Концепция современного естествознания

ЧАСТЬ 2. ФИЗИКА НЕОБХОДИМОГО.

В настоящем и последующем разделах будут рассмотрены понятия и законы классической физики, или, в более общем понимании, физики необходимого. В этих разделах рассматриваются явления, законы теории, в основе которых лежит принцип детерминизма. Идея этого принципа состоит в том, состояние физической системы однозначно определяется ее начальным состоянием и законами ее развития. Под физическими системами подразумеваются структуры, состоящие из вещества или поля.

При наблюдении за каким-либо процессом или явлением относящимся к этим разделам физики, в принципе, всегда можно сказать, как поведет себя система в будущем. Например, упругое тело всегда с необходимостью отскакивает от твердой стенки; вслед за полным оборотом по своей орбите вокруг Солнца Земля с необходимостью сделает следующий.

В разделе «Физика дискретного» рассматриваются законы и явления, связанные с формой материи, существующей в виде вещества, т.е. с материей, локализованной в пространстве. В следующем разделе «Физика непрерывного» будут рассмотрены явления и законы, связанные с другой формой существования материи - полем и волнами. Поля и волны не локализованы в ограниченной части пространства и для их описания требуются другие, отличные от вещества законы.

В следующем разделе настоящего курса - "Физика возможного" мы столкнемся с процессами, которые могут иметь несколько исходов. Например, электрон, сталкиваясь с препятствием (барьером) может либо отскочить от него, либо пройти сквозь него. Последнее возможно лишь для квантовых частиц благодаря так называемому "туннельному эффекту", хорошо известному в квантовой механике. Важнейшим моментом для физики необходимого является строго определенное описание системы , а для физики возможного - вероятностное описание систем. Следствием этого является введение нового детерминизма - вероятностного детерминизма.

6. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ.

Физика - наука, изучающая простейшие и в вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строения материи, законы ее движения. Законы физики лежат в основе всего естествознания. Физика относится к точным наукам и изучает количественные закономерности явлений. Ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем. В основе физики лежит научный метод познания.

Слово физика происходит от греческого слова Physic - природа. В эпоху античной культуры наука охватывала всю совокупность знаний человека о природных явлениях. По мере дифференциации знаний и методов исследования из нее выделились различные разделы, в том числе и физика в привычном понимании этого слова. Однако, границы, отделяющие физику от других наук, в значительной мере условны и зависят от общей суммы человеческих знаний.

В истории развития физики обычно выделяют три этапа. Первый из них начинается в античности и заканчивается в 16-ом веке. В это время господствовала метафизики Аристотеля. Второй этап начинается с работ Коперника, Кеплера, Галилея, Декарта, Ньютона и заканчивается в конце 19-го века. На этом этапе идет процесс развития метода научного познания, о котором уже шла речь. И, наконец, третий этап продолжается с начала нашего века по сей день. Это этап развития современной квантовой физики.

Физические явления издавна привлекали внимание людей. В 6-2 веках до н.э. впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций). В это время в работах Птолемея и Аристотеля возникла гелиоцентрическая картина мира и были сформулированы основные законы статики (правило рычага) и гидростатики (закон Архимеда), которые с успехом применялись в строительстве, военном деле и в других областях. Известна легенда об Архимеде, открывшем свой известный закон изменения веса тела в жидкости. Выполняя заказ сиракузского правителя, Архимед должен был определить, какое количество серебра и какое - золота содержалось в сплаве, из которого ювелир должен был сделать корону. В эту эпоху наблюдались и исследовались простейшие проявления электричества и магнетизма.

Итог накопленных знаний подвел Аристотель (384-322 г.г. до н.э.). Из числа дошедших до нас работ наибольший интерес представляют "Первая философия", "Метафизика", "Физика". В этих трудах содержится учение об основных принципах бытия, возможности и осуществлении, форме и материи, действующей причине и цели. Аристотель признавал значение опыта, но не придавал ему решающего значения, считая, что критерием правильности является умозрительное заключение. В средние века учение Аристотеля было канонизировано церковью, что надолго затормозило развитие естественных наук.

Не вдаваясь в сложные рассуждения, рассмотрим основную идею механики Аристотеля, используя современный язык. Как известно из школьного курса физики, согласно второму закону Ньютона ускорение, приобретаемое телом пропорционально сумме действующих на это тело сил: .В основе же механики Аристотеля лежало утверждение, что скорость тела пропорциональна действующей на него силе: . Естественно, что механика Аристотеля и механика Ньютона в корне отличались друг от друга. О втором законе Ньютона речь еще пойдет ниже, а в оправдание Аристотеля отметим, что, если не ставить специальных экспериментов, а только наблюдать за движущимися телами, то видно, как они останавливаются, если к ним не прикладывать дополнительной силы. Сейчас мы, конечно, знаем, что тела останавливаются из-за действия на них сил трения, которые, как правило, бывают пропорциональны скоростям тел. Если же к этим телам приложить некоторою силу, то они станут двигаться с постоянной скоростью, тем большей, чем больше сила тяги. Но легко быть умным, зная ответ на вопрос, и очень непросто самому его найти.

Развитие физики как науки в современном понимании этого слова, т.е. науки в основе которой лежит научный метод познания, началось на рубеже 16-17 веков и связано, в первую очередь, с именем итальянского ученого Галилео Галилея (1564-1642). Галилей понял необходимость математического описания движения материи под которым в его время подразумевалось механическое движение тел - их перемещение в пространстве и времени. Галилей опроверг ошибочные утверждения механики Аристотеля и заложил основы современной механики. Им были сформулированы идеи об относительности движения, установлены законы инерции, свободного падения и движения тел по наклонной плоскости, сложения движений. Галилей показал, что воздействие на тело окружающих тел, определяет не скорость тела, а его ускорение; фактически он открыл два первых закона Ньютона. Столь же велики его заслуги в области астрономии. С помощью построенного своими руками телескопа он открыл горы на Луне, спутники Юпитера, фазы Венеры, темные пятна на Солнце. О Галилее, о его трагической судьбе, о его научных исследованиях и изысканиях написано очень много трудов.

Вряд ли сейчас кто-нибудь вспоминает о том, что Галилей является автором идеи современных маятниковых часов. До него создавалось огромное количество часов, работающих на разных принципах. Все они были недостаточно точны и не позволяли измерять малые интервалы времени - секунды (в то время даже не было понятия о таких малых промежутках времени). Для проведения своих опытов Галилею требовалось измерять время с большой точностью. Он открыл и разработал принцип изохронности колебаний маятника, который положил в основу секундомера. В камне, качающемся на веревке, Аристотель видел лишь сдерживаемое веревкой падение, а Галилей увидел периодический процесс.

Говоря об основоположниках классической физики нельзя пройти мимо Рене Декарта (1596-1650). Французский философ, математик, физик, он заложил основы аналитической геометрии, его имя носит система координат. Он ввел в математике понятие переменной величины и функции, а также ввел множество алгебраических обозначений. В физике он ввел понятие импульса и высказал закон его сохранения. Наибольшую известность получили его работы в области познания.

Основное достижение физики 17-го века - это создание классической механики. Исаак Ньютон (1643-1727) в своем труде "Математические начала натуральной философии" (1687) сформулировал и дал математическую трактовку всем основным законам этой науки, которые дошли практически без изменений до наших дней. Классическая механика лежит в основе многих физических и технических дисциплин, которые изучаются и в наше время специалистами в области науки и техники. Астрономические наблюдения поведения небесных тел в 18-19 веках и открытия новых планет солнечной системы стали блестящими подтверждениями учения Ньютона. Не будем сейчас останавливаться на основных концепциях ньютоновской теории, а вернемся к ним в следующих разделах курса, при изучении законов механического движения.

Благодаря работам Ньютона, основанным на многочисленных экспериментах и наблюдениях, а также на специально разработанных Ньютоном математических методах (методе дифференциального и интегрального исчисления) было окончательно установлено, что задача естественной науки состоит в отыскании наиболее общих количественных формулировок законов природы.

Работы ученых 18-го века продолжили поиски наиболее общих формулировок движения систем, материи. Были заложены основы механики твердого тела, акустики, гидродинамики, теплоты. В 1788 году французский ученый Ж.Л. Лагранж (1736-1813) вывел уравнения механики в наиболее общем виде, получив так называемые уравнения Лагранжа. С их помощью поведение системы описывалось через поведение ее энергии. Эти уравнения до сих пор используются в современных разделах физики - в квантовой механике и электродинамике.

К концу 18-го века была создана единая механистическая картина мира, согласно которой все многообразие мира - результат движения атомов и тел, из которых они состоят и движение которых подчиняется законам Ньютона. Объяснение наблюдаемых физических явлений считалось научным и полным, если их удавалось описать на основе теории Ньютона. Естественно, такие "шоры" не могли устраивать пытливые умы исследователей. Один из интересных эпизодов истории физики относится к теории света. В 17-м веке были выдвинуты две гипотезы. И.Ньютон полагал, что свет - это поток частиц, корпускул, движение которых определяют его свойства и законы. Другой ученый Х.Гюйгенс (1629-1695) считал, что свет - это волны, распространяющиеся в пространстве. Следствием теории Ньютона было то, что скорость света в среде , где - скорость света в вакууме, а - коэффициент преломления света. Из теории Гюйгенса же, следовало, что . Очевидно, что различие этих формул носит принципиальный характер. Однако из-за слабого развития экспериментальной базы вплоть до второй половины 19-го века проверка этих формул была невозможной.

В 1818-м году французский ученый О.Ж.Френель написал работу на конкурс Французской Академии наук. В основе теории распространения света он положил волновые свойства. Один из членов жюри - Пуассон "усомнился" в правильности выводов теории. Из теории Френеля следовало, что в центре тени, отбрасываемой предметом на экран обязательно должно быть светлое пятно. Налицо было даже не количественное, а качественное расхождение с известными фактами. Видимо даже сегодня большинству из нас такое пятно кажется нереальным. Однако, в специально поставленных экспериментах Д.Араго (1786-1853) это пятно было обнаружено и, тем самым, подтверждены выводы теории Френеля. Эти опыты перевернули обыденные представления о свойствах света и перевели почти всех противников волновой теории Френеля, даже самых “маститых” в число ее сторонников. Началось победное шествие волновой теории света. В 50-х годах 19 века были проведены эксперименты по определению скорости света в среде, которые подтвердили справедливость формулы . Однако история физики полна парадоксов. Наблюдаемое пятно теперь называется "Пятном Пуассона", т.е. носит имя человека, усомнившегося в его существовании.

К началу 19-го века были сформулированы простейшие законы в области теплоты, электричества, магнетизма. Уже были накоплены сведения о макроскопических свойствах твердых тел, изучены температурные зависимости поведения твердых тел и газов. Основные достижения физики 19-го века были оформлены в стройных, непротиворечивых теориях электромагнитных волн и теплового движения атомов и молекул. Сейчас эти разделы физики называют классической электродинамикой, термодинамикой и статистической физикой.

Ко второй половине 19-го века благодаря достижениям таких ученых, как А.Вольта (1745-1827), Ш.О.Кулон (1736-1806), Э.К.Эрстед (1777-1862), Ж.Б.Био (1774-1862), П.С.Лаплас (1749-1827), К.Ф.Гаусс (1777-1855), А.М.Ампер (1775-1836), М.Фарадей (1791-1867), Г.Р.Герц (1857-1894) и многих других, электрические и магнитные явления были уже так хорошо изучены, что оказалось возможным построить единую стройную теорию электромагнетизма. Творцом классической электродинамики стал Джеймс Кларк Максвелл (1831-1879). Максвелл написал систему уравнений, описывающих взаимодействие подвижных и неподвижных зарядов, электрических и магнитных полей и процесс распространения переменных электромагнитных полей в пространстве. Следствием уравнений Максвелла стал факт постоянства скорости распространения электромагнитных волн, который не был объяснен в рамках теории Максвелла.

Решающий вклад в становление и развитие термодинамики и статистической физики внесли Д.К.Максвелл, Д.У.Гиббс (1839-1903), Г.Л.Гельмгольц (1821-1894), Л.Больцман (1844-1906), Р.Клаузиус (1822-1888) и ряд других ученых, одно перечисление которых, даже без упоминания работ, заняло бы не одну страницу. Во второй половине 19-го века были сформулированы первое и второе начала термодинамики, сформулированы основные законы молекулярно-кинетической теории газов и твердых тел, развит вероятностный метод подхода к описанию тепловых явлений.

Существенно, что термодинамика и статистическая физика базировались на утверждении, что движение атомов и молекул описывается классической механикой. В основе всех теорий лежал тезис о непрерывности всех процессов в природе. Принципиально новых положений при описании движения на атомно-молекулярном уровне по сравнению с классической механикой не вводилось.

Экспериментальные основы нового этапа развития физики были заложены на рубеже 19-20-х веков. Двадцатые годы нашего столетия принято считать началом нового третьего этапа развития физики - этапа квантовой физики. Перечислим лишь некоторые явления и открытия, которым не было места в рамках старых механистических теорий, и которые перевернули старую физику. Упомянем излучение разреженных газов и нагретых твердых тел, открытие электрона, явления радиоактивности, фотоэффекта, атомного ядра и, наконец создание теории относительности.

Началом атомного века можно считать две даты. Первая - 1942 год, когда под руководством Э.Ферми (1901-1954) был запущен первый ядерный реактор и человечество впервые за свою историю получило не энергию от Солнца, а принципиально новую - атомную. Летом 1945 года было проведено испытание первого атомного оружия, и это тоже веха в развитии человечества - практическое применение нового вида энергии.

Однако этим событиям предшествовал доклад Макса Планка (1848-1947) о полученной им новой формуле излучения в Берлинском университете в 1900 году. Планк открыл элементарный квант действия, новую естественную константу, и это открытие положило начало новой эпохе в развитии физики. Оно показало, что тезис о бесконечной непрерывности всех действий в природе - непрерывности был заблуждением. Выяснилось, что в природе бывают изменения, которые происходят не плавно, а скачком "взрывообразно", как сказал сам Планк. Результатом открытия Планка стал отказ от принципа "Natura non facit saltus" (природа ничего не делает скачком), который владел умами натурфилософов со времен И.Ньютона (1643-1727) и Г.В.Лейбница (1646-1716).

Открытие Планка эпохальное, революционное. Значение его не снижает даже тот факт, что до конца жизни сам Планк считал кванты ни чем иным, как абстракцией, моделью, которая не имеет ничего общего с действительностью. Другие исследователи, менее приверженные к традиции, чем он, вскоре значительно обогнали его и развили новые области и разделы современной физики.

В современной физике возник ряд новых направлений, неведомых классической. Ограничимся перечислением лишь некоторых и очертим круг задач, стоящих перед ними.

Физика элементарных частиц. Ее основной проблемой было и остается исследование материи на уровне элементарных частиц. Не все теоретические положения этого раздела физики получили прямое подтверждение экспериментами. Обширный экспериментальный материала до сих пор не обобщен. Существуют только попытки построения теории, объединяющей все виды взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

Физика ядра. В 30-х годах была создана протонно-нейтронная модель ядра, был достигнут большой прогресс в понимании структуры ядер и достигнут большой успех в практическом применении ядерных реакций. Одна из важнейших задач в этой области - решение проблемы управляемого термоядерного синтеза. Работы в этом направлении ведутся объединенными усилиями исследователей из ряда стран.

Астрофизика. Развитие физики элементарных частиц и атомного ядра позволило приблизится к пониманию таких сложных проблем, как эволюция Вселенной на ранних стадиях ее развития, эволюция звезд, образование химических элементов. Однако, несмотря на впечатляющие достижения современной астрофизики, остается неясным, каково строение материи при огромных плотностях внутри нейтронных звезд и "черных дыр". Невыяснена природа квазаров и причина вспышек сверхновых звезд. В целом, можно считать, что положено только начало решению проблемы эволюции Вселенной.

Оптика и квантовая электроника. На фундаменте квантовой теории излучения, заложенной А.Эйнштейном, возникла новая наука - квантовая электроника. Успехи в этой области связаны, в первую очередь с созданием сверхчувствительных приемных систем и принципиально новых источников света - лазеров или оптических квантовых генераторов. Их уникально по своим параметрам. Создание лазеров дало жизнь новому разделу оптики - нелинейной оптике. Практически строгая монохроматичность лазерного излучения позволяет получить объемное изображение объекта - голограмму. Ведутся работы по использованию лазеров в управляемых термоядерных реакциях. Развитие этой области связано с дальнейшим повышением мощности лазеров и с расширением диапазона рабочих частот. Сейчас стоит задача создания рентгеновских и гамма-лазеров.

Физика плазмы. Важность изучения плазмы связана с двумя обстоятельствами. Во-первых, в плазменном состоянии находится подавляющая часть вещества Вселенной. Во-вторых, именно в высокотемпературной плазме имеется возможность осуществить управляемую термоядерную реакцию. Получение таких реакций позволит дать человечеству практически вечный экологически чистый источник энергии. Эта проблема очень актуальна, поскольку уже в ближайшее время человечество столкнется с проблемой энергетического голода.

Физика твердого тела. Пожалуй, ни один из разделов физики не имеет стольких ответвлений в прикладные области, как этот. Прогресс в компьютеростроении целиком базируется на достижениях физики твердого тела. Туннельный эффект - явление из области квантовой физики, которое заключается в способности элементарных частиц проникать сквозь барьер, который классическая частица не может пройти в принципе. На основе туннельного эффекта созданы специальные приборы - туннельные микроскопы, которые позволяют наблюдать отдельные атомы. Прогресс в этой области зашел так далеко, что коллективу сотрудников фирмы IBM удалось написать название фирмы буквами, размером всего в пять атомов по высоте. По-видимому, это самая эффектная реклама в мире. Размер этих букв во столько же раз меньше букв, написанных Левшой на подкове блохи, во сколько песчинка меньше Эйфелевой башни. Сверхпроводимость - особое состояние некоторых веществ, открытое достаточно давно. Оно заключается в том, что при температурах порядка 5~20⁰ К электрическое сопротивление совершенно исчезает. Ток может циркулировать в таком проводнике годами. В настоящее время синтезированы материалы, в которых сверхпроводимость возникает при температурах 100~150⁰ К. Такие материалы могут широко использоваться в науке и технике.

В заключение отметим, что важнейшей особенностью современного физического эксперимента стала неизмеримо возросшая роль измерительной и вычислительной техники. Современные исследования ведутся обычно на больших установках и требуют значительных затрат. Развитые страны идут на это, и не только потому, что естественные науки составляют часть культуры человечества, но и потому, что именно они позволяют увеличивать целостность, независимость и благосостояние государства.

7. ВЕЩЕСТВО И МАССА, ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ.

В физике под веществом подразумевают такой вид материи, который обладает массой покоя, т.е. в состоянии неподвижности (хотя бы и относительной) масса системы не равна нулю. В конечном счете, вещество слагается из атомов (или элементарных частиц). В следующих разделах мы узнаем, что существуют частицы, имеющие нулевую или мнимую массу покоя; такие частицы могут существовать только в движении.

Вещество всегда локализовано в ограниченной части пространства. Его положение можно задать с помощью ограниченного числам параметров, которые принято называть степенями свободы. В простейшем случае движения точки, ее положение в пространстве задается 3-мя независимыми координатами (степенями свободы). Даже, когда вещество нельзя моделировать точкой (например, твердое тело), его положение все равно определяется конечным числом независимых координат - степеней свободы. Если вещество состоит из N атомов, то мы можем описать положение каждого атома в отдельности. Всего потребуется задать 3 N параметров. Реально атомы образуют связи; каждая связь превращает одну из независимых координат в зависимую, и число независимых параметров (координат) уменьшается. Положение твердого тела, оказывается, можно задать всего лишь 6 параметрами: тремя координатами - положение центра масс тела и еще тремя углами - его ориентацию (разворот) относительно координатных осей.

В настоящем и в прошлых разделах упоминалось понятие массы, которое требует дополнительного обсуждения. В начале нашего курса говорилось, что масса характеризует количество материи. Это формулировка качественная. Она требует уточнения. Правильнее говорить, что масса - одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные и гравитационные свойства. Остановимся на этом вопросе подробнее. В теории Ньютона масса рассматривалась, как количество вещества. Понятие массы ввел в механику И.Ньютон, давая определение импульса - . Массой он назвал коэффициент пропорциональности m, постоянную для тела величину. Эквивалентное определение массы вытекает и из второго закона Ньютона: Здесь масса - это коэффициент пропорциональности между результирующей силой и вызываемым ею ускорением. Определенная таким образом масса характеризует инертность тела. Т.е. чем больше масса тела, тем меньшее ускорение оно приобретает под действием постоянной силы. Определенная таким образом масса называется инертной.

В теории гравитации И. Ньютона масса выступает как источник поля сил тяготения. Каждая масса создает вокруг себя пол сил тяготения (гравитационное поле). На любое тело, помещенное в это поле, действует сила, пропорциональная его собственной массе, массе источника и направленная к источнику. Это значит, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения. Закон всемирного тяготения формулируется в следующем виде:, где м³/(кг×с²)- гравитационная постоянная, m₁и m₂-массы тел, r - расстояние между телами.

Из этой формулы можно получить связь между массой тела и его весом Р в поле тяготения Земли, если считать, что m₁ - масса тела, m₂ = M - масса Земли, а r = R_з - радиус Земли:

т.е. . Определенная таким образом масса называется гравитационной.

В принципе, ниоткуда не следует, что масса, создающая поле тяготения и масса, определяющая инерцию тела - одинаковы. Однако, специальные опыты показали, что инерционная и гравитационная массы при выборе одинаковой системы единиц равны. Этот фундаментальный закон природы называется принципом эквивалентности масс. Экспериментально этот принцип был проверен в 1971 году с очень высокой точностью - 10^-12.

В классической физике считалось, что масса тела не меняется ни в каких процессах. Это утверждение формулировалось в виде закона сохранения массы. Понятие массы приобрело более глубокий смысл в рамках релятивистской механики или теории относительности, рассматривающей движение тел с большими скоростями. Релятивистская механика показывает, что не существует по отдельности законов сохранения массы и энергии. Они слиты воедино. Это естественно, так как материя (количество которой характеризуется массой) невозможна без движения (количество которой характеризуется энергией). 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. ПРИНЦИПЫБЛИЗКОДЕЙСТВИЯ 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 концепциядальнодействия. 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, как, впрочем, и любой физической модели, определяется условиями поставленной задачи и требуемой точностью искомого результата.

Раздел механики, в котором описывается движение тела, и не вскрываются причины, его вызывающие, называется кинематикой.

Для описания движение тела, необходимо ввести систему отсчета, относительно которой задать его координаты, ввести динамические переменные, описывающие изменение положения тела во времени и ввести законы движения тела. Вообще говоря, система отсчета должна в себя включать систему тела, которые мы считаем неподвижными и часы. С системой неподвижных тел необходимо связать систему координат, например декартовых. Положение точки в координатном пространстве задается радиусом-вектором r(t), т.е. вектором, проведенным из начала координат в выбранную точку. Начальное положение тела задается радиусом-вектором в начальной момент времени r₀ = r(t₀), как это показано на рис.9.1. Положение точки в пространстве с течением времени меняется, и конец радиуса-вектора вычерчивает линию, которая называется траекторией движения.

Траекторию можно разбить на бесконечно малые участки - dr, как это показано на рисунке 9.2. Поскольку перемещение dr, бесконечно мало, оно лежит на траектории движения. Время dt, за которое происходит это перемещение, тоже бесконечно мало. Перемещение dr и время dt связаны друг с другом при помощи динамического параметра - мгновенной скорости, определение которой:

u(t)=dr(t)/dt (9.1).