Interakcija materije - neotuđiva imovina materija, koja djeluje kao uzrok gibanja materije.

Temeljne interakcije- različite, nereducibilne vrste interakcija elementarne čestice i tijela sastavljena od njih.

Postoje četiri vrste interakcije:

1. Gravitacijska interakcija – odgovorna za interakciju između tijela koja imaju masu. Odlučujuća je u mega svijetu – svijetu planeta, zvijezda, galaksija.

2. Elektromagnetska interakcija – odgovorna za interakcije između električno nabijenih čestica i tijela. Bitan u makrokozmosu i atomskim fenomenima. Određuje građu i svojstva atoma i molekula.

3. Jaka interakcija – odgovorna za interakciju između kvarkova i hadrona, za povezivanje nukleona u jezgri. Ono je odlučujuće u mikrokozmosu.

4. Slaba interakcija – odgovorna za druge vrste interakcija između elementarnih čestica – sve vrste beta raspada jezgri, procesi interakcije neutrina s materijom, za mnoge raspade elementarnih čestica. Očituje se u mikrokozmosu.

Racionalistički svjetonazor pretpostavlja da svaki događaj ima materijalni uzrok: utjecaj materijalnog tijela (tijela). Stoga svaki program racionalnog objašnjenja okolnog svijeta uključuje ideje o mehanizmima interakcije materijalni objekti.

Koncept blizine pretpostavlja da je interakcija moguća samo pri izravnom kontaktu međudjelujućih objekata, svako djelovanje na daljinu mora se prenijeti putem materijalnih posrednika, tzv. nositelja interakcije, konačnom brzinom.

Koncept dugog dometa pretpostavlja da interakcija materijalnih tijela ne zahtijeva materijalnog posrednika i da se može odmah prenijeti.

Koncept bliskog djelovanja iznio je Aristotel, koji je bio uvjeren da na svijetu nema praznine. Posljedično, između bilo koja dva tijela u interakciji postoji niz drugih tijela koja su međusobno susjedna, koja prenose interakciju izravnim kontaktom.

U 17. stoljeću koncept djelovanja kratkog dometa razvio je Rene Descartes. U Descartesovoj mehanici interakcija se događa samo pritiskom ili udarom, t.j. kada tijela dođu u kontakt.

Koncept djelovanja dugog dometa praćen je u atomističkoj teoriji Demokrita i Leukipa, budući da se interakcija između atoma prenosila kroz prazninu.

U mehaničkoj slici svijeta, čiji je utemeljitelj bio Isaac Newton, usvojen je koncept dalekometnog djelovanja, dok se smatralo da je djelovanje jednog tijela na drugo uvijek djelovanje drugog na prvo, odnosno interakcija.

NA krajem XIX u. nastao nova ideja- ideja polja, čija je glavna uloga prijenos interakcije. Michael Faraday došao je na ideju elektro magnetsko polje, koji prenosi interakciju tijekom elektrifikacije vodiča i magnetiziranja tvari. Maxwell je razvio i matematički formalizirao ovu ideju. Tako, u središtu elektromagnetske znanstvene slike svijeta leži koncept bliskog dometa. Mehanizam za prijenos interakcije pomoću polja je sljedeći. Tijelo koje sudjeluje u interakciji stvara polje oko sebe, koje zauzima područje prostora s radijusom jednak polumjeru interakcije. Druga tijela ne djeluju izravno s prvim tijelom, već s poljem koje ono stvara na mjestima gdje se nalaze. Promjena stanja jednog od međudjelujućih tijela uzrokuje poremećaj stvorenog polja, koji se širi u obliku vala, dopire do drugih tijela i tek tada se njihovo stanje počinje mijenjati. Uz elektromagnetsko polje, koje nosi elektromagnetske interakcije, elektromagnetska slika svijeta razmatra i gravitacijsko polje – nositelja gravitacijskih sila.

NA suvremeno slikarstvo mir terenska ideja primljena daljnji razvoj. Mehanizam interakcije polja preciziran je u mehanizam kvantnog polja. Sa stajališta moderne fizike, svi oblici postojanja materije su diskretni. Perturbacija polja - vala - prema korpuskularno-valnom dualizmu, može se istovremeno promatrati kao skup čestica - kvanta polja. Stoga se interakcija koju nosi polje smatra procesom razmjene kvanta polja između tijela u interakciji i čestica materije. Kvante koje se razmjenjuju između tijela u interakciji nisu obične čestice, već virtualne čestice. Virtualne čestice se razlikuju po tome što ih je nemoguće otkriti tijekom njihovog postojanja. O njihovom postojanju i svojstvima može se suditi samo posredno – po snazi ​​prenesene interakcije. Nemoguće je izravno registrirati virtualnu česticu. Na primjer, virtualni foton ne može se registrirati vizualnim osjetom na mrežnici. Opis mehanizma interakcije u jeziku razmjene virtualnih čestica ne isključuje, već nadopunjuje klasični opis jezikom polja i valova. Tako se pokazalo da je koncept dalekometnog djelovanja u znanosti potpuno odbačen.

Od dugog do kratkog dometa: teorija elektromagnetsko polje.

Ideja o jedinstvu različitih sila prirode i njena empirijska potvrda. Početkom XIX stoljeća. počinju se postavljati temelji teorije elektriciteta i magnetizma. Ideološka ideja o jedinstvu prirodnih sila ovdje je igrala važnu ulogu. Danski fizičar počeo je ovdje H. C. Oersted (1777.-1851.), koji je doktorirao filozofiju. Pozornost mu je privukla ideja njemačkog prirodnog filozofa F. Schellinga o međusobnom utjecaju prirodnih sila. Znanstvenik je 1813. postavio problem - otkriti vezu između "voltaičnog elektriciteta" i magnetizma. Rješenje je došlo 1820. godine, kada je otkriveno da električna struja stvara magnetsko polje oko vodiča, koje utječe na magnetsku iglu. 1821. Francuz A. M. Ampère (1775.-1836) utvrdili da se dva vodiča paralelna jedan s drugim s električnom strujom ponašaju kao dva magneta: ako struje idu u istom smjeru, onda se vodiči privlače, u slučaju suprotnih smjerova odbijaju. engleski fizičar M. Faraday (1791.-1867.) postavio je problem inverznog odnosa: može li magnetsko polje generirati struju u vodiču? Godine 1831. ustanovio je da se struja pojavljuje u vodiču smještenom u izmjeničnom magnetskom polju. Tako je otkriven fenomen elektromagnetske indukcije.

Sve ove empirijske zakone objedinila je matematička teorija njemačkog fizičara W. E. Weber (1804.-1891.). Temeljila se na ideji o silama dugog dometa, koje su povezane s Newtonovom sila gravitacije, koji ne treba srednje okruženje i djeluje trenutno. Newtonov autoritet u zajednici fizike bio je toliko visok da su znanstvenici slijepo slijedili njegov poziv "da se ne izmišljaju hipoteze" o mehanizmu djelovanja sila. Pa ipak, bilo je iznimaka, prvenstveno u osobi Faradaya.

Radeći kao registrator u tiskari, Faraday je samostalno studirao fiziku i ta ga je strast dovela do znanosti. Kao vjernik, bio je siguran u odnos između električnih i magnetskih pojava, budući da je "priroda jedna od Boga". Samouk, nekonvencionalno razmišljanje i talent za eksperimentiranje učinili su ga znanstvenikom svjetske klase. Nije svladao složenu matematiku svoga vremena, pa je sve svoje snage posvetio eksperimentima i razumijevanju njihovih rezultata. Ideja o dugotrajnoj akciji, koja je dominirala sveučilišnim odjelima, nije utjecala na Faradayev um. Štoviše, razni pokusi uvjerili su ga u kratkodometno djelovanje električnih i magnetskih sila. U tom smislu posebno su se izdvojile činjenice o kretanju vodiča (željezne strugotine u blizini magneta, žice i strujni krugovi itd.)

Za elektricitet i magnetizam djelovanje kratkog dometa je univerzalno. Faradayjevo inovativno razmišljanje predviđa ideološke promjene u fizičkoj slici prirode. Newtonova ideja dalekosežne akcije odigrala je pozitivnu ulogu u formiranju zakona gravitacija. U odsutnosti nužne činjenice i pravilne matematike, nije dopuštao znanstvenicima da se zanose konstrukcijom preuranjenih spekulativnih modela gravitacije. Ali u prvoj polovici XIX stoljeća. situacija se počela mijenjati. Fizika je postala prijemčiva za kartezijanske ideje o kretanju različitih materijalnih objekata, medija koji djeluju kao nositelji sila kratkog dometa. U optici je Newtonov koncept ustupio mjesto valnoj teoriji svjetlosti s modelom oscilacija eteričnog medija. NA kinetička teorija toplina se pojavila u obliku gibanja atoma i molekula tvari. Mehanika kontinuuma također je pridonijela oživljavanju kartezijanskih ideja. Znanstvenici s oštrom intuicijom prvi su osjetili potrebu za promjenom. Da, njemački istraživač Do. F. Gauss (1777.-1855.) a njegov učenik B. Riemann sugerirao je da elektrodinamičke sile ne djeluju trenutno, već konačnom brzinom jednakom brzini svjetlosti. Osim toga, sredinom XIX stoljeća. oblikovane matematičke metode u obliku diferencijalnih jednadžbi u parcijalnim derivacijama. Ovaj aparat postao je neophodan za realizaciju ideje kratkog dometa. Mnoge jednadžbe hidrodinamike i termodinamike pokazale su se prikladnima za elektrodinamiku. U 40-50-im godinama. na dnevnom redu bio je problem stvaranja elektrodinamike po principu kratkog dometa, a riješio ga je Maxwell.

Faradayevi empirijski zakoni prevedeni su na jezik matematike. Maxwell je uzeo Faradayeve empirijske generalizacije kao svoj polazni materijal. Svoju je glavnu zadaću vidio u tome da im da odgovarajući matematički oblik. Pokazalo se da je ovaj rad daleko od formalnog, jer je prijevod empirijskih slika na jezik matematike zahtijevao posebnu kreativnost. Dakle, analizirajući elektromagnetsku indukciju, Faraday je iznio ideju o "elektrotonskom stanju", gdje promjena magnetskog polja uzrokuje vrtlog električno polje.

Polje i eter. Iz Faradayeve ostavštine, Maxwell je također preuzeo princip djelovanja kratkog dometa i ideju polja. One su se međusobno nadopunjavale, budući da se djelovanje kratkog dometa mora odvijati u materijalnom kontinuiranom mediju, a polje djeluje upravo u tom mediju. Istina, Faraday je polje shvaćao neograničeno i smatrao je medij nečim sličnim plinovitom mediju. I nije slučajno da je Maxwell isprva gradio modele električnog polja, stavljajući ga u poseban medij sličan tekućini, koji je nestlačiv, bez inercije i teče, doživljavajući otpor. Kasnije mu je eter fiksiran kao medij, koji ispunjava sav prostor i prožima sva teška tijela. Tu ideju je naširoko koristio Thomson, pod čijim je znanstvenim utjecajem bio Maxwell. Odavde je njegovo polje postalo područje etera, izravno povezano s električnim i magnetske pojave: "... Elektromagnetno polje je onaj dio prostora koji sadrži i okružuje tijela koja su u električnom ili magnetskom stanju."

Ekstravagancija struje pristranosti. Ideje polja i etera odigrale su odlučujuću ulogu u razumijevanju središnjeg elementa teorije - hipoteze struje pomaka. U Faradayevim eksperimentima, učinci su uočeni na velikoj udaljenosti od struje koja teče kroz vodič. Isto objašnjenje zahtijevala je činjenica odlomka naizmjenična struja kroz izolator koji razdvaja dvije ploče kondenzatora. U znak priznanja za novu vrstu električna struja razmatranja simetrije mogla bi odigrati svoju ulogu - struja vodljivosti se nadopunjuje strujom pomaka. Ali kako je kretanje potonjeg moguće? I tu je na scenu stupio eter. Poput vodiča, to je tijelo samo velike razrijeđenosti i propusnosti. Elastična svojstva etera dopuštaju varijablu električno polje kretati se naprijed-natrag, odnosno fluktuirati. To je struja pomaka, koja ima oblik valnog oscilatornog procesa i širi se u eteru izvan vodiča. Baš kao i struja vodljivosti, može generirati magnetsko polje. Prema zakonu indukcije, izmjenično magnetsko polje stvara izmjenično električno polje. Sa svojom teorijom, Maxwell je odobrio potpunu interakciju: svako izmjenično električno polje, temeljeno bilo na struji vodljivosti ili na struji pomaka, stvara magnetsko polje. Postoji simetrija međusobnih utjecaja dinamičkih polja, što čini jedinstvenu prirodu elektromagnetskog polja.

Svjetlost kao elektromagnetno polje. Maxwellova teorija pomogla je boljem razumijevanju suštine svjetlosti. Od davnina je postojala korpuskularna (latinski corpusculum - tijelo) hipoteza, koja je tvrdila da je svjetlost tok pravolinijski gibljivih, vrlo malih čestica. Prema drugoj pretpostavci, svjetlost je val vrlo male duljine. Početkom XIX stoljeća. E. Jung i O. Fresnel iznijeli su uvjerljive argumente u prilog hipotezi o valovima. Mjerenjima je utvrđeno da je brzina svjetlosti približno 300 000 km/s.

Elektromagnetno polje nije samo svjetlost. Prema Maxwellovoj teoriji, elektromagnetski valovi se također šire brzinom od 300 000 km/s. Podudarnost brzina i valna teorija svjetlosti potaknula je znanstvenika da svjetlost pripiše elektromagnetskim procesima. Teorija svjetlosti kao uzastopne izmjene električnih i magnetskih polja ne samo da je dobro objasnila stare činjenice, već je i predvidjela nepoznate pojave. Osim vidljive svjetlosti, treba postojati infracrveno, ultraljubičasto zračenje i druge vrste valova. Svjetlost također mora vršiti određeni pritisak na materiju.

Iskusno otkrivanje Elektromagnetski valovi . Maxwellova teorija objavljena je 1873. u Traktatu o elektricitetu i magnetizmu. Gotovo svi fizičari bili su skeptični prema tome, hipoteza struje pomaka izazvala je posebno odbijanje. U teorijama Webera i Helmholtza nije bilo takvih egzotičnih ideja. U ovoj situaciji bili su potrebni dokazi o odlučnim pokusima, koji su se i dogodili. 1887. njemački fizičar G. Hertz (1857.-1894.) stvorio generator elektromagnetskih valova i izvršio njihov prijem. Tako je otkrivena tajanstvena “struja pristranosti” koja je otvorila izglede za novu praksu (radio, televizija). Godine 1895. njemački fizičar V.K. Roentgen je otkrio novo zračenje zvano X-zrake i pokazalo se da su to elektromagnetski valovi s frekvencijom većom od ultraljubičasto zračenje. 1900. ruski znanstvenik P. N. Lebedev (1866.-1912.) kroz vrlo suptilni eksperimenti otkrio pritisak svjetlosnih valova i izmjerio njegovu veličinu. Sva ta znanstvena praksa nedvosmisleno je ukazivala na Maxwellovu teoriju kao pravu sliku prirode.

Materija je materija i elektromagnetno polje. Maxwellova teorija je zbog svoje temeljne prirode značajno utjecala na znanstvenu sliku prirode. Dugoročni monopol ideje materije se urušio, a kroz koncept elektromagnetskog polja počela se formirati ideja fizičkog polja kao neovisne vrste materija. Program otkrivanja jedinstva prirode dobio je izvanredan rezultat - nekadašnja razlika između elektriciteta i magnetizma ustupila je mjesto jednom jedinom elektromagnetskom procesu. Maxwell je pokazao visoku heurističku moć matematičke hipoteze i dao primjer sinteze matematike s fizikom. Nova elektrodinamika postala je kruna klasične fizike.

Zadaci.

1. Koji su trendovi bili karakteristični za razvoj biologije od 16. do 19. stoljeća?

2. Zašto otkriće D. I. Mendeljejeva periodični zakon smatrati revolucijom u kemiji?

3. Koji su ideološki zaključci izvedeni iz zakona održanja energije?

4. Zašto su mahisti i energetičari kritizirali atomistiku?

5. Je li moguće prepoznati statističku pravilnost s pozicije Laplasovog determinizma?

6. Koje je nove ideje donijela Maxwellova elektrodinamika?

100 r bonus prve narudžbe

Odaberite vrstu posla Diplomski rad Tečajni rad Sažetak Magistarski rad Izvješće o praksi Članak Pregled izvješća Test Monografija Rješavanje problema Poslovni plan Odgovori na pitanja kreativni rad Esej Crtanje Kompozicije Prijevod Prezentacije Tipkanje Ostalo Povećanje jedinstvenosti teksta Kandidatski rad Laboratorijski rad Pomoć na mreži

Pitajte za cijenu

Već u antičkom svijetu mislioci su razmišljali o prirodi i biti prostora i vremena. Neki od filozofa poricali su mogućnost postojanja praznog prostora ili, kako su rekli, nepostojanja. To su bili predstavnici elejske škole u Drevna grčka - Parmenid i Zenon. Drugi filozofi, uključujući Demokrita, tvrdili su da praznina postoji, poput atoma, i neophodna je za njihova kretanja i veze.

Sve do 16. stoljeća u prirodnoj je znanosti dominirao geocentrični sustav Ptolomeja. Bio je to prvi univerzalni matematički model svijeta, u kojem je vrijeme bilo beskonačno, a prostor konačan, uključujući uniformu Kružni tok Cirkulacija nebeska tijela oko zemlje koja miruje. Radikalna promjena prostorne i cjelokupne fizičke slike dogodila se u heliocentričnom sustavu svijeta, koju predstavljaju Kopernik. Prepoznajući pokretljivost Zemlje, odbacio je sve postojeće ideje o njezinoj jedinstvenosti kao središtu svemira i time usmjerio kretanje znanstvene misli prema prepoznavanju beskonačnosti i beskonačnosti prostora. Ova ideja je razvijena u filozofiji Giordano Bruno, koji je zaključio da je svemir beskonačan i da nema središte.

Važnu ulogu u razvoju ideja o prostoru odigrao je otvoren Galileo princip inercije. Prema ovom principu, sve fizičke (mehaničke) pojave događaju se na isti način u svim sustavima koji se kreću jednoliko i pravolinijski s konstantnom brzinom po veličini i smjeru.

Daljnji razvoj koncepta prostora i vremena povezan je s fizičkom i kozmičkom slikom svijeta R. Descartes. Temeljio ga je na ideji da se sve prirodne pojave objašnjavaju mehaničkim djelovanjem elementarnih materijalnih čestica. Isti udar Descartes je predstavio u obliku pritiska ili udara kada čestice dođu u dodir jedna s drugom i tako u fiziku uveo ideju bliski domet.

U klasičnoj mehanici predstavljena je nova fizička slika svijeta I. Newton. Nacrtao je skladnu sliku planetarnog sustava, dao rigoroznu kvantitativnu teoriju gibanja planeta. Vrhunac njegove mehanike bila je teorija gravitacije, koja je proglasila univerzalni zakon prirode - zakon gravitacije. Prema ovom zakonu, bilo koja dva tijela privlače jedno drugo silom koja je izravno proporcionalna njihovoj masi i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih.

Ovaj zakon se izražava sljedećom formulom:

gdje: k- gravitacijska konstanta; m1, m2- gravitirajuće mase; r- udaljenost između njih.

Ovaj zakon ne govori ništa o ovisnosti gravitacije o vremenu. Sila gravitacije, čisto matematički, može se nazvati dalekometnom, trenutačno povezuje tijela u interakciji i njezin proračun ne zahtijeva nikakve pretpostavke o mediju koji prenosi interakciju.

Proširivši zakon gravitacije na cijeli Svemir, Newton je također razmotrio njegovu moguću strukturu. Došao je do zaključka da je svemir beskonačan. Samo u ovom slučaju može sadržavati mnogo svemirskih objekata - centara gravitacije. U okviru Newtonovog modela svemira, uspostavljena je ideja o beskonačnom prostoru, u kojem se nalaze kozmički objekti povezani gravitacijom. Otkriće osnovnih zakona elektro- i magnetostatike koje je uslijedilo u drugoj polovici 18. stoljeća, matematički sličnih zakonu univerzalne gravitacije, dodatno je potvrdilo u svijesti znanstvenika ideju o silama dugog dometa koje ovisi samo o udaljenosti, ali ne i o vremenu.

Zaokret prema idejama djelovanja kratkog dometa povezuje se s idejama Faradaya i Maskwella, koji je razvio koncept elektromagnetskog polja kao neovisne fizičke stvarnosti. Polazna točka za to bilo je prepoznavanje interakcije kratkog dometa i konačne brzine prijenosa bilo koje interakcije.

Zaključak da je valno elektromagnetsko polje odvojeno od pražnjenja i može samostalno postojati i širiti se u svemiru činio se apsurdnim. Sam je Maxwell tvrdoglavo pokušavao izvući svoje jednadžbe mehanička svojstva eter. Ali kada je Hertz eksperimentalno otkrio postojanje elektromagnetskih valova, to je uzeto kao odlučujući dokaz valjanosti Maxwellove teorije. Mjesto trenutnog djelovanja dugog dometa zauzelo je djelovanje kratkog dometa preneseno konačnom brzinom.

Blisko djelovanje je predstava prema kojoj se interakcija između tijela udaljenih jedno od drugog odvija uz pomoć međumedija (polja) i odvija se konačnom brzinom. Početkom 18. stoljeća, istodobno s teorijom kratkog dometa, rađa se i suprotna teorija dalekometnog djelovanja prema kojoj tijela djeluju jedno na drugo bez posrednika, kroz prazninu, na bilo kojoj udaljenosti i tako interakcija se odvija beskonačno velikom brzinom (ali poštuje određene zakone). Primjerom dalekometnog djelovanja može se smatrati sila univerzalne gravitacije u klasičnoj teoriji gravitacije I. Newtona.

M. V. Lomonosov se smatra jednim od utemeljitelja teorije kratkog dometa. Lomonosov je bio protivnik teorije dalekometnog djelovanja, smatrajući da tijelo ne može djelovati na druga tijela trenutno. Vjerovao je da se električna interakcija prenosi s tijela na tijelo kroz poseban medij "eter" koji ispunjava sav prazan prostor, posebno prostor između čestica koje čine "težinu materije", tj. tvari. električnih pojava, prema Lomonosovu, treba smatrati određenim mikroskopskim pokretima koji se događaju u eteru. Isto vrijedi i za magnetske pojave.

Međutim, teorijske ideje Lomonosova i L. Eulera tada se nisu mogle razviti. Nakon otkrića Coulombovog zakona, koji je po svom obliku bio isti kao zakon univerzalne gravitacije, teorija dugog dometa u potpunosti zamjenjuje teoriju kratkog dometa. I tek početkom 19. stoljeća M. Faraday oživljava teoriju djelovanja kratkog dometa. Prema Faradeyu, električni naboji ne utječu izravno jedni na druge. Svaki od njih stvara električna i magnetska (ako se kreće) polja u okolnom prostoru. Polja jednog naboja djeluju na drugi i obrnuto. Opće priznanje teorije djelovanja kratkog dometa počinje u drugoj polovici 19. stoljeća, nakon eksperimentalnog dokaza teorije J. Maxwella, koji je uspio Faradayevim idejama dati točan kvantitativni oblik, toliko potreban u fizici - a sustav jednadžbi elektromagnetskog polja.

Važna razlika između teorije djelovanja kratkog dometa i teorije djelovanja dugog dometa je prisutnost najveća brzinaširenje interakcija (polja, čestica) – brzina svjetlosti. U suvremenoj fizici postoji jasna podjela materije na čestice-sudionike (ili izvore) interakcija (zvane materija) i čestice-nositelje interakcija (zvane polje). Od četiri vrste temeljnih interakcija, tri su dobile pouzdanu eksperimentalnu provjeru postojanja čestica nosača: jake, slabe i elektromagnetske interakcije. Trenutno se pokušavaju otkriti nositelji gravitacijske interakcije – tzv

Zahvaljujući istraživanjima i dostignućima Oersteda, Faradaya, Maxwella, Hertza, Popova, pokazalo se da materija postoji ne samo u obliku materije, već iu obliku polja. Prepoznavanje realnosti elektromagnetskog polja značilo je pobjedu u fizici koncepti bliskog dometa nad standardom u 19. stoljeću. koncept dugog dometa. Pogledajmo bit ovih pojmova.

Daleki i kratki domet - suprotni koncepti, dizajnirani da objasne opći karakter interakcije fizičkih objekata.

Neposredno nakon Newtonovog otkrića zakona univerzalne gravitacije, a potom i nakon Coulombovog otkrića zakona elektrostatičke interakcije naboja, pojavila su se filozofska pitanja: zašto fizička tijela s masom djeluju jedno na drugo na daljinu kroz prazan prostor i zašto nabijena tijela međusobno djeluju čak i kroz električno neutralno okruženje? Prije uvođenja koncepta terena nije bilo zadovoljavajućih odgovora na ova pitanja. Dugo se vjerovalo da se interakcija između tijela može odvijati izravno kroz prazan prostor, koji ne sudjeluje u prijenosu interakcije te se prijenos interakcije, dakle, događa trenutno. Ova pretpostavka je bit koncepta dalekometni dopuštajući djelovanje izvan vremena i prostora. Nakon Newtona, ovaj koncept dobiva široka upotreba u fizici, premda je i sam Newton razumio da su dugodometne sile koje je on uveo (na primjer, gravitacija) samo formalna naprava koja omogućuje da se u određenoj mjeri točan opis promatranih pojava.

U istraživanjima elektriciteta i magnetizma, koncept djelovanja dugog dometa, neposredno prije Faradayeva istraživanja, pobijedio je prevladavajuće Dugo vrijeme mehanistički koncept bliske interakcije, prema kojem se tijela u interakciji moraju dodirivati. Ta je pobjeda dovela do niza važnih teorija i zakona (Coulombov zakon, Ampereova elektrodinamika). Međutim, sredinom XIX stoljeća. ideja o potrebi napuštanja dalekometnog djelovanja u elektrodinamici, prepoznavanje principa djelovanja kratkog dometa i konačne brzine širenja elektromagnetskih smetnji počela je obuzimati umove znanstvenika (Gauss, Riemann), ali nitko osim Maxwella nije razvio ovu ideju i doveo je na razinu znanstvene teorije.

Koncept kratak domet navodi da se bilo kakav utjecaj na materijalne objekte može prenijeti samo od zadane točke u prostoru do najbliže susjedne točke i to u konačnom vremenskom razdoblju. U Maxwellovoj teoriji elektromagnetizma dokazano je da interakcija električno nabijenih tijela nije trenutna, već s konačnom brzinom jednakom brzini svjetlosti u vakuumu - 300000 km/s.

Dakle, razvoj koncepta fizičkog polja pridonio je jačanju koncepta interakcije kratkog dometa, koji se ne proteže samo na elektromagnetske, već i na druge vrste interakcija.

Razvoj pojmova prostora i vremena u specijalnoj teoriji relativnosti

U mehaničkoj slici svijeta pojmovi prostor i vrijeme smatra se neovisno o svojstvima pokretne tvari. Prostor je u njemu djelovao kao neka vrsta posude za tijela koja se kreću, a vrijeme kao parametar čiji se predznak može obrnuti. Druga značajka mehanističke slike svijeta je da se u njoj prostor i vrijeme kao oblici postojanja materije proučavaju zasebno i zasebno, zbog čega se ne uspostavlja njihova povezanost.

Načelo relativnosti

Kada je u prirodnoj znanosti dominirala mehanička slika svijeta i postojala je tendencija da se objašnjenje svih prirodnih pojava svede na zakone mehanike, princip relativnosti, koji je Galileo formulirao u okviru klasične mehanike, nije bio podložan nikakvoj sumnji. Situacija se dramatično promijenila kada su se fizičari uhvatili u koštac s proučavanjem električnih, magnetskih i optičkih fenomena. Maxwell je sve ove pojave ujedinio u okviru jedinstvene elektromagnetske teorije. S tim u vezi, prirodno se postavilo pitanje: vrijedi li načelo relativnosti i za elektromagnetske pojave?

Godine 1905. francuski matematičar i fizičar A. Poincaré (1854–1912) formulirao je načelo relativnosti kao opći fizikalni zakon koji vrijedi i za mehaničke i elektromagnetske pojave. Prema ovom principu, zakoni fizikalnih pojava moraju biti isti i za promatrača koji miruje i za promatrača u uniformnom stanju pravolinijsko gibanje. Na temelju principa relativnosti razvila se nova fizička teorija prostora i vremena - .

A. Poincaré je prvi predložio da se načelo jednakosti svih inercijskih koordinatnih sustava primjenjuje i na elektromagnetske pojave, t.j. Načelo relativnosti vrijedi za sve prirodne pojave. To je dovelo do potrebe da se preispita koncept prostor i vrijeme. Međutim, Poincare nije ukazao na potrebu za tim. To je prvi učinio A. Einstein (1979–1955).

Specijalna teorija relativnosti- fizikalna teorija koja razmatra prostor i vrijeme kao blisko povezane oblike postojanja materije. Posebna teorija relativnosti nastala je 1905-1908. djela H. Lorentza, A. Poincaréa, A. Einsteina i G. Minkowskog na temelju analize eksperimentalnih podataka vezanih uz optičke i elektromagnetske pojave, koji su generalizirani sljedećim postulatima:

· princip relativnosti prema kojem svi zakoni prirode moraju biti isti u svima inercijski sustavi referenca;

· princip konstantnosti brzine svjetlosti, prema kojem je brzina svjetlosti u vakuumu ista u svim inercijskim referentnim okvirima i ne ovisi o kretanju izvora svjetlosti i prijemnika.

Načelo relativnosti u Einsteinovoj formulaciji je generalizacija Galileovog načela relativnosti, formulirano samo za mehaničko kretanje. Ovaj princip proizlazi iz čitavog niza eksperimenata koji se odnose na elektrodinamiku i optiku gibljivih tijela.

Michelsonovi točni eksperimenti 80-ih godina XIX stoljeća. pokazao da se tijekom širenja elektromagnetskih valova brzine ne zbrajaju. Na primjer, ako je duž smjera kretanja vlaka čija je brzina jednaka v1, poslati svjetlosni signal brzinom v2, blizu brzine svjetlosti u vakuumu, tada je brzina signala u odnosu na platformu manja od zbroja v1+v2 i općenito ne može premašiti brzinu svjetlosti u vakuumu. Brzina širenja svjetlosni signal ne ovisi o brzini izvora svjetlosti. Ta je činjenica došla u sukob s Galilejevim principom relativnosti.

Načelo postojanosti brzine svjetlosti može se, na primjer, provjeriti mjerenjem brzine svjetlosti sa suprotnih strana Sunca koje rotira: jedan rub Sunca uvijek se kreće prema nama, a drugi u suprotnom smjeru. Unatoč kretanju izvora, brzina svjetlosti u vakuumu je uvijek ista i jednaka s=300000 km/s.

Ova dva principa proturječe jedno drugom sa stajališta glavnih ideja klasične fizike.

Pojavila se dilema: odbacivanje ili principa konstantnosti brzine svjetlosti ili principa relativnosti. Prvo načelo utvrđeno je tako precizno i ​​nedvosmisleno da bi bilo očito neopravdano odbiti ga, a osim toga, povezano je s pretjeranim kompliciranjem opisa prirodnih procesa. Ništa manje poteškoće ne nastaju kada se negira načelo relativnosti u području elektromagnetskih procesa.

Očigledna kontradikcija između načela relativnosti i zakona konstantnosti brzine svjetlosti nastaje jer se klasična mehanika, prema Einsteinu, oslanjala na "dvije neopravdane hipoteze":

vremenski interval između dva događaja ne ovisi o stanju gibanja referentnog okvira;

Prostorna udaljenost između dvije točke čvrsto tijelo ne ovisi o stanju gibanja referentnog okvira.

Na temelju ovih naizgled sasvim očitih hipoteza, klasična mehanika je prešutno priznala da vrijednosti vremenskog intervala i udaljenosti imaju apsolutne vrijednosti, t.j. ne ovise o stanju gibanja referentnog tijela. Ispostavilo se da ako osoba u automobilu koji se ravnomjerno kreće prijeđe, na primjer, udaljenost od 1 metar u jednoj sekundi, tada će i on proći isti put u odnosu na pločnik u jednoj sekundi. Slično, vjerovalo se da prostorne dimenzije tijela u mirovanju i pokretnim referentnim okvirima ostaju iste. I premda se te pretpostavke s gledišta obične svijesti i zdravog razuma čine samorazumljive, ipak se ne slažu s rezultatima pažljivo provedenih eksperimenata koji potvrđuju zaključke nove, posebne teorije relativnosti.

3.4.2. Lorentzova transformacija

Einstein, radeći na specijalnoj teoriji relativnosti, nije napustio princip relativnosti, već mu je, naprotiv, dao više opći oblik. Istovremeno, bilo je potrebno radikalno transformirati razumijevanje prostora i vremena, jednom riječju, stvoriti temeljno nova teorija promjene prostorno-vremenskih odnosa između objekata.

Razmotrimo koje uvjete moraju zadovoljiti transformacije prostornih koordinata i vremena u prijelazu iz jednog referentnog okvira u drugi. Ako prihvatimo pretpostavku klasične mehanike o apsolutnoj prirodi udaljenosti i vremena, onda će jednadžbe transformacije, nazvane Galilejeva transformacija, imati sljedeći oblik:

x = x' + vt',

y = y',

z = z',

t = t'.

Međutim, prepoznavanje načela konstantnosti brzine svjetlosti zahtijevalo je zamjenu Galilejeve transformacije drugim formulama koje nisu u suprotnosti s ovim načelom. Einstein je pokazao da je takva transformacija, koja nije u suprotnosti s načelom konstantnosti brzine, tzv. Lorentzova transformacija, nazvan po nizozemskom fizičaru H. A. Lorenzu (1853–1928).

U slučaju kada se jedan referentni okvir pomiče u odnosu na drugi jednoliko i pravocrtno duž x-osi x, formule za Lorentzovu transformaciju, uključujući transformaciju vremena, imaju oblik:

x \u003d (x '+ vt') / (1-v 2 / c 2) 1/2 ,

y = y',

z = z',

t \u003d (t' + vx' / c 2) / (1-v 2 / c 2) 1/2 ,

gdje v je brzina kretanja koordinatnog sustava (x',y',z') u odnosu na koordinatni sustav (x,y,z),  c je brzina svjetlosti.

Na temelju Lorentzovih transformacija lako je provjeriti da će kruto ravnalo koje se kreće u smjeru svoje duljine biti kraće od stacionarnog, a što je kraće to se brže kreće. Doista, koristeći prvu jednadžbu Lorentzove transformacije, dobivamo da je duljina pokretnog ravnala u odnosu na fiksni referentni okvir l \u003d l 0 (1–v 2 / c 2) 1/2, gdje l 0 - duljina ravnala u referentnom sustavu povezanom s ravnalom.

Relativistička mehanika

Specijalna teorija relativnosti nastao iz elektrodinamika i malo je promijenio njegov sadržaj, ali je s druge strane znatno pojednostavio njegovu teorijsku konstrukciju, t.j. izvođenje zakona i, što je najvažnije, smanjio broj neovisnih hipoteza na kojima se temelji.

S klasična mehanika slučaj je nešto drugačiji. Kako bi bila u skladu s postulatima specijalne teorije relativnosti, klasičnoj mehanici su potrebne neke promjene. Te se promjene odnose uglavnom na zakone brzih kretanja, t.j. gibanje koje je usporedivo sa brzinom svjetlosti. U običnim zemaljskim uvjetima susrećemo se s brzinama koje su puno manje od brzine svjetlosti, pa su stoga korekcije koje teorija relativnosti zahtijeva iznimno male i u mnogim slučajevima se praktički mogu zanemariti.

Nova mehanika bazirana na Einsteinov poseban princip relativnosti, što je kombinacija principa relativnosti s tvrdnjom o konačnosti maksimalne brzine širenja interakcije, naziva se relativističke mehanike.

Glavni zaključci relativističke mehanike su tvrdnje da je masa tijela m, njegova duljina l i trajanje događaja Dt ovise o vrijednosti omjera brzine tijela v do brzine svjetlosti c a definirani su formulama:

m \u003d m 0 / (1 - v 2 / c 2) 1/2,

l \u003d l 0 (1 -v 2 / c 2) 1/2,

Dt \u003d Dt 0 / (1 - v 2 / c 2) 1/2,

gdje m 0 , l 0 , Dt 0 su masa tijela, njegova duljina i trajanje događaja u referentnom okviru povezanom s tijelom.

Na primjer, ako su dvije svemirske letjelice u stanju relativnog kretanja, tada će promatrač na svakom od brodova vidjeti kako se drugi brod smanjuje u smjeru kretanja, a astronauti će izgubiti težinu i kretati se polako. Činit će se da su sve pojave s periodičnim gibanjem usporene - kretanje njihala, titranje atoma itd. Pri normalnim brzinama te su promjene iznimno male: Zemlja, koja se brzinom kreće oko Sunca 30 km/h, činilo bi se promatraču u mirovanju u odnosu na Sunce smanjeno za samo nekoliko centimetara. Kada su relativne brzine vrlo velike, promjene postaju značajne.

Uz promjene duljine i vremena daje relativistička mehanika relativistička promjena mase .

Masa tijela, određena mjerenjem sile koja je potrebna da se tijelu prenese određeno ubrzanje, naziva se inercijsku masu. Za promatrača u svemirski brod a u mirovanju u odnosu na neki objekt, inercijska masa tog objekta ostaje ista bez obzira na brzinu broda v i naziva se masa mirovanja. Inercijska masa ovog objekta za promatrača na Zemlji naziva se relativistička masa i ovisi o relativnoj brzini promatrača i objekta promatranja. Kada se brzina tijela približi brzini svjetlosti, njegova masa raste beskonačno i, u krajnjoj liniji, približava se beskonačnosti. Stoga je prema teoriji relativnosti nemoguće gibanje brzinom većom od brzine svjetlosti.

Iz relativističke mehanike može se izvesti zakon odnosa između mase i energije, koji ima temeljnu ulogu u nuklearna fizika:

E \u003d mc 2,

gdje m- tjelesna masa, E- njegovu energiju.

Eksperimentalnom provjerom glavnih zaključaka relativističke mehanike potkrijepi se Einsteinova specijalna teorija relativnosti, koja se svakodnevno potvrđuje u laboratorijima atomskih znanstvenika koji rade s česticama koje se kreću brzinom bliskom brzini svjetlosti. Na primjeru elektrona, a potom i drugih elementarnih čestica prvi put su uočena gibanja brzinama usporedivim sa brzinom svjetlosti. Pažljivo osmišljeni pokusi s takvim česticama doista su potvrdili predviđanja specijalne teorije relativnosti da njihova masa raste s povećanjem brzine.

Pri normalnim brzinama v<< c relativistička mehanika prelazi u Newtonovu klasičnu mehaniku. Dovoljno je npr. primijetiti da čak i pri brzini Zemljinog satelita, što je pribl 8 km/s, korekcija mase bit će oko jedne njezine dvije milijarde. Godine 1928. engleski fizičar P. Dirac spojio je specijalnu teoriju relativnosti i kvantnu mehaniku (mehaniku mikročestica) u relativistička kvantna mehanika opisujući gibanje mikročestica brzinama bliskim brzini svjetlosti.