М. Фарадей вошел в науку исключительно благодаря таланту и усердию в самообразовании. Выходец из бедной семьи, он работал в переплетной мастерской, где познакомился с трудами ученых, философов. Известный английский физик Г.Дэви (1778-1829), который способствовал вхождению М. Фарадея в научное сообщество, однажды сказал, что самым крупным его достижением в науке является «открытие» им М. Фарадея. М. Фарадей изобрел электродвигатель и электрогенератор, т. е. машины для производства электричества. Ему принадлежит идея о том, что электричество имеет единую физическую природу, т. е. независимо от того, каким образом оно получено: движением магнита или прохождением электрически заряженных частиц в проводнике. Для объяснения взаимодействия между электрическими зарядами на расстоянии М. Фарадей ввел понятие физического поля. Физическое поле он представлял как свойство самого пространства вокруг электрически заряженного тела оказывать физическое воздействие на другое заряженное тело, помещенное в это пространство. С помощью металлических частиц он показал расположение и наличие сил, действующих в пространстве вокруг магнита (магнитных сил) и электрического заряженного тела (электрических). Свои идеи о физическом поле М. Фарадей изложил в письме-завещании, которое было вскрыто лишь в 1938 г. в присутствии членов Лондонского Королевского общества. В этом письме было обнаружено, что М. Фарадей владел методикой изучения свойств поля и в его теории электромагнитные волны распространяются с конечной скоростью. Причины, по которым он изложил свои идеи о физическом поле в форме письма- завещания, возможно, следующие. Представители французской физической школы требовали от него теоретического доказательства связи электрических и магнитных сил. Кроме того, понятие физического поля, по М. Фарадею, означало, что распространение электрических и магнитных сил осуществляется непрерывным образом от одной точки поля к другой и, следовательно, эти силы имеют характер близкодействующих сил, а не дальнодействующих, как полагал Ш. Кулон. М. Фарадею принадлежит еще одна плодотворная идея. При изучении свойств электролитов он обнаружил, что электрический заряд частиц, образующих электричество, не является дробным. Эта идея была подтверждена

определением заряда электрона уже в конце XIX в.

Теория электромагнитных сил Д. Максвелла

Подобно И. Ньютону Д. Максвелл придал всем результатам исследований электрических и магнитных сил теоретическую форму. Произошло это в 70-х годах XIX в. Он сформулировал свою теорию на основе законов связи взаимодействия электрических и магнитных сил, содержание которых можно представить таким образом:

1. Любой электрический ток вызывает или создает магнитное поле в окружающем его пространстве. Постоянный электрический ток создает постоянное магнитное поле. Но постоянное магнитное поле (неподвижный магнит) не может создавать электрическое поле вообще (ни постоянное, ни переменное).

2. Образовавшееся переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, создает переменное магнитное поле,

3. Силовые линии электрического поля замыкаются на электрических зарядах.

4. Силовые линии магнитного поля замкнуты сами на себя и никогда не кончаются, т. е. не существует в природе магнитных зарядов.

В уравнениях Д. Максвелла присутствовала некоторая постоянная величина С, которая указывала, что скорость распространения электромагнитных волн в физическом поле является конечной и совпадает со скоростью распространения света в вакууме, равной 300 тыс. км/с.

Основные понятия и принципы электромагнетизма.

Теория Д. Максвелла была воспринята некоторыми учеными с большим сомнением. Например, Г. Гельмгольц (1821-1894) придерживался точки зрения, согласно которой электричество является «невесомым флюидом», распространяющимся с бесконечной скоростью. По его просьбе Г. Герц (1857-

1894) занялся экспериментом, доказывающим флюидную природу электричества.

К этому времени О. Френель (1788-1827) показал, что свет распространяется не как продольные, а как поперечные волны. В 1887 г. Г. Герцу удалось построить эксперимент. Свет в пространстве между электрическими зарядами распространялся поперечными волнами со скоростью 300 тыс. км/с. Это позволило ему говорить о том, что его эксперимент устраняет сомнения в тождественности света, теплового излучения и волнового электромагнитного движения.

Этот эксперимент стал основой для создания электромагнитной физической картины мира, одним из приверженцев которой был Г. Гельмгольц. Он полагал, что все физические силы, господствующие в природе, должны быть объяснены на основе притяжения и отталкивания. Однако создание электромагнитной картины мира столкнулось с трудностями.

1. Основным понятием механики Галилея - Ньютона было понятие вещества,

имеющего массу, но оказалось, что вещество может обладать зарядом.

Заряд - это физическое свойство вещества создавать вокруг себя физическое поле, оказывающее физическое воздействие на другие заряженные тела, вещества (притяжение, отталкивание).

2. Заряд и масса вещества могут иметь разную величину, т. е. являются дискретными величинами. В то же время понятие физического поля предполагает передачу физического взаимодействия непрерывно от одной его точки к другой. Это означает, что электрические и магнитные силы являются близкодействующими силами, поскольку в физическом поле нет пустого пространства, не заполненного электромагнитными волнами.

3. В механике Галилея - Ньютона возможна бесконечно большая скорость

физического взаимодействия, здесь же утверждается, что электромагнитные

волны распространяются с большой, но конечной скоростью.

4. Почему сила гравитации и сила электромагнитного взаимодействия действуют независимо друг от друга? При удалении от Земли сила тяжести уменьшается, ослабевает, а электромагнитные сигналы действуют в космическом корабле точно таким же образом, как и на Земле. В XIX в. можно было привести столь же убедительный пример без космического корабля.

5. Открытие в 1902г. П.Лебедевым (1866-1912) - профессором Московского университета - светового давления обострило вопрос о физической природе света: является ли он потоком частиц или только электромагнитными волнами определенной длины? Давление, как физическое явление, связано с понятием вещества, с дискретностью - точнее. Таким образом, давление света свидетельствовало о дискретной природе света как потока частиц.

6. Сходство убывания гравитационных и электромагнитных сил - по закону

«обратно пропорционально квадрату расстояния» - вызывало законный вопрос: почему квадрат расстояния, а, например, не куб? Некоторые ученые стали говорить об электромагнитном поле как об одном из состояний «эфира», заполняющего пространство между планетами и звездами.

Все эти трудности происходили из-за отсутствия в тот период знаний о строении атома, но М. Фарадей был прав, говоря, что, не зная, как устроен атом, мы можем изучать явления, в которых выражается его физическая природа. Действительно электромагнитные волны несут существенную информацию о процессах, происходящих внутри атомов химических элементов и молекул вещества. Они представляют информацию о далеком прошлом и настоящем Вселенной: о температуре космических тел, их химическом составе, расстоянии до них и т. д.

7. В настоящее время используется следующая шкала электромагнитных волн:

радиоволны с длиной волны от 104 до 10 -3 м;

инфракрасные волны - от 10-3 до 810-7 м;

видимый свет - от 8 10-7 до 4 10-7 м;

ультрафиолетовые волны - от 4 10-7 до 10-8 м;

рентгеновские волны (лучи) - от 10-8 до 10-11 м;

гамма-излучение - от 10-11 до 10-13 м.

8. Что касается практических аспектов изучения электрических и магнитных сил, то оно осуществлялось в XIX в. быстрыми темпами: первая телеграфная линия между городами (1844), прокладка перового трансатлантического кабеля (1866), телефон (1876), лампа накаливания (1879), радиоприемник (1895).

Минимальной порцией электромагнитной энергии является фотон. Это самое малое неделимое количество электромагнитного излучения.

Сенсацией начала XXI в. является создание российскими учеными из г. Троицка (Подмосковье) полимера из атомов углерода, который обладает свойствами магнита. Обычно считалось, что наличие металлов в веществе ответственно за магнитные свойства. Проверка этого полимера на металличность показала, что в нем нет присутствия металлов.

Поле - одна из форм существования материи и, пожалуй, самая важная. Понятие «поле» отражает тот факт, что электрические и магнитные силы действуют с конечной скоростью на расстоянии, взаимно и непрерывно порождая друг друга. Поле излучается, распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует с веществом. Фарадей сформулировал идеи поля как новой формы материи, а записи вложил в запечатанный конверт, завещав вскрыть его после своей смерти (этот конверт был обнаружен только в 1938 г.). Фарадей использовал (1840) идею всеобщего сохранения и превращения энергии, хотя сам закон еще не был открыт.

В лекциях (1845) Фарадей говорил не только об эквивалентных превращениях энергии из одной формы в другую, но и о том, что он давно пытался «открыть прямую связь между светом и электричеством» и что «удалось намагнитить и наэлектризовать луч света и осветить магнитную силовую линию». Ему принадлежит методика изучения пространства вокруг заряженного тела с помощью пробных тел, введение для изображения поля силовых линий. Он описал свои опыты по вращению плоскости поляризации света магнитным полем. Изучение взаимосвязи электрических и магнитных свойств веществ привело Фарадея не только к открытию пара- и диамагнетизма, но и к установлению фундаментальной идеи - идеи поля. Он писал (1852): «Среда или пространство, его окружающие, играют столь же существенную роль, как и сам магнит, будучи частью настоящей и полной магнитной системы».

Фарадей показал, что электродвижущая сила индукции Е возникает при изменении магнитного потока Ф (размыкании, замыкании, изменении тока в проводниках, приближении или удалении магнита и пр.). Максвелл выразил этот факт равенством: Е = -д Ф /дt. По Фарадею, способность индуцировать токи проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей. Согласно Максвеллу, переменное магнитное поле окружено вихревым электрическим полем, а знак минус связан с правилом Ленца: возникает индукционный ток такого направления, чтобы препятствовать изменению, порождающему его. Обозначение rot - от англ. rotor - вихрь. В 1846 г. Ф. Нейман нашел, что на создание индукционного тока надо затратить определенное количество энергии.

В целом система уравнений, записанная Максвеллом в векторной форме, имеет компактный вид:

Входящие в эти уравнения векторы электрической и магнитной индукции (D и В) и векторы напряженности электрического и магнитного полей (Е и Н) связаны указанными простыми соотношениями с диэлектрической постоянной е и магнитной проницаемостью среды μ. Использование этой операции означает, что вектор напряженности магнитного поля вращается вокруг вектора тока плотности j .

Согласно уравнению (1), любой ток вызывает возникновение магнитного поля в окружающем пространстве, постоянный ток - постоянное магнитное поле. Такое поле не может вызвать в «следующих» областях электрическое поле, так как, по уравнению (2), только изменяющееся магнитное поле порождает ток. Вокруг переменного тока создается и переменное магнитное поле, способное создать в «следующем» элементе пространства электрическое поле волны, волны незатухающей, - энергия магнитного поля в пустоте полностью переходит в энергию электрического, и наоборот. Поскольку свет распространяется в виде поперечных волн, можно сделать два вывода: свет - электромагнитное возмущение; электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде поперечных волн со скоростью с = 3 10 8 м/с, зависящей от свойств среды, и поэтому невозможно «мгновенное дальнодействие». Итак, в световых волнах колебания совершают напряженности электрического и магнитного полей, а носителем волны служит само пространство, которое находится в состоянии напряжения. А оно за счет тока смещения создаст новое магнитное поле и так до бесконечности.

Смысл уравнений (3) и (4) понятен - (3) описывает электростатическую теорему Гаусса и обобщает закон Кулона, (4) отражает факт отсутствия магнитных зарядов. Дивергенция (от лат. divergere - обнаруживать расхождение) есть мера источника. Если в стекле, например, не рождаются световые лучи, а только проходят сквозь него, divD = 0. Солнце как источник света и теплоты обладает положительной дивергенцией, а темнота - отрицательной. Поэтому силовые линии электрического поля кончаются на зарядах, плотность которых р, а магнитного - замкнуты сами на себя и нигде не кончаются.

Система взглядов, которая легла в основу уравнений Максвелла, получила название максвелловской теории электромагнитного поля. Хотя эти уравнения имеют простой вид, но чем больше Максвелл и его последователи работали над ними, тем более глубокий смысл открывался им. Г. Герц, опыты которого явились первым прямым доказательством верности теории электромагнитного поля Фарадея-Максвелла, писал о неисчерпаемости уравнений Максвелла: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным разумом - кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время было в них заложено».

Процесс распространения поля будет продолжаться до бесконечности в виде незатухающей волны - энергия магнитного поля в пустоте полностью переходит в энергию электрического, и наоборот. Среди постоянных, входящих в уравнения, была константа с; Максвелл нашел, что ее значение равнялось точно значению скорости света. На это совпадение нельзя было не обратить внимания. Итак, в световых волнах колебания совершают напряженности электрического и магнитного полей, а носителем волны служит само пространство, которое находится в состоянии напряжения.

Световая волна - это волна электромагнитная, «бегущая в пространстве и отделенная от испустивших ее зарядов», как выразился Вайскопф. Открытие Максвелла он сравнил по важности с открытием закона тяготения Ньютона. Ньютон связал движение планет с тяготением на Земле и открыл фундаментальные законы, управляющие механическим движением масс под действием сил. Максвелл связал оптику с электричеством и вывел фундаментальные законы (уравнения Максвелла), управляющие поведением электрических и магнитных полей и их взаимодействием с зарядами и магнитами. Труды Ньютона привели к введению понятия всеобщего закона тяготения, труды Максвелла - понятия электромагнитного поля и к установлению законов его распространения. Если электромагнитное поле может существовать независимо от материального носителя, то дальнодействие должно уступить место близкодействию, полям, распространяющимся в пространстве с конечной скоростью. Идеи тока смещения (1861), электромагнитных волн и электромагнитной природы света (1865) были настолько смелыми и необычными, что даже следующее поколение физиков не сразу приняло теорию Максвелла. В 1888 г. Г. Герц открыл электромагнитные волны, но такого активного противника теории Максвелла, как У. Томсон (Кельвин), смогли убедить лишь эксперименты П.Н.Лебедева, открывшего в 1889 г. существование светового давления.

В середине XIX в. Максвелл объединил электричество и магнетизм в единой теории поля. Электрический заряд связан с элементарными частицами, из которых самые известные - электрон и протон - имеют одинаковый по величине заряд е, это универсальная постоянная природы. В СИ = 1,6 10 -19 Кл. Хотя магнитных зарядов пока не обнаружено, в теории они уже возникают. По мнению физика Дирака, величина магнитных зарядов должна быть кратной заряду электрона

Дальнейшие исследования в области электромагнитного поля привели к противоречиям с представлениями классической механики, которые пытался устранить путем математического согласования теорий голландский физик X.А. Лоренц. Он ввел преобразования координат инерциальных систем, которые в отличие от классических преобразований Галилея содержали константу - скорость света, которая и осуществляла связь с теорией поля. Изменились масштабы времени и длин при скоростях, близких к скорости света. Физический смысл этих преобразований Лоренца был объяснен только А. Эйнштейном в 1905 г. в его работе «К электродинамике движущихся тел», составившей основу специальной теории относительности (СТО), или релятивистской механики.

Естествознание не только выделяет типы материальных объектов во Вселенной, но и раскрывает связи между ними. Связь между объектами в целостной системе более упорядочена, более устойчива, чем связь каждого из элементов с элементами из внешней среды. Чтобы разрушить систему, выделить из системы тот или иной элемент, нужно приложить к ней определенную энергию. Эта энергия имеет разную величину и зависит от типа взаимодействия между элементами системы. В мегамире эти взаимодействия обеспечиваются гравитацией, в макромире к гравитации добавляется электромагнитное взаимодействие, и оно становится основным, как более сильное. В микромире на размерах атома проявляется еще более сильное ядерное взаимодействие, обеспечивающее целостность атомных ядер. При переходе к элементарным частицам энергия внутренних связей знаем, что природные вещества - это химические соединения элементов, построенных из атомов и собранных в Периодическую таблицу. Некоторое время считали, что атомы и есть элементарные кирпичики мироздания, но потом установили, что атом представляет собой «целую Вселенную» и состоит из взаимодействующих друг с другом еще более фундаментальных частиц: протонов, электронов, нейтронов, мезонов и т.д. Число частиц, претендующих на элементарность, увеличивается, но так ли уж они элементарны?

Механика Ньютона была признана, но происхождение сил, которые вызывают ускорения, в ней не обсуждались. Силы гравитации действуют через пустоту, они дальнодействующие, тогда как силы электромагнитные - через среду. В настоящее время все взаимодействия в природе сводят к четырем типам: гравитационные, электромагнитные, сильные ядерные и слабые ядерные.

Гравитация (от лат. gravitas - тяжесть) - исторически первое исследованное взаимодействие. Вслед за Аристотелем считали, что все тела стремятся в «своему месту» (тяжелые - вниз, к Земле, легкие - вверх). Физике XVII-XVIII вв. были известны только гравитационные взаимодействия. По Ньютону, две точечные массы притягивают друг друга с силой, направленной вдоль соединяющей их прямой: Знак минус указывает на то, что мы имеем дело с притяжением, r - расстояние между телами (считается, что размер тел намного меньше r), т 1 и т 2 - массы тел. Величина G - универсальная постоянная, определяющая значение гравитационных сил. Если тела массой по 1 кг находятся на расстоянии 1 м друг от друга, то сила притяжения между ними равна 6,67 10 -11 н. Гравитация универсальна, все тела подвержены ей и даже сама частица - источник гравитации. Если бы величина G была больше, то увеличилась бы и сила, но G очень мала, и гравитационное взаимодействие в мире субатомных частиц несущественно, а между макроскопическими телами еле заметно. Кэвендиш сумел измерить величину G, пользуясь крутильными весами. Универсальность постоянной G означает, что в любом месте Вселенной и в любой момент времени сила притяжения между телами массой по 1 кг, разделенными расстоянием 1 м, будет иметь то же значение. Поэтому можно говорить, что величина G определяет структуру гравитирующих систем. Гравитация, или тяготение, не очень существенна при взаимодействии между малыми частицами, но она удерживает планеты, всю Солнечную систему и галактики. Мы постоянно ощущаем гравитацию в нашей жизни. Закон утвердил дальнодействующую природу силы тяготения и основное свойство гравитационного взаимодействия - его универсальность.

Теория тяготения Эйнштейна (ОТО) дает отличающиеся результаты от закона Ньютона в сильных гравитационных полях, в слабых - обе теории совпадают. Согласно ОТО, гравитация - это проявление искривления пространства-времени. Тела движутся по искривленным траекториям не потому, что на них действует гравитация, а потому, что они движутся в искривленном пространстве-времени. Движутся «кратчайшим путем, и тяготение - это геометрия». Влияние искривления пространства-времени можно обнаружить не только вблизи коллапсирующих объектов типа нейтронных звезд или черных дыр. Таковы, например, прецессия орбиты Меркурия или замедление времени на поверхности Земли (см. рис. 2.3, в). Эйнштейн показал, что гравитацию можно описывать как эквивалент ускоренного движения.

Чтобы избежать сжатия Вселенной под влиянием самогравитации и обеспечить ее стационарность, он ввел возможный источник гравитации с необычными свойствами, ведущий к «расталкиванию» материи, а не к концентрации ее, а сила отталкивания возрастает с увеличением расстояния. Но эти свойства могут проявляться только в очень больших масштабах Вселенной. Сила отталкивания неимоверно мала и не зависит от отталкивающей массы; ее представляют в виде где т - масса отталкиваемого объекта; r - его расстояние от отталкивающего тела; L - константа. В настоящее время устанавливают верхний предел для L = 10 -53 м -2 , т.е. для двух тел массой по 1 кг, находящихся на расстоянии 1 м, сила притяжения превышает космическое отталкивание, по крайней мере в 10 25 раз. Если две галактики с массами 10 41 кг находятся на расстоянии 10 млн св. лет (около 10 22 м), то для них силы притяжения примерно уравновешивались бы силами отталкивания, если величина L действительно близка к указанному верхнему пределу. Эта величина не измерена до сих пор, хотя и важна для крупномасштабной структуры Вселенной как фундаментальная.

Электромагнитное взаимодействие, обусловленное электрическими и магнитными зарядами, переносится фотонами. Силы взаимодействия между зарядами сложным образом зависят от положения и движения зарядов. Если два заряда q 1 и q 2 неподвижны и сосредоточены в точках на расстоянии r, то взаимодействие между ними электрическое и определяется законом Кулона: В зависимости от знаков зарядов q 1 и q 2 сила электрического взаимодействия, направленная вдоль прямой, соединяющей заряды, будет силой притяжения или отталкивания. Здесь через обозначена постоянная, определяющая интенсивность электростатического взаимодействия, ее значение равно 8,85 10 -12 Ф/м. Так, два заряда по 1 Кл, разнесенные на 1 м, будут испытывать силу 8,99 10 9 Н. Электрический заряд всегда связан с элементарными частицами. Численная величина заряда наиболее известных среди них - протона и электрона - одинакова: это универсальная постоянная е = 1,6 10 -19 Кл. Заряд протона считается положительным, электрона - отрицательным.

Магнитные силы порождаются электрическими токами - движением электрических зарядов. Существуют попытки объединить теории с учетом симметрий, в которых предсказывается существование магнитных зарядов (магнитных монополей), но они пока не обнаружены. Поэтому величина е определяет и интенсивность магнитного взаимодействия. Если электрические заряды движутся с ускорением, то они излучают - отдают энергию в виде света, радиоволн или рентгеновских лучей в зависимости от 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, удерживают атомы от распада, отвечают за связи между молекулами, т. е. за химические и биологические явления.

Гравитация и электромагнетизм - дальнодействующие силы, распространяющиеся на всю Вселенную.

Сильные и слабые ядерные взаимодействия - короткодействующие и проявляются только в пределах размеров атомного ядра, т. е. в областях порядка 10 -14 м.

Слабое ядерное взаимодействие ответственно за многие процессы, обуславливающие некоторые виды ядерных распадов элементарных частиц (например, (3-распад - превращение нейтронов в протоны) с радиусом действия почти точечным: около 10 -18 м. Оно сильнее сказывается на превращениях частиц, чем на их движении, поэтому его эффективность определяют постоянной, связанной со скоростью распада, - универсальной постоянной связи g(W), определяющей скорость протекании процессов типа распада нейтрона. Слабое ядерное взаимодействие осуществляют так называемые слабые бозоны, и одни субатомные частицы могут превращаться в другие. Открытие нестабильных субъядерных частиц обнаружило, что слабое взаимодействие вызывает множество превращений. Сверхновые звезды - один из немногих случаев наблюдаемого слабого взаимодействия.

Сильное ядерное взаимодействие препятствует распаду атомных ядер, и не будь его, ядра распались бы из-за сил электрического отталкивания протонов. В ряде случаев для его характеристики вводят величину g(S), аналогичную электрическому заряду, но намного большую. Сильное взаимодействие, осуществляемое глюонами, резко спадает до нуля за пределами области радиусом около 10 -15 м. Оно связывает между собой кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других подобных частиц, именуемых адронами. Говорят, что взаимодействие протонов и нейтронов есть отражение их внутренних взаимодействий, но пока картина этих глубинных явлений скрыта от нас. С ним связаны энергия, выделяемая Солнцем и звездами, превращения в ядерных реакторах и освобождение энергии. Перечисленные типы взаимодействий имеют, видимо, разную природу. К настоящему времени не ясно, исчерпываются ли ими все взаимодействия в природе. Самое сильное - короткодействующее сильное взаимодействие, электромагнитное слабее его на 2 порядка, слабое - на 14 порядков, а гравитационное меньше сильного на 39 порядков. В соответствии с величиной сил взаимодействия они происходят за разное время. Сильные ядерные взаимодействия возникают при столкновении частиц с околосветовыми скоростями. Время реакций, определяемое делением радиуса действия сил на скорость света, дает величину порядка 10 -23 с. Процессы слабого взаимодействия происходят за 10 -9 с, а гравитационные - порядка 10 16 с, или 300 млн лет.

«Закон обратных квадратов», по которому действуют друг на друга точечные гравитационные массы или электрические заряды, следует, как показал П.Эренфест, из трехмерности пространства (1917). В пространстве п измерений точечные частицы взаимодействовали бы по закону обратной степени (n - 1). Для п = 3 справедлив закон обратных квадратов, так как 3 - 1 = 2. А при и = 4, что соответствует закону обратных кубов, планеты двигались бы по спиралям и быстро упали на Солнце. В атомах при числе измерений больше трех также не существовало бы устойчивых орбит, т. е. не было бы химических процессов и жизни. На связь трехмерности пространства с законом тяготения указывал еще и Кант.

Кроме того, можно показать, что распространение волн в чистом виде невозможно в пространстве с четным числом измерений - появляются искажения, нарушающие переносимую волной структуру (информацию). Пример тому - распространение волны по резиновому покрытию (по поверхности размерности п = 2). В 1955 г. математик Г. Дж. Уитроу заключил, что поскольку живым организмам необходимы передача и обработка информации, то высшие формы жизни не могут существовать в пространствах четной размерности. Этот вывод относится к известным нам формам жизни и законам природы и не исключает существования иных миров, иной природы.

От Ньютона и П.Лапласа сохранилось рассмотрение механики как универсальной физической теории. В XIX в. это место заняла механическая картина мира, включающая механику, термодинамику и кинетическую теорию материи, упругую теорию света и электромагнетизм. Открытие электрона стимулировало пересмотр представлений. В конце века Х.Лоренц построил свою электронную теорию для охвата всех явлений природы, но этого не достиг. Проблемы, связанные с дискретностью заряда и непрерывностью поля, и проблемы в теории излучения («ультрафиолетовая катастрофа») привели к созданию квантово-полевой картины мира и квантовой механики. После создания СТО ожидалось, что всеобщий охват мира природы способна дать электромагнитная картина мира, соединявшая теорию относительности, теорию Максвелла и механику, но и эта иллюзия вскоре была развеяна.

Многие теоретики пытались едиными уравнениями охватить гравитацию и электромагнетизм. Под влиянием Эйнштейна, который ввел четырехмерное пространство-время, строились многомерные теории поля в попытках свести явления к геометрическим свойствам пространства.

Объединение осуществилось на основе установленной независимости скорости света для разных наблюдателей, движущихся в пустом пространстве при отсутствии внешних сил. Эйнштейн изобразил мировую линию объекта на плоскости, где пространственная ось направлена горизонтально, а временная - вертикально. Тогда вертикальная прямая - это мировая линия объекта, который покоится в данной системе отсчета, а наклонная - объекта, движущегося с постоянной скоростью. Кривая мировая линия соответствует движению объекта с ускорением. Любая точка на этой плоскости отвечает положению в данном месте в данное время и называется событием. Гравитация при этом уже не сила, действующая на пассивном фоне пространства и времени, а представляет собой искажение самого пространства-времени. Ведь гравитационное поле - это «кривизна» пространства-времени.

Для установления связи между системами отсчета, движущимися относительно друг друга, нужно измерять пространственные интервалы в тех же единицах, что и временные. Множителем для такого пересчета может служить скорость света, связывающая расстояние с временем, за которое свет может это расстояние преодолеть. В такой системе 1 м равен 3,33 не (1 не = 10 -9 с). Тогда мировая линия фотона пройдет под углом 45°, а любого материального объекта - под меньшим углом (так как скорость у него всегда меньше скорости света). Поскольку пространственная ось соответствует трем декартовым осям, то мировые линии материальных тел будут находиться внутри конуса, описываемого мировой линией фотона. Результаты наблюдений солнечного затмения 1919 г. принесли всемирную славу Эйнштейну. Смещения звезд, которые можно увидеть в окрестности Солнца только во время затмения, совпали с предсказаниями теории тяготения Эйнштейна. Так что его геометрический подход к построению теории тяготения был подтвержден впечатляющими экспериментами.

В том же 1919 г., когда появилась ОТО, приват-доцент Кенигсбергского университета Т. Калуца отправил Эйнштейну свою работу, где предлагал пятое измерение. Пытаясь найти первооснову всех взаимодействий (тогда было известно два - тяготение и электромагнетизм), Калуца показал, что они могут быть выведены единообразно в пятимерной ОТО. Для успеха объединения не имели значения размеры пятого измерения и, может быть, они столь малы, что их не удается обнаружить. Только после двухгодичной переписки с Эйнштейном статью опубликовали. Шведский физик О. Клейн предложил модификацию основного уравнения квантовой механики с пятью переменными вместо четырех (1926). Неощущаемые нами измерения пространства он «свернул» до очень малых размеров (приведя пример небрежно брошенного поливального шланга, который издалека кажется извилистой линией, а вблизи каждая его точка оказывается окружностью). Размеры этих своеобразных петелек 10 20 раз меньше размера атомного ядра. Поэтому пятое измерение и не наблюдаемо, но возможно.

В развитие пятимерной теории внесли свой вклад советские ученые Г.А. Мандель и В.А. Фок. Они показали, что траектория заряженной частицы в пятимерном пространстве может быть строго описана как геодезическая линия (от греч. geodaisia - землеразделение), или кратчайший путь между двумя точками на поверхности, т. е. пятое измерение может быть физически реальным. Оно не обнаружено из-за соотношения неопределенности Гейзенберга, которое каждую частицу представляет в виде волнового пакета, занимающего в пространстве область, размер которой зависит от энергии частицы (чем больше энергия, тем меньше объем области). Если пятое измерение свернуто в малую окружность, то, чтобы ее обнаружить, освещающие ее частицы должны обладать большой энергией. Ускорители дают пучки частиц, обеспечивающие разрешающую способность 10 -18 м. Поэтому, если окружность в пятом измерении имеет меньшие размеры, ее пока нельзя обнаружить.

Советский профессор Ю.Б. Румер в своей пятимерной теории показал, что пятому измерению можно придать смысл действия. Тут же появились попытки представить наглядно это пятимерное пространство, как ранее четырехмерное пространство-время, введенное Эйнштейном. Одна из таких попыток - гипотеза о существовании «параллельных» миров. Четырехмерное изображение мяча представить было несложно: это совокупность его изображений в каждой временной точке - «труба» из мячей, которая тянется из прошлого в будущее. А пятимерный мяч - это уже поле, плоскость из абсолютно одинаковых миров. Во всех мирах, имеющих от трех до пяти измерений, даже одна причина, хотя бы случайная, может породить несколько следствий. Шестимерная Вселенная, построенная выдающимся советским авиаконструктором Л.Р. Бартини, включает три пространственных измерения и три временных. У Бартини длина времени - длительность, ширина - количество вариантов, высота - скорость времени в каждом из возможных миров.

Теория квантовой гравитации должна была соединить ОТО и квантовую механику. Во Вселенной, подчиненной законам квантовой гравитации, кривизна пространства-времени и его структура должны флуктуировать, квантовый мир никогда не находится в покое. И понятия прошлого и будущего, последовательность событий в таком мире тоже должны быть иными. Эти изменения пока не обнаружены, так как квантовые эффекты проявляются в исключительно малых масштабах.

В 50-е гг. XX в. Р.Фейнман, Ю.Швингер и С.Томогава независимо друг от друга создали квантовую электродинамику, связав квантовую механику с релятивистскими представлениями и объяснив многие эффекты, полученные при исследовании атомов и их излучений. Затем была разработана теория слабых взаимодействий, и показано, что электромагнетизм можно объединить математически только со слабым взаимодействием. Один из ее авторов, пакистанский физик-теоретик А. Салам, писал: «Секрет достижения Эйнштейна состоит в том, что он осознал фундаментальное значение заряда в гравитационном взаимодействии. И пока мы не поймем природу зарядов в электромагнитных, слабых и сильных взаимодействиях так же глубоко, как это сделал Эйнштейн для тяготения, надежды на успех в окончательной унификации мало... Мы хотели бы не только продолжить попытки Эйнштейна, в которых ему не удалось преуспеть, но и включить в эту программу остальные заряды».

Возродился интерес к многомерным теориям, и вновь стали обращаться к работам Эйнштейна, Бергмана, Калуцы, Румера, Йордана. В работах советских физиков (Л.Д.Ландау, И.Я.Померанчук, Е.С.Фрадкин) показано, что при расстояниях 10 -33 см в квантовой электродинамике появляются неустранимые противоречия (расходимости, аномалии, все заряды обращаются в нуль). Многие ученые работали над идеями создания единой теории. С. Вайнберг, А. Салам и Ш. Глэшоу показали, что электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие можно считать проявлением некоей «электрослабой» силы и что истинные носители сильного взаимодействия - кварки. Созданная теория - квантовая хромодинамика - построила протоны и нейтроны из кварков и сформировала так называемую стандартную модель элементарных частиц.

Еще Планк отметил фундаментальную роль величин, составленных из трех констант, определяющих основные теории, - СТО (скорости света с), квантовую механику (постоянной Планка h) и теорию тяготения Ньютона (гравитационной постоянной G). Из их комбинации можно получить три величины (планковские) с

размерностями массы, времени и длины

5 10 93 г/см 3 . Планковская длина совпадает с критическим расстоянием, на котором теряет смысл квантовая электродинамика. Сейчас определена геометрия лишь на расстояниях более 10 - 16 см, которые больше планковских на 17 порядков величины! Объединение взаимодействий нужно для устранения в теории расхо-димостей и аномалий - проблему составляло определение частиц как точек и искажение ими пространства-времени. И его стали искать с помощью идей более высоких симметрий. Эти идеи получили «второе дыхание» в 80-е гг. XX в. в теориях великого объединения ТВО и супергравитации. ТВО - это теория, позволяющая объединить все взаимодействия, кроме гравитационного. Если удастся объединить с ней и гравитационное взаимодействие, то получится Теория Всего Сущего (ТВС). Тогда мир будет описываться единообразно. Поиск такой «суперсилы» продолжается.

Теории супергравитациииспользуют многомерные построения, свойственные геометрическому подходу при построении ОТО. Можно построить мир из разного числа измерений (используют 11- и 26-мерные модели), но 11-мерные наиболее интересны и красивы с математической точки зрения: 7 - минимальное число скрытых измерений пространства-времени, которые допускают включение в теорию трех негравитационных сил, а 4 - обычные измерения пространства-времени. Четыре известных взаимодействия рассматривают как геометрические конструкции, имеющие более пяти измерений.

Теория суперструнразрабатывается с середины 80-х гг. XX в. наряду с супергравитацией. Эту теорию начали развивать английский ученый М. Грин и американский ученый Дж. Шварц. Они сопоставили частицам вместо точки одномерную струну, помещенную в многомерное пространство. Эта теория, заменив точечные частицы крошечными энергетическими петлями, устранила абсурдности, возникающие при расчетах. Космические струны - это экзотические невидимые образования, порожденные теорией элементарных частиц. В этой теории отражена иерархичность понимания мира - возможность того, что не существует окончательного основания для физической реальности, а есть только последовательность все меньших и меньших частиц. Существуют и очень массивные частицы, и около тысячи частиц без массы. У каждой струны, имеющей планковский размер (10 -33 см), при этом может быть бесконечно много типов (или мод) колебаний. Как вибрация струн скрипки порождает различные звуки, так и вибрация этих струн может генерировать все силы и частицы. Суперструны позволяют понять киральность (от греч. cheir - рука), тогда как супергравитация не может объяснить разницы между левым и правым - в ней поровну частиц каждой направленности. Теория суперструн, как и супергравитации, связана не с опытом, а с более характерным для математики устранением аномалий и расходимостей.

Американский физик Э. Виттен заключил, что теория суперструн - основная надежда на будущее физики, она не только учитывает возможность силы тяжести, но и утверждает ее существование, и тяжесть - есть следствие теории суперструн. Его технология, заимствованная из топологии и теории квантового поля, позволяет открывать глубокие симметрии между запутанными узлами высокой мерности. Была зафиксирована размерность, соответствующая относительно непротиворечивой теории, она равна 506.

С помощью теории суперструн можно объяснить «клочковатость» распределения вещества во Вселенной. Суперструны - это нити, оставшиеся от вещества только что родившейся Вселенной. Они невероятно подвижны и плотны, искривляют пространство вокруг себя, образуют клубки и петли, причем массивные петли могли бы создавать гравитационное притяжение, достаточно сильное, чтобы зарождались элементарные частицы, галактики и скопления галактик. К 1986 г. опубликовано много работ по космическим струнам, хотя сами они до сих пор не обнаружены. Найти суперструны считают возможным по искривлению пространства, которое они вызывают, действуя как гравитационная линза, или по испускаемым ими гравитационным волнам. Эволюцию суперструн разыгрывают на компьютерах, и на экране дисплея возникают картины, соответствующие наблюдаемым в космосе, - там тоже образуются волокна, слои и гигантские пустоты, в которых практически нет галактик.

Это необычайное сближение космологии и физики элементарных частиц в последние 30 лет дало возможность разобраться в сути процессов рождения пространства-времени и вещества в коротком интервале от 10 -43 до 10 -35 с после первичной сингулярности, называемой Большим Взрывом. Число размерностей 10 (супергравитация) или 506 (теория суперструн) - не окончательно, могут появиться и более сложные геометрические образы, но непосредственному обнаружению множество дополнительных размерностей не доступно. Истинная геометрия Вселенной, вероятно, не имеет трех пространственных измерений, что характерно лишь для нашей Метагалактики - наблюдаемой части Вселено.

И все они, кроме трех, в момент Большого Взрыва (10-15 млрд лет назад) свернулись до планковских размеров. На больших расстояниях (до размеров Метагалактики 10 28 см) геометрия евклидова и трехмерна, а на планковских - неевклидова и многомерна. Считают, что разрабатываемые сейчас Теории Всего Сущего (ТВС) должны объединить описания всех фундаментальных взаимодействий между частицами.

Совпадение предмета исследований изменило сложившуюся методологию наук. Астрономия считалась наблюдательной наукой, а ускорители - инструментом в физике элементарных частиц. Теперь стали строить предположения о свойствах частиц и их взаимодействиях в космологии, и проверить их стало возможным уже для нынешнего поколения ученых. Так, из космологии следует, что число фундаментальных частиц должно быть невелико. Это предсказание относилось к анализу процессов первичного синтеза нуклонов, когда возраст Вселенной составлял около 1 с, и сделано оно было в то время, когда казалось, что достижение больших мощностей на ускорителях приведет к увеличению числа элементарных частиц. Если бы частиц было много, Вселенная была бы сейчас иной.

параметров их движения (скорость, импульс, момент импульса), меняют их энергию, совершают работу и т.д. И это в общем-то было наглядно и понятно. Однако с изучением природы электричества и магнетизма возникло понимание, что взаимодействовать между собой электрические заряды могут без непосредственного контакта. В этом случае мы как бы переходим от концепции близкодействия к бесконтактному дальнодействию. Это и привело к понятию поля.

Формальное определение этого понятия звучит так: физическим полем называется особая форма материи, связывающая частицы (объекты) вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действие одних частиц на другие. Правда, как мы уже отмечали, такие определения слишком общие и не всегда определяют глубинную да и конкретно-практическую сущность понятия. Физики с трудом отказывались от идеи физического контактного взаимодействия тел и вводили для объяснения различных явлений такие модели как электрическую и магнитную «жидкость», для распространения колебаний использовали представление о механических колебаниях частичек среды - модели эфира, оптических флюидов, теплорода, флогистона в тепловых явлениях, описывая их тоже с механической точки зрения, и даже биологи вводили «жизненную силу» для объяснения процессов в живых организмах. Все это ни что иное, как попытки описать передачу действия через материальную («механическую») среду.

Однако работами Фарадея (экспериментально), Максвелла (теоретически) и многих других ученых было показано, что существуют электромагнитные поля (в том числе и в вакууме) и именно они передают электромагнитные колебания. Выяснилось, что и видимый свет есть эти же электромагнитные колебания в определенном диапазоне частот колебаний. Было установлено, что электромагнитные волны делятся на несколько видов в шкале колебаний: радиоволны (10 3 - 10 -4), световые волны (10 -4 - 10 -9 м), ИК (5 ×10 -4 - 8 ×10 -7 м), УФ (4 ×10 -7 - 10 -9 м), рентгеновское излучение (2 ×10 -9 - 6 ×10 -12 м), γ-излучение (< 6 ×10 -12 м).

Считается, что гравитационные и электрические поля действуют независимо и могут сосуществовать в любой точке пространства одновременно, не влияя друг на друга. Суммарная сила, действующая на пробную частицу с зарядом q и массой m, может быть выражена векторной суммой и . Суммировать векторы и не имеет смысла, поскольку они имеют разную размерность. Введение в классической электродинамике понятия электромагнитного поля с передачей взаимодействия и энергии путем распространения волн через пространство, позволило отойти от механического представления эфира. В старом представлении понятие эфира как некой среды, объясняющей передачу контактного действия сил, было опровергнуто как экспериментально опытами Майкельсона по измерению скорости света, так и, главным образом, теорией относительности Эйнштейна. Через поля оказалось возможным описывать физические взаимодействия, для чего собственно и были сформулированы общие для разных типов полей характеристики, о которых мы здесь говорили. Правда следует отметить, что сейчас идея эфира отчасти возрождается некоторыми учеными на базе понятия физического вакуума.

Так после механической картины сформировалась новая к тому времени электромагнитная картина мира. Ее можно рассматривать как промежуточную по отношению к современной естественнонаучной. Отметим некоторые общие характеристики этой парадигмы. Поскольку она включает не только представления о полях, но и появившиеся к тому времени новые данные об электронах, фотонах, ядерной модели атома, закономерностях химического строения веществ и расположения элементов в периодической системе Менделеева и ряд других результатов по пути познания природы, то, конечно, в эту концепцию вошли также идеи квантовой механики и теории относительности, о которых речь еще будет идти дальше.

Главным в таком представлении является возможность описать большое количество явлений на основе понятия поля. Было установлено, в отличие от механической картины, что материя существует не только в виде вещества, но и поля. Электромагнитное взаимодействие на основе волновых представлений достаточно уверенно описывает не только электрические и магнитные поля, но и оптические, химические, тепловые и механические явления. Методология полевого представления материи может быть использована и для понимания полей иной природы. Сделаны попытки увязать корпускулярную природу микрообъектов с волновой природой процессов. Было установлено, что «переносчиком» взаимодействия электромагнитного поля является фотон, который подчиняется уже законам квантовой механики. Делаются попытки найти гравитон, как носитель гравитационного поля.

Однако несмотря на существенное продвижение вперед в познании окружающего нас мира, электромагнитная картина не свободна от недостатков. Так, в ней не рассматриваются вероятностные подходы, по существу вероятностные закономерности не признаются фундаментальными, сохранены детерминистический подход Ньютона к описанию отдельных частиц и жесткая однозначность причинно-следственных связей (что сейчас оспаривается синергетикой), ядерные взаимодействия и их поля объясняются не только электромагнитными взаимодействиями между заряженными частицами. В целом такое положение понятно и объяснимо, так как каждое проникновение в природу вещей углубляет наши представления и требует создания новых адекватных физических моделей.

Материализация духов и раздача слонов.
Входные билеты от 50 к. до 2 р.
И. Ильф, Е Петров

Что такое фундаментальные взаимодействия и фундаментальные поля? Почему фундаментальные поля можно считать одной из составляющих материи?

Урок-лекция

О том, что поле - это особый вид материи, можно прочитать во многих учебниках физики и даже в энциклопедическом словаре. А вот пояснения к этому утверждению встречаются далеко не всегда. Поэтому часто смысл сказанного остается непонятым. Попробуем разобраться в этом и «материализовать поле». Заметим, что приведенное выше утверждение относится не к любым полям, а только к фундаментальным. Что же такое фундаментальные поля?

Фундаментальные взаимодействия и фундаментальные поля . Изучая физику, вы знакомились с различными силами - силой упругости, силой трения, силой тяжести. Каждая из этих сил характеризует некоторое взаимодействие между телами. Как вы знаете, развитие науки показало, что все макроскопические тела состоят из атомов и молекул (точнее, из ядер и электронов). Из атомно-молекулярной модели следует, что некоторые из взаимодействий между макроскопическими телами можно представить как результат взаимодействия между атомами и молекулами или, при еще большем углублении в структуру вещества, как результат взаимодействия между ядрами и электронами, входящими в состав макроскопических тел.

В частности, такие силы, как сила упругости и сила трения, есть результат сил, действующих между электронами и ядрами. А вот гравитационные взаимодействия и электромагнитные взаимодействия свести к каким-то другим взаимодействиям не удалось, хотя такие попытки и предпринимались.

Для характеристики взаимодействий, которые не сводятся к другим взаимодействиям, стали использовать понятие фундаментальные , что означает «основные».

Как говорилось в предыдущем параграфе, фундаментальные гравитационное и электромагнитное взаимодействия можно рассматривать _ на основе взаимодействия с полем. Поля, соответствующие фундаментальным взаимодействиям, стали называть фундаментальными полями .

Фундаментальными взаимодействиями являются гравитационное и электромагнитное взаимодействия.

Развитие науки показало, что гравитационное и электромагнитное взаимодействия не единственные фундаментальные взаимодействия. В настоящее время обнаружено четыре фундаментальных взаимодействия. О двух других фундаментальных взаимодействиях мы узнаем при изучении микромира.

Электромагнитное и гравитационное поля - это фундаментальные поля, которые не могут быть сведены к движению каких-либо частиц.

Дальнодействие и близкодействие . Мы уже знаем, что взаимодействие между частицами (заряженными и незаряженными) можно описывать при помощи полей, но можно и не вводить понятие поля. Концепцию, в соответствии с которой взаимодействие между частицами описывают напрямую, без введения понятия поля, называют концепцией дальнодействия. Название это означает, что частицы взаимодействуют на далеком расстоянии. Наоборот, вторую концепцию, в соответствии с которой взаимодействие осуществляется через посредство поля (гравитационного и электромагнитного), называют концепцией близко-действия. Смысл понятия близкодействия заключается в том, что частица взаимодействует с полем, которое имеется вблизи нее, хотя само это поле может создаваться частицами, находящимися очень далеко (рис. 13).

Рис. 13. Иллюстрация взаимодействия на основе концепции дальнодействия (а) и концепции близкодействия (б. в)

В первом случае (см. рис. 13, а) на заряд q действует сила F со стороны заряда Q, находящегося на расстоянии r. Во втором случае заряд Q создает в пространстве вокруг себя поле Е(х, у, z). В частности, в точке с координатами х 0 , у 0 , z 0 , где находится заряд q, создается поле Е(х 0 , у 0 , z 0) (см. рис. 13, б). Это поле, а не непосредственно заряд Q взаимодействует с зарядом q (см. рис. 13, в).

Исторически знания о природе развивались таким образом, что концепция близкодействия, предложенная в 30-е гг. XIX в, английским физиком М. Фарадеем, воспринималась лишь как удобное описание.

Положение принципиально изменилось после открытия электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью - скоростью света. Из теории электромагнитных волн следовало, что любое изменение электромагнитного поля распространяется через пространство также со скоростью света. Обращаясь к примеру, приведенному на рисунке 13, можно сказать, что если заряд Q в какой-то момент времени начнет движение, то заряд q «ощутит» изменение действующей на него силы не в тот же момент времени, а спустя время r/с (с - скорость света), т. е. время, необходимое для того, чтобы электромагнитная волна дошла от заряда Q до заряда q.

Конечность распространения электромагнитных волн приводит к тому, что описание электромагнитного взаимодействия на основе концепции дальнодействия становится неудобным.

Чтобы понять это, рассмотрим следующий пример. В 1054 г. на небосводе появилась яркая звезда, свет которой наблюдался даже днем в течение нескольких недель. Затем звезда угасла, и в настоящее время в районе небесной сферы, где находилась звезда, отмечается слабо светящееся образование, которое получило название Крабовидной туманности. В соответствии с современными представлениями об эволюции звезд произошла вспышка звезды, во время которой ее мощность излучения увеличилась в миллиарды раз, после чего звезда распалась. На месте ярко светящейся звезды образовались практически не излучающая нейтронная звезда и расширяющееся облако слабо светящегося газа.

С точки зрения концепции близкодействия наблюдение света звезды сводится к следующему. Заряды, находящиеся на звезде, создали поле, которое в виде волны дошло до Земли и оказало воздействие на электроны в сетчатке глаза наблюдателя. При этом волна достигла Земли за сотни лет. Люди наблюдали вспышку звезды, когда самой звезды уже не было. Если попробовать описать это наблюдение на основе концепции дальнодействия, то приходится считать, что заряды в сетчатке глаза взаимодействуют не с зарядами звезды, а с теми, которые когда-то были на звезде, которой уже нет. Заметим, что в процессе образования нейтронной звезды многие заряды исчезают, поскольку из электронов и протонов образуются нейтроны - нейтральные частицы, практически не участвующие в электромагнитном взаимодействии. Согласитесь, что описание на основе взаимодействия с тем, что когда-то было, но не существует в настоящий момент времени, «не очень удобное».

Другая причина признать поле материальным связана с тем, что электромагнитная волна переносит через пространство энергию и импульс (подробнее см. § 57). Если поле не считать материальным, то следует признать, что энергия и импульс не связаны с чем-то материальным и сами по себе переносятся через пространство.

Сформулированная в 1905 г. Альбертом Эйнштейном теория относительности базируется на постулате, в соответствии с которым не существует взаимодействий (в том числе и фундаментальных), распространяющихся быстрее света.

Мы начали этот параграф с «материализации духов». Физики - народ остроумный, и понятие «духи» уже используется в современной теории поля. Можно сказать, что пока еще эти духи не материализованы, т. е. не наблюдаются на опыте. Но и наука о фундаментальных полях пока еще не завершена.

Конечность распространения фундаментальных полей и их связь с энергией и импульсом (перенос энергии и импульса этими полями) приводят к признанию этих полей в качестве одной из составляющих материи. Материя, таким образом, представлена частицами (веществом) и фундаментальными полями.

• Какой смысл заложен в понятия «фундаментальные поля» и «фундаментальные взаимодействия»?
• Приведите примеры полей, не являющихся фундаментальными.
• Подумайте и приведите примеры нефундаментальных взаимодействий.

Естествоиспытатели и философы прошлого и настоящего времени пытались объяснить многообразие явлений природы с единых позиций. Так и в физике учёные стремились свести реальные силы к конечному числу фундаментальных взаимодействий. В настоящее время фундаментальными называют четыре типа взаимодействий, к которым сводятся все остальные.

1.
Сильное или ядерное взаимодействие U = De - a r /r. Здесь a=1/r o

R o ~10 -14 м – характерное расстояние, на котором проявляется действие ядерных сил. Взаимодействие короткодействующее (на малых расстояниях), носит характер притяжения.

2.
Электромагнитное взаимодействие U кул = q 1 q 2 /r – дальнодействующее, носит характер притяжения в случае разноимённых зарядов. Отношение интенсивностей электромагнитного и ядерного взаимодействий I эм /I яд = 10 -2 .

3.
Слабое взаимодействие – короткодействующее I сл /I яд = 10 -14 .

4.
Гравитационное взаимодействие – дальнодействующее

I грав /I яд = 10 -39 . U грав =Gm 1 m 2 /r – взаимодействие носит характер притяжения.

Реальные силы. Силы упругости и силы трения

Силы упругости.

Силы упругости возникают как реакция на деформирование твердого тела. Определим некоторые понятия.

Деформация (e)– относительное смещение точек тела.

Упругое напряжение (s) – давление, возникающее в твердом теле при его деформировании s = F/S. Здесь S – площадка, на которую действует сила упругости F. Связь между напряжением и деформацией следующая:

S I – область

Соответствует упругим

Деформациям. Здесь

справедлив закон Гука:

s=Ee, где Е - модуль

I II III упругости.

II – область неупругих

• 
  деформаций.

III – область разрушения материала.

Для тел стержнеобразной формы (стержни, балки, трубы)

e = DL/L – относительное удлинение, Е – модуль Юнга. Сдвиговые напряжения s ^ связаны со сдвиговыми деформациями e ^ = DD/D (D – диаметр стержня) через модуль сдвига G: s ^ = Ge ^ . Гидродинамическое давление Р связано с относительным изменением объема через модуль всестороннего сжатия К:

Р = КDV/V. Для изотропных тел независимыми модулями упругости будут только два. Остальные могут быть пересчитаны по известным формулам, например: Е = 2G(1 + m). Здесь m - коэффициент Пуассона.

Природа сил упругости связана с фундаментальными электромагнитными взаимодействиями.

Силы трения

Силы, возникающие между поверхностями соприкасающихся тел, и препятствующие их относительному перемещению, называются силами трения. Параллельным переносом силу трения рисуют из точки центра тяжести тела. Она направлена против скорости относительного перемещения тел.

Внешним или сухим трением называется трение, возникающее между твердыми телами. В свою очередь оно подразделяется на трение покоя и кинематическое трение (скольжения и качения). Сила трения покоя равна максимальной силе, которую следует приложить к твердому телу, чтобы только началось его перемещение. F тр = kN

Здесь N – сила нормального давления.

к Зависимость коэффициента

трения от скорости переме-

щения тел показана на

рисунке. При малых

скоростях перемещения

V коэффициент трения сколь-

жения и качения меньше коэффициента трения покоя.

Трение покоя связано с упругим деформированием взаимодействующих тел. Трение скольжения и качения связаны с неупругим деформированием поверхностей тел и даже их частичным разрушением. Поэтому кинематическое

трение сопровождается акустической эмиссией – шумом.

Трение качения связано с неупругим

деформированием тел. Тогда

возникает горизонтальная составляющая

силы реакции на деформирование N 2

п оверхности под передней частью колеса – N 1

это и есть сила трения качения.

Способы уменьшения коэффициента трения:

1.
Замена трения скольжения трением качения.

2.
Замена сухого трения – вязким.

3.
Повышение качества обработки поверхностей трущихся деталей.

4.
Замена трения покоя – трением скольжения и трением качения путем применения звуковых и ультразвуковых вибраций.

5.
Использование полимернаполненных композиций на основе фторопласта.

6. Гравитационное взаимодействие − самое слабое из четырёх фундаментальных взаимодействий. Согласно закону всемирного тяготения Ньютона сила гравитационного взаимодействия F g двух точечных масс m 1 и m 2 равна

8. G = 6.67·10 -11 м 3 · кг –1 ·см –2 − гравитационная постоянная, r − расстояние между взаимодействующими массами m 1 и m 2 . Отношение силы гравитационного взаимодействия между двумя протонами к силе кулоновского электростатического взаимодействия между ними равно 10 -36 .
Величина G 1/2 ·m называется гравитационным зарядом. Гравитационный заряд пропорционален массе тела. Поэтому для нерелятивистского случая согласно закону Ньютона ускорение, вызываемое силой гравитационного взаимодействия F g , не зависит от массы ускоряемого тела. Это утверждение составляет принцип эквивалентности .
Фундаментальное свойство гравитационного поля состоит в том, что оно определяет геометрию пространства-времени, в котором движется материя. По современным представлениям взаимодействие между частицами происхо­дит путём обмена между ними частицами – переносчиками взаимодействия. Считается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гравитон − частица со спином J = 2. Экспериментально гравитон не обнаружен. Квантовая теория гравитации пока не создана.

Все наши ежедневные действия сводятся к тому, что мы с помощью мышц либо приводим в движение окружа­ющие тела и поддерживаем это движение, либо же оста­навливаем движущиеся тела.

Этими телами являются орудия труда (молоток, ручка, пила), в играх - мячи, шайбы, шахматные фигуры. На производстве и в сельском хозяйстве люди также приво­дят в движение орудия труда. Правда, в настоящее время роль рабочего все больше и больше сводится к управлению механизмами. Но в любой машине можно обнаружить по­добие простых орудий ручного труда. В швейной машинке имеется игла, резец токарного станка подобен рубанку, ковш экскаватора заменяет лопату.

Двигатели. Применение машин во много раз увеличи­вает производительность труда благодаря использованию в них двигателей.

Назначение любого двигателя в том, чтобы приводить тела в движение и поддерживать это движение, несмотря на торможение как обычным трением, так и «рабочим» со­противлением (резец должен не просто скользить по ме­таллу, а, врезаясь в него, снимать стружку; плуг должен взрыхлять землю и т. д.). При этом на движущееся тело должна действовать со стороны двигателя сила, точка при­ложения которой перемещается вместе с телом.

Бытовое представление о работе. Когда человек (или какой-либо двигатель) действует с определенной силой на движущееся тело, то мы говорим, что он совершает работу. Это бытовое представление о работе легло в основу форми­рования одного из важнейших понятий механики - поня­тия работы силы.

Работа совершается в природе всегда, когда на какое-либо тело в направлении его движения или против него действует сила (или несколько сил) со стороны другого тела (других тел). Так, сила тяготения совершает работу при падении капель дождя или камня с обрыва. Одновре­менно совершают работу и силы трения, действующие на падающие капли или на камень со стороны воздуха. Со­вершает работу и сила упругости, когда распрямляется со­гнутое ветром дерево.

Определение работы. Второй закон Ньютона в форме позволяет определить, как меняется скорость тела по модулю и направлению, если на него в течение времени ∆t действует сила .

Во многих случаях важно уметь вычислять изменение скорости по модулю, если при перемещении тела на на него действует сила .Воздействия на тела сил, приводя­щих к изменению модуля их скорости, характеризуются величиной, зависящей как от сил, так и от перемещений тел. Эту величину в механике и называют работой силы .

В общем случае при движении твердого тела перемеще­ния его разных точек различны, но при определении работы силы мы под понимаем перемещение ее точки при­ложения. При поступательном движении твердого тела перемещение всех его точек совпадает с перемещением точки приложения силы.