Доработка

Характеристика основных физических взаимодействий. Близкодействие и дальнодействие.

В настоящее время известны четыре типа взаимодействий: гравитационные, слабые, электромагнитные и сильные. Физике XVII—XVIII вв. были известны только гравитационные взаимодей­ствия. Было найдено, что гравитационные силы прямо пропорцио­нальны произведению масс и обратно пропорциональны квадрату расстояния между массами. Мы постоянно ощущаем гравитацию в на­шей жизни. Гравитация (лат. gravitas "тяжесть"), или тяготение, не очень существенна при взаимодействии между малыми частицами, но она удерживает планеты, всю Солнечную систему и галактики. По закону всемирного тяготения (открытого Ньютоном), описываю­щему это взаимодействие в хорошем приближении, две точечные массы притягивают друг друга с силой, направленной вдоль соеди­няющей их прямой: F_гр=-G*m₁*m₂/r².

Знак минус указывает, что мы имеем дело с притяжением, r — расстояние между телами (считается, что размер тел много меньше r), m₁ и m₂ — массы тел. Величина G — универсальная постоянная, определяющая величину гравитационных сил. Если тела массами в 1 кг находятся на расстоянии 1 м друг от друга, то сила притяжения между ними равна 6,67* 10¹¹Н. Если бы величина G была больше, то увеличилась бы и сила. Утверждение об универсальности постоян­ной G означает, что в любом месте Вселенной и в любой момент времени сила притяжения между массами в 1 кг, разделенными рас­стоянием в 1 м, будет иметь то же значение. Поэтому можно гово­рить об универсальности постоянной G и о том, что она определяет структуру гравитирующих систем.

Эйнштейн в своей теории тяготения (ОТО) показал, что гравитацию можно опи­сывать как эквивалент ускоренного движения. Хотя ОТО дает отличные от теории Ньютона результаты в сильных гравитационных полях, вдали от тяжелых тел и в пределах слабых полей обе теории совпадают. Согласно ОТО, возможен дополни­тельный источник гравитации, обладающий весьма необычными свойствами: ве­дет к расталкиванию материи, а не к концентрации ее, и сила отталкивания F_косм. возрастает с расстоянием в отличие от "обычной гравитации" Правда, эти свой­ства могут проявляться только в очень больших масштабах Вселенной Новый фактор был введен Эйнштейном, чтобы избежать сжатия Вселенной под влиянием самогравитации и обеспечить ее стационарность. После открытия Хабблом крас­ного смещения, объясняемого расширением Вселенной, Эйнштейн стал отказываться от своего "космологического члена", однако современная квантовая теория требует введения космологического члена, хотя в этом вопросе много проблем. Сила отталкивания неимоверно мала, ее представляют в виде: F_косм=L*r*m*c² , где m — масса отталкиваемого объекта, г — его расстояние от отталкивающего тела, с — скорость света. Примечательно, что сила отталкивания не зависит от оттал­кивающей массы. Современные наблюдения устанавливают верхний предел для L=10^-53 м², т.е. для двух тел массами по 1 кг, находящихся на расстоянии 1 м, сила притяжения превышает космическое отталкивание, по крайней мере, в 10²⁵ раз. Если две галактики с массами 10⁴¹ кг находятся на расстоянии 10 млн световых лет (около 10²² м), то для них силы притяжения примерно уравновеши­вались бы силами отталкивания, если действительно близка к указанному верх­нему пределу. Поэтому эта величина не измерена до сих пор, хотя и важна для крупномасштабной структуры Вселенной как фундаментальная.

Обратимся теперь к электромагнитному взаимодействию. И электрические, и магнитные силы обусловлены электрическими зарядами. Силы взаимодействия между зарядами сложным образом зависят от положения и движения зарядов. Если два заряда е₁ и е₂ непод­вижны и сосредоточены в точках на расстоянии r, то взаимодействие между ними чисто электрическое и определяется простой зависимос­тью (закон Кулона):

F_эл.=e₁*e₂/(4*π*ε*u²)

Здесь сила электрического взаимодействия, направленная вдоль прямой, соединяющей заряды, будет силой притяжения или оттал­кивания в зависимости от знаков зарядов e₁ и e₂. Через ε обозначе­на универсальная постоянная, определяющая интенсивность элект­ростатического взаимодействия, ее значение 8,85*10¹² Ф/м. Напри­мер, два заряда по I кулону (Кл), разнесенные на I м, будут испы­тывать силу 8,99*10⁹ Н.

Электрический заряд всегда связан с элементарными частицами. Численная величина заряда наиболее известных среди них — протона и электрона — одинакова: это универсальная постоянная, равная 1,6*10^-19 Кл. Заряд протона считается положительным (обозначает­ся е), электрона — отрицательным

Магнитные силы полностью порождаются электрическими тока­ми — движением электрических зарядов. Существуют попытки объе­динения теорий с учетом симметрии, в которых предсказывается существование магнитных зарядов, но они пока не обнаружены. По­этому величина е определяет и интенсивность магнитного взаимо­действия.

Если электрические заряды движутся с ускорением, то они отда­ют энергию в виде света, радиоволн или рентгеновских лучей. Види­мый свет является электромагнитным излучением определенного ди­апазона частот. Почти все носители информации, воспринимаемые нашими органами чувств, имеют электромагнитную природу, хотя и проявляются подчас в сложных формах. Электромагнитные взаимо­действия определяют структуру и поведение атомов.

Проблема пустоты всегда вызывала и до сих пор выбывает ожив­ленные дискуссии. В привычном для нас мире большинство взаимо­действий осуществляется путем прямого контакта. Аристотель разли­чал следующие силы — тягу, давление и удар. Основываясь на пер­вых двух понятиях (где сила прилагается непосредственно, через по­верхность), он вывел характеристики вращательного движения. По­нятие удара вело к баллистическим движениям отброшенных тел, по­этому Аристотель, желая сохранить картину действия сил целостной, считал, что отброшенное тело "ведет" среда.

Аристотелево представление о невозможности "пустоты" было отвергнуто только в XVII в. благодаря ртутному барометру физика и математика Эванджелиста Торричелли (1608—1647), ученика Галилея. Он налил в закрытую с одного конца стеклянную трубку ртуть и поместил трубку открытым концом в сосуд, наполненный ртутью. Столб жидкости в трубке опустился до 750мм над уровнем ртути в сосуде, и в верхней части трубки образовалось пространство без признаков присутствия в нем воздуха. Так Торричелли открыл существование вакуума, а полученное им безвоздушное пространство по­лучило название торричеллиевой пустоты. Через несколько лет французский математик, физик, философ и писатель Блез Паскаль (1623—1662) остроумными опытами подтвердил гипотезу Торричелли. Большую известность получил опыт немецкого естествоиспытателя Отто фон Герике (1602—1686), бургомистра Магдебурга Он соединил два медных полушария, откачал воздух из полученной сферы, и две упряжки по 8 лошадей в каждой не могли рассоединить эти полушария. Тогда же выяснилось чрезвычайно важное обстоятельство, что вакуум не проводит звук, но проводит свет. Демокрит, Эпикур, Лукреций и Гассенди доказывали, что мир состоит из частиц — атомов и их комбинаций, которые движутся в пустоте и что любое явление природы можно объяснить, исходя из перегруппировки этих атомов. Декарт, не веря в пустоту, говорил, что мир заполнен эфиром — тонкой материей, и через вихри в ней (т.е. опять же механическим путем) передаются взаимодействия. Нью­тон дал ясную картину мира, в которой действовали механические законы, подчиняя себе движение материальных точек во Вселенной, одной из которых является и Земля.

К XVIII в. теория Ньютона, вытеснив господствовавшее в течение двух тысячелетий аристотелево учение, распространилась по всей Европе (были даже организованы курсы Ньютонизм для дам") и стала критерием для проверки правильности любой другой системы. Ньютон не искал причин притяжения или отталкивания, ему был достаточно того, что его формулы позволяют предсказать будущее движение и заглянуть в прошлое. Установить закон, по которому и меняется числовое значение от точки к точке, — вот единственный ответ, который может дать наука. Все остальное не должно интересовать ученого, и вопросы типа "почему?" могут только увести в схоластику. "Наука, — писал немецкий социолог Макс Вебер (1864—1920), — дает знание о технике, т.е. отвечает на вопрос том, как путем вычисления и расчета овладеть жизнью, внешними вещами, так же как и действиями человека".

Тем не менее, существовали проблемы, которые не могли бы решены на основе ньютоновых законов, и главной из них была проблема передачи действия на расстоянии, а именно — что такое свет и как он передается. Ньютонова теория сводилась, в основном движению и взаимодействию небесных тел в пустом пространстве оставляя в стороне природу материи и происходящих в ней процессов. Ньютоновы корпускулы стали "заразительным" примером для последующих поколений ученых, занявшихся поиском материальных частиц, способных переносить на расстояние различные физические явления. Так появились флогистон (греч. phlogistos “горящий, сжигаемый”) — некое летучее, невидимое и невесомое вещество, выделяемое из тел в процессе горения, теплород, электрические и магнитные флюиды Кулона и т.д.

Постепенно, по мере выявления аналогий и связей между объектами различных наук, разнородные флюиды стали относить кому и тому же явлению. Гюйгенс заложил основы теории света аналогии со звуком. Он отказался от особой световой материи Ньютона и представил свет как особую форму колебательного движения частиц, передающегося от одного тела к другому через упругую среду, заполняющую пространство, которое кажется абсолютно пустым и соединяет как отдаленные тела но Вселенной, так и соседние час­тицы этих тел. Французский физик, один из основоположников вол­новой оптики, Огюстен Френель (1788—1827) показал, что свето­вые волны, в отличие от звуковых, поперечны (поскольку им свой­ственны явления поляризации), т.е. сводятся к упругим сдвигам, на­правление которых перпендикулярно распространению светового луча.

В конце концов, проблема приобрела четкую формулировку: либо всепроницающий эфир существует, является носителем поперечных упругих волн и при этом не препятствует движению планет, либо световые волны — фикция, не допускающая наглядного толкования, т.е. следовало как-то объяснить столь странное сочетание свойств эфира; в противном случае признать бессмысленным обсуждение свойств света и перестать апеллировать к волновым или корпускулярным представлениям. Однако все формулы Френеля соответствовали наблюдаемым фактам (тогда и теперь), и потому эфир Гюйгенса — Френеля сочетал в себе столь необычные свойства.

Во второй половине XIX в. Фарадей, Дж. К. Максвелл и Густав Герц создали теорию электромагнитного поля, уже не сводимую к ньютоновым принципам, поскольку на место дальнодействия было двинуто близкодействие, когда силы распространяются с конечной скоростью, и все взаимодействия сводятся к вихревым движениям в эфире. Свойства тел определялись свойствами заполняющего Эфира, и даже атомы стали трактовать как центры особых вихревых возбуждений в эфире ("вихревые атомы" Кельвина). Так эфир стал единственной материальной основой Вселенной.

Но электромагнитные свойства эфира не поддавались наглядной механистической интерпретации. Например, нельзя было объяснить магнетизм вихревыми движениями в твердом теле (каким должен быть эфир из-за поперечности колебаний) — такие движения возможны только в жидкостях, и если эфир обладал столь противоречивыми свойствами, их нужно было объяснить. Лоренц (1853— 1928) восстановил материальность заряда, поскольку в конце XIX в. был открыт электрон и стали создаваться модели атома. Считая эфир подвижным, Лоренц оставил ему лишь одно свойство — передавать взаимодействия, а подвижной, по его мнению, может быть только материя.

Этим и завершился этап классической физики, который Френкель образно представил как установление единого Бога в физике, пришедшего на место многих богов, ранее переносивших взаимодействия: в теории теплоты — теплород, в теории горения — флогистон и прочие флюиды.

Эфиру приписывали много самых противоречивых свойств, на самом же деле хотели доказать, что он способен переносить силы состояние. В 1845г. Стокс уподобил эфир таким желеобразным веществам, как смола или сапожный вар: с одной стороны, они обладают достаточной жесткостью, чтобы не допускать упругих колебаний, с другой стороны, достаточно пластичны, позволяя другим телам медленно продвигаться сквозь них. Подобным образом, по его мнению, должен вести себя и эфир: как твердое тело — по отношению к быстрым колебаниям, например, световым, и как жидкое — относительно медленных движений небесных тел.

Но все попытки обращения к эфиру для объяснения передачи действия на расстоянии потерпели неудачу, поскольку на него механически переносили свойства обычной материи, хотя уже в начале XX в. понимали, что эфир не является однородным упругим телом нашей механики. Математические оценки, несмотря на свою логичность и безупречность, никак не объясняли волновые свойства света.

После появления специальной теории относительности Эйнштейна, поводом к созданию которой послужил эксперимент, не обнаруживший эффекта увлечения эфира при движении Земли (опыт Майкельсона и Морли, многократно повторенный во второй половине XIX—XX вв.), эфир практически исчез из научного обихода, уступив место понятию поля. По образному выражению Френкеля, с созданием специальной теории относительности в физике воцарился "атеизм". Эйнштейн отнял у эфира последнее его свойство — неподвижность.

Тем не менее, некоторые ученые до сих пор занимаются “эфироискательством". Одни связывают эфир с материализацией духов, другие строят его из квантов или виртуальных частиц. В какой-то степени это можно объяснить традициями и инертностью приемов мышления.

Список литературы

1. Концепции современного естествознания / Под ред. С. И. Самыгина, Ростов-н/Д: Феникс, 1997. – 562 с.

2. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. – М.: Агар, 2000.

3. Потев М. И. Концепции современного естествознания. – СПб.: Питер, 1999. – 350 с.

4. Бабушкин А. Н. концепции современного естествознания. – СПб.: Лань, 2000. – 203 с.

5. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Центр, 1997. – 205 с.