Примеры полей физика. Московский государственный университет печати

Физическое поле - это особая форма материи, существующая в каждой точке пространства проявляющаяся воздействием на вещество, обладающее свойством, родственным с тем, которое создало это поле. Основное отличие - это плавность.

тело + заряд поле тело + заряд

Свойства физических полей

Существует принципиальная разница в поведении вещества и поля. Вещество имеет всегда резкую границу того объема, который оно занимает, а поле принципиально не может иметь резкой границы, оно изменяется плавно от точки к точки.

В одной точке пространства может существовать бесконечное количество физических полей, не влияющих друг на друга.

Поле и вещество могут взаимно друг в друга.

Математическая классификация полей

Электромагнитное поле - это особая форма материи, характеризующая значением векторовEиHв каждой точке пространства.

Поля делятся на: скалярные, векторные, тензорные.

Скалярные поля – это непрерывно распределенная в каждой точке пространства некая скалярная функция с областью определения.

Скалярное поле характеризуется поверхностью уровня, которую задает уравнение:

(1.1)

Векторное поле - это заданное в каждой точке пространства непрерывная векторная величина с областью определения.

Основной характеристикой этого поля является векторная линия. Это линия, в каждой точки которой вектор поля направлен по касательной.

Физическая запись силовых линий:

(1.2)

Тензорное поле – это распределенная в пространстве непрерывная тензорная величина.

тензор
(1.3)

Дифференциальные характеристики физических полей

Градиент – это векторная характеристика скалярного поля. Градиентом скалярной функции называется вектор, численно равный производной от этой функции по направлению нормали к поверхности уровня и направленный по этой нормали.

(1.4)

Свойства градиента:

градиент числено равен максимальной скорости изменения функции.

Доказательство:

(1.5)

направление градиента совпадает с направлением быстрейшего изменения функции.

(1.6)

Дивергенция – это скалярная характеристика векторного поля. Дивергенция векторного поля - это предел отношения потока через замкнутую поверхностьS к объему, заключенному внутри этой поверхности.

(1.7)

- некий поток

(1.8)

Дивергенция характеризует наличие или отсутствие в какой-то точке поля источников (где поле начинается или заканчивается).

Если в какой либо точки
, то в этой точке находится исток поля, т. е. его начало, а там где поле заканчивается
, и эта точка называется стоком. В точке, где нет источников
.

параметров их движения (скорость, импульс, момент импульса), меняют их энергию, совершают работу и т.д. И это в общем-то было наглядно и понятно. Однако с изучением природы электричества и магнетизма возникло понимание, что взаимодействовать между собой электрические заряды могут без непосредственного контакта. В этом случае мы как бы переходим от концепции близкодействия к бесконтактному дальнодействию. Это и привело к понятию поля.

Формальное определение этого понятия звучит так: физическим полем называется особая форма материи, связывающая частицы (объекты) вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действие одних частиц на другие. Правда, как мы уже отмечали, такие определения слишком общие и не всегда определяют глубинную да и конкретно-практическую сущность понятия. Физики с трудом отказывались от идеи физического контактного взаимодействия тел и вводили для объяснения различных явлений такие модели как электрическую и магнитную «жидкость», для распространения колебаний использовали представление о механических колебаниях частичек среды - модели эфира, оптических флюидов, теплорода, флогистона в тепловых явлениях, описывая их тоже с механической точки зрения, и даже биологи вводили «жизненную силу» для объяснения процессов в живых организмах. Все это ни что иное, как попытки описать передачу действия через материальную («механическую») среду.

Однако работами Фарадея (экспериментально), Максвелла (теоретически) и многих других ученых было показано, что существуют электромагнитные поля (в том числе и в вакууме) и именно они передают электромагнитные колебания. Выяснилось, что и видимый свет есть эти же электромагнитные колебания в определенном диапазоне частот колебаний. Было установлено, что электромагнитные волны делятся на несколько видов в шкале колебаний: радиоволны (10 3 - 10 -4), световые волны (10 -4 - 10 -9 м), ИК (5 ×10 -4 - 8 ×10 -7 м), УФ (4 ×10 -7 - 10 -9 м), рентгеновское излучение (2 ×10 -9 - 6 ×10 -12 м), γ-излучение (< 6 ×10 -12 м).

Считается, что гравитационные и электрические поля действуют независимо и могут сосуществовать в любой точке пространства одновременно, не влияя друг на друга. Суммарная сила, действующая на пробную частицу с зарядом q и массой m, может быть выражена векторной суммой и . Суммировать векторы и не имеет смысла, поскольку они имеют разную размерность. Введение в классической электродинамике понятия электромагнитного поля с передачей взаимодействия и энергии путем распространения волн через пространство, позволило отойти от механического представления эфира. В старом представлении понятие эфира как некой среды, объясняющей передачу контактного действия сил, было опровергнуто как экспериментально опытами Майкельсона по измерению скорости света, так и, главным образом, теорией относительности Эйнштейна. Через поля оказалось возможным описывать физические взаимодействия, для чего собственно и были сформулированы общие для разных типов полей характеристики, о которых мы здесь говорили. Правда следует отметить, что сейчас идея эфира отчасти возрождается некоторыми учеными на базе понятия физического вакуума.

Так после механической картины сформировалась новая к тому времени электромагнитная картина мира. Ее можно рассматривать как промежуточную по отношению к современной естественнонаучной. Отметим некоторые общие характеристики этой парадигмы. Поскольку она включает не только представления о полях, но и появившиеся к тому времени новые данные об электронах, фотонах, ядерной модели атома, закономерностях химического строения веществ и расположения элементов в периодической системе Менделеева и ряд других результатов по пути познания природы, то, конечно, в эту концепцию вошли также идеи квантовой механики и теории относительности, о которых речь еще будет идти дальше.

Главным в таком представлении является возможность описать большое количество явлений на основе понятия поля. Было установлено, в отличие от механической картины, что материя существует не только в виде вещества, но и поля. Электромагнитное взаимодействие на основе волновых представлений достаточно уверенно описывает не только электрические и магнитные поля, но и оптические, химические, тепловые и механические явления. Методология полевого представления материи может быть использована и для понимания полей иной природы. Сделаны попытки увязать корпускулярную природу микрообъектов с волновой природой процессов. Было установлено, что «переносчиком» взаимодействия электромагнитного поля является фотон, который подчиняется уже законам квантовой механики. Делаются попытки найти гравитон, как носитель гравитационного поля.

Однако несмотря на существенное продвижение вперед в познании окружающего нас мира, электромагнитная картина не свободна от недостатков. Так, в ней не рассматриваются вероятностные подходы, по существу вероятностные закономерности не признаются фундаментальными, сохранены детерминистический подход Ньютона к описанию отдельных частиц и жесткая однозначность причинно-следственных связей (что сейчас оспаривается синергетикой), ядерные взаимодействия и их поля объясняются не только электромагнитными взаимодействиями между заряженными частицами. В целом такое положение понятно и объяснимо, так как каждое проникновение в природу вещей углубляет наши представления и требует создания новых адекватных физических моделей.

Где G – гравитационная постоянная, а – Расстояние между данным телом и телом с индексом j.
Выделяя в этом выражении массу выбранного тела, можно записать

Где величина

Не зависит от характеристики (массы) исследуемого тела.
Векторное поле ,

Где – Векторное поле, которое называется напряженностью электрического поля и равна

.

В этом случае сила взаимодействия тоже записывается, как произведение характеристики исследуемого тела (заряда), а вся информация о других заряды сводится к введению единой векторной величины – напряженности электрического поля.
Приведенные определения полей опираются на принцип дальнодействия и справедливы лишь для классической физики. Если частицы, которые определяют поле двигаться, то в рамках классической физики, изучаемая частица моментально чувствовать изменение их положения.
Однако, при применении принципа близкодействия, справедливого в рамках теории относительности, информация о перемещении тел передается не мгновенно и требует посредника, поэтому понятие поля набирает значение отдельной сущности, перемещение которой в пространстве требует для своего описания отдельных уравнений.
Так, с учетом близкодействия, сила, действующая на заряд, опять же записываться

Однако напряженность электрического поля находится из уравнений Максвелла. Она равна приведенном выше выражения лишь в случае неподвижных зарядов.
Подробные сведения по этой теме Вы можете найти в статье Запаздывание.

одно из осн. понятий физики, возникшее во 2-й пол. 17 в. [хотя термин "П. ф." был введен в физику значительно позднее англ. физиком Дж. К. Максвеллом; в математике появление; термина "поле" связано с работой англ. математика У. Р. Гамильтона "О кватернионах" (W. R. Hamilton, Lectures on quarternions, Dublin, 1853)]. С этого времени понятие П. ф. неоднократно изменяло свой смысл, сохранив, однако, на всех этапах этого изменения тесную связь с понятием пространства, выражающуюся в использовании понятия П. ф. для характеристики пространственно непрерывного распределения физич. величин. Представления совр. физики о П. ф. развертываются по двум существенно различным линиям – к л а с с и ч е с к о й и к в а н т о в о й. Классическая линия развития понятия П. ф. Эта линия начинается с установления Ньютоном закона всемирного тяготения (1687), который позволил вычислять П. ф. сил тяготения. Она продолжается в гидродинамич. работах Эйлера (50-е гг. 18 в.), рассматривавшего распределение скоростей в пространстве, заполненном движущейся идеальной жидкостью (поле скоростей). Наибольшие заслуги в становлении понятия П. ф. принадлежат англ. физику М. Фарадею (30-е гг. 19 в.), детально разработавшему понятие о силовых линиях П. ф. Классич. линия развития понятия П. ф. разветвляется на две. Главная ветвь связана с изучением П. ф. электрических и магнитных сил (закон Кулона, 1785), к-рые считались сначала независимыми, но благодаря работам дат. физика X. Эрстеда (1821), франц. физика А. Ампера (1826) и Фарадея (1831) они стали рассматриваться совместно – как компоненты единого электромагнитного П. ф. В этот период смысл понятия П. ф. зависел от представлений о природе действия сил. В концепции дальнодействия, восходящей к Ньютону, понятие П. ф. играло вспомогат. роль, оно служило лишь сокращенным обозначением области пустого пространства, в к-ром могут проявиться дальнодействующие силы. Зная потенциал П. ф., можно было вычислить в каждой точке пространства силу, действующую на помещенное туда тело, не обращаясь к закону взаимодействия тел. Носителями атрибутов физич. реальности (массы, энергии, импульса, заряда, силы) в этой концепции были тела, взаимодействующие на расстоянии без помощи к.-л. посредствующих агентов. При отсутствии хотя бы одного из взаимодействовавших тел отсутствовали и силы, т.е. П. ф. не имело самостоят. существования. В концепции близкодействия, берущей начало от Декарта, взаимодействие осуществлялось посредством изменения состояния промежуточной среды – эфира, заполняющего все пространство. Носителями энергии в этой концепции были не только взаимодейств. тела, но и окружающий их эфир, так что наряду с п о л е м с и л можно было говорить и о п о л е э н е р г и и. При этом как в механич. теориях, объяснявших возникновение сил механич. перемещением и упругим натяжением эфира, так и в чисто электромагнитных теориях, оставлявших эфир неподвижным и не деформируемым, П. ф. было по-прежнему лишено самостоят. существования. Будучи характеристикой изменения состояния эфира – субстанции, обладавшей первичной реальностью, П. ф. имело онтологич. статус его аттрибута, т.е. обладало только вторичной реальностью. Изменение это вызывалось дискретными источниками П. ф. – токами и зарядами, так что П. ф., неразрывно связанное с ними, в свободном от источников П. ф. эфире не существовало. Следующий шаг в развитии классич. понятия П. ф. связан с достижениями теории свободного динамич. электромагнитного П. ф. (электромагнитных волн, частным случаем к-рых является свет), к-рое, будучи создано, может существовать вне зависимости от породивших его источников (Максвелл, 1864; Герц, 1888). Благодаря этому стало возможным приписать П. ф. импульс. Однако поскольку эфир продолжал выполнять функцию материального носителя и для динамич. П. ф., последнее по-прежнему было лишено самостоят. существования, так что импульс П. ф. (равно как и его энергия) фактически был характеристикой не П. ф., а эфира. Вследствие этого выражение "энергия поля" следовало понимать не в его буквальном смысле, а как "поле энергии". Классич. теория электромагнитного П.ф. была завершена работами А. Эйнштейна по спец. относительности теории (1905). Лишение эфира функции быть абс. системой отсчета создало возможность для приписывания П. ф. самостоят. существования. Хотя такое решение и не диктовалось необходимостью, оно все же было принято большинством физиков. Превратившись из состояния материальной субстанции (эфира) в самостоят. материальную субстанцию, электромагнитное П. ф. разделило с веществом функции носителя энергии, импульса и массы. Энергия и импульс продолжают оставаться характеристиками движения. [Иногда статус материальной субстанции приписывают не П. ф., а энергии. Тем самым движение (энергия) (см. Ф. Энгельс, Диалектика природы, 1964, с. 45, 78, 168) превращается из атрибута в субстанцию. В этом случае П. ф. по-прежнему не имеет самостоят. существования, а служит характеристикой непрерывного распределения энергии в пространстве, что опять делает более правильным выражение "поле энергии", а не "энергия поля". Направление, приписывающее энергии статус субстанции, иногда отождествляется с энергетизмом).] Вторая ветвь классич. линии развития понятия П. ф. связана с достижениями в области теоретич. исследования П. ф. сил тяготения (гравитационного П. ф.). Начиная с Ньютона и вплоть до работ Эйнштейна по общей теории относительности (10-е гг. 20 в.) тяготение трактовалось на основе представления о дальнодействующих силах и не поддавалось включению в рамки концепции близкодействия. Опираясь на факт равенства инертной и тяжелой массы, Эйнштейн сформулировал реляти- вистскую теорию гравитац. П. ф., в к-рой как гравитационное П. ф., так и геометрич. св-ва пространства описываются одной и той же величиной. Это позволяет сделать новый шаг в развитии понятия П. ф. по сравнению с тем, что было достигнуто в классич. релятивистской теории электромагнетизма. Спец. теория относительности впервые вскрыла фундаментальную роль электромагнитного П. ф. в установлении метрических характеристик пространства и времени, зависящих, как оказалось, от скорости света. Но в ней пространственно-временной континуум по-прежнему оставался независимым элементом физич. реальности, служа лишь ареной взаимодействия П. ф. и вещества. Его можно было рассматривать как нечто абсолютное, ибо П. ф. и вещество существовали в пространстве – времени. В общей теории относительности пространственно-временной аспект реальности полностью выражается гравитац. П. ф., зависящим от четырех координат-параметров (три пространственных и одна временная). "...Он есть свойство этого поля. Если мы представим себе, что поле удалено, то не останется и "пространства", т.к. пространство не имеет независимого существования" (Эйнштейн?., Сущность теории относительности, М., 1955, с. 147). То же самое, очевидно, можно сказать и о времени. Наличие в классич. физике двух видов физич. реальности, коренным образом различающихся по своей пространственной структуре (П. ф. и вещества), а также двух качественно различных типов П. ф. (электромагнитного и гравитационного) породило многочисл. попытки построить последовательную единую теорию П. ф., в к-рой гравитация и электромагнетизм, с одной стороны, должны быть не логически разобщенными видами П. ф., а различными аспектами одного, единого П. ф.; с др. стороны, частицы вещества должны трактоваться в ней как особые области П. ф., так что П. ф. и его источники, трактуемые как особые точки (сингулярности) П. ф., были бы единств. средством описания физич. реальности. Однако отсутствие успехов в последоват. и убедит. выполнении такой программы породило сильный скептицизм по отношению к ней, так что в наст. время она имеет не много сторонников. Квантовая линия развития п о н я т и я П. ф. Эта линия, продолжающаяся и в наст. время, возникла в связи с потребностью интерпретировать результаты опытов по изучению фотоэффекта. Вплоть до работ Л. де Бройля (1924) представление о свете как потоке пространственно-дискретных частиц (фотонов), введенное Эйнштейном в 1905 для объяснения этих опытов, казалось несовместимым с классич. представлением о свете как пространственно непрерывном П. ф. Де Бройль предположил, что с каждой частицей (а не только с фотоном) связано волновое П. ф. Корпускулярно-волновой дуализм стал существенной чертой и в нерелятивистской квантовой механике. Однако?-поле в ней не так прямолинейно онтологизируется, как у де Бройля и развивавших его идеи Э. Шредингера (1926, 1952) и Д. Бома (1952). Согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики, разделяемой в наст. время подавляющим большинством ученых, ?-поле представляет собой т.н. п о л е вероятности (см. Микрочастицы). В релятивистской квантовой теории на совр. этапе ее развития квантовая теория волновых П. ф. является единств. способом описания элементарных частиц и их взаимодействий. В ее рамках понятие П. ф. претерпевает дальнейшее развитие. Благодаря волновым св-вам любых элементарных частиц и квантовым (корпускулярным) св-вам всех П. ф., каждое П. ф. (в прежнем, классич. смысле) является в то же время коллективом частиц, а каждый набор частиц (в прежнем, классич. понимании) представляет собой П. ф. Т.о., релятивистская квантовая теория на новой основе возвращается к онтологизации корпускулярно-волнового дуализма, трактуя?-поле Шредингера как классич. П. ф. материи (см. Э. Хенли и В. Тирринг, Элементарная квантовая теория поля, М., 1963, с. 19). Существенно, что онтологич. равноправие частиц и П. ф. имеет место лишь при учете т.н. в и р т у а л ь н ы х ч а с т и ц. Если же учитывать только р е а л ь н ы е ч а с т и ц ы, то П. ф. оказывается онтологически более существенным, ибо оно имеет вакуумное состояние, в к-ром отсутствуют реальные частицы (но имеется неопределенное переменное количество виртуальных частиц, существование к-рых проявляется во флуктуациях вакуумного состояния П. ф.). Нередко проводят различия между П. ф. частиц-источников взаимодействия и П. ф. частиц- п е р е н о с ч и к о в взаимодействия. Это связано с трактовкой взаимодействия между частицами-источниками как обмена виртуальными квантами П.ф., служащего переносчиком взаимодействия. При достаточной интенсивности взаимодействия (мерой интенсивности служит энергия) виртуальные кванты могут превращаться в реальные, давая начало существованию т.н. свободных П. ф. Свободные П. ф., описывающие состояние частиц до и после взаимодействия, не являются наблюдаемыми, ибо наблюдение в квантовой механике неотъемлемо от взаимодействия. Последнее же, с т. зр. квантовой теории П. ф., есть не что иное, как превращение одного определ. состояния П. ф. (совокупности частиц) в другое. Взаимодействие П. ф. обычно интерпретируют на основании представления о поглощении и испускании частиц. Эти частицы могут быть как реальными, так и виртуальными. У виртуальных частиц энергия и импульс подчиняются законам сохранения лишь с точностью до неопределенностей соотношения, поэтому на малых расстояниях может происходить обмен очень большим количеством виртуальных частиц. Это приводит к тому, что при наличии взаимодействий теряется отмеченная выше простая связь между частицами и П. ф. Взаимодействующие частицы (а также одна реальная частица, в отсутствии других взаимодействующая с вакуумом, а также со своим собств. П. ф., источником к-рого она сама является) окружены облаком виртуальных частиц. Строго говоря, с реальной частицей нельзя больше сопоставлять одно отд. П. ф. Др. словами, в ее образ входят в той или иной мере П. ф. всех др. элементарных частиц. Осн. трудности совр. квантовой теории П. ф. заключаются в отсутствии методов точного решения уравнений взаимодействующих П. ф. В квантовой электродинамике (теории взаимо-действия электромагнитного и электронно-позитронного П. ф.) приблизительное решение таких уравнений облегчается малостью силы взаимодействия, что позволяет использовать упрощенную модель взаимодействия (теорию возмущений). В теории же сильных взаимодействий, где квантовая теория П. ф. представляет собой лишь схему, до сих пор не решено строго ни одной задачи без предположения о малости взаимодействия. Необходимость привлечения всех П. ф. (в т.ч. и гравитационного, к к-рому также применим квантовый подход) для точного описания взаимодействий элементарных частиц породила стремление построить единую квантовую теорию. П. ф., к-рая не брала бы из опыта весь спектр масс и спинов элементарных частиц, а получила бы его автоматически. Наиболее известная попытка в этом направлении принадлежит Гейзенбергу (теория единого нелинейного спипорного П. ф. – "праматерии"), к-рая, однако, пока не принесла ощутимых физич. результатов. Упомянутые трудности квантовой теории П. ф. вызвали к жизни идею заменить попытки решения уравнений для операторов П. ф. построением такой системы уравнений, к-рая бы опиралась только на общие св-ва матрицы рассеяния (S-матрицы), непосредственно связывающей состояние свободного П. ф. до и после взаимодействия и не претендовала бы на детальное пространственно-временное описание процессов взаимодействия. На этом пути в наст. время нек-рыми учеными выдвигаются радикальные требования вообще отказаться от применения понятия П. ф. Это делается на основании допущения, что понятие пространственно-временного континуума не имеет физич. смысла в совр. микрофизике и по своему статусу похоже на понятие эфира в физике 19 в. (см. G. F. Chew, The dubious role of space-time continuum in microscopic physics, в журн.: "Science Progress", 1963, v. 51, No 204, p. 529). При этом отказ от использования пространственно-временных представлений (и вместе с ним представления о П. ф.) в микрофизике, разумеется, никоим образом не означает отказа от использования их в макрофизике (см. там жеи Е. I. Zimmerman, The macroscopio nature of space-time, в журн.: "American Journal of Physics", 1962, v. 30, p. 97). Однако большинство ученых по-прежнему считает необходимым использовать понятие П. ф. (а вместе с ним, естественно, и пространственно- временное представление) в качестве онтологич. основы для описания взаимодействия элементарных частиц. На этом пути в теории П. ф. возникает, в частности, интересная идея о существовании в природе т.н. к о м п е н с и р у ю щ и х П.ф., каждое из к-рых ответственно за сохранение той или иной фундаментальной физич. величины при взаимодействиях. Комплекс методологич. проблем, возникающих в связи с совр. представлениями о П. ф., чрезвычайно многогранен. Он включает проблему интерпретации крайне абстрактного математич. аппарата совр. теории П. ф. (в частности, сюда относится вопрос об онтологич. статусе виртуальных частиц) и проблему приемов описания взаимодействия (гамильтонов формализм или S-матрица?). Последняя проблема аналогична старой проблеме выражения движения в логике понятий, зафиксированной в апориях Зенона Элейского: как описывать взаимодействие – через его результаты (S-матрица) или через его пространственно-временное протекание (гамильтонов формализм). Сюда же относится и проблема адекватности описания взаимодействия на основе отд. представлений о П. ф. и о его источнике, поставленная Паули еще в 30-х гг. Дискуссии по всем этим и многим др. методологич. проблемам теории П. ф. продолжаются и еще далеки от своего завершения. Лит.: Максвелл Д. К., Избр. соч. по теории электромагнитного поля, пер. [с англ.], М., 1954; Эйнштейн?., Инфельд Л., Эволюция физики, пер. с англ., 2 изд., М., 1956; Овчинников?. ?., Понятие массы и энергии в их историч. развитии и филос. значении, М., 1957, с. 177; Марковы. ?., Гипероны и К-мезоны, М., 1958; его же, О совр. форме атомизма, "ВФ", 1960, No 3, 4; Штейнман Р. Я., Пространство и время, М., 1962, с. 68, 143; Кузнецов Б.Г., Развитие физич. идей от Галилея до Эйнштейна в свете совр. науки, М., 1963, гл. 2, 3, 4; Whittaker ?., The history of the theories of aether and electricity. The classical theories, L.– , 1951.

Материализация духов и раздача слонов.
Входные билеты от 50 к. до 2 р.
И. Ильф, Е Петров

Что такое фундаментальные взаимодействия и фундаментальные поля? Почему фундаментальные поля можно считать одной из составляющих материи?

Урок-лекция

О том, что поле - это особый вид материи, можно прочитать во многих учебниках физики и даже в энциклопедическом словаре. А вот пояснения к этому утверждению встречаются далеко не всегда. Поэтому часто смысл сказанного остается непонятым. Попробуем разобраться в этом и «материализовать поле». Заметим, что приведенное выше утверждение относится не к любым полям, а только к фундаментальным. Что же такое фундаментальные поля?

Фундаментальные взаимодействия и фундаментальные поля . Изучая физику, вы знакомились с различными силами - силой упругости, силой трения, силой тяжести. Каждая из этих сил характеризует некоторое взаимодействие между телами. Как вы знаете, развитие науки показало, что все макроскопические тела состоят из атомов и молекул (точнее, из ядер и электронов). Из атомно-молекулярной модели следует, что некоторые из взаимодействий между макроскопическими телами можно представить как результат взаимодействия между атомами и молекулами или, при еще большем углублении в структуру вещества, как результат взаимодействия между ядрами и электронами, входящими в состав макроскопических тел.

В частности, такие силы, как сила упругости и сила трения, есть результат сил, действующих между электронами и ядрами. А вот гравитационные взаимодействия и электромагнитные взаимодействия свести к каким-то другим взаимодействиям не удалось, хотя такие попытки и предпринимались.

Для характеристики взаимодействий, которые не сводятся к другим взаимодействиям, стали использовать понятие фундаментальные , что означает «основные».

Как говорилось в предыдущем параграфе, фундаментальные гравитационное и электромагнитное взаимодействия можно рассматривать _ на основе взаимодействия с полем. Поля, соответствующие фундаментальным взаимодействиям, стали называть фундаментальными полями .

Фундаментальными взаимодействиями являются гравитационное и электромагнитное взаимодействия.

Развитие науки показало, что гравитационное и электромагнитное взаимодействия не единственные фундаментальные взаимодействия. В настоящее время обнаружено четыре фундаментальных взаимодействия. О двух других фундаментальных взаимодействиях мы узнаем при изучении микромира.

Электромагнитное и гравитационное поля - это фундаментальные поля, которые не могут быть сведены к движению каких-либо частиц.

Дальнодействие и близкодействие . Мы уже знаем, что взаимодействие между частицами (заряженными и незаряженными) можно описывать при помощи полей, но можно и не вводить понятие поля. Концепцию, в соответствии с которой взаимодействие между частицами описывают напрямую, без введения понятия поля, называют концепцией дальнодействия. Название это означает, что частицы взаимодействуют на далеком расстоянии. Наоборот, вторую концепцию, в соответствии с которой взаимодействие осуществляется через посредство поля (гравитационного и электромагнитного), называют концепцией близко-действия. Смысл понятия близкодействия заключается в том, что частица взаимодействует с полем, которое имеется вблизи нее, хотя само это поле может создаваться частицами, находящимися очень далеко (рис. 13).

Рис. 13. Иллюстрация взаимодействия на основе концепции дальнодействия (а) и концепции близкодействия (б. в)

В первом случае (см. рис. 13, а) на заряд q действует сила F со стороны заряда Q, находящегося на расстоянии r. Во втором случае заряд Q создает в пространстве вокруг себя поле Е(х, у, z). В частности, в точке с координатами х 0 , у 0 , z 0 , где находится заряд q, создается поле Е(х 0 , у 0 , z 0) (см. рис. 13, б). Это поле, а не непосредственно заряд Q взаимодействует с зарядом q (см. рис. 13, в).

Исторически знания о природе развивались таким образом, что концепция близкодействия, предложенная в 30-е гг. XIX в, английским физиком М. Фарадеем, воспринималась лишь как удобное описание.

Положение принципиально изменилось после открытия электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью - скоростью света. Из теории электромагнитных волн следовало, что любое изменение электромагнитного поля распространяется через пространство также со скоростью света. Обращаясь к примеру, приведенному на рисунке 13, можно сказать, что если заряд Q в какой-то момент времени начнет движение, то заряд q «ощутит» изменение действующей на него силы не в тот же момент времени, а спустя время r/с (с - скорость света), т. е. время, необходимое для того, чтобы электромагнитная волна дошла от заряда Q до заряда q.

Конечность распространения электромагнитных волн приводит к тому, что описание электромагнитного взаимодействия на основе концепции дальнодействия становится неудобным.

Чтобы понять это, рассмотрим следующий пример. В 1054 г. на небосводе появилась яркая звезда, свет которой наблюдался даже днем в течение нескольких недель. Затем звезда угасла, и в настоящее время в районе небесной сферы, где находилась звезда, отмечается слабо светящееся образование, которое получило название Крабовидной туманности. В соответствии с современными представлениями об эволюции звезд произошла вспышка звезды, во время которой ее мощность излучения увеличилась в миллиарды раз, после чего звезда распалась. На месте ярко светящейся звезды образовались практически не излучающая нейтронная звезда и расширяющееся облако слабо светящегося газа.

С точки зрения концепции близкодействия наблюдение света звезды сводится к следующему. Заряды, находящиеся на звезде, создали поле, которое в виде волны дошло до Земли и оказало воздействие на электроны в сетчатке глаза наблюдателя. При этом волна достигла Земли за сотни лет. Люди наблюдали вспышку звезды, когда самой звезды уже не было. Если попробовать описать это наблюдение на основе концепции дальнодействия, то приходится считать, что заряды в сетчатке глаза взаимодействуют не с зарядами звезды, а с теми, которые когда-то были на звезде, которой уже нет. Заметим, что в процессе образования нейтронной звезды многие заряды исчезают, поскольку из электронов и протонов образуются нейтроны - нейтральные частицы, практически не участвующие в электромагнитном взаимодействии. Согласитесь, что описание на основе взаимодействия с тем, что когда-то было, но не существует в настоящий момент времени, «не очень удобное».

Другая причина признать поле материальным связана с тем, что электромагнитная волна переносит через пространство энергию и импульс (подробнее см. § 57). Если поле не считать материальным, то следует признать, что энергия и импульс не связаны с чем-то материальным и сами по себе переносятся через пространство.

Сформулированная в 1905 г. Альбертом Эйнштейном теория относительности базируется на постулате, в соответствии с которым не существует взаимодействий (в том числе и фундаментальных), распространяющихся быстрее света.

Мы начали этот параграф с «материализации духов». Физики - народ остроумный, и понятие «духи» уже используется в современной теории поля. Можно сказать, что пока еще эти духи не материализованы, т. е. не наблюдаются на опыте. Но и наука о фундаментальных полях пока еще не завершена.

Конечность распространения фундаментальных полей и их связь с энергией и импульсом (перенос энергии и импульса этими полями) приводят к признанию этих полей в качестве одной из составляющих материи. Материя, таким образом, представлена частицами (веществом) и фундаментальными полями.

• Какой смысл заложен в понятия «фундаментальные поля» и «фундаментальные взаимодействия»?
• Приведите примеры полей, не являющихся фундаментальными.
• Подумайте и приведите примеры нефундаментальных взаимодействий.