Подробнее рассмотрим этот вопрос после изучения законов
сохранения и специальной теории относительности.
Природа массы - важнейший, до сих пор не решенный вопрос
физики. Принято считать, что массы элементарных частиц
определяется полями, с ними связанными. Однако, до настоящего
времени не создана количественная теория массы. Не существует
теорий, объясняющих, почему массы элементарных частиц образуют
не непрерывный, а дискретный, т.е. прерывный спектр значений,
и тем более, позволяющих рассчитать эти значения.
8. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. ПОЛЕ. ПРИНЦИПЫ БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ И
ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ.
Уже несколько раз упоминалось понятие поле. Что же следует
под ним понимать? В механике Ньютона взаимодействие тел
количественно характеризуется силой. Более общей
характеристикой взаимодействия тел является потенциальная
энергия. Но не для всех сил она может быть введена.
Первоначально в классической механике утвердилась
концепция, что взаимодействие между телами происходит через
пустое пространство, которое не принимает участия во
взаимодействии, передача взаимодействия происходит мгновенно.
Так, например, считалось, что перемещение Земли мгновенно
приводит к изменению силы тяготения, действующей на Луну. В
этом и состояла так называемая концепция дальнодействия. По
сути дела утверждалась возможность мгновенной передачи какого-
либо воздействия от одного тела другому. При этом не
оговаривался механизм этой передачи.
Однако, данные представления были откинуты, как не
соответствующие реальным, после открытия и исследования
электрических и магнитных полей. Понятие поля в применении к
электрическому и магнитному полям было введено в 30-х годах 19-
го века М. Фарадеем. Концепция поля была возрождением теории
близкодействия, основоположником которой был Р.Декарт.
Согласно его концепции близкодействия, взаимодействующие тела
создают в каждой точке окружающего их пространства особое
состояние - поле, которое проявляется в силовом воздействии
на другие тела, в эти поля помещенные. Экспериментально было
показано, что взаимодействие электрически заряженных тел
осуществляется не мгновенно. Перемещение одной заряженной
частицы приводит к изменению сил, действующих на другую
заряженную частицу не в тот же момент, а спустя некоторое
время. В разделяющем частицы пространстве происходит некоторый
процесс, который распространяется с конечной, хотя и очень
большой скоростью. Был сделан вывод, что имеется посредник,
осуществляющий взаимодействие между заряженными частицами.
Этот посредник был назван электромагнитным полем. Каждая
заряженная частица создает вокруг себя электромагнитное поле,
действующее на другие заряженные частицы. Скорость
распространения электромагнитных волн не превышает скорости их
распространения в вакууме, равной 3(108 м/с. Таким образом,
возникла новая концепция - концепция близкодействия. Согласно
этой концепции, взаимодействие телами осуществляется
посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в
пространстве. Всемирное тяготение, например, осуществляется за
счет гравитационных полей. Взаимодействие тел передается не
мгновенно, а через некоторый промежуток времени. Скорость
передачи взаимодействия ограничена скоростью света в вакууме.
В современной физике существует квантовая теория поля.
Согласно этой теории, любое поле не непрерывно, а дискретно.
Дискретность означает наличие некоторых частиц поля - квантов.
Каждому полю соответствуют свои частицы. Например,
электромагнитному полю соответствуют кванты, называемые
фотонами, известными из школьного курса физики. Фотоны - это
переносчики электромагнитного взаимодействия.
Как наглядно представить себе процесс взаимодействия
посредством квантов электромагнитного поля. Допустим вы стоите
в лодке, ваш приятель тоже стоит в другой лодке. Вам надо
сдвинуться так, чтобы в лодке ничего не изменилось. Нельзя
касаться другой лодки и своего приятеля, нельзя просто
выкинуть что-либо из лодки. Проще всего прийти в движение,
перекинувшись с приятелем какими-то одинаковыми вещами,
например, веслами. Вы как бы оттолкнетесь друг от друга, не
касаясь и ничего не выкидывая из лодок. Точно также и тела,
обмениваются одинаковыми квантами, ничего не теряя, и таким
образом взаимодействуют друг с другом.
Несмотря на великое многообразие взаимодействий тел друг с
другом, в природе существует четыре вида взаимодействий и,
соответственно, четыре типа полей. Перечислим их все в порядке
возрастания величины взаимодействия. Гравитационные
взаимодействия обеспечивают тяготение тел друг к другу.
Слабые взаимодействия ответственны за большинство распадов и
превращений элементарных частиц. Электромагнитные
взаимодействия - это взаимодействие заряженных тел. Сильные
взаимодействия связываются протоны и нейтроны (нуклоны) в
атомном ядре.
Разные виды взаимодействия различаются на много порядков
по величине действующих сил. Приведем такой пример. Силу
тяготения двух песчинок, находящихся на расстоянии 20 м друг
от друга нельзя измерить с помощью самых точных и современных
приборов. Но, если переместить из всех атомов одной песчинки
по одному электрону в атомы другой песчинки, то песчинки будут
притягиваться друг к другу с силой ~ 1010
ньютонов.
Поскольку поля заданы в каждой точке пространства, т.е. в
бесконечном числе точек, для их описания требуется не
конечное, а бесконечное число параметров - степеней свободы.
Сказанное не означает, что для описания поля надо реально
задавать бесконечное число параметров. Достаточно установить
закон, позволяющий находить поле в каждой точке пространства.
Таковыми являются: закон всемирного тяготения для
гравитационных полей, закон Кулона для электрических полей и
закон Био-Савара-Лапласа для магнитных полей.
Особой формой существования материи являются волны. Волна
представляет из себя процесс распространения возмущения какого-
либо физического параметра в пространстве. Также, как и поля,
волна не детерминирована в пространстве, поскольку она с
необходимостью распространяется в пространстве и существует в
каждой точке пространства. Различают волны в упругих средах
(примером которых являются звуковые волны в газах или твердых
телах), которые локализованы в самой среде, и волны
(электромагнитные, гравитационные), не ограниченные средой,
т.е. не локализованные в ограниченной части пространства.
9. СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ, ЕЕ ИЗМЕНЕНИЕ ВО ВРЕМЕНИ.
После введения понятия вещества и поля перейдем к
рассмотрению классических подходов в описании физических
явлений. В основе ряда теорий естествознания, в том числе
классической физики лежит представление о непрерывности
процессов или явлений. Изменение состояния любой системы
происходит плавно, непрерывно от одной точки к другой.
Простейшей формой движения материи является механическое
движение, под которым мы понимаем перемещение тел в
пространстве и времени. Наука, изучающая такой вид движения
материи, называется механикой. В естествознании для описания
систем вводятся модели. Простейшей моделью, на которой удобно
изучать механическое движение, является материальная точка,
т.е. тело, имеющее массу, но не имеющее геометрических
размеров. Материальная точка - это абстракция, модель; таких
тел в природе не существует.
Когда же реальную систему можно заменить точкой? Играют ли
при этом решающую роль ее размеры? Тело можно заменить
материальной точкой, если в рамках поставленной задачи можно
пренебречь его размерами и формой, т.е. если перемещение тела
много больше размеров самого тела. Одно и тоже тело в одних
условиях можно считать материальной точкой, а в других - нет.
Например, наша планета огромна по сравнению с размерами
человека, и если человек огибает земной шар, то его движение
можно представить как движение точки на огромном глобусе. В
свою очередь, размеры земной орбиты во столько же раз больше
размеров Земли, во сколько раз сама Земля больше человека. Так
что, и Землю можно считать материальной точкой при ее движении
вокруг Солнца.
Еще один пример. При измерении пройденного автомобилем
расстояния никому не придет в голову вопрос, до какой точки
автомобиля это расстояние мерить, однако, когда тот же
автомобиль заезжает в гараж необходимо следить, чтобы он
никакой своей частью ни за что не зацепился. В первом случае
автомобиль можно заменить материальной точкой, а во втором -
нельзя, т.к. обязательно нужно учитывать его форму и размеры.
Таким образом, допустимость модели материальной точки,
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
