoriją. 1888 metais G. Hercas atrado elektromagnetinės bangos, tačiau tokį aktyvų Maksvelo teorijos priešininką kaip W. Thomsonas (Kelvinas) galėjo įtikinti tik P. N. Lebedevo, atradusio egzistavimą lengvas spaudimas.
IN vidurio XIX a V. Maxwellas sujungė elektrą ir magnetizmą į vieninga teorija laukus. Elektros krūvis siejamas su elementariosiomis dalelėmis, iš kurių žinomiausios – elektronas ir protonas – turi tą patį krūvį. e, tai universali gamtos konstanta. SI = 1,6 10 -19 Cl. Nors magnetiniai krūviai dar nebuvo atrasti, teoriškai jie jau atsiranda. Anot fiziko Dirako, magnetinių krūvių dydis turėtų būti elektronų krūvio kartotinis
Tolesni tyrimai elektromagnetinio lauko srityje sukėlė prieštaravimų idėjoms klasikinė mechanika, kurią olandų fizikas X.A. bandė pašalinti matematiškai derindamas teorijas. Lorencas. Jis pristatė inercinių sistemų koordinačių transformacijas, kuriose, skirtingai nei klasikinėse Galilėjaus transformacijose, buvo konstanta - šviesos greitis, kuris buvo susijęs su lauko teorija. Laiko ir ilgio skalės pasikeitė greičiu, artimu šviesos greičiui. Fizinė prasmėŠias Lorenco transformacijas 1905 metais paaiškino tik A. Einšteinas savo veikale „Apie judančių kūnų elektrodinamiką“, kuris sudarė specialiosios reliatyvumo teorijos (STR) arba reliatyvistinės mechanikos pagrindą.
Gamtos mokslas ne tik nustato materialių Visatos objektų tipus, bet ir atskleidžia ryšius tarp jų. Ryšys tarp objektų vientisoje sistemoje yra tvarkingesnis, stabilesnis nei kiekvieno elemento ryšys su elementais iš išorinę aplinką. Norint sunaikinti sistemą, atskirti nuo sistemos vieną ar kitą elementą, reikia jai pritaikyti tam tikrą energiją. Ši energija turi skirtingas vertes ir priklauso nuo sistemos elementų sąveikos tipo. Megapasaulyje šias sąveikas užtikrina gravitacija makropasaulyje prie gravitacijos pridedama elektromagnetinė sąveika, kuri tampa pagrindine, kaip stipresnė. Mikrokosme, esant atomo dydžiui, atsiranda dar stipresnė branduolinė sąveika, užtikrinanti atomo branduolių vientisumą. Pereinant prie elementariųjų dalelių, energija vidines jungtis mes tai žinome natūralių medžiagų- Tai cheminiai junginiai elementai, sukurti iš atomų ir sujungti į periodinė lentelė. Kurį laiką buvo manoma, kad atomai yra elementari visatos statybinė medžiaga, bet tada buvo nustatyta, kad atomas atstovauja „visai Visatai“ ir susideda iš dar svarbesnių tarpusavyje sąveikaujančių dalelių: protonų, elektronų, neutronų, mezonų. ir kt. Dalelių, pretenduojančių būti elementariomis, daugėja, bet ar tikrai jos tokios elementarios?
Niutono mechanika buvo priimta, tačiau jėgų, sukeliančių pagreičius, kilmė nebuvo aptarta. Gravitacinės jėgos veikia per tuštumą, jos yra toli, o elektromagnetinės jėgos veikia per terpę. Šiuo metu visos sąveikos gamtoje yra sumažintos iki keturių tipų: gravitacinės, elektromagnetinės, stiprios branduolinės ir silpnosios branduolinės.
Gravitacija(iš lat. gravitas- sunkumas) yra istoriškai pirmoji ištirta sąveika. Sekdami Aristoteliu, jie tikėjo, kad visi kūnai linkę į „savo vietą“ (sunkieji - žemyn į Žemę, lengvi - į viršų). XVII-XVIII amžių fizika. buvo žinomos tik gravitacinės sąveikos. Pasak Niutono, dvi taškinės masės traukia viena kitą jėga, nukreipta išilgai jas jungiančios tiesės: 
Minuso ženklas rodo, kad mes susiduriame su patrauklumu, r- atstumas tarp kūnų (manoma, kad kūnų dydis yra daug mažesnis r), t 1 ir t 2 - kūno masės Didumas G- universali konstanta, kuri lemia reikšmę gravitacinių jėgų. Jei kūnai, sveriantys 1 kg, yra 1 m atstumu vienas nuo kito, tada traukos jėga tarp jų yra 6,67 10 -11 N. Gravitacija yra universali, jai pavaldūs visi kūnai ir net pati dalelė yra gravitacijos šaltinis. Jei vertė G buvo didesnis, jėgos taip pat padidėtų, bet G labai mažas ir gravitacinė sąveika subatominių dalelių pasaulyje jis yra nereikšmingas, o tarp makroskopinių kūnų – vos pastebimas. Cavendish sugebėjo išmatuoti vertę G, pasinaudodamas sukimo svarstyklės. Universalumas yra pastovus G reiškia, kad bet kurioje Visatoje ir bet kuriuo laiko momentu traukos jėga tarp kūnų, sveriančių 1 kg, atskirtų 1 m atstumu, bus vienoda. Todėl galime sakyti, kad vertė G lemia gravitacinių sistemų sandarą. Gravitacija, arba gravitacija, nėra labai reikšminga sąveikaujant tarp mažų dalelių, tačiau ji laiko planetas, visą Saulės sistemą ir galaktikas. Mes nuolat jaučiame gravitaciją savo gyvenime. Įstatymas nustatė gravitacinės jėgos tolimąjį pobūdį ir pagrindinę gravitacinės sąveikos savybę – jos universalumą.
Einšteino gravitacijos teorija (GTR) duoda skirtingus rezultatus nei Niutono dėsnis stipriuose gravitaciniuose laukuose, silpnuose – abi teorijos sutampa. Pagal GTR, gravitacija- Tai yra erdvės-laiko kreivumo pasireiškimas. Kūnai juda išlenktomis trajektorijomis ne todėl, kad juos veikia gravitacija, o todėl, kad jie juda lenktu erdvėlaikiu. juda" trumpiausias maršrutas, o gravitacija yra geometrija. Erdvės ir laiko kreivumo įtaką galima aptikti ne tik šalia griūvančių objektų, tokių kaip neutroninės žvaigždės ar juodosios skylės. Tai, pavyzdžiui, Merkurijaus orbitos precesija arba laiko išsiplėtimas Žemės paviršiuje (žr. 2.3 pav. V). Einšteinas parodė, kad gravitaciją galima apibūdinti kaip pagreitinto judėjimo atitikmenį.
Siekdamas išvengti Visatos suspaudimo veikiant savaiminei gravitacijai ir užtikrinti jos stacionarumą, jis pristatė galimą gravitacijos šaltinį, pasižymintį neįprastomis savybėmis, lemiančius materijos „išstūmimą“, o ne jos koncentraciją, ir atstūmimo jėgą. didėja didėjant atstumui. Tačiau šios savybės gali pasireikšti tik labai dideliu mastu Visata. Atstūmimo jėga yra neįtikėtinai maža ir nepriklauso nuo atstumiančios masės; jis pavaizduotas forma kur T - atstumto objekto masė; r- jo atstumas nuo atstumiančio kūno; L- pastovus. Šiuo metu yra nustatyta viršutinė riba L= 10 -53 m -2, t.y. dviejų kūnų, sveriančių po 1 kg, esančių 1 m atstumu, traukos jėga viršija kosminį atstūmimą mažiausiai 10 25 kartus. Jei dvi galaktikos, kurių masė 10 41 kg, yra 10 milijonų šviesos atstumu. metų (apie 10 22 m), tai jiems traukos jėgos būtų maždaug subalansuotos atstumiamųjų jėgų, jei vertė L tikrai arti nurodytos viršutinės ribos. Šis dydis dar nebuvo išmatuotas, nors jis yra svarbus didelio masto Visatos struktūrai kaip esminis.
Elektromagnetinė sąveika, sukeltas elektros ir magnetinių krūvių, neša fotonai. Sąveikos jėgos tarp krūvių kompleksiniu būdu priklauso nuo krūvių padėties ir judėjimo. Jei du mokesčiai q 1 ir q 2 nejudantis ir susikaupęs taškuose, esančiuose atstumu r, tada sąveika tarp jų yra elektrinė ir nulemta Kulono dėsnio: Priklausomai išįkrovimo ženklai q 1 Ir q 2 elektrinės sąveikos jėga, nukreipta išilgai tiesės, jungiančios krūvius, bus traukos arba atstūmimo jėga. Čia žymima elektrostatinės sąveikos intensyvumą lemianti konstanta 8,85 10 -12 F/m. Taigi du 1 C krūviai, atskirti 1 m, patirs 8,99 10 9 N jėgą. Elektros krūvis visada siejamas su elementariosiomis dalelėmis. Garsiausių iš jų - protono ir elektrono - krūvio skaitinė vertė yra ta pati: tai yra universali konstanta e = 1,6 10 -19 klasė. Protono krūvis laikomas teigiamu, o elektrono – neigiamu.
Magnetinės jėgos yra generuojami elektros srovės- elektros krūvių judėjimas. Yra bandymų suvienodinti teorijas, atsižvelgiant į simetrijas, kuriose prognozuojamas magnetinių krūvių (magnetinių monopolių) egzistavimas, tačiau jie dar nebuvo atrasti. Todėl vertė e lemia magnetinės sąveikos intensyvumą. Jeigu elektros krūviai judėdami su pagreičiu, jie skleidžia – išskiria energiją šviesos, radijo bangų ar rentgeno spindulių pavidalu, priklausomai nuo dažnių diapazono. Beveik visos mūsų juslėmis suvokiamos medijos turi elektromagnetinė prigimtis, nors kartais jie pasireiškia sudėtingomis formomis. Elektromagnetinės sąveikos nustato atomų sandarą ir elgseną, saugo atomus nuo skilimo ir yra atsakingi už ryšius tarp molekulių, t.y., už cheminius ir biologinius reiškinius.
Gravitacija ir elektromagnetizmas yra didelio nuotolio jėgos, besitęsiančios visoje Visatoje.
Stiprios ir silpnos branduolinės jėgos- trumpo nuotolio ir atsiranda tik atomo branduolio dydžiu, t.y. 10–14 m plotuose.
Silpna branduolinė jėga yra atsakinga už daugelį procesų, sukeliančių kai kurias rūšis branduoliniai skilimai elementariosios dalelės (pavyzdžiui, (3-skilimas – neutronų virtimas protonais), kurių veikimo diapazonas beveik taškas: apie 10 -18 m. Jis labiau veikia dalelių virsmus nei jų judėjimą, todėl jo efektyvumą lemia konstanta, susijusi su skilimo greičiu, - universalus nuolatinis ryšys g(W), nustatant procesų, tokių kaip neutronų skilimas, greitį. Silpnąją branduolinę sąveiką vykdo vadinamieji silpnieji bozonai, o kai kurie subatominės dalelės gali virsti kitais. Nestabilių subbranduolinių dalelių atradimas atskleidė, kad silpna jėga sukelia daugybę transformacijų. Supernovos yra vienas iš nedaugelio pastebėtų silpnos sąveikos atvejų.
Stipri branduolinė sąveika užkerta kelią atomų branduolių irimui, o be jos branduoliai suirtų dėl protonų elektrinio atstūmimo jėgų. Kai kuriais atvejais reikšmė įvedama ją apibūdinti g(S), panašus į elektros krūvį, bet daug didesnis. Stipri gliuonų sąveika smarkiai sumažėja iki nulio už maždaug 10–15 m spindulio srities. Ji sujungia kvarkus, sudarančius protonus, neutronus ir kitas panašias daleles, vadinamas hadronais. Jie sako, kad protonų ir neutronų sąveika yra jų vidinės sąveikos atspindys, tačiau kol kas šių giluminių reiškinių vaizdas nuo mūsų yra paslėptas. Jis siejamas su Saulės ir žvaigždžių išskiriama energija, transformacijomis branduoliniuose reaktoriuose ir energijos išsiskyrimu. Išvardytos sąveikos rūšys, matyt, turi skirtingą pobūdį. Iki šiol neaišku, ar visos sąveikos gamtoje jų išnaudotos. Stipriausia yra trumpojo nuotolio stiprioji sąveika, elektromagnetinė sąveika silpnesnė 2 laipsniais, silpnoji – 14 dydžių, o gravitacinė – 39 laipsniais. Atsižvelgiant į sąveikos jėgų dydį, jos atsiranda skirtingi laikai. Stipri branduolinė sąveika atsiranda, kai dalelės susiduria beveik šviesos greičiu. Reakcijos laikas, nustatytas padalijus jėgų veikimo spindulį iš šviesos greičio, duoda 10–23 s eilės reikšmę. Silpni sąveikos procesai vyksta per 10–9 s, o gravitaciniai – maždaug per 10 16 s, arba 300 milijonų metų.
„Atvirkštinis kvadrato įstatymas“, pagal kurį taškiniai objektai veikia vienas kitą gravitacinės masės arba elektros krūviai, seka, kaip parodė P. Ehrenfestas, iš erdvės trimačio (1917). Kosmose n matavimai, taškinės dalelės sąveikautų pagal atvirkštinės galios dėsnį ( n– 1). Už n = 3, galioja atvirkštinis kvadrato dėsnis, nes 3 - 1 = 2. O esant u = 4, atitinkančiam atvirkštinį kubo dėsnį, planetos judėtų spiralėmis ir greitai įkristų į Saulę. Atomuose, turinčiuose daugiau nei tris matmenis, taip pat nebūtų stabilių orbitų, ty nebūtų cheminių procesų ir gyvybės. Kantas taip pat nurodė ryšį tarp erdvės trimačio ir gravitacijos dėsnio.
Be to, galima parodyti, kad bangų sklidimas gryna forma yra neįmanomas erdvėje su lyginiu matmenų skaičiumi – atsiranda iškraipymų, kurie suardo bangos nešamą struktūrą (informaciją). To pavyzdys yra bangos sklidimas ant guminės dangos (per matmenų paviršių n= 2). 1955 metais matematikas H. J. Withrow padarė išvadą, kad kadangi gyviems organizmams reikia perduoti ir apdoroti informaciją, aukštesnės gyvybės formos negali egzistuoti lygių matmenų erdvėse. Ši išvada taikoma mums žinomoms gyvybės formoms ir gamtos dėsniams ir neatmeta kitų, kitokios prigimties pasaulių egzistavimo.
Niutono ir P. Laplaso nuomone, mechanika buvo laikoma universalia fizinė teorija. XIX amžiuje šią vietą užėmė mechaninis pasaulio vaizdas, įskaitant mechaniką, termodinamiką ir kinetinė teorija materija, tamprumo šviesos teorija ir elektromagnetizmas. Elektrono atradimas paskatino idėjų peržiūrą. Amžiaus pabaigoje H. Lorencas pastatė savo elektronų teorija aprėpti visus gamtos reiškinius, bet to nepasiekė. Problemos, susijusios su krūvio diskretiškumu ir lauko tęstinumu, ir problemos radiacijos teorijoje (“ ultravioletinė katastrofa“) paskatino sukurti kvantinio lauko vaizdą apie pasaulį ir kvantinę mechaniką. Sukūrus SRT, buvo tikimasi, kad elektromagnetinis pasaulio paveikslas, apjungiantis reliatyvumo teoriją, Maksvelo teoriją ir mechaniką, gali suteikti visuotinį gamtos pasaulio aprėptį, tačiau ši iliuzija netrukus buvo išsklaidyta.
Daugelis teoretikų bandė aprėpti gravitaciją ir elektromagnetizmą vieningomis lygtimis. Einšteino, įvedusio keturių dimensijų erdvėlaikį, įtakoje, buvo kuriamos daugiamatės lauko teorijos, siekiant sumažinti reiškinius iki geometrines savybes erdvė.
Suvienijimas buvo atliktas remiantis nustatyta šviesos greičio nepriklausomybe skirtingiems stebėtojams, judantiems tuščioje erdvėje, kai to nėra išorinės jėgos. Einšteinas pavaizduotas pasaulio linija objektas plokštumoje, kur erdvinė ašis nukreipta horizontaliai, o laiko ašis – vertikaliai. Tada vertikali linija yra objekto, kuris yra ramybės būsenoje nurodytoje atskaitos sistemoje, pasaulio linija, o pasvirusi linija yra judančio objekto pasaulio linija. pastovus greitis. Išlenkta pasaulio linija atitinka objektą, judantį su pagreičiu. Bet kuris taškas šioje plokštumoje atitinka padėtį ši vietašiuo metu jis vadinamas renginys.Šiuo atveju gravitacija nebėra jėga, veikianti pasyvų erdvės ir laiko foną, o reiškia paties erdvės-laiko iškraipymą. Juk gravitacinis laukas yra erdvėlaikio „kreivumas“.
Norint nustatyti ryšį tarp atskaitos sistemų, judančių viena kitos atžvilgiu, būtina matuoti erdvinius intervalus tais pačiais vienetais kaip ir laiko vienetai. Tokio perskaičiavimo daugiklis gali būti šviesos greitis, susieti atstumą su laiku, per kurį šviesa nukeliauja šį atstumą. Tokioje sistemoje 1 m yra lygus 3,33 ne (1 not = 10 -9 s). Tada fotono pasaulio linija praeis 45° kampu, o bet kurio materialaus objekto – mažesniu kampu (nes jo greitis visada mažesnis už šviesos greitį). Kadangi erdvinė ašis atitinka tris Dekarto ašis, tai pasaulio linijos materialūs kūnai bus kūgio viduje, kurį apibūdina fotono pasaulinė linija. Stebėjimo rezultatai saulės užtemimas 1919-ieji Einšteinui atnešė pasaulinę šlovę. Žvaigždžių poslinkiai, kuriuos Saulės apylinkėse galima pamatyti tik užtemimo metu, sutapo su Einšteino gravitacijos teorijos prognozėmis. Taigi jo geometrinis požiūris į gravitacijos teorijos konstravimą buvo patvirtintas įspūdingais eksperimentais.
Tais pačiais 1919 m., kai pasirodė bendroji reliatyvumo teorija, Karaliaučiaus universiteto privatus docentas T. Kaluza atsiuntė Einšteinui savo darbą, kuriame pasiūlė penktoji dimensija. Bandydamas rasti pagrindinį visų sąveikų principą (tuo metu buvo žinomi du - gravitacija ir elektromagnetizmas), Kaluza parodė, kad juos galima vienodai išvesti penkiamatėje bendrojoje reliatyvumo teorijoje. Penktosios dimensijos dydis neturėjo reikšmės suvienijimo sėkmei ir, ko gero, jis toks mažas, kad jo neįmanoma aptikti. Tik po dvejų metų susirašinėjimo su Einšteinu straipsnis buvo paskelbtas. Švedų fizikas O. Kleinas pasiūlė pagrindinės kvantinės mechanikos lygties modifikaciją su penkiais kintamaisiais vietoj keturių (1926). Jis „sugriovė“ mūsų nesuvokiamus erdvės matmenis iki labai mažo dydžio (pavyzdžiui, neatsargiai išmestos laistymo žarnos, kuri iš tolo atrodo kaip vingiuota linija, bet iš arti kiekvienas jos taškas pasirodo kaip būti ratas). Šių savotiškų kilpų matmenys yra 10 20 kartų mažesnio dydžio atomo branduolys. Todėl penktoji dimensija nėra stebima, bet įmanoma.
Sovietų mokslininkai G.A. prisidėjo prie penkiamatės teorijos kūrimo. Mandelis ir V.A. Fok. Jie parodė, kad įkrautos dalelės trajektorija penkiamatėje erdvėje gali būti griežtai apibūdinta kaip geodezinė linija(iš graikų kalbos geodaisia- žemės padalijimas) arba trumpiausias kelias tarp dviejų paviršiaus taškų, t. y. penktoji dimensija gali būti fiziškai reali. Jis nebuvo aptiktas dėl Heisenbergo neapibrėžtumo santykio, kuris kiekvieną dalelę vaizduoja bangos paketo pavidalu, užimančiu erdvėje sritį, kurios dydis priklauso nuo dalelės energijos (kuo didesnė energija, tuo mažesnis jos tūris). regionas). Jei penktoji dimensija yra sulankstyta į mažą apskritimą, tai norint jį aptikti, jį apšviečiančios dalelės turi turėti didelę energiją. Greitintuvai sukuria dalelių pluoštus, kurių skiriamoji geba yra 10–18 m. Todėl, jei apskritimas penktoje dimensijoje yra mažesnių matmenų, jo dar negalima aptikti.
Sovietų profesorius Yu.B. Rumeris savo penkiamatėje teorijoje parodė, kad penktajam matmeniui galima suteikti prasmę veiksmus. Iš karto pasirodė bandymai vizualizuoti šią penkiamatę erdvę, kaip ir anksčiau Einšteino pristatytą keturių dimensijų erdvėlaikį. Vienas iš šių bandymų yra „lygiagrečių“ pasaulių egzistavimo hipotezė. Nebuvo sunku įsivaizduoti keturmatį rutulio atvaizdą: tai jo atvaizdų rinkinys kiekviename laiko taške - rutulių „vamzdis“, besitęsiantis iš praeities į ateitį. O penkiamatis rutulys jau yra laukas, absoliučiai identiškų pasaulių plokštuma. Visuose pasauliuose, kurie turi nuo trijų iki penkių dimensijų, net viena priežastis, net jei atsitiktinė, gali sukelti keletą pasekmių. Šešių matmenų Visata, sukurta nepaprastųjų Sovietų lėktuvų dizaineris L.R. Bartini, apima tris erdvinius ir tris laiko matmenis. Bartiniui laiko trukmė yra trukmė, plotis – parinkčių skaičius, aukštis – laiko greitis kiekviename iš galimų pasaulių.
Kvantinės gravitacijos teorija turėjo jungti GTR ir kvantinė mechanika. Visatoje, kuriai galioja kvantinės gravitacijos dėsniai, erdvės laiko kreivė ir jos struktūra turėtų svyruoti, kvantinis pasaulis niekada nebūna ramybės. O praeities ir ateities sampratos, įvykių seka tokiame pasaulyje taip pat turėtų skirtis. Šie pokyčiai dar nebuvo aptikti, nes kvantiniai efektai pasirodo itin mažu mastu.
50-aisiais XX amžiuje R. Feynmanas, Y. Schwingeris ir S. Tomogawa savarankiškai kūrė kvantinę elektrodinamiką, jungdami kvantinę mechaniką su reliatyvistinėmis sąvokomis ir paaiškindami daugybę efektų, gautų tiriant atomus ir jų spinduliuotę. Tada buvo sukurta silpnosios sąveikos teorija ir parodyta, kad elektromagnetizmą galima matematiškai suvienodinti tik su silpna jėga. Vienas jo autorių, Pakistano fizikas teorinis A. Salamas rašė: „Einšteino pasiekimo paslaptis yra ta, kad jis suvokė esminę krūvio svarbą gravitacinėje sąveikoje. Ir kol nesuvoksime krūvių prigimties elektromagnetinėje, silpnoje ir stiprioje sąveikoje taip giliai, kaip Einšteinas suprato gravitacijos atžvilgiu, mažai vilčių, kad pavyks galutinai susivienyti... Norėtume ne tik tęsti Einšteino bandymus, kurių jam nepavyko. , bet į šią programą įtraukite ir kitus mokesčius.
Atgijo susidomėjimas daugiamatėmis teorijomis, vėl imta suktis Einšteino, Bergmano, Kaluzos, Rumerio ir Jordano darbai. Darbuose sovietų fizikai(L.D. Landau, I.Ya. Pomeranchuk, E.S. Fradkin) parodyta, kad 10 -33 cm atstumu kvantinėje elektrodinamikoje atsiranda nepašalinami prieštaravimai (divergencijos, anomalijos, visi krūviai tampa lygūs nuliui). Daugelis mokslininkų dirbo su idėjomis sukurti vieningą teoriją. S. Weinbergas, A. Salamas ir S. Glashowas parodė, kad elektromagnetizmą ir silpną branduolinę jėgą galima laikyti tam tikros „elektros silpnosios“ jėgos pasireiškimu ir kad tikrieji nešėjai stipri sąveika- kvarkai. Sukurta teorija - kvantinė chromodinamika– iš kvarkų pastatė protonus ir neutronus ir suformavo vadinamuosius standartinis modelis elementariosios dalelės.
Planckas taip pat atkreipė dėmesį į esminį dydžių, sudarytų iš trijų konstantų, apibrėžiančių pagrindines teorijas – STR (šviesos greitis c), kvantinės mechanikos (Planko konstanta). h) ir Niutono gravitacijos teorija (gravitacinė konstanta G). Iš jų derinio galite gauti tris kiekius (Planckis) Su
masės, laiko ir ilgio matmenys
5 10 93 g/cm 3 . Planko ilgis sutampa su kritiniu atstumu, kuriam esant jis tampa beprasmis kvantinė elektrodinamika. Dabar geometrija nustatyta tik didesniais nei 10–16 cm atstumais, kurie yra 17 dydžių kategorijų didesni nei Plancko! Sąveikų suvienodinimas yra būtinas norint pašalinti teorijos divergencijas ir anomalijas – problema buvo dalelių kaip taškų apibrėžimas ir jų erdvės-laiko iškraipymas. Ir jie pradėjo to ieškoti pasitelkdami aukštesnės simetrijos idėjas. Šios idėjos 80-aisiais sulaukė „antrojo vėjo“. XX amžiuje didžiosiose GUT ir supergravitacijos suvienijimo teorijose. GUT yra teorija, leidžianti suvienodinti visas sąveikas, išskyrus gravitacines. Jei pavyks su ja sujungti gravitacinę sąveiką, gausime visko, kas egzistuoja teoriją (TVS). Tada pasaulis bus apibūdintas vienodai. Tokios „supergalios“ paieškos tęsiasi.
Supergravitacijos teorijos, konstruodamos bendrąjį reliatyvumą, naudoja daugiamates konstrukcijas, būdingas geometriniam požiūriui. Galite sukurti pasaulį iš skirtingų matmenų skaičiaus (jie naudoja 11 ir 26 dimensijų modelius), tačiau 11 dimensijos yra įdomiausios ir gražiausios matematiniu požiūriu: 7 yra mažiausias paslėptų matmenų skaičius. erdvėlaikis, leidžiantis į teoriją įtraukti tris negravitacines jėgas, o 4 yra įprasti erdvės laiko matmenys. Keturios žinomos sąveikos traktuojamos kaip geometrinės struktūros, turinčios daugiau nei penkis matmenis.
Superstygų teorija buvo sukurta nuo devintojo dešimtmečio vidurio. XX amžiuje kartu su supergravitacija. Šią teoriją pradėjo plėtoti anglų mokslininkas M. Greenas ir amerikiečių mokslininkas J. Schwartzas. Vietoj taško jie susiejo daleles su vienama styga, patalpinta daugiamatėje erdvėje. Ši teorija, taškines daleles pakeitusi mažytėmis energijos kilpomis, pašalino skaičiavimuose kylančius absurdus. Kosminės stygos - tai egzotiški nematomi dariniai, sugeneruoti elementariųjų dalelių teorijos. Ši teorija atspindi hierarchinį pasaulio supratimą – galimybę, kad nėra galutinio pagrindo fizinė tikrovė, bet yra tik seka vis mažesnių dalelių. Yra labai masyvių dalelių ir apie tūkstantis dalelių be masės. Kiekviena styga, turinti Plancko dydį (10–33 cm), gali turėti be galo daug virpesių tipų (arba režimų). Kaip sukuria smuiko stygų vibracija įvairių garsų, todėl šių stygų vibracija gali generuoti visas jėgas ir daleles. Superstygos leiskite mums suprasti chiralumą (iš graikų k. cheir- ranka), o supergravitacija negali paaiškinti skirtumo tarp kairės ir dešinės - joje yra lygios kiekvienos krypties dalelių dalys. Superstygų teorija, kaip ir supergravitacija, siejama ne su patirtimi, o su anomalijų ir divergencijų pašalinimu, kas labiau būdinga matematikai.
Amerikos fizikas E. Witten padarė išvadą, kad superstygų teorija yra pagrindinė fizikos ateities viltis, ji ne tik atsižvelgia į gravitacijos galimybę, bet ir tvirtina jos egzistavimą, o gravitacija yra superstygų teorijos pasekmė. Jo technologija, pasiskolinta iš topologijos ir kvantinio lauko teorijos, leidžia atrasti gilias simetrijas tarp didelės apimties susipynusių mazgų. Buvo nustatytas palyginti nuoseklią teoriją atitinkantis matmuo, lygus 506.
Naudojant superstygų teoriją, galima paaiškinti „nesulaužytą“ materijos pasiskirstymą Visatoje. Superstygos yra gijos, likusios iš naujai gimusios Visatos materijos. Jie yra neįtikėtinai mobilūs ir tankūs, sulenkia erdvę aplink juos, formuoja kamuoliukus ir kilpas, o masyvios kilpos gali sukurti gravitacinis patrauklumas, pakankamai stiprus, kad pagimdytų elementariąsias daleles, galaktikas ir galaktikų spiečius. Iki 1986 m. buvo paskelbta daug straipsnių apie kosmines stygas, nors jos pačios dar nebuvo atrastos. Manoma, kad superstygas galima rasti pagal erdvės kreivumą, kurį jos sukelia, veikdamos kaip gravitacinis lęšis, arba dėl jų skleidžiamų gravitacinių bangų. Superstygų evoliucija žaidžiama kompiuteriuose, o ekrane atsiranda paveikslėliai, atitinkantys stebimus erdvėje – ten taip pat susidaro gijos, sluoksniai ir milžiniškos tuštumos, kuriose galaktikų praktiškai nėra.
Ši nepaprasta kosmologijos ir dalelių fizikos konvergencija per pastaruosius 30 metų leido suprasti erdvės-laiko ir materijos gimimo procesų esmę per trumpą intervalą nuo 10–43 iki 10–35 s po pirminio singuliarumo, paskambino Didysis sprogimas. Matmenų skaičius 10 (supergravitacija) arba 506 (superstyginių teorija) nėra galutinis, tačiau gali atsirasti sudėtingesnių geometrinių vaizdų, tačiau daug papildomų matmenų nėra tiesiogiai aptinkama. Tikroji Visatos geometrija tikriausiai neturi trijų erdvinių matmenų, kas būdinga tik mūsų metagalaktikai – stebimai Visatos daliai.
Ir visi, išskyrus tris, šiuo metu Didysis sprogimas(prieš 10-15 milijardų metų) susisuko iki Planko dydžių. Įjungta dideli atstumai(iki Metagalaktikos dydžio 10 28 cm) geometrija yra euklidinė ir trimatė, o Plancko – neeuklidinė ir daugiamatė. Manoma, kad šiuo metu kuriamos Teorijos apie viską, kas egzistuoja (TEC) turėtų apjungti visų esminių dalelių sąveikų aprašymus.
Tyrimo dalyko sutapimas pakeitė nusistovėjusią mokslų metodiką. Astronomija buvo laikoma stebėjimo mokslu, o greitintuvai – dalelių fizikos įrankiu. Dabar jie pradėjo daryti prielaidas apie dalelių savybes ir jų sąveiką kosmologijoje, o dabartinei mokslininkų kartai tapo įmanoma jas išbandyti. Taigi iš kosmologijos išplaukia, kad pagrindinių dalelių skaičius turėtų būti mažas. Šis spėjimas buvo susijęs su nukleonų pirmykštės sintezės procesų analize, kai Visatos amžius buvo apie 1 s, ir buvo atlikta tuo metu, kai atrodė, kad pasiekus didesnes galias greitintuvuose, jų skaičius padidės. elementariųjų dalelių. Jei būtų daug dalelių, Visata dabar būtų kitokia.
