Az anyag kölcsönhatása - elidegeníthetetlen tulajdon az anyag, amely az anyag mozgásának okozója.

Alapvető kölcsönhatások- különböző, nem redukálható típusú interakciók elemi részecskékés a belőlük alkotott testek.

Négyféle interakció létezik:

1. Gravitációs kölcsönhatás - felelős a tömeggel rendelkező testek közötti kölcsönhatásért. Meghatározó a megavilágban - a bolygók, csillagok, galaxisok világában.

2. Elektromágneses kölcsönhatás - felelős az elektromosan töltött részecskék és testek közötti kölcsönhatásokért. Nélkülözhetetlen a makrokozmoszban és az atomi jelenségekben. Meghatározza az atomok és molekulák szerkezetét és tulajdonságait.

3. Erős kölcsönhatás - felelős a kvarkok és hadronok közötti kölcsönhatásért, a nukleonok összekapcsolódásáért az atommagban. A mikrokozmoszban meghatározó.

4. Gyenge kölcsönhatás - felelős az elemi részecskék közötti kölcsönhatás egyéb típusaiért - az atommagok minden típusú béta-bomlásáért, a neutrínók anyaggal való kölcsönhatásának folyamataiért, az elemi részecskék sok bomlásához. A mikrokozmoszban nyilvánul meg.

A racionalista világkép azt feltételezi, hogy minden eseménynek anyagi oka van: az anyagi test (testek) hatása. Ezért a környező világ racionális magyarázatának bármely programja magában foglal ötleteket a mechanizmusokról interakciók anyagi tárgyak.

A közeli távolság fogalma feltételezi, hogy az interakció csak kölcsönható objektumok közvetlen érintkezésével lehetséges, minden távoli cselekvést anyagi közvetítőkön, az úgynevezett interakcióhordozókon keresztül kell továbbítani, véges sebességgel.

Hosszú távú koncepció feltételezi, hogy az anyagi testek kölcsönhatása nem igényel anyagi közvetítőt, és azonnal továbbítható.

A szoros cselekvés koncepcióját Arisztotelész vetette fel, aki meg volt győződve arról, hogy a világon nincs üresség. Következésképpen bármely két kölcsönhatásban lévő test között számos másik test található egymás mellett, amelyek közvetlen érintkezés útján közvetítik a kölcsönhatást.

A 17. században a rövid távú cselekvés koncepcióját Rene Descartes dolgozta ki. Descartes mechanikájában az interakció csak nyomáson vagy becsapódáson keresztül megy végbe, i.e. amikor a testek érintkeznek.

A nagy hatótávolságú cselekvés fogalmát Démokritosz és Leukipposz atomisztikus elmélete követte nyomon, mivel az atomok közötti kölcsönhatás az űrön keresztül közvetített.

A világ mechanikus képében, melynek alapítója Isaac Newton volt, átvették a nagy hatótávolságú cselekvés fogalmát, miközben úgy gondolták, hogy az egyik test hatása a másikra mindig a másodiknak az elsőre, azaz interakciója.

NÁL NÉL késő XIX ban ben. felmerült új ötlet- egy mező ötlete, amelynek fő szerepe az interakció átadása. Michael Faraday állt elő az elektro ötletével mágneses mező, amely közvetíti a kölcsönhatást a vezetők villamosítása és az anyag mágnesezésekor. Maxwell kidolgozta és matematikailag formalizálta ezt az elképzelést. És így, a világ elektromágneses tudományos képének középpontjában a közeli távolság fogalma rejlik. Az interakció mező használatával történő átvitelének mechanizmusa a következő. A kölcsönhatásban részt vevő test mezőt hoz létre maga körül, amely egy sugarú térterületet foglal el egyenlő a sugárral interakciók. Más testek nem közvetlenül az első testtel lépnek kölcsönhatásba, hanem az általa létrehozott mezővel azokon a pontokon, ahol elhelyezkednek. Az egyik kölcsönható test állapotának megváltozása az általa létrehozott mező perturbációját okozza, amely hullám formájában terjed, eljut más testekhez, és csak ezután kezd megváltozni az állapotuk. A világ elektromágneses képe az elektromágneses kölcsönhatásokat hordozó elektromágneses tér mellett a gravitációs mezőt is figyelembe veszi - a gravitációs erők hordozóját.

NÁL NÉL kortárs festészet béke terepötlet érkezett további fejlődés. A terepi interakciós mechanizmust a kvantumtér mechanizmus. A modern fizika szempontjából az anyag létezésének minden formája különálló. A mező perturbációja - egy hullám - a korpuszkuláris-hullám dualizmus szerint egyidejűleg tekinthető részecskék - mezőkvantumok halmazának. Ezért a mező által végzett kölcsönhatást a mezőkvantumok kölcsönhatásban lévő testek és anyagrészecskék közötti cseréjének folyamatának tekintik. A kölcsönható testek között kicserélt kvantumok nem közönséges részecskék, hanem virtuális részecskék. A virtuális részecskék abban különböznek egymástól, hogy létezésük során lehetetlen észlelni őket. Létezésüket és tulajdonságaikat csak közvetetten - az átvitt kölcsönhatás erőssége alapján - lehet megítélni. Lehetetlen közvetlenül regisztrálni egy virtuális részecskét. Például egy virtuális fotont nem lehet vizuális érzékeléssel regisztrálni a retinán. A kölcsönhatás mechanizmusának leírása a virtuális részecskék cseréjének nyelvén nem kizár, hanem kiegészít klasszikus leírás mezők és hullámok nyelvén. Így a tudományban a hosszú távú cselekvés fogalma teljesen elvetetettnek bizonyult.

A nagy hatótávolságtól a rövid hatótávig: elmélet elektromágneses mező.

A különböző természeti erők egységének gondolata és empirikus megerősítése. A XIX. század elején. kezdik lerakni az elektromosság és mágnesesség elméletének alapjait. Itt fontos szerepet játszott a természeti erők egységének ideológiai gondolata. A dán fizikus itt kezdte H. C. Oersted (1777-1851), aki filozófiából szerzett Ph.D. fokozatot. Figyelmét felkeltette F. Schelling német természetfilozófus gondolata a természeti erők kölcsönös hatásáról. 1813-ban a tudós problémát vetett fel - hogy megtudja a kapcsolatot a "voltaikus elektromosság" és a mágnesesség között. A megoldást 1820-ban találták meg, amikor felfedezték, hogy az elektromos áram mágneses teret hoz létre a vezető körül, amely hatással van a mágneses tűre. 1821-ben egy francia A. M. Ampère (1775-1836) megállapította, hogy két egymással párhuzamos elektromos áramvezető vezeték úgy viselkedik, mint két mágnes: ha az áramok ugyanabba az irányba mennek, akkor a vezetők vonzzák, ellentétes irányúak esetén taszítják. angol fizikus M. Faraday (1791-1867) felvetette az inverz összefüggés problémáját: generálhat-e áramot a mágneses tér egy vezetőben? 1831-ben megállapította, hogy egy váltakozó mágneses térbe helyezett vezetőben áram jelenik meg. Így felfedezték az elektromágneses indukció jelenségét.

Mindezeket az empirikus törvényeket egyesítette a német fizikus matematikai elmélete W. E. Weber (1804-1891). A nagy hatótávolságú erők gondolatán alapult, amelyek a newtonihoz kapcsolódnak gravitációs erő, amely nem igényel köztes környezetet és azonnal hat. Newton tekintélye a fizikus közösségben olyan magas volt, hogy a tudósok vakon követték felhívását, hogy „ne állítsanak fel hipotéziseket” az erők hatásmechanizmusáról. Pedig voltak kivételek, elsősorban Faraday személyében.

Faraday iratkötőként dolgozott egy nyomdában, és önállóan tanult fizikát, és ez a szenvedély vezette a tudomány felé. Hívőként biztos volt az elektromos és a mágneses jelenségek kapcsolatában, hiszen "a természet egy Istentől". Az autodidakta, nem szokványos gondolkodás és a kísérletező tehetség világszínvonalú tudóssá tette. Nem sajátította el korának összetett matematikáját, ezért minden erejét a kísérleteknek és azok eredményeinek megértésének szentelte. A hosszú távú cselekvés ötlete, amely az egyetemi tanszékeket uralta, nem hatott Faraday elméjére. Sőt, különféle kísérletek meggyőzték őt az elektromos és mágneses erők rövid hatótávolságú hatásáról. Ebben a tekintetben különösen megkülönböztették a vezetők mozgásának tényeit (vasreszelékek a mágnes közelében, vezetékek és áramkörök stb.)

Az elektromosság és a mágnesesség esetében a rövid hatótávolságú hatás univerzális. Faraday innovatív gondolkodása előrevetítette a természet fizikai képének ideológiai változásait. Newton elképzelése a hosszú távú cselekvésről pozitív szerepet játszott a törvény megalkotásában gravitáció. Hiányában szükséges tényeketés a helyes matematika, nem engedte, hogy a tudósok elragadják a gravitáció korai spekulatív modelljeinek felépítését. De a XIX. század első felében. a helyzet kezdett változni. A fizika fogékonnyá vált a különféle anyagi tárgyak mozgásáról szóló karteziánus elképzelésekre, a médiákra, amelyek rövid hatótávolságú erők hordozójaként működnek. Az optikában a newtoni koncepció átadta a helyét a fény hullámelméletének az éteri közeg oszcillációinak modelljével. NÁL NÉL kinetikai elmélet a hő atomok és anyagmolekulák mozgása formájában jelent meg. A karteziánus eszmék újjáéledéséhez a kontinuummechanika is hozzájárult. Az éles intuícióval rendelkező tudósok érezték először a változtatás szükségességét. Igen, egy német kutató Nak nek. F. Gauss (1777-1855)és tanítványa, B. Riemann azt javasolta, hogy az elektrodinamikai erők nem azonnal hatnak, hanem a fénysebességgel megegyező véges sebességgel. Ráadásul a XIX. század közepére. matematikai módszereket alkotott differenciálegyenletek formájában parciális deriváltokban. Ez az eszköz szükségessé vált a rövid távú cselekvés ötletének megvalósításához. Számos hidrodinamikai és termodinamikai egyenlet alkalmasnak bizonyult az elektrodinamikára. A 40-50-es években. napirendre került a kis hatótávolságú cselekvés elvén alapuló elektrodinamika létrehozásának problémája, amelyet Maxwell megoldott.

Faraday empirikus törvényeit lefordítják a matematika nyelvére. Maxwell Faraday empirikus általánosításait vette kiindulási anyagnak. Fő feladatának abban látta, hogy megfelelő matematikai formát adjon nekik. Ez a munka korántsem formálisnak bizonyult, mert az empirikus képek lefordítása a matematika nyelvére különös kreativitást igényelt. Tehát az elektromágneses indukciót elemezve Faraday felvetette az „elektronikus állapot” ötletét, ahol a mágneses tér változása örvényt okoz. elektromos mező.

Mező és éter. A Faraday-hagyatékból Maxwell a rövid távú cselekvés elvét és a mező gondolatát is átvette. Kiegészítették egymást, hiszen a rövid hatótávolságú cselekvésnek anyagi folytonos közegben kell történnie, és a mező pontosan ebben a közegben hat. Igaz, Faraday végtelenül megértette a mezőt, és a közeget a gáznemű közeghez hasonlónak tekintette. És nem véletlen, hogy Maxwell eleinte az elektromos tér modelljeit építette, speciális folyadékszerű közegbe helyezve, amely összenyomhatatlan, tehetetlen, áramlik, ellenállást tapasztal. Később az étert rögzítették számára médiumként, amely minden teret betölt, és minden súlyú testet áthat. Ezt az ötletet széles körben alkalmazta Thomson, akinek Maxwell tudományos befolyása alatt állt. Innentől mezője az éter területévé vált, amely közvetlenül kapcsolódik az elektromos ill mágneses jelenségek: "... Az elektromágneses tér a tér azon része, amely elektromos vagy mágneses állapotban lévő testeket tartalmaz és körülvesz."

Az előfeszítő áram túlzottsága. A mező és az éter elképzelései döntő szerepet játszottak az elmélet központi elemének, az elmozdulási áram hipotézisének megértésében. Faraday kísérletei során hatásokat figyeltek meg a vezetőn átáramló elektromosságtól nagy távolságban. Ugyanezt a magyarázatot követelte meg a passzus ténye is váltakozó áram a kondenzátor két lemezét elválasztó szigetelőn keresztül. Egy új faj elismeréseként elektromos áram szimmetria-megfontolások játszhatják szerepüket - a vezetési áramot kiegészíti az eltolási áram. De hogyan lehetséges az utóbbi mozgása? És itt jött be az éter. A karmesterhez hasonlóan ez is egy test, amelynek csak nagy ritkasága és áteresztőképessége van. Az éter rugalmas tulajdonságai lehetővé teszik a változót elektromos mező ide-oda mozogni, vagyis fluktuálni. Ez az eltolási áram, amely hullámos oszcillációs folyamat formája van, és az éterben a vezetőkön kívül terjed. Csakúgy, mint a vezetési áram, képes mágneses mezőt generálni. Az indukció törvénye szerint a váltakozó mágneses tér váltakozó elektromos teret hoz létre. Maxwell elméletével jóváhagyta a teljes kölcsönhatást: bármely váltakozó elektromos tér, akár vezetési áramon, akár eltolási áramon alapul, mágneses teret hoz létre. A dinamikus mezők kölcsönös hatásainak szimmetriája van, ami az elektromágneses tér egységes természetét alkotja.

A fény, mint elektromágneses mező. Maxwell elmélete segített jobban megérteni a fény lényegét. Ősidők óta létezik egy korpuszkuláris (latinul corpusculum - test) hipotézis, amely szerint a fény egyenes vonalúan mozgó, nagyon kicsi részecskék folyama. Egy másik feltevés szerint a fény egy nagyon kis hosszúságú hullám. A XIX. század elején. E. Jung és O. Fresnel meggyőző érveket hozott fel a hullámhipotézis mellett. A mérések megállapították, hogy a fény sebessége körülbelül 300 000 km/s.

Az elektromágneses mező nem csak fény. Maxwell elmélete szerint az elektromágneses hullámok is 300 000 km/s sebességgel terjednek. A sebességek egybeesése és a fény hullámelmélete arra késztette a tudóst, hogy a fényt elektromágneses folyamatoknak tulajdonítsa. A fény elmélete, mint az elektromos és mágneses mezők egymást követő váltakozása, nemcsak a régi tényeket jól megmagyarázta, hanem ismeretlen jelenségeket is megjósolt. A látható fény mellett infravörösnek, ultraibolya sugárzásnak és más típusú hullámoknak is kell lenniük. A fénynek bizonyos mértékű nyomást is kell gyakorolnia az anyagra.

Tapasztalt észlelés elektromágneses hullámok . Maxwell elméletét 1873-ban publikálták az elektromosságról és mágnesességről szóló traktátusban. Szinte minden fizikus szkeptikus volt ezzel kapcsolatban, az elmozdulási áram hipotézise különös elutasítást váltott ki. Weber és Helmholtz elméleteiben nem voltak ilyen egzotikus gondolatok. Ebben a helyzetben döntő kísérletek bizonyítékaira volt szükség, és ez meg is történt. 1887-ben német fizikus G. Hertz (1857-1894) létrehozta az elektromágneses hullámok generátorát, és végrehajtotta azok vételét. Így felfedeztek egy rejtélyes „elfogultsági áramot”, amely egy új gyakorlat (rádió, televízió) számára nyitott kilátást. 1895-ben a német fizikus V.K. Röntgen felfedezett egy új sugárzást, az úgynevezett röntgensugárzást, és kiderült, hogy elektromágneses hullámok, amelyek frekvenciája nagyobb, mint ultraibolya sugárzás. 1900-ban egy orosz tudós P. N. Lebegyev (1866-1912) egy nagyon finom kísérletek felfedezte a fényhullámok nyomását és megmérte annak nagyságát. Mindez a tudományos gyakorlat egyértelműen Maxwell elméletére, mint a természet valódi képére mutatott rá.

Az anyag anyag és elektromágneses tér. Maxwell elmélete alapvető természeténél fogva jelentősen befolyásolta a természettudományos képet. Az anyag eszméjének hosszú távú monopóliuma összeomlott, és az elektromágneses tér fogalmán keresztül kezdett kialakulni a fizikai tér gondolata. független fajügy. A természet egységének felfedezésének programja figyelemre méltó eredményt ért el - az elektromosság és a mágnesesség korábbi különbsége egyetlen elektromágneses folyamatnak adta át a helyét. Maxwell bemutatta a matematikai hipotézis nagy heurisztikus erejét, és példát adott a matematika és a fizika szintézisére. Az új elektrodinamika a klasszikus fizika megkoronázása lett.

Feladatok.

1. Milyen irányzatok jellemezték a biológia fejlődését a 16. századtól a 19. századig?

2. Miért D. I. Mengyelejev felfedezése időszakos törvény a kémia forradalmának tekintik?

3. Milyen ideológiai következtetéseket vontak le az energiamegmaradás törvényéből?

4. Miért kritizálták a machisták és az energetikusok az atomisztikát?

5. Felismerhető-e statisztikai szabályszerűség a laplaci determinizmus álláspontjából?

6. Milyen új ötleteket hozott Maxwell elektrodinamikája?

100 r első rendelési bónusz

Válassza ki a munka típusát Diplomás munka Tanfolyami munka Absztrakt Mesterdolgozat Jelentés a gyakorlatról Cikk Jelentés áttekintése Teszt Monográfia Problémamegoldás Üzleti terv Válaszok a kérdésekre kreativ munka Esszé Rajz Kompozíciók Fordítás Előadások Gépírás Egyéb A szöveg egyediségének növelése Kandidátusi szakdolgozat Laboratóriumi munka Segítség online

Kérjen árat

A gondolkodók már az ókori világban gondolkodtak a tér és az idő természetéről és lényegéről. A filozófusok egy része tagadta az üres tér létezésének lehetőségét, vagy ahogy ők fogalmaznak, a nemlétét. Ezek az Eleatic iskola képviselői voltak Ókori Görögország - Parmenides és Zénón. Más filozófusok, köztük Démokritosz, azzal érveltek, hogy az űr az atomokhoz hasonlóan létezik, és mozgásukhoz és kapcsolataikhoz szükséges.

A 16. századig Ptolemaiosz geocentrikus rendszere dominált a természettudományban. Ez volt a világ első univerzális matematikai modellje, amelyben az idő végtelen volt, a tér pedig véges, beleértve az egységeset. Körforgalom égitestek a nyugvó föld körül. A térbeli és a teljes fizikai kép radikális változása következett be a világ heliocentrikus rendszerében, amelyet képvisel. Kopernikusz. Felismerve a Föld mozgékonyságát, elvetett minden, a világegyetem középpontjaként létező egyedi elképzelést, és ezzel a tudományos gondolkodás mozgását a tér végtelenségének és végtelenségének felismerése felé irányította. Ezt a gondolatot a filozófiában fejlesztették ki Giordano Bruno, aki arra a következtetésre jutott, hogy a világegyetem végtelen és nincs középpontja.

A térrel kapcsolatos elképzelések kialakításában fontos szerepet játszott a nyitott Galileo a tehetetlenség elve. Ezen elv szerint minden fizikai (mechanikai) jelenség egyformán fordul elő minden egyenletesen és egyenes vonalúan mozgó rendszerben, amelynek sebessége nagysága és iránya állandó.

A tér és idő fogalmának továbbfejlesztése a világ fizikai és kozmikus képéhez kapcsolódik R. Descartes. Arra az elképzelésre alapozta, hogy minden természeti jelenséget az elemi anyagrészecskék mechanikai hatása magyaráz. Descartes magát a becsapódást ábrázolta nyomás vagy becsapódás formájában, amikor a részecskék egymással érintkeznek, és így bevezette az ötletet a fizikába. közelről.

A klasszikus mechanikában egy új fizikai világkép mutatkozott be I. Newton. Harmonikus képet rajzolt a bolygórendszerről, szigorú kvantitatív elméletet adott a bolygómozgásról. Mechanikájának csúcsát a gravitáció elmélete jelentette, amely a természet egyetemes törvényét hirdette - a gravitáció törvénye. E törvény szerint bármely két test olyan erővel vonzza egymást, amely egyenesen arányos a tömegével és fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével.

Ezt a törvényt a következő képlet fejezi ki:

ahol: k- gravitációs állandó; m1, m2- gravitációs tömegek; r- a köztük lévő távolság.

Ez a törvény semmit sem mond a gravitáció időtől való függéséről. A gravitációs erő pusztán matematikailag nagy hatótávolságúnak nevezhető, azonnal összekapcsolja a kölcsönhatásban lévő testeket, számítása nem igényel feltételezéseket a kölcsönhatást közvetítő közegről.

Miután a gravitáció törvényét az egész Univerzumra kiterjesztette, Newton fontolóra vette annak lehetséges szerkezetét is. Arra a következtetésre jutott, hogy a világegyetem végtelen. Csak ebben az esetben sok űrobjektumot - súlypontot - tartalmazhat. Az Univerzum newtoni modelljének keretein belül kialakult egy végtelen tér gondolata, amelyben a gravitáció által összekapcsolt kozmikus objektumok vannak. Az elektro- és magnetosztatika alaptörvényeinek a 18. század második felében bekövetkezett felfedezése, amely matematikai formában hasonlít az egyetemes gravitáció törvényéhez, tovább erősítette a tudósok fejében a nagy hatótávolságú erők gondolatát, csak a távolságtól függ, de nem az időtől.

A rövid távú cselekvés gondolatai felé fordulás Faraday és Maskwell gondolataihoz kapcsolódik, aki kidolgozta az elektromágneses tér mint önálló fizikai valóság fogalmát. Ennek kiindulópontja a rövid hatótávolságú kölcsönhatás és az esetleges kölcsönhatások átvitelének véges sebességének felismerése volt.

Abszurdnak tűnt az a következtetés, hogy a hullám elektromágneses tér elválik a kisüléstől, és önállóan létezhet és terjedhet a térben. Maxwell maga is makacsul igyekezett az egyenleteit abból származtatni mechanikai tulajdonságokéter. De amikor Hertz kísérleti úton felfedezte az elektromágneses hullámok létezését, ezt Maxwell elméletének érvényességének döntő bizonyítékának tekintették. A pillanatnyi nagy hatótávolságú akció helyét a véges sebességgel továbbított rövid hatótávolságú akció vette át.

A szoros cselekvés egy olyan ábrázolás, amely szerint az egymástól távol lévő testek közötti kölcsönhatás köztes közeg (mező) segítségével és véges sebességgel valósul meg. A 18. század elején a rövid hatótávolságú cselekvés elméletével egyidőben megszületett a nagy hatótávolságú cselekvés ellentétes elmélete is, amely szerint a testek közvetítők nélkül, egy űrön keresztül, bármilyen távolságból hatnak egymásra, ill. az interakció végtelenül nagy sebességgel megy végbe (de bizonyos törvényeknek engedelmeskedik). A nagy hatótávolságú cselekvés példájának tekinthető az egyetemes gravitáció ereje I. Newton klasszikus gravitációs elméletében.

M. V. Lomonoszovot a rövid távú cselekvés elméletének egyik alapítójának tartják. Lomonoszov a nagy hatótávolságú cselekvés elméletének ellenfele volt, hisz abban, hogy egy test nem tud azonnal hatni más testekre. Úgy vélte, hogy az elektromos kölcsönhatás testről testre egy speciális „éteren” keresztül jut át, amely kitölti az összes üres teret, különösen a „súlyos anyagot”, azaz az anyagot alkotó részecskék közötti teret. elektromos jelenségek, Lomonoszov szerint bizonyos, az éterben előforduló mikroszkopikus mozgásoknak kell tekinteni. Ugyanez vonatkozik a mágneses jelenségekre is.

Lomonoszov és L. Euler elméleti elképzeléseit azonban ekkor még nem tudták továbbfejleszteni. A Coulomb-törvény felfedezése után, amely formájában megegyezett az egyetemes gravitáció törvényével, a nagy hatótávolságú cselekvés elmélete teljesen kiszorítja a rövid távú cselekvés elméletét. És csak a 19. század elején elevenítette fel M. Faraday a rövid távú cselekvés elméletét. Faraday szerint elektromos töltések közvetlenül nem hatnak egymásra. Mindegyik elektromos és mágneses (ha mozog) mezőt hoz létre a környező térben. Az egyik töltés mezői hatnak a másikra, és fordítva. A rövid hatótávolságú cselekvés elméletének általános felismerése a 19. század második felében kezdődik, J. Maxwell elméletének kísérleti bizonyítása után, akinek sikerült Faraday elképzeléseinek pontos, a fizikában annyira szükséges mennyiségi formát adnia - a. az elektromágneses tér egyenletrendszere.

Fontos különbség a rövid távú cselekvés elmélete és a nagy hatótávolságú cselekvés elmélete között a jelenlét csúcssebesség kölcsönhatások terjedése (mezők, részecskék) - a fény sebessége. A modern fizikában az anyag egyértelműen fel van osztva részecskékre – a kölcsönhatások résztvevőire (vagy forrásaira) (úgynevezett anyag) és részecskékre – a kölcsönhatások hordozóira (úgynevezett mező). Az alapvető kölcsönhatások négy típusa közül három kapott megbízható kísérleti igazolást a hordozó részecskék létezéséről: erős, gyenge és elektromágneses kölcsönhatás. Jelenleg a gravitációs kölcsönhatás hordozóinak – az ún

Oersted, Faraday, Maxwell, Hertz, Popov kutatásainak és eredményeinek köszönhetően bebizonyosodott, hogy az anyag nemcsak anyag formájában létezik, hanem mező formájában is. Az elektromágneses tér valóságának felismerése győzelmet jelentett a fizikában közeli fogalmak századi színvonalon felül. hosszú távú koncepció. Vessünk egy pillantást e fogalmak lényegére.

Nagy hatótávolságú és rövid hatótávolságú – ellentétes fogalmak, célja a magyarázat általános karakter fizikai tárgyak kölcsönhatásai.

Közvetlenül azután, hogy Newton felfedezte az egyetemes gravitáció törvényét, majd miután Coulomb felfedezte a töltések elektrosztatikus kölcsönhatásának törvényét, filozófiai kérdések merültek fel: miért hatnak egymásra a tömeggel rendelkező fizikai testek távolságból az üres téren keresztül, és miért lépnek kölcsönhatásba a töltött testek. akár elektromosan semleges környezetben? A területfogalom bevezetése előtt ezekre a kérdésekre nem voltak kielégítő válaszok. Sokáig azt hitték, hogy a testek közötti kölcsönhatás közvetlenül az üres téren keresztül valósul meg, ami nem vesz részt az interakció átvitelében és az interakció átvitelében, így azonnal megtörténik. Ez a feltevés a koncepció lényege hosszú távú időn és téren kívüli cselekvés lehetővé tétele. Newton után ez a fogalom lesz széleskörű felhasználás a fizikában, bár maga Newton is megértette, hogy az általa bevezetett nagy hatótávolságú erők (például a gravitáció) csak formális eszköz, amely lehetővé teszi a megfigyelt jelenségek bizonyos mértékig helyes leírását.

Az elektromosság és mágnesesség kutatásában a nagy hatótávolságú cselekvés koncepciója, röviddel Faraday kutatása előtt, legyőzte az uralkodó hosszú idő a szoros kölcsönhatás mechanisztikus koncepciója, amely szerint a kölcsönhatásban lévő testeknek össze kell érinteniük. Ez a győzelem számos fontos elmélethez és törvényhez vezetett (Coulomb törvénye, Ampère elektrodinamikája). A XIX. század közepére azonban. a nagy hatótávolságú cselekvés elhagyásának gondolata az elektrodinamikában, a rövid hatótávolságú hatás elvének felismerése és az elektromágneses zavarok terjedésének véges sebessége kezdte átvenni a tudósok fejét (Gauss, Riemann), de Maxwellen kívül senki nem dolgozta ki ezt az elképzelést és hozta a tudományos elmélet szintjére.

Koncepció rövidtávú kimondja, hogy az anyagi tárgyakra gyakorolt ​​hatás csak a tér egy adott pontjáról továbbítható a legközelebbi szomszédos pontra és véges időn keresztül. Maxwell elektromágneses elméletében bebizonyosodott, hogy az elektromosan töltött testek kölcsönhatása nem azonnali, hanem véges sebességgel, amely megegyezik a vákuumban lévő fénysebességgel. 300000 km/s.

Így a fizikai tér fogalmának kialakulása hozzájárult a rövid hatótávolságú kölcsönhatás fogalmának megerősödéséhez, amely nemcsak az elektromágneses, hanem más típusú kölcsönhatásokra is kiterjed.

A tér és idő fogalmának fejlődése a speciális relativitáselméletben

A világ gépies képében a fogalmak helyés idő tekintet nélkül a mozgó anyag tulajdonságaira. A tér a mozgó testek egyfajta befogadójaként működött benne, az idő pedig mint paraméter, melynek előjele megfordítható. A mechanisztikus világkép másik jellemzője, hogy benne a teret és az időt, mint az anyag létezésének formáit külön-külön és külön-külön vizsgálják, aminek következtében kapcsolatuk nem jön létre.

A relativitás elve

Amikor a természettudományban a mechanisztikus világkép uralkodott, és hajlamos volt minden természeti jelenség magyarázatát a mechanika törvényeire redukálni, relativitás elve, amelyet Galileo fogalmazott meg a klasszikus mechanika keretében, nem volt kétséges. A helyzet drámaian megváltozott, amikor a fizikusok az elektromos, mágneses és optikai jelenségek tanulmányozásával foglalkoztak. Maxwell mindezeket a jelenségeket egyesítette egy egységes elektromágneses elmélet keretein belül. Ezzel kapcsolatban természetesen felmerült a kérdés: érvényes-e a relativitás elve az elektromágneses jelenségekre is?

A. Poincaré (1854–1912) francia matematikus és fizikus 1905-ben általános fizikai törvényként fogalmazta meg a relativitás elvét, amely a mechanikai és elektromágneses jelenségekre is érvényes. Ezen elv szerint a fizikai jelenségek törvényeinek azonosaknak kell lenniük mind a nyugalmi, mind az egyenletes állapotú megfigyelő számára. egyenes vonalú mozgás. A relativitás elve alapján a tér és idő új fizikai elmélete alakult ki - .

A. Poincaré volt az első, aki felvetette, hogy az összes inerciális koordinátarendszer egyenlőségének elve az elektromágneses jelenségekre is vonatkozzon, i.e. A relativitás elve minden természeti jelenségre érvényes. Ez oda vezetett, hogy újra kellett gondolni a koncepciót helyés idő. Poincare azonban nem jelezte ennek szükségességét. Ezt először A. Einstein (1979–1955) tette meg.

Speciális relativitáselmélet- egy fizikai elmélet, amely a teret és az időt az anyag létezésének szorosan összefüggő formáinak tekinti. A speciális relativitáselmélet 1905-1908-ban született. H. Lorentz, A. Poincaré, A. Einstein és G. Minkowski munkái az optikai ill. elektromágneses jelenségek, amelyeket a következő posztulátumok általánosítanak:

· relativitás elve amely szerint a természet minden törvényének mindenben azonosnak kell lennie inerciarendszerek referencia;

· a fénysebesség állandóságának elve, amely szerint a fény sebessége vákuumban minden tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben azonos, és nem függ a fényforrások és a vevők mozgásától.

A relativitás elve Einstein megfogalmazásában Galilei relativitáselvének általánosítása, amelyet csak azért fogalmaztak meg. mechanikus mozgás. Ez az elv a mozgó testek elektrodinamikájával és optikájával kapcsolatos kísérletek egész sorából következik.

Michelson pontos kísérletei a XIX. század 80-as éveiben. kimutatta, hogy az elektromágneses hullámok terjedése során a sebességek nem adódnak össze. Például, ha egy olyan vonat mozgási iránya mentén, amelynek sebessége egyenlő v1, sebességgel küldjön fényjelzést v2, közel a fény sebességéhez vákuumban, akkor a jel sebessége a platformhoz képest kisebb, mint az összeg v1+v2és általában nem haladhatja meg a fény sebességét vákuumban. Terjedési sebesség fényjelzés nem függ a fényforrás sebességétől. Ez a tény összeütközésbe került Galilei relativitáselvével.

A fénysebesség állandóságának elvét például úgy ellenőrizhetjük, hogy a forgó Nap ellentétes oldalairól mérjük a fény sebességét: a Nap egyik széle mindig felénk, a másik ellentétes irányban mozog. A forrás mozgása ellenére a fény sebessége vákuumban mindig azonos és egyenlő s=300000 km/s.

Ez a két elv a klasszikus fizika fő gondolatai szempontjából ellentmond egymásnak.

Felmerült egy dilemma: vagy a fénysebesség állandóságának elve, vagy a relativitás elve elutasítása. Az első alapelv olyan pontosan és egyértelműen megfogalmazódott, hogy egyértelműen indokolatlan lenne megtagadni, ráadásul a természeti folyamatok leírásának túlzott bonyolításával is összefügg. Nem kisebb nehézségek merülnek fel, ha az elektromágneses folyamatok területén megtagadják a relativitás elvét.

A relativitás elve és a fénysebesség állandóságának törvénye közötti látszólagos ellentmondás abból adódik, hogy a klasszikus mechanika Einstein szerint „két indokolatlan hipotézisre” támaszkodott:

a két esemény közötti időintervallum nem függ a vonatkoztatási rendszer mozgási állapotától;

Két pont közötti térbeli távolság szilárd test nem függ a vonatkoztatási rendszer mozgásállapotától.

E látszólag nyilvánvaló hipotézisek alapján a klasszikus mechanika hallgatólagosan elismerte, hogy az időintervallum és a távolság értékeinek abszolút értékei vannak, pl. nem függenek a referenciatest mozgási állapotától. Kiderült, hogy ha egy egyenletesen mozgó autóban egy ember egy másodperc alatt áthalad például 1 méteres távolságon, akkor az útalaphoz képest is egy másodperc alatt halad át ugyanezen az úton. Hasonlóképpen azt hitték, hogy a testek térbeli méretei nyugvó és mozgó vonatkoztatási rendszerben változatlanok maradnak. S bár ezek a feltételezések a hétköznapi tudat és a józan ész szempontjából magától értetődőnek tűnnek, ennek ellenére nem egyeznek meg a gondosan elvégzett kísérletek eredményeivel, amelyek megerősítik az új, speciális relativitáselmélet következtetéseit.

3.4.2. Lorentz transzformáció

Einstein, amikor a speciális relativitáselméleten dolgozott, nem hagyta el a relativitás elvét, hanem éppen ellenkezőleg, többet adott neki. általános forma. Ugyanakkor szükség volt a tér és idő felfogásának gyökeres átalakítására, egyszóval alapvetően egy új elmélet az objektumok közötti tér-idő viszonyok változásai.

Nézzük meg, hogy a térbeli koordináták és az idő transzformációinak milyen feltételeknek kell megfelelniük az egyik vonatkoztatási rendszerből a másikba való átmenet során. Ha elfogadjuk a klasszikus mechanika feltevését a távolságok és az idő abszolút természetéről, akkor a transzformációs egyenletek, amelyeket Galilei transzformációnak neveznek, a következő formájúak lesznek:

x = x' + vt',

y = y',

z = z',

t = t'.

A fénysebesség állandóságának elvének felismeréséhez azonban a galilei transzformációt más képletekkel kellett helyettesíteni, amelyek nem mondanak ellent ennek az elvnek. Einstein megmutatta, hogy egy ilyen transzformáció, amely nem mond ellent a sebesség állandóságának elvének, az ún. Lorentz transzformáció, H. A. Lorenz (1853–1928) holland fizikusról nevezték el.

Abban az esetben, ha az egyik vonatkoztatási rendszer a másikhoz képest egyenletesen és egyenesen mozog az x tengely mentén x, a Lorentz-transzformáció képletei, beleértve az idő transzformációját is, a következő alakúak:

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 ,

ahol v a koordinátarendszer mozgási sebessége (x',y',z') a koordinátarendszerhez képest (x,y,z),  c a fénysebesség.

A Lorentz-transzformációk alapján könnyen ellenőrizhető, hogy a hossza irányában mozgó merev vonalzó rövidebb lesz-e, mint egy álló, és minél rövidebb, annál gyorsabban mozog. Valójában a Lorentz-transzformáció első egyenletével azt kapjuk, hogy a mozgó vonalzó hossza a rögzített referenciakerethez képest l \u003d l 0 (1–v 2 / c 2) 1/2, ahol l 0 - a vonalzó hossza a vonalzóhoz tartozó referenciarendszerben.

Relativisztikus mechanika

Speciális relativitáselmélet származott elektrodinamikaés keveset változtatott a tartalmán, másrészt viszont jelentősen leegyszerűsítette annak elméleti felépítését, i.e. törvények levezetését, és ami a legfontosabb, csökkentette az ennek hátterében álló független hipotézisek számát.

Val vel klasszikus mechanika az eset némileg más. Ahhoz, hogy a speciális relativitáselmélet posztulátumaival konzisztens legyen, a klasszikus mechanikának némi változtatásra van szüksége. Ezek a változások főként a gyors mozgások törvényeit érintik, pl. a fénysebességhez hasonló mozgás. Szokásos földi körülmények között a fénysebességnél jóval kisebb sebességekkel találkozunk, ezért a relativitáselmélet által megkövetelt korrekciók rendkívül kicsik, és sok esetben gyakorlatilag elhanyagolhatók.

Új mechanika alapján Einstein speciális relativitáselmélete, amely a relativitás elvének és a kölcsönhatásterjedés maximális sebességének végességére vonatkozó kijelentés kombinációja, az ún. relativisztikus mechanika.

A relativisztikus mechanika fő következtetései azok az állítások, amelyek szerint a test tömege m, a hossza lés az esemény időtartama Dt a test sebessége arányának értékétől függenek v a fénysebességre cés a következő képletekkel határozzák meg:

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,

ahol m 0, l 0, Dt 0 a test tömege, hossza és az esemény időtartama a testhez tartozó vonatkoztatási rendszerben.

Például, ha két űrhajó relatív mozgásban van, akkor mindegyik hajó megfigyelője azt fogja látni, hogy a másik hajó a mozgás irányába zsugorodik, és az űrhajósok lefogynak és lassan mozognak. Úgy tűnik, hogy minden periodikus mozgású jelenség lelassul - az inga mozgása, az atomok oszcillációja stb. Normál sebesség mellett ezek a változások rendkívül kicsik: a Föld, amely nagy sebességgel kering a Nap körül 30 km/h, a Naphoz képest nyugalomban lévő megfigyelő számára csak néhány centiméterrel csökkenne. Ha a relatív sebességek nagyon nagyok, akkor a változások jelentőssé válnak.

A hossz és idő változása mellett a relativisztikus mechanika ad relativisztikus tömegváltozás .

A test tömegét, amelyet a test adott gyorsulásához szükséges erő mérésével határozunk meg, ún. tehetetlenségi tömeg. Egy megfigyelő számára űrhajóés valamely tárgyhoz viszonyítva ennek a tárgynak a tehetetlenségi tömege ugyanaz marad, függetlenül a hajó sebességétől vés nyugalmi tömegnek nevezzük. Ennek az objektumnak a tehetetlenségi tömegét egy földi megfigyelő számára relativisztikus tömegnek nevezzük, és a megfigyelő és a megfigyelt tárgy relatív sebességétől függ. Amikor egy test sebessége megközelíti a fénysebességet, tömege korlátlanul növekszik, és a határértéken megközelíti a végtelent. Ezért a relativitáselmélet szerint a fénysebességet meghaladó sebességű mozgás lehetetlen.

A relativisztikus mechanikából levezethető a tömeg és az energia kapcsolatának törvénye, amely alapvető szerepet játszik magfizika:

E \u003d mc 2,

ahol m- testtömeg, E- az energiáját.

A relativisztikus mechanika főbb következtetéseinek kísérleti igazolása Einstein speciális relativitáselméletének alátámasztására szolgál, amelyet naponta megerősítenek a fénysebességhez közeli sebességgel mozgó részecskékkel dolgozó atomtudósok laboratóriumaiban. Fénysebességhez hasonló sebességű mozgásokat először elektronok, majd más elemi részecskék példáján figyeltek meg. Az ilyen részecskékkel végzett gondosan megtervezett kísérletek valóban megerősítették a speciális relativitáselmélet előrejelzéseit, miszerint tömegük a sebesség növekedésével növekszik.

Normál sebességgel v<< c A relativisztikus mechanika átmegy Newton klasszikus mechanikájába. Elég például megjegyezni, hogy még a Földi műhold sebességénél is, ami kb 8 km/s, a tömeg korrekciója körülbelül egy kétmilliárd része lesz. 1928-ban P. Dirac angol fizikus a speciális relativitáselméletet és a kvantummechanikát (mikrorészecskék mechanikája) egyesítette. relativisztikus kvantummechanika a mikrorészecskék fénysebességhez közeli sebességű mozgását írja le.