Interazione della materia - proprietà inalienabile materia, fungendo da causa del moto della materia.

Interazioni fondamentali- tipologie di interazione diverse e non riducibili particelle elementari e i corpi che li compongono.

Esistono quattro tipi di interazione:

1. Interazione gravitazionale - responsabile dell'interazione tra corpi che hanno massa. È decisivo nel mega mondo: il mondo dei pianeti, delle stelle, delle galassie.

2. Interazione elettromagnetica - responsabile delle interazioni tra particelle e corpi caricati elettricamente. Essenziale nel macrocosmo e nei fenomeni atomici. Determina la struttura e le proprietà di atomi e molecole.

3. Interazione forte - responsabile dell'interazione tra quark e adroni, per la connessione dei nucleoni nel nucleo. È decisivo nel microcosmo.

4. Interazione debole - responsabile di altri tipi di interazione tra particelle elementari - tutti i tipi di decadimento beta dei nuclei, processi di interazione dei neutrini con la materia, per molti decadimenti di particelle elementari. Si manifesta nel microcosmo.

La visione razionalistica del mondo presuppone che ogni evento abbia una causa materiale: l'impatto del corpo materiale (corpi). Pertanto, qualsiasi programma di spiegazione razionale del mondo circostante include idee sui meccanismi interazioni oggetti materiali.

Il concetto di distanza ravvicinata presuppone che l'interazione sia possibile solo con il contatto diretto di oggetti interagenti, qualsiasi azione a distanza deve essere trasmessa attraverso mediatori materiali, i cosiddetti vettori di interazione, con una velocità finita.

Concetto a lungo raggio presuppone che l'interazione dei corpi materiali non richieda un intermediario materiale e possa essere trasmessa istantaneamente.

Il concetto di azione ravvicinata è stato avanzato da Aristotele, convinto che non ci sia vuoto nel mondo. Di conseguenza, tra due corpi interagenti c'è un certo numero di altri corpi adiacenti l'uno all'altro, che trasmettono l'interazione attraverso il contatto diretto.

Nel 17° secolo il concetto di azione a corto raggio è stato sviluppato da René Descartes. Nella meccanica di Cartesio, l'interazione avviene solo attraverso la pressione o l'impatto, cioè quando i corpi entrano in contatto.

Il concetto di azione a lungo raggio è stato rintracciato nella teoria atomistica di Democrito e Leucippo, poiché l'interazione tra atomi si trasmetteva attraverso il vuoto.

Nel quadro meccanico del mondo, il cui fondatore fu Isaac Newton, fu adottato il concetto di azione a lungo raggio, mentre si credeva che l'azione di un corpo sull'altro fosse sempre l'azione del secondo sul primo, cioè l'interazione.

A fine XIX in. sorsero nuova idea- l'idea di un campo, il cui ruolo principale è il trasferimento dell'interazione. Michael Faraday ha avuto l'idea dell'elettro campo magnetico, che trasmette l'interazione durante l'elettrificazione dei conduttori e la magnetizzazione di una sostanza. Maxwell ha sviluppato e formalizzato matematicamente questa idea. Così, al centro del quadro scientifico elettromagnetico del mondo risiede il concetto di distanza ravvicinata. Il meccanismo per trasferire l'interazione utilizzando un campo è il seguente. Il corpo che partecipa all'interazione crea un campo attorno a sé, che occupa un'area di spazio con un raggio uguale al raggio interazioni. Altri corpi non interagiscono direttamente con il primo corpo, ma con il campo da esso creato nei punti in cui si trovano. Un cambiamento nello stato di uno dei corpi interagenti provoca una perturbazione del campo da esso creato, che si propaga sotto forma di onda, raggiunge altri corpi e solo allora il loro stato inizia a cambiare. Insieme al campo elettromagnetico, che trasporta interazioni elettromagnetiche, l'immagine elettromagnetica del mondo considera anche il campo gravitazionale, il vettore delle forze gravitazionali.

A pittura contemporanea la pace idea di campo ricevuta ulteriori sviluppi. Il meccanismo di interazione sul campo è stato specificato in meccanismo di campo quantistico. Dal punto di vista della fisica moderna, tutte le forme di esistenza della materia sono discrete. La perturbazione del campo - un'onda - secondo il dualismo corpuscolare-onda, può essere contemporaneamente considerata come un insieme di particelle - quanti di campo. Pertanto, l'interazione portata dal campo è considerata come un processo di scambio di quanti di campo tra corpi interagenti e particelle di materia. I quanti scambiati tra corpi interagenti non sono particelle ordinarie, ma particelle virtuali. Le particelle virtuali differiscono in quanto è impossibile rilevarle durante la loro esistenza. La loro esistenza e proprietà possono essere giudicate solo indirettamente, dalla forza dell'interazione trasferita. È impossibile registrare direttamente una particella virtuale. Ad esempio, un fotone virtuale non può essere registrato dalla sensazione visiva sulla retina. La descrizione del meccanismo di interazione nel linguaggio dello scambio di particelle virtuali non esclude, ma integra descrizione classica nel linguaggio dei campi e delle onde. Pertanto, il concetto di azione a lungo raggio nella scienza si è rivelato completamente scartato.

Dal lungo raggio al corto raggio: teoria campo elettromagnetico.

L'idea dell'unità delle diverse forze della natura e la sua conferma empirica. All'inizio del XIX secolo. cominciano a essere gettate le basi della teoria dell'elettricità e del magnetismo. L'idea ideologica dell'unità delle forze della natura ha giocato un ruolo importante qui. Il fisico danese ha iniziato qui HC Oersted (1777-1851), che ha conseguito il dottorato di ricerca in filosofia. La sua attenzione è stata attirata dall'idea del filosofo naturale tedesco F. Schelling sull'influenza reciproca delle forze naturali. Nel 1813, lo scienziato pose un problema: scoprire la connessione tra "elettricità solare" e magnetismo. La soluzione arrivò nel 1820, quando si scoprì che una corrente elettrica crea un campo magnetico attorno a un conduttore, che colpisce l'ago magnetico. Nel 1821 un francese AM Ampère (1775-1836) ha riscontrato che due conduttori paralleli tra loro con una corrente elettrica si comportano come due magneti: se le correnti vanno nella stessa direzione, allora i conduttori si attraggono, in caso di direzioni opposte si respingono. fisico inglese M. Faraday (1791-1867) ha posto il problema della relazione inversa: può un campo magnetico generare una corrente in un conduttore? Nel 1831 stabilì che una corrente appare in un conduttore posto in un campo magnetico alternato. Fu così scoperto il fenomeno dell'induzione elettromagnetica.

Tutte queste leggi empiriche erano unite dalla teoria matematica del fisico tedesco WE Weber (1804-1891). Si basava sull'idea di forze a lungo raggio, che sono legate al newtoniano forza gravitazionale, che non necessita di un ambiente intermedio e agisce istantaneamente. L'autorità di Newton nella comunità dei fisici era così alta che gli scienziati seguirono ciecamente il suo invito a "non inventare ipotesi" sul meccanismo d'azione delle forze. Eppure c'erano delle eccezioni, principalmente nella persona di Faraday.

Lavorando come legatore in una tipografia, Faraday ha studiato fisica in modo indipendente e questa passione lo ha portato alla scienza. Da credente, era sicuro della relazione tra fenomeni elettrici e magnetici, poiché "la natura è una da Dio". Il pensiero non convenzionale da autodidatta e il talento per la sperimentazione lo hanno reso uno scienziato di livello mondiale. Non padroneggiava la complessa matematica del suo tempo, e quindi dedicò tutte le sue forze agli esperimenti e alla comprensione dei loro risultati. L'idea di un'azione a lungo raggio, che ha dominato i dipartimenti universitari, non ha toccato la mente di Faraday. Inoltre, vari esperimenti lo convinsero dell'azione a corto raggio delle forze elettriche e magnetiche. A questo proposito, sono stati particolarmente distinti i fatti del movimento dei conduttori (limatura di ferro vicino al magnete, fili e circuiti con corrente, ecc.)

Per l'elettricità e il magnetismo, l'azione a corto raggio è universale. Il pensiero innovativo di Faraday ha anticipato i cambiamenti ideologici nell'immagine fisica della natura. L'idea di Newton dell'azione a lungo raggio ha svolto un ruolo positivo nella formazione della legge gravità. Nell'assenza fatti necessari e matematica corretta, non ha permesso agli scienziati di lasciarsi trasportare dalla costruzione di modelli speculativi prematuri della gravità. Ma nella prima metà del XIX secolo. la situazione iniziò a cambiare. La fisica è diventata ricettiva alle idee cartesiane sul movimento di vari oggetti materiali, i media che agiscono come vettori di forze a corto raggio. In ottica, il concetto newtoniano ha lasciato il posto alla teoria ondulatoria della luce con il modello delle oscillazioni del mezzo etereo. A teoria cinetica il calore è apparso sotto forma di movimento di atomi e molecole di materia. Anche la meccanica del continuo ha contribuito alla rinascita delle idee cartesiane. Scienziati con un acuto intuito furono i primi a sentire il bisogno di cambiamento. Sì, un ricercatore tedesco A. F. Gauss (1777-1855) e il suo studente B. Riemann hanno suggerito che le forze elettrodinamiche non agiscono istantaneamente, ma con una velocità finita uguale alla velocità della luce. Inoltre, entro la metà del XIX secolo. metodi matematici formati sotto forma di equazioni differenziali in derivate parziali. Questo apparato è diventato necessario per la realizzazione dell'idea di azione a corto raggio. Molte equazioni dell'idrodinamica e della termodinamica si sono rivelate adatte all'elettrodinamica. Negli anni 40-50. il problema della creazione di un'elettrodinamica basata sul principio dell'azione a corto raggio era all'ordine del giorno, ed è stato risolto da Maxwell.

Le leggi empiriche di Faraday sono tradotte nel linguaggio della matematica. Maxwell ha preso le generalizzazioni empiriche di Faraday come materiale di partenza. Vedeva il suo compito principale nel dare loro una forma matematica appropriata. Questo lavoro si è rivelato tutt'altro che formale, perché la traduzione di immagini empiriche nel linguaggio della matematica richiedeva una creatività speciale. Quindi, analizzando l'induzione elettromagnetica, Faraday ha avanzato l'idea di uno "stato elettrotonico", in cui un cambiamento nel campo magnetico provoca un vortice campo elettrico.

Campo ed etere. Dall'eredità di Faraday, Maxwell ha anche preso il principio dell'azione a corto raggio e l'idea di un campo. Si completavano a vicenda, poiché l'azione a corto raggio deve aver luogo in un mezzo materiale continuo e il campo agisce proprio in questo mezzo. È vero, Faraday comprendeva il campo indefinitamente e considerava il mezzo come qualcosa di simile a un mezzo gassoso. E non è un caso che Maxwell abbia inizialmente costruito modelli del campo elettrico, collocandolo in uno speciale mezzo simile a un liquido, che è incomprimibile, inerziale e scorre, sperimentando resistenza. Più tardi, l'etere è stato fissato come mezzo per lui, che riempie tutto lo spazio e permea tutti i corpi pesanti. Questa idea è stata ampiamente utilizzata da Thomson, sotto la cui influenza scientifica era Maxwell. Da qui, il suo campo divenne un'area dell'etere, direttamente collegata con l'elettrico e fenomeni magnetici: "... Un campo elettromagnetico è quella parte dello spazio che contiene e circonda corpi che si trovano in uno stato elettrico o magnetico."

Stravaganza della corrente di polarizzazione. Le idee del campo e dell'etere hanno giocato un ruolo decisivo nella comprensione dell'elemento centrale della teoria: l'ipotesi della corrente di spostamento. Negli esperimenti di Faraday, gli effetti sono stati osservati a grande distanza dall'elettricità che scorre attraverso un conduttore. La stessa spiegazione era richiesta dal fatto del passaggio corrente alternata attraverso un isolante che separa le due piastre del condensatore. In riconoscimento di una nuova specie corrente elettrica considerazioni di simmetria potrebbero svolgere il loro ruolo: la corrente di conduzione è integrata dalla corrente di spostamento. Ma come è possibile il movimento di quest'ultimo? Ed è qui che è entrato in gioco l'etere. Come un direttore d'orchestra, è un corpo con solo una grande rarefazione e permeabilità. Le proprietà elastiche dell'etere consentono la variabile campo elettrico andare avanti e indietro, cioè fluttuare. Questa è la corrente di spostamento, che ha la forma di un processo oscillatorio ondulatorio e si propaga nell'etere al di fuori dei conduttori. Proprio come la corrente di conduzione, può generare un campo magnetico. Secondo la legge dell'induzione, un campo magnetico alternato crea un campo elettrico alternato. Con la sua teoria, Maxwell ha approvato l'interazione completa: qualsiasi campo elettrico alternato, basato su una corrente di conduzione o su una corrente di spostamento, genera un campo magnetico. C'è una simmetria delle influenze reciproche dei campi dinamici, che costituisce la natura unificata del campo elettromagnetico.

La luce come campo elettromagnetico. La teoria di Maxwell ha aiutato a comprendere meglio l'essenza della luce. Sin dai tempi antichi, esiste un'ipotesi corpuscolare (latino corpusculum - corpo), che affermava che la luce è un flusso di particelle molto piccole che si muovono rettilineamente. Secondo un'altra ipotesi, la luce è un'onda con una lunghezza molto piccola. All'inizio del XIX secolo. E. Jung e O. Fresnel hanno presentato argomenti convincenti a favore dell'ipotesi dell'onda. Le misurazioni hanno stabilito che la velocità della luce è di circa 300.000 km/s.

Il campo elettromagnetico non è solo luce. Secondo la teoria di Maxwell, anche le onde elettromagnetiche si propagano a una velocità di 300.000 km/s. La coincidenza delle velocità e della teoria ondulatoria della luce ha spinto lo scienziato ad attribuire la luce ai processi elettromagnetici. La teoria della luce come alternanza successiva di campi elettrici e magnetici non solo spiegava bene vecchi fatti, ma prevedeva anche fenomeni sconosciuti. Oltre alla luce visibile, dovrebbero esserci infrarossi, radiazioni ultraviolette e altri tipi di onde. La luce deve anche esercitare una certa pressione sulla materia.

Rilevamento esperto onde elettromagnetiche . La teoria di Maxwell fu pubblicata nel 1873 in un Trattato sull'elettricità e il magnetismo. Quasi tutti i fisici erano scettici al riguardo, l'ipotesi della corrente di spostamento ha causato un rifiuto speciale. Non c'erano idee così esotiche nelle teorie di Weber e Helmholtz. In questa situazione era richiesta la prova di esperimenti decisivi, e si è svolta. Nel 1887 un fisico tedesco G. Hertz (1857-1894) creò un generatore di onde elettromagnetiche e ne effettuò la ricezione. Si scoprì così una misteriosa “corrente di polarizzazione”, che apriva la prospettiva di una nuova pratica (radio, televisione). Nel 1895 il fisico tedesco V.K. Roentgen ha scoperto una nuova radiazione chiamata raggi X e si è rivelata essere onde elettromagnetiche con una frequenza superiore a radiazioni ultraviolette. Nel 1900 uno scienziato russo PN Lebedev (1866-1912) attraverso un molto sottili esperimenti ha scoperto la pressione delle onde luminose e ne ha misurato la magnitudine. Tutta questa pratica scientifica indicava inequivocabilmente la teoria di Maxwell come una vera immagine della natura.

La materia è materia e campo elettromagnetico. A causa della sua natura fondamentale, la teoria di Maxwell ha influenzato in modo significativo il quadro scientifico della natura. Il monopolio a lungo termine dell'idea di materia crollò e, attraverso il concetto di campo elettromagnetico, iniziò a formarsi l'idea del campo fisico come specie indipendenti questione. Il programma di scoperta dell'unità della natura ha ricevuto un risultato notevole: la precedente differenza tra elettricità e magnetismo ha lasciato il posto a un unico processo elettromagnetico. Maxwell ha dimostrato l'alto potere euristico dell'ipotesi matematica e ha fornito un esempio della sintesi della matematica con la fisica. La nuova elettrodinamica divenne il coronamento della fisica classica.

Compiti.

1. Quali tendenze hanno caratterizzato lo sviluppo della biologia dal XVI al XIX secolo?

2. Perché la scoperta di D. I. Mendeleev legge periodica considerata una rivoluzione della chimica?

3. Quali conclusioni ideologiche sono state tratte dalla legge di conservazione dell'energia?

4. Perché i Machisti e gli Energetisti hanno criticato l'atomismo?

5. È possibile riconoscere una regolarità statistica dalla posizione del determinismo laplaciano?

6. Quali nuove idee ha portato l'elettrodinamica di Maxwell?

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Già nel mondo antico, i pensatori pensavano alla natura e all'essenza dello spazio e del tempo. Alcuni dei filosofi hanno negato la possibilità dell'esistenza di uno spazio vuoto o, come si dice, della non esistenza. Questi erano i rappresentanti della scuola eleatica in Grecia antica - Parmenide e Zenone. Altri filosofi, incluso Democrito, sostenevano che il vuoto esiste, come gli atomi, ed è necessario per i loro movimenti e connessioni.

Fino al XVI secolo, il sistema geocentrico di Tolomeo ha dominato nelle scienze naturali. Fu il primo modello matematico universale del mondo, in cui il tempo era infinito e lo spazio era finito, compreso un uniforme rotatoria corpi celestiali intorno alla terra che riposa. Un cambiamento radicale nel quadro spaziale e fisico intero si è verificato nel sistema eliocentrico del mondo, rappresentato da Copernico. Riconoscendo la mobilità della Terra, respinse tutte le idee preesistenti sulla sua unicità come centro dell'Universo e diresse così il movimento del pensiero scientifico verso il riconoscimento dell'infinito e dell'infinito dello spazio. Questa idea è stata sviluppata nella filosofia Giordano Bruno, che ha concluso che l'universo è infinito e non ha centro.

Un ruolo importante nello sviluppo delle idee sullo spazio è stato svolto da open Galileo il principio di inerzia. Secondo questo principio, tutti i fenomeni fisici (meccanici) si verificano allo stesso modo in tutti i sistemi che si muovono in modo uniforme e rettilineo con una velocità costante in grandezza e direzione.

L'ulteriore sviluppo del concetto di spazio e tempo è associato all'immagine fisica e cosmica del mondo R. Cartesio. Lo ha basato sull'idea che tutti i fenomeni naturali sono spiegati dall'azione meccanica delle particelle materiali elementari. Lo stesso impatto rappresentato da Cartesio sotto forma di pressione o impatto quando le particelle entrano in contatto tra loro e così ha introdotto nella fisica l'idea distanza ravvicinata.

Nella meccanica classica è stata presentata una nuova immagine fisica del mondo I. Newton. Tracciò un quadro armonioso del sistema planetario, fornì una rigorosa teoria quantitativa del moto planetario. L'apice della sua meccanica era la teoria della gravità, che proclamava la legge universale della natura - legge di gravità. Secondo questa legge, due corpi qualsiasi si attraggono con una forza che è direttamente proporzionale alla loro massa e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro.

Questa legge è espressa dalla seguente formula:

dove: K- costante gravitazionale; m1, m2- masse gravitanti; r- la distanza tra loro.

Questa legge non dice nulla sulla dipendenza della gravità dal tempo. La forza di gravità, puramente matematicamente, può essere chiamata a lungo raggio, collega istantaneamente i corpi interagenti e il suo calcolo non richiede alcuna ipotesi sul mezzo che trasmette l'interazione.

Avendo esteso la legge di gravitazione all'intero Universo, Newton considerò anche la sua possibile struttura. È giunto alla conclusione che l'universo è infinito. Solo in questo caso può contenere molti oggetti spaziali: centri di gravità. Nell'ambito del modello newtoniano dell'Universo, è stata stabilita l'idea dello spazio infinito, in cui sono presenti oggetti cosmici, interconnessi dalla forza di gravità. La scoperta delle leggi fondamentali dell'elettro- e della magnetostatica che seguirono nella seconda metà del 18° secolo, simili in forma matematica alla legge di gravitazione universale, confermò ulteriormente nella mente degli scienziati l'idea di forze a lungo raggio che dipendono solo dalla distanza, ma non dal tempo.

La svolta verso le idee di azione a corto raggio è associata alle idee di Faraday e Maskwell, che sviluppò il concetto di campo elettromagnetico come realtà fisica indipendente. Il punto di partenza per questo è stato il riconoscimento dell'interazione a corto raggio e la velocità finita di trasmissione di qualsiasi interazione.

La conclusione che il campo elettromagnetico dell'onda si stacca dalla scarica e può esistere e propagarsi indipendentemente nello spazio sembrava assurda. Lo stesso Maxwell ha cercato ostinatamente di derivare le sue equazioni da proprietà meccaniche etere. Ma quando Hertz scoprì sperimentalmente l'esistenza delle onde elettromagnetiche, questa fu considerata una prova decisiva della validità della teoria di Maxwell. Il posto dell'azione istantanea a lungo raggio era preso dall'azione a corto raggio trasmessa a velocità finita.

L'azione ravvicinata è una rappresentazione secondo la quale l'interazione tra corpi distanti tra loro avviene con l'ausilio di un mezzo intermedio (campo) e avviene a velocità finita. Agli inizi del Settecento, contemporaneamente alla teoria dell'azione a corto raggio, nacque la teoria opposta dell'azione a lungo raggio, secondo la quale i corpi agiscono gli uni sugli altri senza intermediari, attraverso un vuoto, a qualsiasi distanza, e tale l'interazione avviene a una velocità infinitamente alta (ma obbedisce a determinate leggi). Un esempio di azione a lungo raggio può essere considerato la forza di gravitazione universale nella teoria classica della gravità di I. Newton.

M. V. Lomonosov è considerato uno dei fondatori della teoria dell'azione a corto raggio. Lomonosov era un oppositore della teoria a lungo raggio, credendo che un corpo non possa agire istantaneamente su altri corpi. Credeva che l'interazione elettrica fosse trasmessa da corpo a corpo attraverso uno speciale mezzo "etere" che riempie tutto lo spazio vuoto, in particolare lo spazio tra le particelle che compongono la "materia pesante", cioè la sostanza. fenomeni elettrici, secondo Lomonosov, dovrebbero essere considerati come certi movimenti microscopici che si verificano nell'etere. Lo stesso vale per i fenomeni magnetici.

Tuttavia, le idee teoriche di Lomonosov e L. Euler non potevano essere sviluppate in quel momento. Dopo la scoperta della legge di Coulomb, che nella sua forma era la stessa della legge di gravitazione universale, la teoria dell'azione a lungo raggio soppianta completamente la teoria dell'azione a corto raggio. E solo all'inizio del XIX secolo M. Faraday fece rivivere la teoria dell'azione a corto raggio. Secondo Faraday, cariche elettriche non si influenzano direttamente a vicenda. Ognuno di loro crea campi elettrici e magnetici (se si muove) nello spazio circostante. I campi di una carica agiscono su un'altra e viceversa. Il riconoscimento generale della teoria dell'azione a corto raggio inizia nella seconda metà del XIX secolo, dopo la dimostrazione sperimentale della teoria di J. Maxwell, che riuscì a dare alle idee di Faraday una forma quantitativa esatta, tanto necessaria in fisica: una sistema di equazioni del campo elettromagnetico.

Un'importante differenza tra la teoria dell'azione a corto raggio e la teoria dell'azione a lungo raggio è la presenza velocità massima propagazione delle interazioni (campi, particelle) - la velocità della luce. Nella fisica moderna, c'è una chiara divisione della materia in particelle-partecipanti (o sorgenti) di interazioni (chiamate materia) e particelle-portatori di interazioni (chiamate campo). Dei quattro tipi di interazioni fondamentali, tre hanno ricevuto una verifica sperimentale affidabile dell'esistenza di particelle portanti: interazioni forti, deboli ed elettromagnetiche. Attualmente, si stanno tentando di rilevare i portatori di interazione gravitazionale - i cosiddetti

Grazie alle ricerche e ai risultati di Oersted, Faraday, Maxwell, Hertz, Popov, è stato dimostrato che la materia esiste non solo sotto forma di materia, ma anche sotto forma di campo. Il riconoscimento della realtà del campo elettromagnetico significava la vittoria in fisica concetti a distanza ravvicinata oltre lo standard nel XIX secolo. concetto a lungo raggio. Diamo un'occhiata all'essenza di questi concetti.

Lungo raggio e corto raggio: concetti opposti, progettati per spiegare carattere generale interazioni di oggetti fisici.

Immediatamente dopo la scoperta di Newton della legge di gravitazione universale, e poi dopo la scoperta di Coulomb della legge dell'interazione elettrostatica delle cariche, sorsero domande filosofiche: perché i corpi fisici con massa agiscono l'uno sull'altro a distanza attraverso lo spazio vuoto e perché i corpi carichi interagiscono anche attraverso un ambiente elettricamente neutro? Prima dell'introduzione del concetto di campo, non c'erano risposte soddisfacenti a queste domande. Per molto tempo si è creduto che l'interazione tra i corpi potesse essere effettuata direttamente attraverso lo spazio vuoto, che non prende parte al trasferimento dell'interazione e il trasferimento dell'interazione, quindi, avviene istantaneamente. Questa ipotesi è l'essenza del concetto lungo raggio consentendo l'azione al di fuori del tempo e dello spazio. Dopo Newton, questo concetto diventa ampio utilizzo in fisica, sebbene lo stesso Newton abbia capito che le forze a lungo raggio da lui introdotte (ad esempio la gravitazione) sono solo un dispositivo formale che consente di dare una descrizione dei fenomeni osservati in una certa misura corretta.

Nella ricerca sull'elettricità e sul magnetismo, il concetto di azione a lungo raggio, poco prima della ricerca di Faraday, ha sconfitto il prevalente a lungo il concetto meccanicistico di stretta interazione, secondo il quale i corpi interagenti devono toccarsi. Questa vittoria ha portato a una serie di importanti teorie e leggi (legge di Coulomb, elettrodinamica di Ampère). Tuttavia, entro la metà del XIX secolo. l'idea della necessità di abbandonare l'azione a lungo raggio nell'elettrodinamica, il riconoscimento del principio dell'azione a corto raggio e la velocità finita di propagazione dei disturbi elettromagnetici iniziarono a prendere il sopravvento nelle menti degli scienziati (Gauss, Riemann), ma nessuno tranne Maxwell ha sviluppato questa idea e l'ha portata al livello di una teoria scientifica.

Concetto corto raggio afferma che qualsiasi impatto su oggetti materiali può essere trasmesso solo da un dato punto nello spazio al punto vicino più vicino e per un periodo di tempo finito. Nella teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell, è stato dimostrato che l'interazione di corpi caricati elettricamente non è istantanea, ma con una velocità finita uguale alla velocità della luce nel vuoto - 300000 km/s.

Pertanto, lo sviluppo del concetto di campo fisico ha contribuito a rafforzare il concetto di interazione a corto raggio, che si estende non solo all'elettromagnetico, ma anche ad altri tipi di interazione.

Sviluppo dei concetti di spazio e tempo nella teoria della relatività speciale

Nel quadro meccanicistico del mondo, i concetti spazio e tempo considerato indipendentemente dalle proprietà della materia in movimento. Lo spazio agisce in esso come una specie di ricettacolo per i corpi in movimento, e il tempo come un parametro il cui segno può essere invertito. Un'altra caratteristica dell'immagine meccanicistica del mondo è che in esso lo spazio e il tempo come forme dell'esistenza della materia sono studiati separatamente e separatamente, per cui la loro connessione non è stabilita.

Il principio di relatività

Quando l'immagine meccanicistica del mondo dominava nelle scienze naturali e si tendeva a ridurre la spiegazione di tutti i fenomeni naturali alle leggi della meccanica, principio di relatività, formulato da Galileo nell'ambito della meccanica classica, non era soggetto ad alcun dubbio. La situazione è cambiata radicalmente quando i fisici hanno affrontato lo studio dei fenomeni elettrici, magnetici e ottici. Maxwell ha unito tutti questi fenomeni all'interno di una teoria elettromagnetica unificata. A questo proposito è sorta spontanea la domanda: il principio di relatività vale anche per i fenomeni elettromagnetici?

Nel 1905 il matematico e fisico francese A. Poincaré (1854–1912) formulò il principio di relatività come una legge fisica generale valida anche per i fenomeni meccanici ed elettromagnetici. Secondo questo principio, le leggi dei fenomeni fisici devono essere le stesse sia per un osservatore in quiete che per un osservatore in stato di uniforme moto rettilineo. Basata sul principio di relatività, si è sviluppata una nuova teoria fisica dello spazio e del tempo - .

A. Poincaré è stato il primo a suggerire che il principio di uguaglianza di tutti i sistemi di coordinate inerziali dovrebbe applicarsi anche ai fenomeni elettromagnetici, cioè Il principio di relatività si applica a tutti i fenomeni naturali. Ciò ha portato alla necessità di riconsiderare il concetto di spazio e tempo. Tuttavia, Poincaré non ha indicato la necessità di questo. Ciò è stato fatto per la prima volta da A. Einstein (1979–1955).

Teoria della relatività speciale- una teoria fisica che considera lo spazio e il tempo come forme strettamente correlate dell'esistenza della materia. La teoria della relatività speciale è stata creata nel 1905-1908. lavori di H. Lorentz, A. Poincaré, A. Einstein e G. Minkowski basati sull'analisi di dati sperimentali relativi all'ottica e fenomeni elettromagnetici, che sono generalizzati dai seguenti postulati:

· principio di relatività secondo il quale tutte le leggi della natura devono essere le stesse in tutto sistemi inerziali riferimento;

· principio di costanza della velocità della luce, secondo cui la velocità della luce nel vuoto è la stessa in tutti i sistemi di riferimento inerziali e non dipende dal movimento delle sorgenti luminose e dei ricevitori.

Il principio di relatività nella formulazione di Einstein è una generalizzazione del principio di relatività di Galileo, formulato solo per movimento meccanico. Questo principio deriva da tutta una serie di esperimenti relativi all'elettrodinamica e all'ottica dei corpi in movimento.

Gli esperimenti esatti di Michelson negli anni '80 del XIX secolo. ha mostrato che durante la propagazione delle onde elettromagnetiche, le velocità non si sommano. Ad esempio, se lungo la direzione di marcia di un treno la cui velocità è uguale a v1, invia un segnale luminoso ad una velocità v2, vicino alla velocità della luce nel vuoto, allora la velocità del segnale rispetto alla piattaforma è inferiore alla somma v1+v2 e generalmente non può superare la velocità della luce nel vuoto. Velocità di propagazione segnale di luce non dipende dalla velocità della sorgente luminosa. Questo fatto entrò in conflitto con il principio di relatività di Galileo.

Il principio della costanza della velocità della luce può, ad esempio, essere verificato misurando la velocità della luce dai lati opposti del Sole rotante: un bordo del Sole si muove sempre verso di noi, e l'altro nella direzione opposta. Nonostante il movimento della sorgente, la velocità della luce nel vuoto è sempre la stessa e uguale s=300000 km/s.

Questi due principi si contraddicono dal punto di vista delle idee principali della fisica classica.

Sorse un dilemma: il rifiuto del principio della costanza della velocità della luce o del principio di relatività. Il primo principio è stato stabilito in modo così preciso e inequivocabile che sarebbe chiaramente ingiustificato rifiutarlo, e inoltre è connesso con un'eccessiva complicazione della descrizione dei processi della natura. Non meno difficoltà sorgono quando il principio di relatività viene negato nel campo dei processi elettromagnetici.

L'apparente contraddizione tra il principio di relatività e la legge della costanza della velocità della luce sorge perché la meccanica classica, secondo Einstein, si basava su "due ipotesi ingiustificate":

l'intervallo di tempo tra due eventi non dipende dallo stato di moto del sistema di riferimento;

Distanza spaziale tra due punti corpo solido non dipende dallo stato di moto del sistema di riferimento.

Sulla base di queste ipotesi apparentemente abbastanza ovvie, la meccanica classica ha tacitamente ammesso che i valori dell'intervallo di tempo e della distanza hanno valori assoluti, cioè non dipendono dallo stato di moto del corpo di riferimento. Si è scoperto che se una persona in un'auto in movimento uniforme supera, ad esempio, una distanza di 1 metro in un secondo, passerà anche lo stesso percorso rispetto al fondo stradale in un secondo. Allo stesso modo, si riteneva che le dimensioni spaziali dei corpi nei sistemi di riferimento in appoggio e in movimento rimanessero le stesse. E sebbene questi presupposti dal punto di vista della coscienza ordinaria e del senso comune sembrino evidenti, non sono tuttavia d'accordo con i risultati di esperimenti accuratamente condotti che confermano le conclusioni della nuova teoria della relatività speciale.

3.4.2. Trasformazione di Lorentz

Einstein, lavorando sulla teoria della relatività speciale, non ha abbandonato il principio di relatività, ma, al contrario, gli ha dato di più forma generale. Allo stesso tempo era necessario trasformare radicalmente la comprensione dello spazio e del tempo, in una parola, creare un nuova teoria cambiamenti nelle relazioni spazio-temporali tra gli oggetti.

Consideriamo quali condizioni devono soddisfare le trasformazioni delle coordinate spaziali e del tempo nel passaggio da un quadro di riferimento all'altro. Se accettiamo l'assunto della meccanica classica sulla natura assoluta delle distanze e del tempo, allora le equazioni di trasformazione, chiamate trasformazione galileiana, avranno la seguente forma:

x = x' + vt',

y = y',

z = z',

t = t'.

Tuttavia, il riconoscimento del principio della costanza della velocità della luce ha richiesto la sostituzione della trasformazione galileiana con altre formule che non contraddicono questo principio. Einstein ha mostrato che una tale trasformazione, che non contraddice il principio di costanza della velocità, è la cosiddetta Trasformazione di Lorentz, dal nome del fisico olandese H.A. Lorenz (1853–1928).

Nel caso in cui un sistema di riferimento si muova rispetto all'altro in modo uniforme e rettilineo lungo l'asse x X, le formule per la trasformazione di Lorentz, inclusa la trasformazione del tempo, hanno la forma:

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 ,

dove vè la velocità di movimento del sistema di coordinate (x',y',z') rispetto al sistema di coordinate (x,y,z),  cè la velocità della luce.

Sulla base delle trasformazioni di Lorentz, è facile verificare che un righello rigido che si muove nella direzione della sua lunghezza sarà più corto di uno fermo, e più corto sarà più veloce sarà il movimento. Infatti, utilizzando la prima equazione della trasformazione di Lorentz, otteniamo che la lunghezza del righello mobile rispetto al sistema di riferimento fisso l \u003d l 0 (1–v 2 / c 2) 1/2, dove l 0 - la lunghezza del righello nel sistema di riferimento associato al righello.

Meccanica relativistica

Teoria della relatività speciale originato da elettrodinamica e ha fatto poco per cambiarne il contenuto, ma d'altra parte ha notevolmente semplificato la sua costruzione teorica, cioè derivazione di leggi e, soprattutto, ha ridotto il numero di ipotesi indipendenti sottostanti.

Insieme a meccanica classica il caso è un po' diverso. Per essere coerente con i postulati della teoria della relatività speciale, la meccanica classica necessita di alcune modifiche. Questi cambiamenti riguardano principalmente le leggi dei movimenti veloci, cioè moto paragonabile alla velocità della luce. In condizioni terrestri ordinarie, incontriamo velocità molto inferiori alla velocità della luce, e quindi le correzioni che la teoria della relatività richiede di apportare sono estremamente piccole e in molti casi possono essere praticamente trascurate.

Nuova meccanica basata su Il principio di relatività speciale di Einstein, che è una combinazione del principio di relatività con l'affermazione sulla finitezza della velocità massima di propagazione dell'interazione, è chiamato meccanica relativistica.

Le principali conclusioni della meccanica relativistica sono le asserzioni che la massa di un corpo m, la sua lunghezza l e durata dell'evento Dt dipendono dal valore del rapporto tra la velocità del corpo v alla velocità della luce c e sono definiti dalle formule:

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,

dove m 0 , l 0 , Dt 0 sono la massa del corpo, la sua lunghezza e la durata dell'evento nel quadro di riferimento associato al corpo.

Ad esempio, se due veicoli spaziali sono in uno stato di movimento relativo, un osservatore su ciascuna delle navi vedrà l'altra nave rimpicciolirsi nella direzione del movimento e gli astronauti perderanno peso e si muoveranno lentamente. Tutti i fenomeni con movimenti periodici sembreranno rallentati: il movimento di un pendolo, l'oscillazione degli atomi, ecc. A velocità normali, questi cambiamenti sono estremamente piccoli: la Terra, che si muove attorno al Sole ad una velocità 30 km/h, sembrerebbe a un osservatore in quiete rispetto al Sole ridotto di pochi centimetri. Quando le velocità relative sono molto grandi, i cambiamenti diventano significativi.

Oltre ai cambiamenti di lunghezza e tempo, la meccanica relativistica dà cambiamento di massa relativistico .

Si chiama la massa di un corpo, determinata misurando la forza necessaria per impartire una data accelerazione al corpo massa inerziale. Per un osservatore in navicella spaziale e riposando rispetto a qualche oggetto, la massa inerziale di questo oggetto rimane la stessa indipendentemente dalla velocità della nave v ed è chiamata massa a riposo. La massa inerziale di questo oggetto per un osservatore sulla Terra è chiamata massa relativistica e dipende dalla velocità relativa dell'osservatore e dell'oggetto di osservazione. Quando la velocità di un corpo si avvicina alla velocità della luce, la sua massa cresce indefinitamente e, al limite, si avvicina all'infinito. Pertanto, secondo la teoria della relatività, il moto con una velocità superiore a quella della luce è impossibile.

Dalla meccanica relativistica si può ricavare la legge del rapporto tra massa ed energia, che gioca un ruolo fondamentale nella fisica Nucleare:

E \u003d mc 2,

dove m- massa corporea, E- la sua energia.

La verifica sperimentale delle principali conclusioni della meccanica relativistica viene utilizzata per corroborare la teoria della relatività speciale di Einstein, che viene confermata quotidianamente nei laboratori degli scienziati atomici che lavorano con particelle che si muovono a velocità vicine a quella della luce. Movimenti con velocità paragonabili alla velocità della luce sono stati osservati per la prima volta sull'esempio degli elettroni e poi di altre particelle elementari. Esperimenti accuratamente progettati con tali particelle hanno infatti confermato le previsioni della relatività speciale secondo cui la loro massa aumenta con l'aumentare della velocità.

A velocità normali v<< c la meccanica relativistica passa alla meccanica classica di Newton. Basti, ad esempio, notare che anche alla velocità del satellite terrestre, che è di circa 8 km/s, la correzione della massa sarà di circa un due miliardesimo di essa. Nel 1928, il fisico inglese P. Dirac unì la teoria della relatività speciale e la meccanica quantistica (meccanica delle microparticelle) in meccanica quantistica relativistica descrivendo il movimento di microparticelle a velocità prossime a quella della luce.