Interaksi materi - properti yang tidak dapat dicabut materi, bertindak sebagai penyebab gerak materi.

Interaksi Dasar- jenis interaksi yang berbeda dan tidak dapat direduksi partikel dasar dan tubuh yang terdiri dari mereka.

Ada empat jenis interaksi:

1. Interaksi gravitasi - bertanggung jawab atas interaksi antara benda-benda yang memiliki massa. Ini sangat menentukan di dunia mega - dunia planet, bintang, galaksi.

2. Interaksi elektromagnetik - bertanggung jawab atas interaksi antara partikel dan benda bermuatan listrik. Penting dalam makrokosmos dan fenomena atom. Menentukan struktur dan sifat atom dan molekul.

3. Interaksi kuat - bertanggung jawab atas interaksi antara quark dan hadron, untuk koneksi nukleon dalam nukleus. Ini sangat menentukan dalam mikrokosmos.

4. Interaksi lemah - bertanggung jawab untuk jenis interaksi lain antara partikel elementer - semua jenis peluruhan beta inti, proses interaksi neutrino dengan materi, untuk banyak peluruhan partikel elementer. Ini memanifestasikan dirinya dalam mikrokosmos.

Pandangan dunia rasionalistik mengasumsikan bahwa setiap peristiwa memiliki penyebab material: dampak dari tubuh material (tubuh). Oleh karena itu, setiap program penjelasan rasional tentang dunia sekitarnya mencakup gagasan tentang mekanisme interaksi benda-benda materi.

Konsep jarak dekat mengasumsikan bahwa interaksi hanya mungkin dengan kontak langsung dari objek yang berinteraksi, setiap tindakan di kejauhan harus ditransmisikan melalui mediator material, yang disebut pembawa interaksi, dengan kecepatan yang terbatas.

Konsep jarak jauh mengasumsikan bahwa interaksi benda-benda material tidak memerlukan perantara material dan dapat ditransmisikan secara instan.

Konsep tindakan dekat dikemukakan oleh Aristoteles, yang yakin bahwa tidak ada kekosongan di dunia. Akibatnya, antara dua benda yang berinteraksi ada sejumlah benda lain yang berdekatan satu sama lain, yang mengirimkan interaksi melalui kontak langsung.

Pada abad ke-17 konsep aksi jarak pendek dikembangkan oleh Rene Descartes. Dalam mekanika Descartes, interaksi hanya terjadi melalui tekanan atau benturan, yaitu. ketika tubuh bersentuhan.

Konsep aksi jarak jauh dilacak dalam teori atomistik Democritus dan Leucippus, karena interaksi antar atom diteruskan melalui kehampaan.

Dalam gambaran mekanis dunia, pendirinya adalah Isaac Newton, konsep aksi jarak jauh diadopsi, sementara diyakini bahwa aksi satu tubuh di tubuh lain selalu merupakan aksi yang kedua pada yang pertama, yaitu interaksi.

PADA terlambat XIX di. bangkit ide baru- ide bidang, peran utamanya adalah transfer interaksi. Michael Faraday datang dengan ide elektro Medan gaya, yang mentransmisikan interaksi selama elektrifikasi konduktor dan magnetisasi suatu zat. Maxwell mengembangkan dan memformalkan ide ini secara matematis. Dengan demikian, di jantung gambaran ilmiah elektromagnetik dunia terletak konsep jarak dekat. Mekanisme transfer interaksi menggunakan field adalah sebagai berikut. Tubuh yang berpartisipasi dalam interaksi menciptakan medan di sekitarnya, yang menempati area ruang dengan radius sama dengan radius interaksi. Benda lain tidak berinteraksi langsung dengan benda pertama, tetapi dengan bidang yang diciptakan olehnya pada titik di mana mereka berada. Perubahan keadaan salah satu benda yang berinteraksi menyebabkan gangguan bidang yang diciptakannya, yang merambat dalam bentuk gelombang, mencapai benda lain, dan baru kemudian keadaannya mulai berubah. Seiring dengan medan elektromagnetik, yang membawa interaksi elektromagnetik, gambar elektromagnetik dunia juga mempertimbangkan medan gravitasi - pembawa gaya gravitasi.

PADA lukisan kontemporer perdamaian ide lapangan diterima pengembangan lebih lanjut. Mekanisme interaksi lapangan ditentukan dalam mekanisme medan kuantum. Dari sudut pandang fisika modern, semua bentuk keberadaan materi bersifat diskrit. Gangguan medan - gelombang - menurut dualisme gelombang sel, dapat secara bersamaan dianggap sebagai kumpulan partikel - kuanta medan. Oleh karena itu, interaksi yang dibawa oleh medan dianggap sebagai proses pertukaran kuanta medan antara benda-benda yang berinteraksi dan partikel-partikel materi. Kuanta yang dipertukarkan antara benda-benda yang berinteraksi bukanlah partikel biasa, tetapi partikel virtual. Partikel virtual berbeda karena tidak mungkin untuk mendeteksi mereka selama keberadaannya. Keberadaan dan sifat mereka hanya dapat dinilai secara tidak langsung - dengan kekuatan interaksi yang ditransfer. Tidak mungkin untuk mendaftarkan partikel virtual secara langsung. Misalnya, foton virtual tidak dapat dicatat oleh sensasi visual pada retina. Deskripsi mekanisme interaksi dalam bahasa pertukaran partikel virtual tidak mengecualikan, tetapi melengkapi deskripsi klasik dalam bahasa medan dan gelombang. Dengan demikian, konsep tindakan jangka panjang dalam sains ternyata benar-benar dibuang.

Dari jarak jauh ke jarak pendek: teori medan elektromagnetik.

Gagasan tentang kesatuan kekuatan alam yang berbeda dan konfirmasi empirisnya. Pada awal abad XIX. dasar-dasar teori listrik dan magnet mulai diletakkan. Gagasan ideologis tentang kesatuan kekuatan alam memainkan peran penting di sini. Fisikawan Denmark mulai di sini H.C. Oersted (1777-1851), yang menerima gelar Ph.D. dalam bidang filsafat. Perhatiannya tertuju pada gagasan filsuf alam Jerman F. Schelling tentang pengaruh timbal balik dari kekuatan alam. Pada tahun 1813, ilmuwan mengajukan masalah - untuk mengetahui hubungan antara "listrik volta" dan magnet. Solusinya datang pada tahun 1820, ketika ditemukan bahwa arus listrik menciptakan medan magnet di sekitar konduktor, yang mempengaruhi jarum magnet. Pada tahun 1821 seorang Prancis A. M. Ampere (1775-1836) menemukan bahwa dua konduktor yang sejajar satu sama lain dengan arus listrik berperilaku seperti dua magnet: jika arus mengalir dalam arah yang sama, maka konduktor menarik, dalam kasus arah yang berlawanan, mereka menolak. fisikawan Inggris M. Faraday (1791-1867) mengajukan masalah hubungan terbalik: dapatkah medan magnet menghasilkan arus dalam konduktor? Pada tahun 1831, ia menetapkan bahwa arus muncul dalam konduktor yang ditempatkan dalam medan magnet bolak-balik. Dengan demikian, fenomena induksi elektromagnetik ditemukan.

Semua hukum empiris ini disatukan oleh teori matematika fisikawan Jerman W.E.Weber (1804-1891). Itu didasarkan pada gagasan gaya jarak jauh, yang terkait dengan Newtonian gaya gravitasi, yang tidak memerlukan lingkungan perantara dan bertindak secara instan. Otoritas Newton dalam komunitas fisika begitu tinggi sehingga para ilmuwan secara membabi buta mengikuti seruannya "untuk tidak menciptakan hipotesis" tentang mekanisme aksi gaya. Namun ada pengecualian, terutama pada pribadi Faraday.

Bekerja sebagai pengikat di percetakan, Faraday secara mandiri belajar fisika dan hasrat ini membawanya ke sains. Sebagai orang percaya, dia yakin akan hubungan antara fenomena listrik dan magnet, karena "alam adalah satu dari Tuhan." Pemikiran yang tidak konvensional secara otodidak dan bakat untuk bereksperimen membuatnya menjadi ilmuwan kelas dunia. Dia tidak menguasai matematika kompleks pada masanya, dan karena itu dia mencurahkan seluruh kekuatannya untuk eksperimen dan memahami hasilnya. Gagasan aksi jangka panjang, yang mendominasi departemen universitas, tidak memengaruhi pikiran Faraday. Selain itu, berbagai eksperimen meyakinkannya tentang aksi jarak pendek gaya listrik dan magnet. Dalam hal ini, fakta pergerakan konduktor secara khusus dibedakan (serbuk besi di dekat magnet, kabel dan sirkuit dengan arus, dll.)

Untuk listrik dan magnet, aksi jarak pendek bersifat universal. Pemikiran inovatif Faraday mengantisipasi pergeseran ideologis dalam gambaran fisik alam. Gagasan Newton tentang aksi jarak jauh memainkan peran positif dalam pembentukan hukum gravitasi. dalam ketidakhadiran fakta yang diperlukan dan matematika yang tepat, itu tidak memungkinkan para ilmuwan untuk terbawa dengan konstruksi model spekulatif gravitasi prematur. Tetapi pada paruh pertama abad XIX. situasi mulai berubah. Fisika telah menerima ide-ide Cartesian tentang pergerakan berbagai objek material, media yang bertindak sebagai pembawa gaya jarak pendek. Dalam optik, konsep Newtonian memberi jalan kepada teori gelombang cahaya dengan model osilasi media halus. PADA teori kinetik panas muncul dalam bentuk gerak atom dan molekul materi. Mekanika kontinum juga berkontribusi pada kebangkitan ide-ide Cartesian. Para ilmuwan dengan intuisi yang tajam adalah yang pertama merasakan kebutuhan akan perubahan. Ya, seorang peneliti Jerman Ke. F. Gauss (1777-1855) dan muridnya B. Riemann menyarankan bahwa gaya elektrodinamika tidak bekerja secara instan, tetapi dengan kecepatan terbatas yang sama dengan kecepatan cahaya. Selain itu, pada pertengahan abad XIX. membentuk metode matematika berupa persamaan diferensial pada turunan parsial. Aparat ini menjadi perlu untuk mewujudkan gagasan aksi jarak pendek. Banyak persamaan hidrodinamika dan termodinamika ternyata cocok untuk elektrodinamika. Pada 40-50-an. masalah menciptakan elektrodinamika berdasarkan prinsip aksi jarak pendek ada dalam agenda, dan diselesaikan oleh Maxwell.

Hukum empiris Faraday diterjemahkan ke dalam bahasa matematika. Maxwell mengambil generalisasi empiris Faraday sebagai bahan awalnya. Dia melihat tugas utamanya dalam memberi mereka bentuk matematika yang sesuai. Karya ini ternyata jauh dari formal, karena penerjemahan citra empiris ke dalam bahasa matematika membutuhkan kreativitas khusus. Jadi, menganalisis induksi elektromagnetik, Faraday mengajukan gagasan "keadaan elektronik", di mana perubahan medan magnet menyebabkan pusaran. Medan listrik.

Bidang dan eter. Dari warisan Faraday, Maxwell juga mengambil prinsip aksi jarak pendek dan ide lapangan. Mereka saling melengkapi satu sama lain, karena aksi jarak pendek harus terjadi dalam media kontinu material, dan medan bertindak tepat di media ini. Benar, Faraday memahami medan tanpa batas dan menganggap medium sebagai sesuatu yang mirip dengan medium gas. Dan bukan kebetulan bahwa Maxwell pada awalnya membangun model medan listrik, menempatkannya di media seperti cairan khusus, yang tidak dapat dimampatkan, tidak dapat dimampatkan dan mengalir, mengalami hambatan. Kemudian, eter ditetapkan sebagai media baginya, yang memenuhi semua ruang dan menembus semua benda berat. Ide ini digunakan secara luas oleh Thomson, di bawah pengaruh ilmiahnya Maxwell. Dari sini, medannya menjadi area eter, terhubung langsung dengan listrik dan fenomena magnet: "... Medan elektromagnetik adalah bagian dari ruang yang berisi dan mengelilingi benda-benda yang berada dalam keadaan listrik atau magnet."

Pemborosan arus bias. Ide-ide medan dan eter memainkan peran yang menentukan dalam memahami elemen sentral dari teori - hipotesis perpindahan arus. Dalam percobaan Faraday, efek diamati pada jarak yang sangat jauh dari listrik yang mengalir melalui konduktor. Penjelasan yang sama diperlukan oleh fakta bagian itu arus bolak-balik melalui isolator yang memisahkan kedua pelat kapasitor. Sebagai pengakuan atas spesies baru arus listrik pertimbangan simetri dapat memainkan peran mereka - arus konduksi dilengkapi dengan arus perpindahan. Tetapi bagaimana gerakan yang terakhir itu mungkin? Dan di sinilah eter berperan. Seperti konduktor, itu adalah tubuh dengan hanya kehalusan dan permeabilitas yang besar. Sifat elastis eter memungkinkan variabel Medan listrik bergerak maju mundur, yaitu berfluktuasi. Ini adalah arus perpindahan, yang memiliki bentuk proses osilasi gelombang dan merambat di eter di luar konduktor. Sama seperti arus konduksi, ia dapat menghasilkan medan magnet. Menurut hukum induksi, medan magnet bolak-balik menciptakan medan listrik bolak-balik. Dengan teorinya, Maxwell menyetujui interaksi lengkap: setiap medan listrik bolak-balik, baik berdasarkan arus konduksi atau arus perpindahan, menghasilkan medan magnet. Ada simetri pengaruh timbal balik dari medan dinamis, yang merupakan sifat terpadu dari medan elektromagnetik.

Cahaya sebagai medan elektromagnetik. Teori Maxwell membantu untuk lebih memahami esensi cahaya. Sejak zaman kuno, telah ada hipotesis corpuscular (Latin corpusculum - body), yang menyatakan bahwa cahaya adalah aliran partikel yang sangat kecil yang bergerak lurus. Menurut anggapan lain, cahaya adalah gelombang dengan panjang yang sangat kecil. Pada awal abad XIX. E. Jung dan O. Fresnel menyajikan argumen yang meyakinkan yang mendukung hipotesis gelombang. Pengukuran telah menetapkan bahwa kecepatan cahaya adalah sekitar 300.000 km/s.

Medan elektromagnetik tidak hanya cahaya. Menurut teori Maxwell, gelombang elektromagnetik juga merambat dengan kecepatan 300.000 km/s. Kebetulan kecepatan dan teori gelombang cahaya mendorong ilmuwan untuk menghubungkan cahaya dengan proses elektromagnetik. Teori cahaya sebagai silih bergantinya medan listrik dan magnet tidak hanya menjelaskan fakta-fakta lama dengan baik, tetapi juga meramalkan fenomena yang tidak diketahui. Selain cahaya tampak, harus ada inframerah, radiasi ultraviolet dan jenis gelombang lainnya. Cahaya juga harus memberikan sejumlah tekanan pada materi.

Deteksi berpengalaman gelombang elektromagnetik . Teori Maxwell diterbitkan pada tahun 1873 dalam Treatise on Electricity and Magnetism. Hampir semua fisikawan meragukannya, hipotesis perpindahan arus menyebabkan penolakan khusus. Tidak ada ide-ide eksotis seperti itu dalam teori Weber dan Helmholtz. Dalam situasi ini, bukti eksperimen yang menentukan diperlukan, dan itu terjadi. Pada tahun 1887 seorang fisikawan Jerman G.Hertz (1857-1894) menciptakan generator gelombang elektromagnetik dan melakukan penerimaannya. Dengan demikian, "arus bias" misterius ditemukan, yang membuka prospek praktik baru (radio, televisi). Pada tahun 1895, fisikawan Jerman V.K. Roentgen menemukan radiasi baru yang disebut sinar-X dan ternyata merupakan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi lebih tinggi dari radiasi ultraviolet. Pada tahun 1900 seorang ilmuwan Rusia P.N. Lebedev (1866-1912) melalui sangat eksperimen halus menemukan tekanan gelombang cahaya dan mengukur besarnya. Semua praktik ilmiah ini dengan jelas menunjuk pada teori Maxwell sebagai gambaran alam yang sebenarnya.

Materi adalah materi dan medan elektromagnetik. Karena sifatnya yang fundamental, teori Maxwell secara signifikan mempengaruhi gambaran ilmiah tentang alam. Monopoli jangka panjang gagasan materi runtuh, dan melalui konsep medan elektromagnetik, gagasan medan fisik mulai terbentuk sebagai spesies mandiri urusan. Program menemukan kesatuan alam telah menerima hasil yang luar biasa - perbedaan sebelumnya antara listrik dan magnet telah membuka jalan bagi proses elektromagnetik tunggal. Maxwell mendemonstrasikan kekuatan heuristik yang tinggi dari hipotesis matematika dan memberikan contoh sintesis matematika dengan fisika. Elektrodinamika baru menjadi pencapaian puncak fisika klasik.

Tugas.

1. Tren apa yang menjadi ciri perkembangan biologi dari abad ke-16 hingga ke-19?

2. Mengapa penemuan oleh D. I. Mendeleev hukum periodik dianggap sebagai revolusi dalam kimia?

3. Kesimpulan ideologis apa yang ditarik dari hukum kekekalan energi?

4. Mengapa kaum Machis dan Energetis mengkritik atomistik?

5. Apakah mungkin untuk mengenali keteraturan statistik dari posisi determinisme Laplacian?

6. Ide baru apa yang dibawa oleh elektrodinamika Maxwell?

100 r bonus pesanan pertama

Pilih jenis pekerjaan pekerjaan lulusan Tugas kursus Abstrak Laporan tesis master tentang praktik Ulasan Laporan Artikel Uji Monograf Pemecahan masalah Rencana bisnis Jawaban atas pertanyaan karya kreatif Gambar Esai Komposisi Terjemahan Presentasi Pengetikan Lainnya Meningkatkan keunikan teks Tesis Kandidat Pekerjaan laboratorium Bantuan online

Minta harga

Sudah di dunia kuno, para pemikir memikirkan sifat dan esensi ruang dan waktu. Beberapa filsuf menyangkal kemungkinan adanya ruang kosong atau, seperti yang mereka katakan, tidak ada. Ini adalah perwakilan dari sekolah Eleatic di Yunani kuno - Parmenides dan Zeno. Filsuf lain, termasuk Democritus, berpendapat bahwa kekosongan itu ada, seperti atom, dan diperlukan untuk gerakan dan koneksi mereka.

Sampai abad ke-16, sistem geosentris Ptolemy mendominasi dalam ilmu alam. Itu adalah model matematika universal pertama di dunia, di mana waktu tidak terbatas, dan ruang terbatas, termasuk seragam Sirkulasi Bundaran benda angkasa mengelilingi bumi yang sedang beristirahat. Perubahan radikal dalam gambaran spasial dan fisik keseluruhan terjadi dalam sistem heliosentris dunia, yang diwakili oleh Copernicus. Menyadari mobilitas Bumi, ia menolak semua gagasan yang sudah ada sebelumnya tentang keunikannya sebagai pusat Alam Semesta dan dengan demikian mengarahkan pergerakan pemikiran ilmiah menuju pengakuan ruang tak terhingga dan tak terhingga. Ide ini telah dikembangkan dalam filosofi Giordano Bruno, yang menyimpulkan bahwa alam semesta tidak terbatas dan tidak memiliki pusat.

Peran penting dalam pengembangan ide tentang ruang dimainkan oleh open Galileo prinsip inersia. Menurut prinsip ini, semua fenomena fisis (mekanis) terjadi dengan cara yang sama di semua sistem yang bergerak secara seragam dan lurus dengan kecepatan konstan dalam besaran dan arah.

Pengembangan lebih lanjut dari konsep ruang dan waktu dikaitkan dengan gambaran fisik dan kosmik dunia R. Descartes. Dia mendasarkannya pada gagasan bahwa semua fenomena alam dijelaskan oleh aksi mekanis partikel material dasar. Dampak yang sama Descartes direpresentasikan dalam bentuk tekanan atau tumbukan ketika partikel bersentuhan satu sama lain dan dengan demikian memperkenalkan ide tersebut ke dalam fisika. jarak dekat.

Gambar fisik baru dunia disajikan dalam mekanika klasik I.Newton. Dia menggambar gambar yang harmonis dari sistem planet, memberikan teori kuantitatif yang ketat tentang gerakan planet. Puncak mekanikanya adalah teori gravitasi, yang menyatakan hukum alam universal - hukum gravitasi. Menurut hukum ini, setiap dua benda saling tarik menarik dengan gaya yang berbanding lurus dengan massanya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya.

Hukum ini dinyatakan dengan rumus berikut:

di mana: k- konstanta gravitasi; m1, m2- massa gravitasi; r- jarak antara mereka.

Hukum ini tidak mengatakan apa pun tentang ketergantungan gravitasi pada waktu. Gaya gravitasi, secara matematis murni, dapat disebut gaya jarak jauh, itu secara instan menghubungkan benda-benda yang berinteraksi dan perhitungannya tidak memerlukan asumsi apa pun tentang media yang mentransmisikan interaksi.

Setelah memperluas hukum gravitasi ke seluruh Alam Semesta, Newton juga mempertimbangkan kemungkinan strukturnya. Dia sampai pada kesimpulan bahwa alam semesta tidak terbatas. Hanya dalam hal ini, ia dapat berisi banyak benda luar angkasa - pusat gravitasi. Dalam kerangka model Semesta Newtonian, gagasan tentang ruang tak terbatas, di mana ada benda-benda kosmik, yang saling berhubungan oleh gaya gravitasi, telah ditetapkan. Penemuan hukum-hukum dasar elektro- dan magnetostatika yang diikuti pada paruh kedua abad ke-18, serupa dalam bentuk matematika dengan hukum gravitasi universal, semakin menegaskan di benak para ilmuwan gagasan tentang gaya-gaya jarak jauh yang hanya bergantung pada jarak, tetapi tidak pada waktu.

Peralihan ke arah gagasan aksi jarak pendek dikaitkan dengan gagasan Faraday dan Maskwell, yang mengembangkan konsep medan elektromagnetik sebagai realitas fisik independen. Titik awal untuk ini adalah pengenalan interaksi jarak pendek dan tingkat transmisi terbatas dari interaksi apa pun.

Kesimpulan bahwa medan elektromagnetik gelombang melepaskan diri dari pelepasan dan dapat secara mandiri ada dan menyebar di ruang angkasa tampak tidak masuk akal. Maxwell sendiri dengan keras kepala berusaha mendapatkan persamaannya dari peralatan mekanis eter. Tetapi ketika Hertz secara eksperimental menemukan keberadaan gelombang elektromagnetik, ini dianggap sebagai bukti yang menentukan validitas teori Maxwell. Tempat aksi jarak jauh sesaat diambil oleh aksi jarak pendek yang ditransmisikan dengan kecepatan terbatas.

Tindakan dekat adalah representasi yang menurutnya interaksi antara benda yang jauh satu sama lain dilakukan dengan bantuan media perantara (bidang) dan dilakukan pada kecepatan yang terbatas. Pada awal abad ke-18, bersamaan dengan teori aksi jarak pendek, lahir teori kebalikan dari aksi jarak jauh, yang menurutnya tubuh saling bertindak tanpa perantara, melalui kehampaan, pada jarak berapa pun, dan semacamnya. interaksi dilakukan dengan kecepatan tinggi yang tak terhingga (tetapi mematuhi hukum tertentu). Contoh aksi jarak jauh dapat dianggap sebagai gaya gravitasi universal dalam teori gravitasi klasik oleh I. Newton.

M. V. Lomonosov dianggap sebagai salah satu pendiri teori aksi jarak pendek. Lomonosov adalah penentang teori jarak jauh, percaya bahwa tubuh tidak dapat bertindak pada tubuh lain secara instan. Dia percaya bahwa interaksi listrik ditransmisikan dari tubuh ke tubuh melalui media khusus "eter" yang mengisi semua ruang kosong, khususnya ruang antara partikel yang membentuk "materi berat", yaitu zat. fenomena listrik, menurut Lomonosov, harus dianggap sebagai gerakan mikroskopis tertentu yang terjadi di eter. Hal yang sama berlaku untuk fenomena magnetik.

Namun, gagasan teoretis Lomonosov dan L. Euler tidak dapat dikembangkan saat itu. Setelah penemuan hukum Coulomb, yang bentuknya sama dengan hukum gravitasi universal, teori aksi jarak jauh menggantikan teori aksi jarak pendek. Dan baru pada awal abad ke-19 M. Faraday menghidupkan kembali teori aksi jarak pendek. Menurut Faraday, muatan listrik tidak saling mempengaruhi secara langsung. Masing-masing menciptakan medan listrik dan magnet (jika bergerak) di ruang sekitarnya. Medan satu muatan bekerja pada muatan lain dan sebaliknya. Pengakuan umum teori aksi jarak pendek dimulai pada paruh kedua abad ke-19, setelah bukti eksperimental teori J. Maxwell, yang berhasil memberikan ide-ide Faraday bentuk kuantitatif yang tepat, sangat diperlukan dalam fisika - a sistem persamaan medan elektromagnetik.

Perbedaan penting antara teori aksi jangka pendek dan teori aksi jarak jauh adalah adanya kecepatan tertinggi propagasi interaksi (bidang, partikel) - kecepatan cahaya. Dalam fisika modern, ada pembagian materi yang jelas menjadi partikel-peserta (atau sumber) interaksi (disebut materi) dan partikel-pembawa interaksi (disebut medan). Dari empat jenis interaksi mendasar, tiga telah menerima verifikasi eksperimental yang andal tentang keberadaan partikel pembawa: interaksi kuat, lemah, dan elektromagnetik. Saat ini, upaya sedang dilakukan untuk mendeteksi pembawa interaksi gravitasi - yang disebut

Berkat penelitian dan pencapaian Oersted, Faraday, Maxwell, Hertz, Popov, ditunjukkan bahwa materi tidak hanya ada dalam bentuk materi, tetapi juga dalam bentuk bidang. Pengakuan realitas medan elektromagnetik berarti kemenangan dalam fisika konsep jarak dekat melebihi standar pada abad ke-19. konsep jangka panjang. Mari kita lihat esensi dari konsep-konsep ini.

Jangka panjang dan jarak pendek - konsep yang berlawanan, dirancang untuk menjelaskan karakter umum interaksi objek fisik.

Segera setelah penemuan hukum gravitasi universal Newton, dan kemudian setelah penemuan Coulomb tentang hukum interaksi muatan elektrostatik, pertanyaan filosofis muncul: mengapa benda fisik dengan massa bekerja satu sama lain pada jarak melalui ruang kosong, dan mengapa benda bermuatan berinteraksi bahkan melalui lingkungan yang netral secara elektrik? Sebelum pengenalan konsep lapangan, tidak ada jawaban yang memuaskan atas pertanyaan-pertanyaan ini. Untuk waktu yang lama diyakini bahwa interaksi antara tubuh dapat dilakukan secara langsung melalui ruang kosong, yang tidak mengambil bagian dalam transfer interaksi dan transfer interaksi, dengan demikian, terjadi secara instan. Asumsi ini adalah inti dari konsep jarak jauh memungkinkan tindakan di luar ruang dan waktu. Setelah Newton, konsep ini mendapat penggunaan luas dalam fisika, meskipun Newton sendiri memahami bahwa gaya jarak jauh yang diperkenalkan olehnya (misalnya, gravitasi) hanyalah perangkat formal yang memungkinkan untuk memberikan deskripsi fenomena yang diamati dengan benar sampai batas tertentu.

Dalam penelitian tentang listrik dan magnet, konsep aksi jarak jauh, sesaat sebelum penelitian Faraday, mengalahkan konsep yang berlaku. lama konsep mekanistik interaksi dekat, yang menurutnya tubuh yang berinteraksi harus bersentuhan. Kemenangan ini menghasilkan sejumlah teori dan hukum penting (hukum Coulomb, elektrodinamika Ampere). Namun, pada pertengahan abad XIX. gagasan tentang perlunya meninggalkan aksi jarak jauh dalam elektrodinamika, pengakuan prinsip aksi jarak pendek dan kecepatan perambatan terbatas gangguan elektromagnetik mulai mengambil alih pikiran para ilmuwan (Gauss, Riemann), tetapi tidak seorang pun kecuali Maxwell yang mengembangkan ide ini dan membawanya ke tingkat teori ilmiah.

Konsep jarak dekat menegaskan bahwa setiap dampak pada objek material hanya dapat ditransmisikan dari titik tertentu di ruang angkasa ke titik tetangga terdekat dan selama periode waktu yang terbatas. Dalam teori elektromagnetisme Maxwell, terbukti bahwa interaksi benda bermuatan listrik tidak terjadi secara instan, tetapi dengan kecepatan terbatas yang sama dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa - 300000 km/dtk.

Dengan demikian, perkembangan konsep medan fisis berkontribusi pada penguatan konsep interaksi jarak pendek, yang meluas tidak hanya ke elektromagnetik, tetapi juga ke jenis interaksi lainnya.

Perkembangan konsep ruang dan waktu dalam teori relativitas khusus

Dalam gambaran mekanistik dunia, konsep ruang angkasa dan waktu dianggap terlepas dari sifat-sifat materi yang bergerak. Ruang bertindak di dalamnya sebagai semacam wadah untuk benda bergerak, dan waktu sebagai parameter, yang tandanya dapat dibalik. Ciri lain dari gambaran mekanistik dunia adalah bahwa di dalamnya ruang dan waktu sebagai bentuk-bentuk keberadaan materi dipelajari secara terpisah dan terpisah, akibatnya hubungannya tidak terjalin.

Prinsip relativitas

Ketika gambaran mekanistik dunia mendominasi dalam ilmu pengetahuan alam dan ada kecenderungan untuk mereduksi penjelasan semua fenomena alam menjadi hukum-hukum mekanika, prinsip relativitas, yang dirumuskan oleh Galileo dalam kerangka mekanika klasik, tidak diragukan lagi. Situasi berubah secara dramatis ketika fisikawan mulai mempelajari fenomena listrik, magnet, dan optik. Maxwell menyatukan semua fenomena ini dalam kerangka teori elektromagnetik terpadu. Dalam hal ini, pertanyaan secara alami muncul: apakah prinsip relativitas juga berlaku untuk fenomena elektromagnetik?

Pada tahun 1905, matematikawan dan fisikawan Prancis A. Poincaré (1854–1912) merumuskan prinsip relativitas sebagai hukum fisika umum yang juga berlaku untuk fenomena mekanik dan elektromagnetik. Menurut prinsip ini, hukum fenomena fisik harus sama baik untuk pengamat yang diam maupun untuk pengamat dalam keadaan seragam. gerak lurus. Berdasarkan prinsip relativitas, teori fisik ruang dan waktu baru telah dikembangkan - .

A. Poincaré adalah orang pertama yang menyarankan bahwa prinsip kesetaraan semua sistem koordinat inersia juga harus diterapkan pada fenomena elektromagnetik, yaitu. Prinsip relativitas berlaku untuk semua fenomena alam. Hal ini menyebabkan kebutuhan untuk mempertimbangkan kembali konsep ruang angkasa dan waktu. Namun, Poincare tidak menunjukkan perlunya hal ini. Ini pertama kali dilakukan oleh A. Einstein (1979–1955).

Teori relativitas khusus- teori fisika yang menganggap ruang dan waktu sebagai bentuk keberadaan materi yang terkait erat. Teori relativitas khusus diciptakan pada tahun 1905-1908. karya H. Lorentz, A. Poincaré, A. Einstein dan G. Minkowski berdasarkan analisis data eksperimen terkait optik dan fenomena elektromagnetik, yang digeneralisasikan oleh postulat berikut:

· prinsip relativitas yang menurutnya semua hukum alam harus sama dalam semua sistem inersia referensi;

· prinsip kekekalan kecepatan cahaya, yang menyatakan bahwa kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah sama di semua kerangka acuan inersia dan tidak bergantung pada gerakan sumber cahaya dan penerima.

Prinsip relativitas dalam rumusan Einstein merupakan generalisasi dari prinsip relativitas Galileo, yang dirumuskan hanya untuk gerakan mekanis. Prinsip ini mengikuti seluruh rangkaian percobaan yang berkaitan dengan elektrodinamika dan optik benda bergerak.

Eksperimen tepat Michelson di tahun 80-an abad XIX. menunjukkan bahwa selama perambatan gelombang elektromagnetik, kecepatannya tidak bertambah. Misalnya, jika sepanjang arah pergerakan kereta api yang kecepatannya sama dengan v1, mengirim sinyal cahaya dengan kecepatan v2, mendekati kecepatan cahaya dalam ruang hampa, maka kecepatan sinyal terhadap platform kurang dari jumlah v1+v2 dan umumnya tidak dapat melebihi kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Kecepatan propagasi sinyal cahaya tidak tergantung pada kecepatan sumber cahaya. Fakta ini bertentangan dengan prinsip relativitas Galileo.

Prinsip keteguhan kecepatan cahaya, misalnya, dapat dibuktikan dengan mengukur kecepatan cahaya dari sisi berlawanan dari Matahari yang berputar: satu sisi Matahari selalu bergerak ke arah kita, dan sisi lainnya dalam arah yang berlawanan. Meskipun sumbernya bergerak, kecepatan cahaya dalam ruang hampa selalu sama dan sama dengan s=300000 km/s.

Kedua prinsip ini saling bertentangan dari sudut pandang gagasan utama fisika klasik.

Sebuah dilema muncul: penolakan baik prinsip keteguhan kecepatan cahaya, atau prinsip relativitas. Prinsip pertama ditetapkan dengan sangat tepat dan tidak ambigu sehingga jelas tidak dapat dibenarkan untuk menolaknya, dan, terlebih lagi, itu akan melibatkan komplikasi yang berlebihan dari deskripsi proses-proses alam. Tidak kurang kesulitan muncul ketika prinsip relativitas ditolak di bidang proses elektromagnetik.

Kontradiksi yang tampak antara prinsip relativitas dan hukum keteguhan kecepatan cahaya muncul karena mekanika klasik, menurut Einstein, mengandalkan "dua hipotesis yang tidak dapat dibenarkan":

interval waktu antara dua peristiwa tidak bergantung pada keadaan gerak kerangka acuan;

Jarak spasial antara dua titik tubuh yang kokoh tidak bergantung pada keadaan gerak kerangka acuan.

Berdasarkan hipotesis yang tampaknya cukup jelas ini, mekanika klasik secara diam-diam mengakui bahwa nilai-nilai interval waktu dan jarak memiliki nilai absolut, yaitu. tidak tergantung pada keadaan gerak tubuh referensi. Ternyata jika seseorang dalam mobil yang bergerak beraturan melewati, misalnya, jarak 1 meter dalam satu detik, maka ia juga akan melewati jalan yang sama dalam kaitannya dengan jalan raya dalam satu detik. Demikian pula, diyakini bahwa dimensi spasial tubuh dalam kerangka acuan istirahat dan bergerak tetap sama. Dan meskipun asumsi ini dari sudut pandang kesadaran biasa dan akal sehat tampaknya terbukti dengan sendirinya, namun, mereka tidak setuju dengan hasil eksperimen yang dilakukan dengan hati-hati yang mengkonfirmasi kesimpulan dari teori relativitas khusus yang baru.

3.4.2. Transformasi Lorentz

Einstein, ketika mengerjakan teori relativitas khusus, tidak meninggalkan prinsip relativitas, tetapi, sebaliknya, memberikannya lebih banyak bentuk umum. Pada saat yang sama, perlu secara radikal mengubah pemahaman tentang ruang dan waktu, dengan kata lain, untuk menciptakan pemahaman yang fundamental. teori baru perubahan dalam hubungan spatio-temporal antara objek.

Mari kita pertimbangkan kondisi apa yang harus dipenuhi oleh transformasi koordinat spasial dan waktu dalam transisi dari satu kerangka acuan ke kerangka acuan lainnya. Jika kita menerima asumsi mekanika klasik tentang sifat absolut jarak dan waktu, maka persamaan transformasi, yang disebut transformasi Galilea, akan memiliki bentuk berikut:

x = x' + vt',

y = y',

z = z',

t = t'.

Namun, pengakuan prinsip keteguhan kecepatan cahaya membutuhkan penggantian transformasi Galilea dengan formula lain yang tidak bertentangan dengan prinsip ini. Einstein menunjukkan bahwa transformasi semacam itu, yang tidak bertentangan dengan prinsip keteguhan kecepatan, adalah apa yang disebut Transformasi Lorentz, dinamai fisikawan Belanda H. A. Lorenz (1853–1928).

Dalam kasus ketika satu kerangka acuan bergerak relatif terhadap yang lain secara seragam dan lurus sepanjang sumbu x X, rumus untuk transformasi Lorentz, termasuk transformasi waktu, memiliki bentuk:

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 ,

di mana v adalah kecepatan gerak sistem koordinat (x',y',z') relatif terhadap sistem koordinat (x,y,z),  c adalah kecepatan cahaya.

Berdasarkan transformasi Lorentz, mudah untuk memverifikasi bahwa penggaris kaku yang bergerak searah dengan panjangnya akan lebih pendek daripada penggaris yang diam, dan semakin pendek semakin cepat gerakannya. Memang, dengan menggunakan persamaan pertama dari transformasi Lorentz, kita memperoleh bahwa panjang penggaris yang bergerak terhadap kerangka acuan tetap l \u003d l 0 (1–v 2 / c 2) 1/2, di mana aku 0 - panjang penggaris dalam sistem referensi yang terkait dengan penggaris.

Mekanika relativistik

Teori relativitas khusus berasal dari elektrodinamika dan tidak banyak mengubah isinya, tetapi di sisi lain itu secara signifikan menyederhanakan konstruksi teoretisnya, yaitu. derivasi hukum dan, yang paling penting, mengurangi jumlah hipotesis independen yang mendasarinya.

Dengan mekanika klasik kasusnya agak berbeda. Agar konsisten dengan postulat teori relativitas khusus, mekanika klasik membutuhkan beberapa perubahan. Perubahan ini terutama menyangkut hukum gerak cepat, yaitu gerak yang sebanding dengan kecepatan cahaya. Dalam kondisi terestrial biasa, kita menemukan kecepatan yang jauh lebih rendah daripada kecepatan cahaya, dan oleh karena itu koreksi yang diperlukan oleh teori relativitas sangat kecil dan dalam banyak kasus praktis dapat diabaikan.

Mekanik baru berdasarkan Prinsip relativitas khusus Einstein, yang merupakan kombinasi dari prinsip relativitas dengan pernyataan tentang terbatasnya kecepatan maksimum perambatan interaksi, disebut mekanika relativistik.

Kesimpulan utama mekanika relativistik adalah pernyataan bahwa massa suatu benda m, panjangnya aku dan durasi acara Dt tergantung pada nilai rasio kecepatan tubuh v dengan kecepatan cahaya c dan ditentukan oleh rumus:

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,

di mana m 0 , l 0 , Dt 0 adalah massa tubuh, panjangnya, dan durasi kejadian dalam kerangka acuan yang terkait dengan tubuh.

Misalnya, jika dua pesawat ruang angkasa berada dalam keadaan gerak relatif, maka seorang pengamat di masing-masing kapal akan melihat kapal lain menyusut ke arah gerak, dan para astronot akan kehilangan berat badan dan bergerak perlahan. Semua fenomena dengan gerakan periodik akan tampak melambat - gerakan bandul, osilasi atom, dll. Pada kecepatan normal, perubahan ini sangat kecil: Bumi, yang bergerak mengelilingi Matahari dengan kecepatan 30 km/jam, bagi pengamat yang diam relatif terhadap Matahari akan tampak berkurang hanya beberapa sentimeter. Ketika kecepatan relatif sangat besar, perubahan menjadi signifikan.

Selain perubahan panjang dan waktu, mekanika relativistik memberikan perubahan massa relativistik .

Massa suatu benda, yang ditentukan dengan mengukur gaya yang diperlukan untuk memberikan percepatan tertentu pada benda tersebut, disebut massa inersia. Untuk seorang pengamat di pesawat luar angkasa dan diam relatif terhadap beberapa objek, massa inersia objek ini tetap sama terlepas dari kecepatan kapal v dan disebut massa diam. Massa inersia benda ini bagi pengamat di Bumi disebut massa relativistik dan bergantung pada kecepatan relatif pengamat dan objek pengamatan. Ketika kecepatan suatu benda mendekati kecepatan cahaya, massanya tumbuh tanpa batas dan, pada batasnya, mendekati tak terhingga. Oleh karena itu, menurut teori relativitas, gerak dengan kecepatan melebihi kecepatan cahaya adalah mustahil.

Dari mekanika relativistik, seseorang dapat memperoleh hukum hubungan antara massa dan energi, yang memainkan peran mendasar dalam fisika nuklir:

E \u003d mc 2,

di mana m- massa tubuh, E- energinya.

Verifikasi eksperimental dari kesimpulan utama mekanika relativistik digunakan untuk mendukung teori relativitas khusus Einstein, yang dikonfirmasi setiap hari di laboratorium ilmuwan atom yang bekerja dengan partikel yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Pergerakan dengan kecepatan yang sebanding dengan kecepatan cahaya diamati untuk pertama kalinya pada contoh elektron, dan kemudian partikel elementer lainnya. Eksperimen yang dirancang dengan hati-hati dengan partikel semacam itu memang telah mengkonfirmasi prediksi relativitas khusus bahwa massanya bertambah dengan bertambahnya kecepatan.

Pada kecepatan normal v<< c mekanika relativistik masuk ke mekanika klasik Newton. Cukuplah, misalnya, untuk dicatat bahwa bahkan pada kecepatan satelit Bumi, yang kira-kira 8 km/dtk, koreksi massa akan menjadi sekitar satu dua miliar itu. Pada tahun 1928, fisikawan Inggris P. Dirac menggabungkan teori relativitas khusus dan mekanika kuantum (mekanika mikropartikel) menjadi mekanika kuantum relativistik menggambarkan gerakan mikropartikel dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya.