Свойства фундаментальных материальных полей

Федеральное агенство по Образованию 

Брянский  государственный  технический университет 

Кафедра “Компьютерные технологии и системы” 

Концепция современного естествознания 
 

“ Свойства фундаментальных материальных полей ” 
 
 

Брянск 2010 г 
 

Введение

   Одним из центральных вопросов не только школьного курса, но всей современной физики, является вопрос о природе взаимодействия физических тел на любом структурном уровне материи. Вопрос имеет прямое отношение к формированию мировоззрения учащихся.

   Многие естествоиспытатели вслед за Ньютоном старались объяснить, исходя из начал механики, самые различные природные явления. При этом они неправомерно экстраполировали законы, установленные лишь для механической сферы явлений, на все процессы окружающего мира. В торжестве законов Ньютона, считавшихся всеобщими и универсальными, черпали веру в успех ученые, работавшие в астрономии, физике, химии.

   Уже в XIX в. физики дополнили механистическую картину мира электромагнитной. Электрические и магнитные явления были известны давно, но изучались они обособленно друг от друга. Дальнейшее их исследование показало, что между ними существует глубокая взаимосвязь, что заставило ученых создать единую электромагнитную теорию. Действительно, датский ученый X. Эрстед (1777—1851), поместив над проводником, по которому идет электрический ток, магнитную стрелку, обнаружил, что она отклоняется от первоначального положения. Это привело ученого к мысли, что электрический ток создает магнитное поле. Позднее английский физик М. Фарадей (1791—1867), вращая замкнутый контур в магнитном поле, открыл, что в нем возникает электрический ток. На основе опытов Эрстеда, Фарадея и других ученых английский физик Дж. Максвелл (1831—1879) создал свою электромагнитную теорию, т.е. теорию о существовании единого электромагнитного поля. Таким путем было показано, что в мире существует не только вещество в виде тел, но и физические поля.

   После того как объектом изучения физиков наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер. Тем не менее, в первое время ученые пытались объяснить электромагнитные процессы, в том числе и световые явления, с помощью механических моделей, основанных на понятиях и принципах механистической картины мира. 
 
 
 
 
 

1. Концепция дальнодействия в естествознании XVII - XVIII века. Возникновение концепции близкодействия в трудах М.Фарадея. 

1. Концепция дальнодействия в естествознании XVII - XVIII века.

  Развитие естествознания не является лишь монотонным процессом количественного накопления знаний об окружающем природном мире. И если процесс простого приращения знаний (а иногда и вымыслов) был присущ для натурфилософии античности, для «преднауки» средневековья, то с XVI века характер научного прогресса существенно меняется. В развитии науки появляются переломные этапы, кризисы, выход на качественно новый уровень знаний, радикально меняющий прежнее видение мира.

    В наше время понятие силы определено вполне четко, но так было не всегда, раньше этому термину придавали иной смысл. Например, известна большая работа Гельмгольца о сохранении энергии, написанная в XIX в. В то время термин энергия не применяли и в буквальном переводе с немецкого работа Гельмгольца называлась «О сохранении силы». Так что даже у Гельмгольца слово рила не имело того смысла, который мы придаем ему теперь. Понятия силы и энергии стали четко различать после выхода в свет работы английского физика лорда Кельвина, посвященной энергии.

   Различают дальнодействующие и короткодействующие силы. В современной механике эти понятия не вызывают затруднений, а в прошлом вопрос о дальнодействии и близкодействии казался очень сложным. Раньше в действии на расстоянии видели какую-то мистику и полагали, что его обязательно нужно сводить к близкодействию. Если между телами пустота, то ясно, что свести дальнодействие к близкодействию невозможно; поэтому при одном из способов вывода дальнодействия из близкодействия говорили о распространении света, считая, что между телами находится эфир, передающий силу соседнему с ним эфиру. Свет тогда распространяется, как волна. Согласно другой точке зрения, тоже имеющей тесную связь с проблемой дальнодействия, свет состоит из частиц. При этом дальнодействующих сил не возникает, так как свет оказывает действие, как по пути, так и в месте прибытия, и мы получаем одну из разновидностей близкодействия.

   После Ньютона важнейшей силой стали считать силу всемирного тяготения. Она действует на расстоянии. Можно еще сказать, что это — сила мгновенного действия. Где бы ни находились два тела, между ними действует сила притяжения и не возникает вопроса о времени ее распространения. Даже если она и распространяется, то бесконечно быстро, и нет никакого промежуточного агента, передающего действие силы. Можно было бы думать об эфире, но согласно атомной теории, признающей пустоту, между телами находится вакуум. И, тем не менее, непосредственно между ними действует сила. Это воспринималось как мистика. Возможно, вам так не кажется, но в те времена это выглядело очень загадочным.Лейбниц возражал против дальнодействия именно в силу его мистической природы. Отстаивала дальнодействие школа Ньютона, в основном английские ученые. В конце концов, восторжествовала прагматическая точка зрения о бесполезности эфира и близкодействия, и при построении механики стали смело пользоваться именно дальнодействующими силами. Девиз «Не думать о бесполезных вещах» господствовал до конца XIX в. Как относился к этому вопросу сам Ньютон? Он хотел свести дальнодействие к близкодействию и много думал об эфире, однако в те времена запись дальнодействующих сил через эфир выглядела бы чересчур сложно. Надо подчеркнуть, что именно Ньютон раньше других взялся за эту задачу, а его последователи отступили от нее и остановились на дальнодействии. Дальнодействие абсолютизировано не Ньютоном, но так как он избегал неясных высказываний, его размышления об эфире остались неопубликованными.

2. Возникновение концепции близкодействия в трудах М.Фарадея.

 Первоначально  в классической механике утвердилась  концепция о том, что взаимодействие  между телами происходит через пустое пространство, которое не принимает участия во взаимодействии, передача взаимодействия происходит мгновенно. 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 г 19-го в. М. Фарадеем. Согласно концепции близкодействия, взаимодействующие тела создают в каждой точке окружающего их пространства особое 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 скорость их распространения в вакууме, равной 3,108 м/с. Таким образом, возникла новая концепция - концепция близкодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве. 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.

   Четыре вида взаимодействий и полей. Гравитационные взаимодействия обеспечивают тяготение тел друг к другу. Слабые  взаимодействия ответственны за большинство распадов и превращений элементарных частиц. Электромагнитные взаимодействие - это взаимодействие заряженных тел. Сильные взаимодействия: связываются протоны и нейтроны (нуклоны) в атомном ядре. 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.

2. Характеристика сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного взаимодействий. Создание единой теории поля.

   2.1 Характеристика сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного взаимодействий.

  В окружающем нас мире полно самых различных способов оказания воздействий: бейсбольные биты бьют по мячам, энтузиасты Банги (прыжков с привязанным к ногам канатом) бросаются вниз с вышек, магниты позволяют сверхскоростным поездам парить над металлическими рельсами, счетчики Гейгера издают щелчки в присутствии радиоактивных материалов, атомные бомбы могут взрываться. Мы можем воздействовать на тела, толкая, дергая или тряся их, бросая или стреляя в них другими телами; вытягивая, закручивая или сдавливая их, а также нагревая, охлаждая или поджигая. В течение последнего столетия физики накопили огромное количество доказательств того, что все эти взаимодействия между различными телами и материалами, а также миллионы миллионов других происходящих ежедневно взаимодействий могут быть сведены к сочетаниям четырех основных типов. Одним из них является гравитационное взаимодействие. Три других — это электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия.

   Гравитационное взаимодействие  наиболее привычно для нас.  Благодаря ему наша планета удерживается на орбите, вращаясь вокруг Солнца, а наши ноги твердо стоят на земле. Масса тела является мерой влияния, которое оказывают на него гравитационные силы, а также мерой гравитационных сил, создаваемых самим телом. Следующим хорошо известным видом взаимодействия являются электромагнитные силы. Этим силам мы обязаны комфортом современной жизни, они используются в электрическом освещении, компьютерах, телевидении, телефонах; кроме того, они лежат в основе устрашающей мощи грозы и нежного прикосновения человеческой руки. На микроскопическом уровне электрический заряд частиц играет ту же роль, что и масса для гравитационного взаимодействия: он определяет величину электромагнитного воздействия частицы и ее отклик на электромагнитное воздействие со стороны других частиц.

   Сильное и слабое взаимодействия  менее известны, поскольку их  сила быстро убывает с расстоянием  и играет существенную роль только на субатомном уровне — внутри ядер. В этом состоит причина того, что они были открыты совсем недавно. Сильное взаимодействие удерживает кварки в «склеенном» состоянии внутри протонов и нейтронов; оно же удерживает протоны и нейтроны плотно упакованными в атомном ядре. Наиболее известное проявление слабого взаимодействия связано с радиоактивным распадом таких веществ, как уран и кобальт.

   Английский химик и физик Майкл  Фарадей (1791-1867) ввел в науку понятие электромагнитного поля. Ему удалось показать опытным путем, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь. Тем самым он впервые объединил электричество и магнетизм, признал их одной и той же силой природы. В результате в естествознании начало утверждаться понимание того, что кроме вещества, в природе существует еще и поле.

   Математическую разработку идей  Фарадея предпринял выдающийся  английский ученый Джеймс Клерк  Максвелл (1831-1879). Его основной работой,  заключавшей в себе математическую  теорию электромагнитного поля, явился «Трактат об электричестве и магнетизме», изданный в 1873 году. Введение Фарадеем понятия электромагнитного поля и математическое определение его законов, данное в уравнениях Максвелла, явились самыми крупными событиями в физике со времен Галилея и Ньютона.

   Но потребовались новые результаты, чтобы теория Максвелла стала  достоянием физики. Решающую роль  в победе максвелловской теории  сыграл немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857-1894). Именно ему по поручению Гельмгольца (Герц был его любимым учеником) довелось проверить экспериментально теоретические выводы Максвелла. В 1886 году Герц продемонстрировал «беспроволочное распространение» электромагнитных волн.

Он смог также доказать принципиальную тождественность  полученных им электромагнитных переменных полей и световых волн.

   В течение прошлого столетия  физики обнаружили два общих  для всех этих взаимодействий  свойства. Во-первых, на микроскопическом  уровне каждому взаимодействию  соответствует частица, которая  может рассматриваться как наименьший сгусток этого взаимодействия. Когда лазер, «электромагнитное ружье», испускает пучок лучей, из него вылетает на самом деле поток фотонов, представляющих собой мельчайшие переносчики электромагнитного взаимодействия. Аналогично, наименьшими компонентами слабого и сильного взаимодействия являются частицы, известные под названием слабых калибровочных бозонов и глюонов. Название глюон является особенно образным: глюоны могут рассматриваться как микроскопические компоненты прочного клея, удерживающего вместе составляющие атомное ядро частицы. К 1984 г. экспериментаторы смогли подтвердить существование и детально изучить свойства  калибровочных бозонов и глюонов. Вторая общая черта всех видов взаимодействия состоит в том, что точно также как для гравитационного взаимодействия степень влияния на тело определяется его массой, а для электромагнитного взаимодействия — зарядом, мера влияния сильного и слабого взаимодействий на все частицы определяется количеством «сильного заряда» и «слабого заряда». Но, как и в случае с массами частиц, все, что смогли сделать физики — это тщательно измерить в эксперименте данные характеристики. Никто не предложил никакого объяснения, почему наша Вселенная состоит именно из этих частиц, и почему они имеют именно такие значения масс и зарядов.