Электрическое поле теория близкодействия и дальнодействия. Концепция дальнодействия и близкодействия

2.7. Взаимодействие, близкодействие, дальнодействие

2.7.1. Концепции близкодействия и дальнодействия

Дальнодействие . После открытия закона всемирного тяготения И. Ньютоном, а затем закона Кулона, описывающего взаимодействие электрических заряженных тел, возник , почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на больших расстояниях через пустое пространство и почему заряженные тела взаимодействуют между собой даже через электрически нейтральную среду?

До введения понятия «поле» на этот вопрос не было удовлетворительного ответа. Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может непосредственно осуществляться через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействий, а передача взаимодействия от тела к телу передается мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия, которую обосновал Р. Декарт. Большинство ученых придерживалось этой концепции вплоть до конца XIX в.

Принцип дальнодействия утвердился в физике еще и потому, что гравитационное взаимодействие макроскопических тел в соответствии с законом всемирного тяготения И. Ньютона малозаметно, – притяжение слишком слабо, чтобы его ощутить. Поэтому экспериментально это было трудно подтвердить или опровергнуть. Только известные опыты Г. Кавендиша были первыми лабораторными наблюдениями гравитационного притяжения.

Близкодействие . Напротив, законы взаимодействия электрически заряженных тел допускали возможность их относительно простой проверки. Вскоре было установлено, что взаимодействие электрических зарядов происходит не мгновенно. Каждая электрически заряженная частица создает электрическое поле, действующее на другие частицы не в тот же момент, а спустя некоторое время.

Иными словами, взаимодействие передается через посредника – электромагнитное поле, а скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света. Это составляет суть концепции близкодействия.

2.7.2. Фундаментальные типы взаимодействий

Согласно концепции близкодействия все взаимодействия между юлами (помимо прямого контакта между ними) осуществляются с помощью тех или иных полей (например, взаимодействие в теории тяготения – с помощью гравитационного поля, электромагнитные взаимодействия – с помощью электромагнитных полей). Вплоть до ХХ в. были известны лишь два типа взаимодействий: гравитационное и электромагнитное.

В настоящее время, помимо гравитационного и электромагнитного взаимодействий, известны еще два – так называемые слабые и сильные взаимодействия. Указанные типы взаимодействий в современной физике являются фундаментальными.

Слабое взаимодействие отвечает за внутриядерное взаимодействие, приводящее, например, к распаду нейтрона с испусканием электронов (β -излучение), сильное взаимодействие – за внутринуклонные взаимодействия, оно удерживает кварки внутри нуклонов.

Пространственно четырех взаимодействий различно. Так, гравитационные и электромагнитные взаимодействия описываются законами «обратных квадратов расстояний» и проявляются во всем пространстве формально до бесконечности. Сильные взаимодействия проявляются только в пределах размера ядра ~10 –13 см, а слабые взаимодействия - на расстояниях в несколько порядков раз меньших размеров ядер.

Относительная сила взаимодействий различна. Если сильное взаимодействие условно принять за единицу, то электромагнитное взаимодействие будет в 10 2 раз меньше, слабое – в 10 10 , а гравитационное – в 10 38 раз меньше сильного взаимодействия.

И хотя сила взаимодействий существенно различна, ни одним из них пренебрегать нельзя. Каждое взаимодействие может оказывать решающее влияние на процессы в том или ином конкретном случае. Даже такое взаимодействие, как гравитационное, несмотря на свою кажущуюся малость (в 10 38 раз меньше сильного взаимодействия) играет, например, доминирующую роль в процессах космического порядка, где присутствуют объекты с огромной массой и большие пространственные масштабы явлений.

Во второй половине XX в. велись интенсивные работы по возможному объединению электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий.

Пока что С. Вайнбергу , Ш. Глэшоу и А. Саламу удалось создать единую теорию электрослабого взаимодействия. В соответствии с этой теорией за электрослабые взаимодействия отвечают частицы – кванты электрослабого поля - бозоны W~ и Z 0 . Вскоре такие частицы были обнаружены экспериментально К. Руббиа и С. ван дер Меером .

Как отмечалось выше, сильное фундаментальное взаимодействие отвечает за связь частиц в ядре, и поэтому часто называется ядерным. Вначале это взаимодействие изучалось в рамках квантовой мезонодинамики. Японский ученый Х Юкава выдвинул идею, что взаимодействие между нуклонами (протонами и нейтронами) в атомных ядрах обусловлено специальными частицами – квантами ядерного поля, названными мезонами. В дальнейшем такие частицы были открыты и получили название π
– мезонов.

Следующим этапом развития теории сильных взаимодействий было создание квантовой хромодинамики. Необходимость в создании новой теории объясняется следующим: в дальнейшем было выяснено, что отдельные единицы ядра – нейтроны и протоны – сами состоят из более мелких единиц – кварков, поэтому исследования переместились в область изучения взаимодействий между кварками в нуклонах. По современным представлениям, в соответствии с квантовой хромодинамикой, сильное вздимодействие связано с существованием квантов внутринуклонного поля глюонами. Таким образом, теория сильных взаимодействий – квантовая хромодинамика – описывает взаимодействие кварков и глюонов.

Теорию электрослабых и сильных взаимодействий называют Стандартной моделью макромира.

После того, как была создана единая теория электрослабых взаимодействий, появилась реальная перспектива построения ядерной теории всех трех форм взаимодействий элементарных частиц (программа «Великого объединения»).

А в самое последнее время появились новые идеи, которые открывают, может быть, далекие, но все же реальные перспективы объединения всех известных четырех взаимодействий, включая и гравитационное. Решение этой задачи ознаменовало бы грандиозную научную революцию, которую трудно измерить масштабами всех предшествующих научных революций.

Иными словами, на сегодняшний день мы имеем очень продуктивную исследовательскую программу, дающую направление ее развития, которое ориентированно ведет к единству всех фундаментальных теорий.

Если такая программа будет реализована, то это будет означать что природа, в конечном счете, подчинена действию некой суперсилы проявляющейся в некоторых частных взаимодействиях. Эта суперсила достаточно мощна, чтобы создать нашу Вселенную, наделить ее энергией в соответствующих формах и материей с определенной структурой.

Но суперсила – нечто большее, чем просто сила. В ней материя, пространство-время и взаимодействие слиты в нераздельное гармоническое целое, порождающее такое единство Вселенной, о котором раньше никто и не предполагал. Современная наука в поиске такого единства.

С концепциями взаимодействия в физике тесно связана концепция физического вакуума. По современным представлениям, вакуум – это не «абсолютная пустота», а реальная физическая система, например электромагнитное поле в одном из своих состояний. Более того, согласно квантовой теории поля, из состояния вакуума можно получить все другие состояния поля. Вакуум можно определить как поле с минимальной энергией. В вакууме постоянно протекают сложнейшие физические превращения, например особого рода вакуумные колебания электромагнитного поля, не вырывающиеся из него и не распространяющиеся, однако отчетливо проявляющиеся в физическом эксперименте.

Дальнодействие . После открытия закона всемирного тяготения И. Ньютоном, а затем закона Кулона, описывающего взаимодействие электрических заряженных тел, возник вопрос, почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на больших расстояниях через пустое пространство и почему заряженные тела взаимодействуют между собой даже через электрически нейтральную среду?

Близкодействие . Напротив, законы взаимодействия электрически заряженных тел допускали возможность их относительно простой проверки. Вскоре было установлено, что взаимодействие электрических зарядов происходит не мгновенно. Каждая электрически заряженная частица создает электрическое поле, действующее на другие частицы не в тот же момент, а спустя некоторое время.

Близкодействие и дальнодействие -это взаимно противоположные взгляды для объяснения взаимодействия материальных структур. По концепцииблизко действия любое взаимодействие на материальные объекты может быть передано только между соседними точками пространства за конечный промежуток времени. Дальнодействие допускает действие на расстоянии мгновенно с бесконечной скоростью, т. е. фактически вне времени и пространства. После Ньютона эта концепция получает широкое распространение в физике, хотя он сам понимал, что введенные им силы дальнодействия (например, силы тяготения) являются лишь формальным приближенным приемом, позволяющим дать верное в некоторых пределах описание наблюдаемых явлений. Окончательное утверждение принципа близкодействия пришло с выработкой концепции физического поля как материальной среды. Уравнения поля описывают состояние системы в данной точке в данный момент времени как зависящее от состояния в ближайший предшествующий момент в ближайшей соседней точке. Если электромагнитное поле может существовать независимо от материального носителя, то электрическое взаимодействие нельзя объяснить мгновенным действием на расстоянии. Поэтому дальнодействие Ньютона уступило место близкодействию, полям, распространяющимся в пространстве с конечной скоростью. Таким образом, согласно современной науке, взаимодействия между структурами передаются посредством соответствующего поля с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

Вся совокупность элементарных частиц с их взаимодействиями проявляет себя макроскопически в форме вещества и

поля. Поле в отличие от вещества обладает особыми свойствами. Физическая реальность электромагнитного поля видна хотя бы из того, что существуют радиоволны. Источником электромагнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. Взаимодействие зарядов происходит по схеме: частица - поле - частица. Поле является переносчиком взаимодействия. В некоторых условиях поле может "оторваться" от своих источников и свободно распространяться в пространстве. Такое поле носит волновой характер.

Как получают сведения о состоянии вещества звезд? Атомные процессы, которые разыгрываются во внешних оболочках звезд, сопровождаются излучением электромагнитных волн. Одним из таких процессов является возбуждение атомов, ведущее к излучению ряда характерных "порций" энергии электромагнитного поля (спектр). У каждого химического элемента имеется свой, только ему присущий спектр излучения. Анализируя, например, солнечный свет (свет является электромагнитным излучением) с помощью оптических приборов, можно определить химический состав и процентное содержание элементов во внешних оболочках Солнца.

В современной естественно-научной картине мира как вещество, так и поле состоят из элементарных частиц, а частицы взаимодействуют друг с другом, взаимопревращаются. На уровне элементарных частиц происходит взаимопревращение поля и вещества. Так, фотоны могут превратиться в электронно-позитронные пары, а эти пары в процессе взаимодействия уничтожаются (аннигилируются) с образованием фотонов. Более того, вакуум тоже состоит из частиц (виртуальных частиц), которые взаимодействуют как друг с другом, так и с обычными частицами. Таким образом, исчезают фактически границы между веществом и полем и даже между вакуумом, с одной стороны, и веществом и полем - с другой. На фундаментальном уровне все грани в природе действительно оказываются условными. В современной естественно-научной картине мира вещество и поле взаимопревращаются. Поэтому в настоящее

время предпринимаются настойчивые попытки создать единую теорию всех видов взаимодействий.

При наличии нескольких полей для определения результирующего взаимодействия применяют принцип суперпозиции. Принцип суперпозиции в естествознании позволяет получать результирующий эффект от наложения (суперпозиции) нескольких независимых взаимодействий как сумму эффектов, вызываемых каждым взаимодействием в отдельности. Он справедлив для систем, описываемых линейными уравнениями. Принцип суперпозиции широко используется в механике, теории колебаний и волновой теории физических полей. В квантовой механике принцип суперпозиции относится к волновым функциям. Согласно этому, если физическая система может находиться в состояниях, описываемых двумя или несколькими функциями, то система может также находиться в состоянии, описываемом любой линейной комбинацией этих функций.

Действие на расстоянии представляет собой взаимодействие объектов между собой, не используя при этом никаких посредников. Согласно этой теории между взаимодействующими объектами находится пустота. То есть отрицается наличие, какого либо агента передающего воздействие от одного тела к другому.

Рисунок 1 — дальнодействие на примере двух зарядов

Также считается, что это самое воздействие передается бесконечно быстро. Ну, или, по крайней мере, со скоростью света. Расстояние также может быть любым, действие тел друг на друга всё равно будет происходить.

В качестве примера теории действия на расстоянии приводится сила всемирного тяготения. Которая описана в классической теории гравитации Ньютона. Но, тем не менее, хотя сам Ньютон и открыл гравитацию он так и не смог объяснит механизм ее работы. То бишь луна притягивается к земле без постороннего физического агента, как и земля к солнцу, но вот каков механизм этого взаимодействия он так и не объяснил.

Рисунок 2 — притяжение луны к земле

Ученые того времени не сразу приняли теорию дальнодействия. Они всё-таки пытались адаптировать законы механики к явлениям, которые объяснялись с помощью теории действия на расстоянии. При этом использовали теорию близкодействия. Которая сводилась к тому, что тела находящиеся на расстоянии не могут взаимодействовать между собой непосредственно. То есть, чтобы сила передавалась от одного тела к другому, нужен какой либо физический посредник.

В результате адаптации возникло такое понятие как эфир. Да-да тот самый эфир, который вспоминают при теле или радиовещании. Суть эфира заключается в том, что он и взял на себя функции той физической среды, которая должна являться посредником для передачи силы между телами. То есть, используя понятия эфира, можно применить теорию близкодействия к явлению скажем гравитации. Одно тело давит на эфир, который, сжимаясь, передает воздействие на другое тело.

Рисунок 3 — эфирная частица заполняющая вакуум

К слову считалось, что эфир заполняет пространство внутри атома между ядром и электронами. Он та и являлся связующим звеном между ними, так как выходила, что внутри твердых физических тел на самом деле находилась пустота. Электромагнитная волна, испускаемая все при том же радиовещании, так же распространялась благодаря эфиру.

Но в итоге от понятия эфира пришлось отказаться. Хотя оно конечно и давало объяснение каким образом взаимодействуют тела находящиеся на расстоянии но математически доказать это не удалось. Не противоречивую теорию, включающую в себя близкодействие и понятие эфира, так и не сформировали.

Современная физика проводи четкую границу в материальных частицах. Одни из них являются источниками вызывающими взаимодействие, к примеру, носители заряда. То есть это непосредственно вещество скажем металл. А другие только переносят это взаимодействие, их называют полем.

Мы уже знаем, что вскоре после того, как был установлен закон Кулона, электростатика и магнитостатика были сформулированы в форме теории псевдоблизкодействия. Максвелл взялся за задачу слить эту теорию воедино с идеями Фарадея, разработав ее так, чтобы она включала и вновь открытые

явления диэлектрической и магнитной поляризации, электромагнетизма и магнитной индукции.

В качестве исходного пункта своей теории Максвелл взял уже упоминавшуюся выше идею о том, что электрическое поле всегда сопровождается электрическим смещением не только в веществе, где отличается от 1, но и в эфире, для которого Мы рассказали, как можно представить себе смещение в виде разделения и перетекания электрических жидкостей в молекулах. Установили мы и дифференциальный закон, связывающий плотность заряда в каждой точке пространства с дивиргенцией равной

Точно те же соображения применимы к магнетизму с одним важным отличием: согласно Амперу, не существует реальных магнитов и магнитных величин, существуют лишь электромагниты. Магнитное поле всегда должно вызываться электрическими токами, будь это токи проводимости в проволоках или молекулярные токи в молекулах. Отсюда следует, что магнитные силовые линии нигде не оканчиваются, т. е. они либо замкнуты, либо уходят в бесконечность. Это так в случае электромагнита - катушки, через которую протекает ток (фиг. 9 7, а, б): магнитные силовые линии внутри катушки прямые, а снаружи они частично замкнуты, а частично уходят в пространство, в бесконечность. Если рассмотреть виток катушки, лежащий между двумя плоскостями то можно видеть, что точно столько «магнитного смещения» входит через плоскость А, сколько выходит через плоскость В. Поэтому мы должны записать

Это и есть максвелловская формула близкодействия для магнетизма. Заметим, что вместо понятия «смещение» используется выражение магнитная индукция.

Перейдем теперь к электромагнитному закону Био и Савара. Для того чтобы превратить его в закон близкодействия, предположим, что электрический ток протекает не в тонкой проволоке, а равномерно распределен с плотностью по круговому поперечному сечению Выясним вопрос, как велика напряженность магнитного поля на границе поперечного сечения. По закону Био и Савара, это магнитное поле лежит в направлении, перпендикулярном плоскости окружности, и, согласно формуле (54), имеет величину где - радиус окружности, а длина элемента тока. Но площадь поперечного сечения В нашем случае - круг и равна следовательно, формулу

(54) можно записать как

причем это справедливо для любого как угодно малого поперечного сечения и любой как угодно малой длины.

Фиг. 97. Магнитное поле катушки (соленоида). а - силовые лииии в катушке становятся видимыми при помощи железных опилок, б - ток , текущий сквозь катушку.

Итак, слева мы имеем определенную дифференциальную величину, характеризующую магнитное поле, а записанный нами закон утверждает, что эта величина пропорциональна плотности тока. Здесь мы не сможем провести математический анализ того, как образуется эта дифференциальная величина. Она должна учитывать не только напряженность, но и направление магнитного поля,

поэтому она обвивается или «завихряется» вокруг направления тока, т. е. зависит от дифференциальной операции, называемой «вихрем», или «ротором», поля Я (записывается как Соответственно мы можем записать символически

опять-таки рассматривая эту формулу лишь как мнемоническую запись соотношения между напряженностью и направлением магнитного поля с одной стороны, и плотностью тока с другой. Для математика, однако, эта формула представляет собой дифференциальное уравнение того же вида, что и закон (58).

Четыре символические формулы (58) - (61) обнаруживают чудесную симметрию. Формальное сходство такого рода - ни в коем случае не малозначительноеобстоятельство. В нем находит свое проявление фундаментальная простота явлений природы, скрытая от прямого взгляда из-за ограниченности человеческих чувств и открывающаяся лишь перед нашими аналитическими способностями.

В общем случае ток проводимости и ток смещения существуют одновременно. Для первого из них верен закон Ома (52), (стр. 159); для второго - закон Максвелла

Когда одновременно имеют место оба тока, мы получаем

В случае магнетизма тока проводимости не существует, поэтому

Если подставить эти выражения в наши символические уравнения (58) - (61), то мы получаем

Это и есть уравнения Максвелла - законы, которые остаются основой электромагнитных и оптических теорий и в наше время. Математик видит в них строгие математические уравнения. Для нас же они просто мнемонические формулировки, утверждающие следующее:

а) Везде, где присутствует электрический заряд, возникает электрическое поле такого вида, что в каждом объеме заряд точно компенсируется смещением.

б) Из каждой замкнутой поверхности выходит в точности столько магнитного смещения, сколько в нее входит (не существует свободных магнитных зарядов).

в) Всякий электрический ток, будь это ток проводимости или ток смещения, всегда окружен магнитным полем.

г) Магнитный ток смещения всегда окружен электрическим полем.

Максвелловские уравнения поля, как их называют, представляют собой истинную теорию близкодействия, или контактного взаимодействия, ибо, как мы сейчас увидим, из них вытекает конечная скорость распространения электромагнитных сил.

Однако в те времена, когда они были впервые установлены, вера в прямое действие на расстоянии, согласно модели ньютоновского тяготения, настолько укоренилась в умах, что прошло довольно много времени, прежде чем уравнения Максвелла были приняты - ведь теория дальнодействия не менее успешно справилась, с описанием явления индукции при помощи формул. В теории дальнодействия это осуществлялось с помощью предположения, что движущиеся заряды вызывают, в дополнение к кулоновскому притяжению, определенные действия на расстоянии, зависящие от величины и направления скорости зарядов. Первые гипотезы такого рода были выдвинуты Нейманом (1845 г.). Другой знаменитый закон был сформулирован Вильгельмом Вебером (1846 г.); аналогичные формулы предложили Риман (1858 г.) и Клаузиус (1877 г.). Общей для этих теорий была идея о том, что все электрические и магнитные взаимодействия следует объяснять с помощью сил, действующих между элементарными электрическими зарядами, или, как мы сейчас говорим, «электронами». Эти теории, таким образом, предшествовали современной теории электронов, но с одним существенным упущением: они не учитывали конечность скорости распространения сил. Такие электродинамические теории, основанные на дальнодействии, давали полное объяснение электродвижущих сил и токов индукции, возникающих в случае замкнутых токов проводимости. Но в случае «открытых» цепей, именно заряда и разряда конденсаторов, они были обречены на неудачу, ибо в этом явлении начинают играть роль токи смещения, о которых теории дальнодействия ничего не могли сказать. Тем, что у нас

есть сейчас полностью удовлетворительные экспериментальные приборы, позволяющие сделать выбор между теорией дальнодействия и теорией близкодействия, мы обязаны Гельмгольцу. Именно он добился определенного успеха в осуществлении соответствующих экспериментов и он же стал одним из наиболее ревностных первых последователей теории Максвелла. Но закрепил победу максвелловской теории ученик Гельмгольца - Герц, открывший электромагнитные волны.