Oddziaływanie materii - niezbywalna własność materia działająca jako przyczyna ruchu materii.

Podstawowe interakcje- różne, nieredukowalne rodzaje interakcji cząstki elementarne i złożone z nich ciała.

Istnieją cztery rodzaje interakcji:

1. Oddziaływanie grawitacyjne - odpowiedzialne za oddziaływanie między ciałami posiadającymi masę. Ma decydujące znaczenie w mega świecie - świecie planet, gwiazd, galaktyk.

2. Oddziaływanie elektromagnetyczne - odpowiedzialne za oddziaływania pomiędzy elektrycznie naładowanymi cząstkami a ciałami. Niezbędny w makrokosmosie i zjawiskach atomowych. Określa budowę i właściwości atomów i cząsteczek.

3. Oddziaływanie silne - odpowiedzialne za oddziaływanie między kwarkami i hadronami, za połączenie nukleonów w jądrze. Ma decydujące znaczenie w mikrokosmosie.

4. Oddziaływania słabe - odpowiedzialne za inne rodzaje oddziaływań między cząstkami elementarnymi - wszystkie rodzaje rozpadów beta jąder, procesy oddziaływania neutrin z materią, za wiele rozpadów cząstek elementarnych. Przejawia się w mikrokosmosie.

Racjonalistyczny światopogląd zakłada, że ​​każde zdarzenie ma przyczynę materialną: wpływ materialnego ciała (ciał). Dlatego każdy program racjonalnego wyjaśniania otaczającego świata zawiera idee dotyczące mechanizmów interakcje przedmioty materialne.

Pojęcie bliskiego zasięgu zakłada, że ​​interakcja możliwa jest tylko przy bezpośrednim kontakcie oddziałujących obiektów, każde działanie na odległość musi być przekazywane przez mediatory materialne, tzw. nośniki interakcji, ze skończoną prędkością.

Koncepcja dalekiego zasięgu zakłada, że ​​interakcja ciał materialnych nie wymaga materialnego pośrednika i może być przekazana natychmiast.

Koncepcję bliskiego działania przedstawił Arystoteles, który był przekonany, że na świecie nie ma pustki. W konsekwencji pomiędzy dowolnymi dwoma oddziałującymi ciałami znajduje się szereg innych sąsiadujących ze sobą ciał, które przenoszą interakcję poprzez bezpośredni kontakt.

W XVII wieku koncepcja działania krótkiego zasięgu została opracowana przez Rene Descartes. W mechanice Kartezjusza interakcja zachodzi tylko poprzez nacisk lub uderzenie, tj. kiedy ciała wchodzą w kontakt.

Koncepcja działania dalekiego zasięgu została prześledzona w atomistycznej teorii Demokryta i Leucippusa, ponieważ interakcja między atomami była przekazywana przez pustkę.

W mechanicznym obrazie świata, którego założycielem był Izaak Newton, przyjęto koncepcję działania dalekosiężnego, podczas gdy wierzono, że działanie jednego ciała na drugie jest zawsze działaniem drugiego na pierwsze, czyli interakcją.

W późny XIX w. powstał nowy pomysł- idea pola, którego główną rolą jest transfer interakcji. Michael Faraday wpadł na pomysł elektro pole magnetyczne, który przenosi oddziaływanie podczas elektryfikacji przewodników i namagnesowania substancji. Maxwell rozwinął i matematycznie sformalizował tę ideę. Zatem, w sercu elektromagnetycznego naukowego obrazu świata leży pojęcie bliskiego zasięgu. Mechanizm przenoszenia interakcji za pomocą pola jest następujący. Ciało uczestniczące w interakcji tworzy wokół siebie pole, które zajmuje obszar przestrzeni o promieniu równy promieniowi interakcje. Inne ciała nie oddziałują bezpośrednio z pierwszym ciałem, ale z polem stworzonym przez nie w punktach, w których się znajdują. Zmiana stanu jednego z oddziałujących ciał powoduje zakłócenie wytworzonego przez niego pola, które rozchodzi się w postaci fali, dociera do innych ciał i dopiero wtedy ich stan zaczyna się zmieniać. Wraz z polem elektromagnetycznym, które przenosi oddziaływania elektromagnetyczne, elektromagnetyczny obraz świata uwzględnia również pole grawitacyjne – nośnik sił grawitacyjnych.

W malarstwo współczesne pokój otrzymany pomysł w terenie dalszy rozwój. Mechanizm interakcji pola został określony w mechanizm pola kwantowego. Z punktu widzenia współczesnej fizyki wszystkie formy istnienia materii są dyskretne. Zaburzenie pola - fala - zgodnie z dualizmem korpuskularno-falowym, można jednocześnie rozpatrywać jako zbiór cząstek - kwanty pola. Dlatego oddziaływanie niesione przez pole jest uważane za proces wymiany kwantów pola między oddziałującymi ciałami a cząsteczkami materii. Kwanty wymieniane między oddziałującymi ciałami nie są zwykłymi cząsteczkami, ale wirtualnymi cząsteczkami. Wirtualne cząstki różnią się tym, że nie można ich wykryć podczas ich istnienia. Ich istnienie i właściwości można oceniać tylko pośrednio - na podstawie siły przenoszonej interakcji. Bezpośrednia rejestracja wirtualnej cząstki jest niemożliwa. Na przykład wirtualny foton nie może zostać zarejestrowany przez wrażenia wzrokowe na siatkówce. Opis mechanizmu oddziaływania w języku wymiany cząstek wirtualnych nie wyklucza, ale uzupełnia klasyczny opis w języku pól i fal. Tym samym koncepcja dalekosiężnego działania w nauce okazała się całkowicie odrzucona.

Od dalekiego do krótkiego: teoria pole elektromagnetyczne.

Idea jedności różnych sił natury i jej empiryczne potwierdzenie. Na początku XIX wieku. zaczynają kłaść fundamenty teorii elektryczności i magnetyzmu. Ważną rolę odegrała tu ideologiczna idea jedności sił natury. Tu zaczął duński fizyk HC Oersted (1777-1851), który uzyskał stopień doktora filozofii. Jego uwagę zwróciła idea niemieckiego filozofa przyrody F. Schellinga o wzajemnym oddziaływaniu sił przyrody. W 1813 r. naukowiec postawił problem - znaleźć związek między „elektrycznością woltaiczną” a magnetyzmem. Rozwiązanie pojawiło się w 1820 roku, kiedy odkryto, że prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne wokół przewodnika, które oddziałuje na igłę magnetyczną. W 1821 Francuz AM Ampère (1775-1836) odkryli, że dwa równoległe do siebie przewodniki z prądem elektrycznym zachowują się jak dwa magnesy: jeśli prądy płyną w tym samym kierunku, to przewodniki przyciągają się, w przypadku przeciwnych kierunków odpychają. angielski fizyk M. Faraday (1791-1867) pojawił się problem odwrotnej zależności: czy pole magnetyczne może generować prąd w przewodniku? W 1831 ustalił, że w przewodniku umieszczonym w zmiennym polu magnetycznym pojawia się prąd. W ten sposób odkryto zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Wszystkie te empiryczne prawa połączyła matematyczna teoria niemieckiego fizyka W. E. Weber (1804-1891). Opierał się na idei sił dalekiego zasięgu, które są spokrewnione z Newtonem siła grawitacji, który nie potrzebuje pośredniego środowiska i działa natychmiast. Autorytet Newtona w środowisku fizyków był tak wysoki, że naukowcy ślepo podążali za jego wezwaniem „nie wymyślać hipotez” na temat mechanizmu działania sił. A jednak zdarzały się wyjątki, przede wszystkim w osobie Faradaya.

Pracując jako introligator w drukarni, Faraday samodzielnie studiował fizykę i ta pasja zaprowadziła go do nauki. Jako wierzący był pewien związku między zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi, ponieważ „natura jest jednym z Boga”. Samouk, niekonwencjonalne myślenie i talent do eksperymentowania uczyniły z niego światowej klasy naukowca. Nie opanował skomplikowanej matematyki swoich czasów, dlatego całą swoją siłę poświęcił eksperymentom i zrozumieniu ich wyników. Idea działania dalekiego zasięgu, która zdominowała wydziały uczelni, nie wpłynęła na umysł Faradaya. Co więcej, różne eksperymenty przekonały go o krótkozasięgowym działaniu sił elektrycznych i magnetycznych. W związku z tym szczególnie wyróżniono fakty dotyczące ruchu przewodników (opiłki żelaza w pobliżu magnesu, druty i obwody z prądem itp.)

W przypadku elektryczności i magnetyzmu działanie bliskiego zasięgu jest uniwersalne. Innowacyjne myślenie Faradaya przewidywało zmiany ideologiczne w fizycznym obrazie natury. Pomysł Newtona na działanie dalekiego zasięgu odegrał pozytywną rolę w tworzeniu prawa powaga. Pod nieobecność niezbędne fakty i właściwej matematyki, nie pozwoliła naukowcom dać się ponieść konstruowaniu przedwczesnych spekulacyjnych modeli grawitacji. Ale w pierwszej połowie XIX wieku. sytuacja zaczęła się zmieniać. Fizyka stała się podatna na kartezjańskie idee dotyczące ruchu różnych obiektów materialnych, mediów działających jako nośniki sił bliskiego zasięgu. W optyce koncepcja newtonowska ustąpiła falowej teorii światła z modelem oscylacji ośrodka eterycznego. W teoria kinetyczna ciepło pojawiło się w postaci ruchu atomów i cząsteczek materii. Mechanika kontinuum również przyczyniła się do ożywienia idei kartezjańskich. Potrzebę zmian jako pierwsi poczuli naukowcy z wytrawną intuicją. Tak, niemiecki badacz W celu. F. Gauss (1777-1855) a jego uczeń B. Riemann zasugerował, że siły elektrodynamiczne nie działają natychmiast, ale ze skończoną prędkością równą prędkości światła. Ponadto do połowy XIX wieku. uformowane metody matematyczne w postaci równań różniczkowych w pochodnych cząstkowych. Aparat ten stał się niezbędny do realizacji idei działania krótkodystansowego. Wiele równań hydrodynamiki i termodynamiki okazało się odpowiednich dla elektrodynamiki. W latach 40-50. problem tworzenia elektrodynamiki opartej na zasadzie działania krótkozasięgowego był na porządku dziennym i został rozwiązany przez Maxwella.

Empiryczne prawa Faradaya są tłumaczone na język matematyki. Jako materiał wyjściowy Maxwell wziął empiryczne uogólnienia Faradaya. Widział swoje główne zadanie w nadaniu im odpowiedniej formy matematycznej. Ta praca okazała się daleka od formalności, ponieważ przełożenie obrazów empirycznych na język matematyki wymagało szczególnej kreatywności. Tak więc, analizując indukcję elektromagnetyczną, Faraday wysunął ideę „stanu elektrotonicznego”, w którym zmiana pola magnetycznego powoduje wir pole elektryczne.

Pole i eter. Ze spuścizny Faradaya Maxwell wziął także zasadę działania bliskiego zasięgu i ideę pola. Uzupełniały się, gdyż akcja bliskiego zasięgu musi odbywać się w materialnym ciągłym medium, a pole działa właśnie w tym medium. To prawda, że ​​Faraday rozumiał pole w nieskończoność i uważał to medium za coś podobnego do medium gazowego. I nie jest przypadkiem, że Maxwell początkowo budował modele pola elektrycznego, umieszczając je w specjalnym płynnym ośrodku, który jest nieściśliwy, bezwładnościowy i przepływa, doświadczając oporu. Później jako medium utrwalono dla niego eter, który wypełnia całą przestrzeń i przenika wszystkie ważkie ciała. Pomysł ten był szeroko stosowany przez Thomsona, pod którego wpływem naukowym znajdował się Maxwell. Stąd jego pole stało się obszarem eteru, bezpośrednio połączonym z elektrycznym i zjawiska magnetyczne: "...Pole elektromagnetyczne to ta część przestrzeni, która zawiera i otacza ciała znajdujące się w stanie elektrycznym lub magnetycznym."

Ekstrawagancja prądu polaryzacji. Idee pola i eteru odegrały decydującą rolę w zrozumieniu centralnego elementu teorii - hipotezy prądu przemieszczeniowego. W eksperymentach Faradaya efekty zaobserwowano w dużej odległości od elektryczności przepływającej przez przewodnik. Tego samego wyjaśnienia wymagał fakt fragmentu prąd przemienny przez izolator oddzielający dwie płytki kondensatora. W uznaniu nowego gatunku prąd elektryczny Swoją rolę mogą odegrać względy symetrii - prąd przewodzenia jest uzupełniany przez prąd przesunięcia. Ale jak możliwy jest ruch tych ostatnich? I tutaj do gry wszedł eter. Podobnie jak dyrygent, jest to ciało o bardzo dużym rozrzedzeniu i przepuszczalności. Elastyczne właściwości eteru pozwalają na zmienną pole elektryczne poruszać się tam iz powrotem, to znaczy wahać się. Jest to prąd przesunięcia, który ma postać fali oscylacyjnej i rozchodzi się w eterze na zewnątrz przewodników. Podobnie jak prąd przewodzenia, może generować pole magnetyczne. Zgodnie z prawem indukcji przemienne pole magnetyczne wytwarza przemienne pole elektryczne. Swoją teorią Maxwell zatwierdził pełną interakcję: każde zmienne pole elektryczne, oparte albo na prądzie przewodzenia, albo na prądzie przesunięcia, generuje pole magnetyczne. Istnieje symetria wzajemnych oddziaływań pól dynamicznych, która stanowi jednolitą naturę pola elektromagnetycznego.

Światło jako pole elektromagnetyczne. Teoria Maxwella pomogła lepiej zrozumieć istotę światła. Od czasów starożytnych istniała hipoteza korpuskularna (łac. corpusculum – ciało), która głosiła, że ​​światło jest strumieniem poruszających się prostoliniowo, bardzo małych cząstek. Według innego założenia światło to fala o bardzo małej długości. Na początku XIX wieku. E. Jung i O. Fresnel przedstawili przekonujące argumenty na rzecz hipotezy falowej. Pomiary wykazały, że prędkość światła wynosi około 300 000 km/s.

Pole elektromagnetyczne to nie tylko światło. Zgodnie z teorią Maxwella fale elektromagnetyczne rozchodzą się również z prędkością 300 000 km/s. Koincydencja prędkości i falowa teoria światła skłoniły naukowca do przypisania światła procesom elektromagnetycznym. Teoria światła jako kolejnej przemiany pól elektrycznych i magnetycznych nie tylko dobrze wyjaśniała stare fakty, ale także przewidywała nieznane zjawiska. Oprócz światła widzialnego powinno występować promieniowanie podczerwone, ultrafioletowe i inne rodzaje fal. Światło musi też wywierać pewien nacisk na materię.

Doświadczona detekcja fale elektromagnetyczne . Teoria Maxwella została opublikowana w 1873 roku w Traktacie o elektryczności i magnetyzmie. Prawie wszyscy fizycy odnosili się do tego sceptycznie, hipoteza prądu przemieszczeniowego spowodowała szczególne odrzucenie. Takich egzotycznych pomysłów nie było w teoriach Webera i Helmholtza. W tej sytuacji wymagany był dowód decydujących eksperymentów i tak się stało. W 1887 niemiecki fizyk G. Hertz (1857-1894) stworzył generator fal elektromagnetycznych i przeprowadził ich odbiór. W ten sposób odkryto tajemniczy „prąd stronniczości”, który otworzył perspektywę nowej praktyki (radio, telewizja). W 1895 r. niemiecki fizyk V.K. Roentgen odkrył nowe promieniowanie zwane promieniowaniem rentgenowskim i okazało się, że są to fale elektromagnetyczne o częstotliwości wyższej niż promieniowanie ultrafioletowe. W 1900 rosyjski naukowiec PN Lebiediew (1866-1912) przez bardzo subtelne eksperymenty odkrył ciśnienie fal świetlnych i zmierzył jego wielkość. Cała ta praktyka naukowa jednoznacznie wskazywała na teorię Maxwella jako na prawdziwy obraz natury.

Materia to materia i pole elektromagnetyczne. Ze względu na swój fundamentalny charakter teoria Maxwella znacząco wpłynęła na naukowy obraz przyrody. Upadł długoterminowy monopol idei materii, a poprzez koncepcję pola elektromagnetycznego idea pola fizycznego zaczęła się formować jako niezależne gatunki materiał. Program odkrywania jedności natury przyniósł niezwykłe rezultaty – dawna różnica między elektrycznością a magnetyzmem ustąpiła miejsca jednemu procesowi elektromagnetycznemu. Maxwell zademonstrował wysoką moc heurystyczną hipotezy matematycznej i podał przykład syntezy matematyki z fizyką. Nowa elektrodynamika stała się koronnym osiągnięciem fizyki klasycznej.

Zadania.

1. Jakie trendy charakteryzowały rozwój biologii od XVI do XIX wieku?

2. Dlaczego odkrycie D. I. Mendelejewa prawo okresowe uważany za rewolucję w chemii?

3. Jakie wnioski ideologiczne wyciągnięto z prawa zachowania energii?

4. Dlaczego Machiści i Energetyści krytykowali atomistykę?

5. Czy można rozpoznać statystyczną prawidłowość ze stanowiska determinizmu Laplace'a?

6. Jakie nowe pomysły przyniosła elektrodynamika Maxwella?

100 r bonus za pierwsze zamówienie

Wybierz rodzaj pracy Praca dyplomowa Kurs pracy Streszczenie Praca magisterska Raport z praktyki Artykuł Raport Recenzja Test Monografia Rozwiązywanie problemów Biznesplan Odpowiedzi na pytania kreatywna praca Esej Rysunek Kompozycje Tłumaczenia Prezentacje Pisanie Inne Podnoszenie unikalności tekstu Praca dyplomowa Praca laboratoryjna Pomoc online

Zapytaj o cenę

Już w starożytnym świecie myśliciele myśleli o naturze i istocie przestrzeni i czasu. Niektórzy filozofowie negowali możliwość istnienia pustej przestrzeni lub, jak to ujęli, nieistnienia. Byli to przedstawiciele szkoły eleatycznej w Starożytna Grecja - Parmenidesa i Zenona. Inni filozofowie, w tym Demokryt, argumentowali, że pustka istnieje, podobnie jak atomy, i jest niezbędna do ich ruchów i połączeń.

Do XVI wieku w naukach przyrodniczych dominował geocentryczny system Ptolemeusza. Był to pierwszy uniwersalny matematyczny model świata, w którym czas był nieskończony, a przestrzeń skończona, w tym jednorodna Ruch na rondzie ciała niebieskie wokół odpoczywającej ziemi. Radykalna zmiana w przestrzennym i całym fizycznym obrazie nastąpiła w heliocentrycznym systemie świata, reprezentowanym przez: Kopernika. Uznając mobilność Ziemi, odrzucił wszelkie dotychczasowe wyobrażenia o jej wyjątkowości jako centrum Wszechświata i tym samym skierował ruch myśli naukowej w kierunku rozpoznania nieskończoności i nieskończoności przestrzeni. Ta idea została rozwinięta w filozofii Giordano Bruno, który doszedł do wniosku, że wszechświat jest nieskończony i nie ma centrum.

Ważną rolę w rozwoju idei przestrzeni odegrała otwarta Galileusz zasada bezwładności. Zgodnie z tą zasadą wszystkie zjawiska fizyczne (mechaniczne) zachodzą w ten sam sposób we wszystkich układach poruszających się jednostajnie i prostoliniowo ze stałą prędkością pod względem wielkości i kierunku.

Dalszy rozwój pojęcia przestrzeni i czasu wiąże się z fizycznym i kosmicznym obrazem świata R. Kartezjusz. Oparł ją na idei, że wszystkie zjawiska naturalne można wyjaśnić mechanicznym działaniem elementarnych cząstek materialnych. Ten sam wpływ Kartezjusz reprezentował w postaci ciśnienia lub uderzenia, gdy cząstki stykają się ze sobą i w ten sposób wprowadzają do fizyki ideę bliski zasięg.

Nowy fizyczny obraz świata został przedstawiony w mechanice klasycznej I. Newtona. Narysował harmonijny obraz układu planetarnego, dał rygorystyczną ilościową teorię ruchu planet. Szczytem jego mechaniki była teoria grawitacji, która głosiła uniwersalne prawo natury - prawo grawitacji. Zgodnie z tym prawem każde dwa ciała przyciągają się z siłą wprost proporcjonalną do ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi.

Prawo to wyraża następujący wzór:

gdzie: k- stała grawitacyjna; m1, m2- masy grawitacyjne; r- odległość między nimi.

Prawo to nie mówi nic o zależności grawitacji od czasu. Siłę grawitacji, czysto matematycznie, można nazwać dalekim zasięgiem, natychmiast łączy oddziaływujące ciała, a jego obliczenie nie wymaga żadnych założeń dotyczących medium, które przekazuje interakcję.

Rozszerzając prawo grawitacji na cały Wszechświat, Newton rozważył również jego możliwą strukturę. Doszedł do wniosku, że wszechświat jest nieskończony. Tylko w tym przypadku może zawierać wiele obiektów kosmicznych - środków ciężkości. W ramach newtonowskiego modelu Wszechświata powstała idea przestrzeni nieskończonej, w której znajdują się obiekty kosmiczne połączone grawitacyjnie. Odkrycie podstawowych praw elektro- i magnetostatyki, które nastąpiły w drugiej połowie XVIII wieku, podobnych w formie matematycznej do prawa powszechnego ciążenia, dodatkowo potwierdziło w umysłach naukowców ideę sił dalekiego zasięgu, które zależy tylko od odległości, ale nie od czasu.

Zwrot w stronę idei działania krótkodystansowego wiąże się z ideami Faradaya i Maskwella, który rozwinął koncepcję pola elektromagnetycznego jako niezależnej rzeczywistości fizycznej. Punktem wyjścia do tego było rozpoznanie oddziaływań krótkiego zasięgu i skończonej szybkości transmisji wszelkich oddziaływań.

Wniosek, że falowe pole elektromagnetyczne odrywa się od wyładowania i może niezależnie istnieć i rozprzestrzeniać się w kosmosie, wydawał się absurdalny. Sam Maxwell uparcie starał się wyprowadzić swoje równania z: właściwości mechaniczne eter. Ale kiedy Hertz eksperymentalnie odkrył istnienie fal elektromagnetycznych, uznano to za decydujący dowód słuszności teorii Maxwella. Miejsce natychmiastowej akcji dalekiego zasięgu zajęła akcja bliskiego zasięgu, przekazywana ze skończoną prędkością.

Bliskie działanie to przedstawienie, zgodnie z którym interakcja między ciałami odległymi od siebie odbywa się za pomocą pośredniego ośrodka (pola) i odbywa się ze skończoną prędkością. Na początku XVIII wieku, równolegle z teorią działania krótkozasięgowego, narodziła się przeciwna teoria działania dalekosiężnego, zgodnie z którą ciała działają na siebie bez pośredników, poprzez pustkę, na dowolną odległość i takie interakcja odbywa się z nieskończenie dużą prędkością (ale przestrzega pewnych praw). Przykładem działania dalekiego zasięgu może być siła powszechnego ciążenia w klasycznej teorii grawitacji I. Newtona.

M. V. Lomonosov jest uważany za jednego z twórców teorii działania bliskiego zasięgu. Łomonosow był przeciwnikiem teorii dalekiego zasięgu, uważając, że ciało nie może natychmiast oddziaływać na inne ciała. Uważał, że oddziaływanie elektryczne jest przekazywane z ciała do ciała przez specjalny ośrodek „eter”, który wypełnia całą pustą przestrzeń, w szczególności przestrzeń między cząsteczkami tworzącymi „masę ciężką”, czyli substancję. zjawiska elektryczne, zdaniem Łomonosowa, należy uznać za pewne mikroskopijne ruchy zachodzące w eterze. To samo dotyczy zjawisk magnetycznych.

Jednak idee teoretyczne Łomonosowa i L. Eulera nie mogły być wówczas rozwinięte. Po odkryciu prawa Coulomba, które w swej formie jest tożsame z prawem powszechnego ciążenia, teoria działania dalekosiężnego całkowicie wypiera teorię działania krótkozasięgowego. Dopiero na początku XIX wieku M. Faraday ożywił teorię działania bliskiego zasięgu. Według Faradaya ładunki elektryczne nie wpływają na siebie bezpośrednio. Każdy z nich wytwarza w otaczającej przestrzeni pola elektryczne i magnetyczne (jeśli się porusza). Pola jednego ładunku oddziałują na drugi i odwrotnie. Powszechne uznanie teorii działania bliskiego zasięgu rozpoczyna się w drugiej połowie XIX wieku, po eksperymentalnym dowodzie teorii J. Maxwella, któremu udało się nadać ideom Faradaya dokładną postać ilościową, tak niezbędną w fizyce - układ równań pola elektromagnetycznego.

Istotną różnicą między teorią działania krótkozasięgowego a teorią działania dalekosiężnego jest obecność prędkość maksymalna propagacja oddziaływań (pola, cząstki) - prędkość światła. We współczesnej fizyce istnieje wyraźny podział materii na cząstki-uczestników (lub źródła) oddziaływań (zwanych materią) i cząstki-nośniki oddziaływań (zwane polem). Spośród czterech typów oddziaływań fundamentalnych trzy otrzymały wiarygodną eksperymentalną weryfikację istnienia cząstek nośnika: oddziaływania silne, słabe i elektromagnetyczne. Obecnie podejmowane są próby wykrycia nośników oddziaływania grawitacyjnego – tzw

Dzięki badaniom i osiągnięciom Oersteda, Faradaya, Maxwella, Hertza, Popowa wykazano, że materia istnieje nie tylko w postaci materii, ale także w postaci pola. Rozpoznanie rzeczywistości pola elektromagnetycznego oznaczało zwycięstwo w fizyce koncepcje bliskiego zasięgu ponad standard z XIX wieku. koncepcja dalekiego zasięgu. Przyjrzyjmy się istocie tych pojęć.

Dalekiego i krótkiego zasięgu - przeciwstawne koncepcje, mające na celu wyjaśnienie ogólny charakter interakcje obiektów fizycznych.

Natychmiast po odkryciu przez Newtona prawa powszechnego ciążenia, a następnie po odkryciu przez Coulomba prawa elektrostatycznego oddziaływania ładunków, pojawiły się pytania filozoficzne: dlaczego ciała fizyczne z masą oddziałują na siebie na odległość poprzez pustą przestrzeń i dlaczego ciała naładowane oddziałują na siebie nawet w środowisku neutralnym elektrycznie? Przed wprowadzeniem koncepcji terenowej nie było satysfakcjonujących odpowiedzi na te pytania. Przez długi czas wierzono, że oddziaływanie między ciałami może odbywać się bezpośrednio przez pustą przestrzeń, która nie bierze udziału w przenoszeniu interakcji, a zatem przeniesienie interakcji następuje natychmiast. To założenie jest istotą koncepcji daleki zasięg pozwalając na działanie poza czasem i przestrzenią. Po Newtonie ta koncepcja staje się szerokie zastosowanie w fizyce, chociaż sam Newton rozumiał, że wprowadzone przez niego siły dalekosiężne (np. grawitacja) są jedynie formalnym urządzeniem, które pozwala na do pewnego stopnia poprawny opis obserwowanych zjawisk.

W badaniach nad elektrycznością i magnetyzmem koncepcja działania dalekiego zasięgu, na krótko przed badaniami Faradaya, pokonała dominujące długi czas mechanistyczna koncepcja bliskiej interakcji, zgodnie z którą oddziaływujące na siebie ciała muszą się dotykać. To zwycięstwo doprowadziło do wielu ważnych teorii i praw (prawo Coulomba, elektrodynamika Ampère'a). Jednak do połowy XIX wieku. idea konieczności porzucenia dalekosiężnych działań w elektrodynamice, uznanie zasady działania bliskiego zasięgu i skończonej prędkości propagacji zaburzeń elektromagnetycznych zaczęła przejmować umysły naukowców (Gauss, Riemann), ale nikt poza Maxwellem nie rozwinął tego pomysłu i nie doprowadził go do poziomu teorii naukowej.

Pojęcie krótki zasięg stwierdza, że ​​jakiekolwiek oddziaływanie na obiekty materialne może być przenoszone tylko z danego punktu w przestrzeni do najbliższego sąsiedniego punktu i przez skończony okres czasu. W teorii elektromagnetyzmu Maxwella udowodniono, że oddziaływanie ciał naładowanych elektrycznie nie jest chwilowe, ale ze skończoną prędkością równą prędkości światła w próżni - 300000 km/s.

Tym samym rozwój koncepcji pola fizycznego przyczynił się do wzmocnienia koncepcji oddziaływania krótkiego zasięgu, które obejmuje nie tylko oddziaływania elektromagnetyczne, ale także inne rodzaje oddziaływań.

Rozwój pojęć przestrzeni i czasu w szczególnej teorii względności

W mechanistycznym obrazie świata pojęcia przestrzeń oraz czas rozpatrywane niezależnie od właściwości poruszającej się materii. Przestrzeń działała w nim jako rodzaj pojemnika na poruszające się ciała, a czas jako parametr, którego znak można odwrócić. Inną cechą mechanistycznego obrazu świata jest to, że w nim przestrzeń i czas jako formy istnienia materii badane są oddzielnie i odrębnie, przez co ich związek nie jest ustalany.

Zasada względności

Kiedy w naukach przyrodniczych dominował mechanistyczny obraz świata i pojawiła się tendencja do sprowadzania wyjaśniania wszelkich zjawisk przyrodniczych do praw mechaniki, zasada względności, sformułowany przez Galileusza w ramach mechaniki klasycznej, nie budził żadnych wątpliwości. Sytuacja zmieniła się dramatycznie, gdy fizycy zajęli się badaniem zjawisk elektrycznych, magnetycznych i optycznych. Maxwell połączył wszystkie te zjawiska w ramach zunifikowanej teorii elektromagnetycznej. W związku z tym naturalnie pojawiło się pytanie: czy zasada względności obowiązuje również w przypadku zjawisk elektromagnetycznych?

W 1905 r. francuski matematyk i fizyk A. Poincaré (1854–1912) sformułował zasadę względności jako ogólne prawo fizyczne, które obowiązuje również dla zjawisk mechanicznych i elektromagnetycznych. Zgodnie z tą zasadą prawa zjawisk fizycznych muszą być takie same zarówno dla obserwatora w spoczynku, jak i obserwatora w stanie jednorodnym. ruch prostoliniowy. W oparciu o zasadę względności rozwinęła się nowa fizyczna teoria przestrzeni i czasu - .

A. Poincaré jako pierwszy zasugerował, że zasada równości wszystkich bezwładnościowych układów współrzędnych powinna mieć zastosowanie również do zjawisk elektromagnetycznych, tj. Zasada względności dotyczy wszystkich zjawisk naturalnych. Doprowadziło to do konieczności ponownego rozważenia koncepcji przestrzeń oraz czas. Poincare nie wskazał jednak na taką potrzebę. Po raz pierwszy zrobił to A. Einstein (1979-1955).

Szczególna teoria względności- teoria fizyczna, która traktuje przestrzeń i czas jako blisko spokrewnione formy istnienia materii. Szczególna teoria względności powstała w latach 1905-1908. prace H. Lorentza, A. Poincaré, A. Einsteina i G. Minkowskiego oparte na analizie danych eksperymentalnych związanych z optycznymi i zjawiska elektromagnetyczne, które uogólniają następujące postulaty:

· zasada względności zgodnie z którym wszystkie prawa natury muszą być we wszystkich takie same układy inercyjne odniesienie;

· zasada stałości prędkości światła, zgodnie z którym prędkość światła w próżni jest taka sama we wszystkich inercjalnych układach odniesienia i nie zależy od ruchu źródeł i odbiorników światła.

Zasada względności w sformułowaniu Einsteina jest uogólnieniem zasady względności Galileusza, sformułowanej tylko dla ruch mechaniczny. Zasada ta wynika z całej serii eksperymentów dotyczących elektrodynamiki i optyki poruszających się ciał.

Dokładne eksperymenty Michelsona w latach 80. XIX wieku. wykazali, że podczas propagacji fal elektromagnetycznych prędkości nie sumują się. Na przykład, jeśli wzdłuż kierunku ruchu pociągu, którego prędkość jest równa v1, wyślij sygnał świetlny z prędkością v2, zbliżona do prędkości światła w próżni, to prędkość sygnału względem platformy jest mniejsza niż suma v1+v2 i generalnie nie może przekraczać prędkości światła w próżni. Prędkość propagacji sygnał świetlny nie zależy od prędkości źródła światła. Fakt ten stał w sprzeczności z zasadą względności Galileusza.

Zasadę stałości prędkości światła można na przykład zweryfikować mierząc prędkość światła z przeciwnych stron wirującego Słońca: jedna krawędź Słońca zawsze porusza się w naszym kierunku, a druga w przeciwnym kierunku. Pomimo ruchu źródła prędkość światła w próżni jest zawsze taka sama i równa s=300000 km/s.

Te dwie zasady są ze sobą sprzeczne z punktu widzenia głównych idei fizyki klasycznej.

Powstał dylemat: odrzucenie albo zasady stałości prędkości światła, albo zasady względności. Pierwsza zasada została ustanowiona na tyle precyzyjnie i jednoznacznie, że odrzucenie jej byłoby wyraźnie nieuzasadnione, a poza tym wiąże się z nadmiernym komplikowaniem opisu procesów przyrody. Nie mniej trudności pojawiają się, gdy zaprzecza się zasadzie względności w dziedzinie procesów elektromagnetycznych.

Pozorna sprzeczność między zasadą względności a prawem stałości prędkości światła powstaje, ponieważ mechanika klasyczna, według Einsteina, opierała się na „dwóch nieuzasadnionych hipotezach”:

odstęp czasu między dwoma zdarzeniami nie zależy od stanu ruchu układu odniesienia;

Odległość przestrzenna między dwoma punktami ciało stałe nie zależy od stanu ruchu układu odniesienia.

Opierając się na tych pozornie dość oczywistych hipotezach, mechanika klasyczna milcząco przyznała, że ​​wartości przedziału czasu i odległości mają wartości bezwzględne, tj. nie zależą od stanu ruchu ciała odniesienia. Okazało się, że jeśli osoba w jednostajnie poruszającym się aucie przejedzie np. dystans 1 metra w ciągu jednej sekundy, to w ciągu jednej sekundy przejedzie też tą samą ścieżką w stosunku do drogi. Podobnie uważano, że przestrzenne wymiary ciał w spoczynkowych i ruchomych układach odniesienia pozostają takie same. I choć te założenia z punktu widzenia zwykłej świadomości i zdrowego rozsądku wydają się oczywiste, to jednak nie zgadzają się z wynikami starannie przeprowadzonych eksperymentów potwierdzających wnioski nowej, szczególnej teorii względności.

3.4.2. Transformacja Lorentza

Einstein, pracując nad szczególną teorią względności, nie porzucił zasady względności, ale wręcz przeciwnie, dał jej więcej ogólna forma. Jednocześnie konieczne było radykalne przekształcenie rozumienia przestrzeni i czasu, jednym słowem stworzenie fundamentalnie nowa teoria zmiany w relacjach czasoprzestrzennych między przedmiotami.

Zastanówmy się, jakie warunki muszą spełniać przekształcenia współrzędnych przestrzennych i czasu w przejściu z jednego układu odniesienia do drugiego. Jeśli przyjmiemy założenie mechaniki klasycznej o absolutnej naturze odległości i czasu, to równania transformacji, zwane transformacją Galileusza, będą miały postać:

x = x' + vt',

y = y ”,

z = z”,

t = t'.

Jednak uznanie zasady stałości prędkości światła wymagało zastąpienia transformacji Galileusza innymi formułami, które nie są sprzeczne z tą zasadą. Einstein wykazał, że taką transformacją, która nie jest sprzeczna z zasadą stałości prędkości, jest tzw Transformacja Lorentza, nazwany na cześć holenderskiego fizyka H. A. Lorenza (1853-1928).

W przypadku, gdy jeden układ odniesienia porusza się względem drugiego jednostajnie i prostoliniowo wzdłuż osi x X, wzory na transformację Lorentza, w tym transformację czasu, mają postać:

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 ,

gdzie v to prędkość ruchu układu współrzędnych (x',y',z') względem układu współrzędnych (x,y,z),  c to prędkość światła.

Na podstawie transformacji Lorentza łatwo jest sprawdzić, czy linijka sztywna poruszająca się w kierunku swojej długości będzie krótsza niż nieruchoma, a im krótsza, tym szybciej się porusza. Rzeczywiście, używając pierwszego równania transformacji Lorentza, otrzymujemy, że długość ruchomej linijki w odniesieniu do ustalonego układu odniesienia l \u003d l 0 (1–v 2 / c 2) 1/2, gdzie l 0 - długość linijki w układzie odniesienia powiązanym z linijką.

Mechanika relatywistyczna

Szczególna teoria względności zaczerpnięty z elektrodynamika i niewiele zmienił jego treść, ale z drugiej strony znacznie uprościł jego konstrukcję teoretyczną, tj. wyprowadzanie praw i, co najważniejsze, ograniczyło liczbę niezależnych hipotez leżących u jego podstaw.

Z Mechanika klasyczna sprawa jest nieco inna. Aby zachować zgodność z postulatami szczególnej teorii względności, mechanika klasyczna wymaga pewnych zmian. Zmiany te dotyczą głównie praw przyspieszonych ruchów, tj. ruch porównywalny z prędkością światła. W zwykłych warunkach ziemskich napotykamy prędkości znacznie mniejsze niż prędkość światła, dlatego poprawki, których wymaga teoria względności, są niezwykle małe i w wielu przypadkach można je praktycznie pominąć.

Nowa mechanika oparta na Specjalna zasada względności Einsteina, który jest połączeniem zasady względności ze stwierdzeniem o skończoności maksymalnej prędkości propagacji interakcji, nosi nazwę mechanika relatywistyczna.

Głównymi wnioskami mechaniki relatywistycznej są twierdzenia, że ​​masa ciała m, jego długość ja i czas trwania wydarzenia Dt zależą od wartości stosunku prędkości ciała v do prędkości światła c i są określone wzorami:

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,

gdzie m 0 , l 0 , Dt 0 są masa ciała, jego długość i czas trwania zdarzenia w układzie odniesienia związanym z ciałem.

Na przykład, jeśli dwa statki kosmiczne są we względnym ruchu, obserwator na każdym ze statków zobaczy, jak drugi statek kurczy się w kierunku ruchu, a astronauci chudną i będą poruszać się powoli. Wszystkie zjawiska o ruchach okresowych będą wydawały się spowolnione - ruch wahadła, drgania atomów itp. Przy normalnych prędkościach zmiany te są niezwykle małe: Ziemia, która porusza się wokół Słońca z prędkością 30 km/h, wydaje się obserwatorowi w spoczynku, że jest zmniejszona w stosunku do Słońca tylko o kilka centymetrów. Gdy prędkości względne są bardzo duże, zmiany stają się znaczące.

Oprócz zmian w długości i czasie mechanika relatywistyczna daje relatywistyczna zmiana masy .

Masę ciała, wyznaczoną przez pomiar siły potrzebnej do nadania ciału określonego przyspieszenia, nazywamy masa bezwładna. Dla obserwatora w statek kosmiczny i spoczywając w stosunku do jakiegoś obiektu, masa bezwładna tego obiektu pozostaje taka sama niezależnie od prędkości statku v i nazywa się masą spoczynkową. Masa bezwładności tego obiektu dla obserwatora na Ziemi nazywana jest masą relatywistyczną i zależy od względnej prędkości obserwatora i obiektu obserwacji. Gdy prędkość ciała zbliża się do prędkości światła, jego masa rośnie w nieskończoność i zbliża się do nieskończoności. Dlatego zgodnie z teorią względności ruch z prędkością przekraczającą prędkość światła jest niemożliwy.

Z mechaniki relatywistycznej można wyprowadzić prawo związku masy i energii, które odgrywa fundamentalną rolę w Fizyka nuklearna:

E \u003d mc 2,

gdzie m- masa ciała, MI- jego energię.

Eksperymentalna weryfikacja głównych wniosków mechaniki relatywistycznej służy uzasadnieniu szczególnej teorii względności Einsteina, która jest codziennie potwierdzana w laboratoriach atomistów pracujących z cząstkami poruszającymi się z prędkością bliską prędkości światła. Ruchy o prędkościach porównywalnych z prędkością światła zaobserwowano po raz pierwszy na przykładzie elektronów, a następnie innych cząstek elementarnych. Starannie zaprojektowane eksperymenty z takimi cząstkami rzeczywiście potwierdziły przewidywania szczególnej teorii względności, że ich masa wzrasta wraz ze wzrostem prędkości.

Przy normalnych prędkościach v<< c mechanika relatywistyczna przechodzi w mechanikę klasyczną Newtona. Wystarczy na przykład zauważyć, że nawet przy prędkości satelity Ziemi, która wynosi około 8 km/s, poprawka do masy wyniesie około jednej dwumiliardowej tej wartości. W 1928 r. angielski fizyk P. Dirac połączył specjalną teorię względności i mechanikę kwantową (mechanikę mikrocząstek) w relatywistyczna mechanika kwantowa opisujący ruch mikrocząstek z prędkością bliską prędkości światła.