Концепции близкодействия и дальнодействия

Концепции близкодействия и  дальнодействия.

Ктои как создавал теорию электромагнитного поля? Как определили скорость света?

Для обозначения  меры взаимодействия тел Ньютон ввел понятие приложенной силы, которая  определяет ускорение тела. Причем среди взаимодействий можно выделить два типа:

·  близкодействие - непосредственный контакт или передача взаимодействия с помощью посредника, несущего в себе импульс, например, обмен, когда один человек бросает другому тяжелый предмет, оба ощущают отдачу; скорость изменения импульса и будет силой;

·  дальнодействие - передача взаимодействия через разделяющее тела пространство без материальных посредников. 

Ньютон был  противником концепции дальнодействия, однако наличие в природе таких явлений, как гравитация, электричество и магнетизм, не укладывалось в концепцию близкодействия. Поэтому об их природе Ньютон предпочитал не рассуждать, оставляя эту проблему на долю потомков. 

Долгое время  считалось, что абсолютное пространство заполнено особого рода средой - эфиром. Именно волны в эфире передают взаимодействие от одних тел к  другим, подобно тому, как волны  на поверхности воды приводят в движение поплавок. И действительно, например, такое "дальнодействующее" явление, как свет, явно обнаруживает в опытах волновые свойства, аналогичные тем, которые характерны для любых  волновых процессов (дифракция и  интерференция). Позднее из работ  Максвелла стало понятно, что  свет является частным случаем проявления электромагнетизма. Он же впервые ввел понятие электромагнитного поля, как особого состояния пространства, которое содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом и магнитном состояниях. Впервые прозвучало, что поле - это характеристика самого пространства, которое может оказывать силовое влияние на тела, помещенные в него. 

История развития современных представлений об электромагнетизме  насчитывает несколько столетий. Cчитается, что существование электричества впервые установил древнегреческий философ Фалес Милетский. Он заметил, что, если кусок янтаря потереть о шелк или мех, янтарь обретает способность притягивать мелкие предметы. Янтарь по-гречески называется электрон. 

В средние века открытое Фалесом странное явление  тщательно изучал придворный медик  английской королевы Елизаветы I Уильям Гильберт, который обнаружил, что  способность электризоваться присуща и многим другим веществам. Дальнейшие исследования, проведенные в Англии и других странах Европы, показали, что некоторые вещества ведут себя как изоляторы. Французский ученый Шарль Дюфе установил, что существуют две разновидности электрических зарядов; теперь мы называем их положительными и отрицательными. 

В XVIII-XIX вв. природа  электричества частично прояснилась  после экспериментов Бенджамина Франклина и Майкла Фарадея. Выяснилось, что электрические заряды одного знака отталкиваются, а заряды противоположных знаков притягиваются, и в том и другом случае электрические силы ослабевают с расстоянием в соответствии с законом "обратных квадратов", который Ньютон вывел ранее для гравитации. Но по величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, наличие которого Кавендишу удалось продемонстрировать только с помощью специального прибора, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать.

Работы Фарадея  навели на мысль, что электричество  скрыто в атоме, но существование  электрона было твердо установлено  только в 90-е годы 19-го века после  того, как Дж. Дж. Томсон открыл "катодные лучи". Ныне известно, что электрический заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице заряда - своего рода "атому" заряда. Почему это так - чрезвычайно интересный вопрос. Однако не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Например, фотон и нейтрино электрически нейтральны. В этом отношении электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. 

Как и электричество, магнетизм в природе обнаружили древние греки. Примерно к 600 г. до н. э. им были известны свойства магнитного железняка (оксида железа); как обнаружилось, его куски могут действовать друг на друга на расстоянии. Примерно через 500 лет китайцы открыли поразительную способность магнитного железняка определенным образом ориентироваться в пространстве и создали первый примитивный компас. Правда, вначале его использование ограничивалось мистическими действами, и лишь через несколько столетий компас стал навигационным прибором. 

К концу XVI в. европейские  ученые начали постигать истинную природу  магнетизма. Гильберт доказал, что Земля  ведет себя как большой магнит, свойства которого весьма напоминают свойства построенной им модели - шара из магнитного железняка. Было установлено, что существуют две разновидности  магнетизма, которые в соответствии с магнетизмом Земли получили название северного и южного полюсов. 

Как и электрические  заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Однако в отличие от электрических  зарядов магнитные полюса встречаются  не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный полюс. В обычном магните, имеющем форму  стержня (прямоугольного параллелепипеда), один конец действует как северный полюс, а другой - как южный. Если стержень разрезать пополам, то на месте  разреза возникнут новые полюса, т. е. получатся два новых магнита, каждый из которых имеет и северный, и южный полюса. Все попытки  получить таким способом изолированный  магнитный полюс - монополь - заканчивались  неудачей. 

Как электрическое  и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных полюсов подчиняется  закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая и магнитная силы "дальнодействующие", и их действие ощутимо на больших расстояниях  от источника. Например, магнитное поле Земли простирается далеко в космическое  пространство. Солнце также порождает  магнитное поле, которое заполняет  всю Солнечную систему. Существует даже галактическое магнитное поле. 

В начале XIX в. выяснилось, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая связь. Датский физик Ханс Кристиан Эрстед открыл, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, тогда как Майкл Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Эти открытия легли в основу динамомашияы и электрогенератора, играющих ныне столь важную роль в технике.

Решающий шаг  в познании электромагнетизма сделал в 50-х годах XIX в. Джеймс Клерк Максвелл, объединивший электричество и магнетизм  в единой системе уравнений теории электромагнетизма - первой единой теории поля - невидимого воздействия, создаваемого материей, простирающегося далеко в пространство и способного влиять на электрически заряженные частицы, электрические токи и магниты. 

Исследуя уравнения, описывающие электрические и  магнитные силы, Максвелл обнаружил, что эти уравнения "несбалансированны": члены, относящиеся к электрическому и магнитному полям, входят в них  не вполне симметрично. Чтобы придать  уравнениям более красивый и симметричный вид, он ввел дополнительный член. Его  можно было бы интерпретировать как  не замеченный ранее эффект - порождение магнетизма переменным электрическим  полем, но оказалось, что такой эффект действительно существует. 

Введение дополнительного  члена в уравнения Максвелла  повлекло за собой чрезвычайно глубокие последствия. Во-первых, это позволило  соединить электрическое и магнитное  поля в единое электромагнитное поле. Уравнения Максвелла можно считать  первой единой теорией поля, они  показали, что две силы природы, кажущиеся  на первый взгляд совершенно различными, в действительности могут оказаться двумя различными проявлениями объединяющей их силы. 

Во-вторых, среди  решений уравнения Максвелла  обнаружились неожиданные, но весьма многообещающие. Выяснилось, что уравнениям Максвелла  удовлетворяют различные функции, которые описывают периодические  колебания, или . волны. Эти электромагнитные волны, заключил Максвелл, самостоятельно распространяются в поле, т. е. в том, что кажется пустым пространством. Из своих уравнений он вывел формулу, выражающую скорость электромагнитных волн через электрические и магнитные величины. Подставляя численные значения, Максвелл получил, что скорость электромагнитных волн составляет около 300 000 км/с, т. е. совпадает со скоростью света. Отсюда последовал неизбежный вывод: свет должен представлять собой электромагнитную волну. 

В конце 80-х годов XIX в. Г.Герцем было установлено существование  электромагнитных волн экспериментально. 

Скорость света  в вакууме является одной из наиболее важных физических величин. 

Первую принципиальную идею измерения скорости света высказал Галилей, однако для уровня развития техники того времени она была неосуществима. 

Впервые измерил  скорость света как в 1676 г. датский  астроном по затмениям спутников  Юпитера. Ремер при своих исследованиях наблюдал перемещение одного из спутников Юпитера. Время полного оборота спутника вокруг планеты было строго постоянным и хорошо известным астрономам. Ремер заметил: если Земля при своем вращении вокруг Солнца находится в наиболее удаленной от Юпитера точке орбиты, то вхождение спутника в тень Юпитера астрономы наблюдают на 22 минуты позже, чем в тот момент, когда Земля находится к Юпитеру ближе всего. Ремер догадался о причине странного явления - свету нужно 22 минуты, чтобы преодолеть расстояние от ближайшей до наиболее удаленной от Юпитера точки орбиты Земли. Ремер получил значение скорости света, которое раза в полтора меньше современных значений этой величины. Более точно скорость света научились определять только в XIX веке.

В 1728 году её установил  Дж. Брадлей, исходя из своих наблюдений аберрации света звезд. В 1849 году А. И. Л. Физо первым измерил скорость света по времени прохождения светом точно известного расстояния (базы), так как показатель преломления воздуха очень мало отличается от 1, то наземные измерения дают величину весьма близкую к скорости света. 

В опыте Физо пучок света от источника света, отраженный полупрозрачным зеркалом, периодически прерывался вращающимся зубчатым диском, проходил базу около 8 км и, отразившись от зеркала, возвращался к диску. Попадая на зубец, свет не достигал наблюдателя, а попавший в промежуток между зубцами свет можно было наблюдать через окуляр. По известным скоростям вращения диска определялось время прохождения светом базы. Физо получил значение c = 313300 км/с. 

В 1862 году Ж. Б. Л. Фуко реализовал высказанную в 1838 году идею Д. Арго, применив вместо зубчатого  диска быстровращающееся зеркало (512 оборотов в секунду). Отражаясь  от зеркала, пучок света направлялся  на базу и по возвращении вновь  попадал на то же зеркало, успевшее повернуться на некоторый малый  угол. При базе всего 20 м Фуко нашёл, что скорость света равна 298000 км/с. Схемы и основные идеи методов Физо и Фуко были многократно использованы в последующих работах по определению скорости света. 

В современных  измерениях скорости света используется модернизированный метод Физо с заменой зубчатого колеса на интерференционный или какой-либо другой модулятор света, полностью прерывающий или ослабляющий световой пучок. 

Приемником излучения  служит фотоэлемент или фотоэлектрический  умножитель. 

Применение лазера в качестве источника света, УЗ - модулятора со стабилизированной частотой и повышение точности измерения  длины базы позволит снизить погрешности  измерений и получить значение с = 299792,5 с точностью 0,15 км/с. Помимо прямых измерения скорости света по времени  прохождения известной базы, широко применяются косвенный методы, дающие большую точность. 

В 1927 г. Майкельсон измерил скорость света в обсерватории Маунт-Вильсон, используя "метод вращающегося зеркала", на трассе длиной 35 км. Наибольшую ошибку в методе Майкельсона вносят неоднородности показателя преломления воздуха вдоль трассы. 

В последующее  время методы измерения скорости света непрерывно совершенствовались. С применением лазерной техники  и квантовых стандартов частоты  удалось повысить точность измерений  скорости света в пустоте более, чем в четыре тысячи раз.