Interacțiunea materiei - proprietate inalienabilă materie, acționând ca cauză a mișcării materiei.

Interacțiuni fundamentale- tipuri diferite, nereductibile de interacțiune particule elementare iar trupurile alcătuite din ei.

Există patru tipuri de interacțiune:

1. Interacțiune gravitațională – responsabilă de interacțiunea dintre corpurile care au masă. Este decisiv în lumea mega - lumea planetelor, stelelor, galaxiilor.

2. Interacțiune electromagnetică - responsabilă de interacțiunile dintre particulele și corpurile încărcate electric. Esențial în macrocosmos și fenomene atomice. Determină structura și proprietățile atomilor și moleculelor.

3. Interacțiune puternică - responsabilă de interacțiunea dintre quarci și hadroni, de conectarea nucleonilor din nucleu. Este decisiv în microcosmos.

4. Interacțiune slabă - responsabilă pentru alte tipuri de interacțiune între particulele elementare - toate tipurile de dezintegrare beta a nucleelor, procese de interacțiune a neutrinilor cu materia, pentru multe dezintegrari ale particulelor elementare. Se manifestă în microcosmos.

Viziunea raționalistă asupra lumii presupune că orice eveniment are o cauză materială: impactul corpului (corpurilor) material. Prin urmare, orice program de explicație rațională a lumii înconjurătoare include idei despre mecanisme interacțiuni obiecte materiale.

Conceptul de apropiere presupune că interacțiunea este posibilă numai prin contactul direct al obiectelor care interacționează, orice acțiune la distanță trebuie transmisă prin mediatori materiale, așa-numiții purtători de interacțiune, cu o viteză finită.

Concept de rază lungă presupune că interacțiunea corpurilor materiale nu necesită un intermediar material și poate fi transmisă instantaneu.

Conceptul de acțiune apropiată a fost propus de Aristotel, care era convins că în lume nu există gol. În consecință, între oricare două corpuri care interacționează există un număr de alte corpuri adiacente unul altuia, care transmit interacțiunea prin contact direct.

În secolul al XVII-lea conceptul de acţiune pe rază scurtă a fost dezvoltat de Rene Descartes. În mecanica lui Descartes, interacțiunea are loc numai prin presiune sau impact, adică. când corpurile intră în contact.

Conceptul de acțiune pe distanță lungă a fost urmărit în teoria atomistă a lui Democrit și Leucip, deoarece interacțiunea dintre atomi se transmitea prin vid.

În tabloul mecanic al lumii, al cărui fondator a fost Isaac Newton, a fost adoptat conceptul de acțiune pe distanță lungă, în timp ce se credea că acțiunea unui corp asupra altuia este întotdeauna acțiunea celui de-al doilea asupra primului, adică interacțiunea.

LA sfârşitul XIX-leaîn. apărea idee noua- ideea unui domeniu, al cărui rol principal este transferul interacțiunii. Michael Faraday a venit cu ideea de electro camp magnetic, care transmite interacțiunea în timpul electrificării conductoarelor și magnetizării unei substanțe. Maxwell a dezvoltat și formalizat matematic această idee. Prin urmare, în centrul tabloului științific electromagnetic al lumii constă conceptul de apropiere. Mecanismul de transfer al interacțiunii folosind un câmp este următorul. Corpul care participă la interacțiune creează un câmp în jurul său, care ocupă o zonă de spațiu cu o rază egală cu raza interacțiuni. Alte corpuri nu interacționează direct cu primul corp, ci cu câmpul creat de acesta în punctele în care se află. O modificare a stării unuia dintre corpurile care interacționează provoacă o perturbare a câmpului creat de acesta, care se propagă sub formă de undă, ajunge la alte corpuri și abia atunci starea acestora începe să se schimbe. Alături de câmpul electromagnetic, care poartă interacțiuni electromagnetice, tabloul electromagnetic al lumii ia în considerare și câmpul gravitațional - purtătorul forțelor gravitaționale.

LA pictura contemporană pace idee de teren primită dezvoltare ulterioară. Mecanismul de interacțiune în câmp a fost specificat în mecanism de câmp cuantic. Din punctul de vedere al fizicii moderne, toate formele de existență a materiei sunt discrete. Perturbarea câmpului - o undă - conform dualismului corpuscular-undă, poate fi considerată simultan ca un set de particule - cuante de câmp. Prin urmare, interacțiunea purtată de câmp este considerată ca un proces de schimb de quante de câmp între corpurile care interacționează și particulele de materie. Quanta schimbată între corpurile care interacționează nu sunt particule obișnuite, ci particule virtuale. Particulele virtuale diferă prin faptul că este imposibil să le detectezi în timpul existenței lor. Existența și proprietățile lor pot fi judecate doar indirect - după puterea interacțiunii transferate. Este imposibil să înregistrați direct o particulă virtuală. De exemplu, un foton virtual nu poate fi înregistrat prin senzația vizuală pe retină. Descrierea mecanismului de interacțiune în limbajul schimbului de particule virtuale nu exclude, ci completează descriere clasicăîn limbajul câmpurilor și al valurilor. Astfel, conceptul de acțiune pe distanță lungă în știință s-a dovedit a fi complet abandonat.

De la rază lungă la rază scurtă: teorie câmp electromagnetic.

Ideea unității diferitelor forțe ale naturii și confirmarea ei empirică. La începutul secolului al XIX-lea. încep să se pună bazele teoriei electricităţii şi magnetismului. Ideea ideologică a unității forțelor naturii a jucat un rol important aici. Aici a început un fizician danez H. C. Oersted (1777-1851), care și-a luat doctoratul în filozofie. Atenția i-a fost atrasă de ideea filozofului natural german F. Schelling despre influența reciprocă a forțelor naturale. În 1813, omul de știință a pus o problemă - să afle legătura dintre „electricitatea voltaică” și magnetism. Soluția a venit în 1820, când s-a descoperit că un curent electric creează un câmp magnetic în jurul unui conductor, care afectează acul magnetic. În 1821 un francez A. M. Ampère (1775-1836) a constatat că doi conductori paraleli unul cu celălalt cu un curent electric se comportă ca doi magneți: dacă curenții merg în același sens, atunci conductoarele se atrag, în cazul unor sensuri opuse, se resping. fizician englez M. Faraday (1791-1867) a pus problema relației inverse: poate un câmp magnetic să genereze un curent într-un conductor? În 1831, a stabilit că într-un conductor plasat într-un câmp magnetic alternativ apare un curent. Astfel, a fost descoperit fenomenul de inducție electromagnetică.

Toate aceste legi empirice au fost unite de teoria matematică a fizicianului german W. E. Weber (1804-1891). S-a bazat pe ideea forțelor cu rază lungă de acțiune, care sunt legate de Newtonian forta gravitationala, care nu are nevoie de un mediu intermediar si actioneaza instantaneu. Autoritatea lui Newton în comunitatea fizicii era atât de mare încât oamenii de știință i-au urmat orbește apelul „de a nu inventa ipoteze” despre mecanismul de acțiune al forțelor. Și totuși au existat excepții, în primul rând în persoana lui Faraday.

Lucrând ca liant într-o tipografie, Faraday a studiat în mod independent fizica și această pasiune l-a condus către știință. Ca credincios, era sigur de relația dintre fenomenele electrice și magnetice, deoarece „natura este una de la Dumnezeu”. Gândirea neconvențională autodidactă și talentul pentru experimentare l-au făcut un om de știință de talie mondială. Nu a stăpânit matematica complexă a timpului său și, prin urmare, și-a dedicat toată puterea experimentelor și înțelegerii rezultatelor acestora. Ideea acțiunii pe rază lungă, care a dominat departamentele universitare, nu a afectat mintea lui Faraday. Mai mult, diverse experimente l-au convins de acțiunea pe rază scurtă a forțelor electrice și magnetice. În acest sens, s-au distins în special faptele de mișcare a conductorilor (pilitură de fier în apropierea magnetului, fire și circuite cu curent etc.)

Pentru electricitate și magnetism, acțiunea cu rază scurtă de acțiune este universală. Gândirea inovatoare a lui Faraday a anticipat schimbări ideologice în imaginea fizică a naturii. Ideea lui Newton de acțiune pe distanță lungă a jucat un rol pozitiv în formarea legii gravitatie. In lipsa fapte necesareși matematică adecvată, nu a permis oamenilor de știință să se lase duși de construcția unor modele speculative premature ale gravitației. Dar în prima jumătate a secolului al XIX-lea. situația a început să se schimbe. Fizica a devenit receptivă la ideile carteziene despre mișcarea diferitelor obiecte materiale, mediile acționând ca purtători de forțe cu rază scurtă de acțiune. În optică, conceptul newtonian a făcut loc teoriei ondulatorii a luminii cu modelul oscilațiilor mediului eteric. LA teoria cinetică căldura a apărut sub formă de mișcare a atomilor și a moleculelor de materie. Mecanica continuumului a contribuit, de asemenea, la renașterea ideilor carteziene. Oamenii de știință cu intuiție ascuțită au fost primii care au simțit nevoia de schimbare. Da, un cercetător german La. F. Gauss (1777-1855) iar studentul său B. Riemann a sugerat că forțele electrodinamice nu acționează instantaneu, ci cu o viteză finită egală cu viteza luminii. În plus, până la mijlocul secolului al XIX-lea. a format metode matematice sub formă de ecuații diferențiale în derivate parțiale. Acest aparat a devenit necesar pentru realizarea ideii de acțiune pe distanță scurtă. Multe ecuații de hidrodinamică și termodinamică s-au dovedit a fi potrivite pentru electrodinamică. În anii 40-50. problema creării electrodinamicii bazate pe principiul acțiunii cu rază scurtă de acțiune era pe ordinea de zi și a fost rezolvată de Maxwell.

Legile empirice ale lui Faraday sunt traduse în limbajul matematicii. Maxwell a luat ca material de pornire generalizările empirice ale lui Faraday. El și-a văzut principala sarcină în a le oferi o formă matematică adecvată. Această lucrare s-a dovedit a fi departe de a fi formală, deoarece traducerea imaginilor empirice în limbajul matematicii necesita o creativitate specială. Deci, analizând inducția electromagnetică, Faraday a prezentat ideea unei „stare electrotonice”, în care o schimbare a câmpului magnetic provoacă un vortex. câmp electric.

Câmp și eter. Din moștenirea Faraday, Maxwell a preluat și principiul acțiunii pe rază scurtă și ideea unui câmp. Ele s-au completat reciproc, deoarece acțiunea pe rază scurtă trebuie să aibă loc într-un mediu material continuu, iar câmpul acționează tocmai în acest mediu. Adevărat, Faraday a înțeles câmpul la nesfârșit și a considerat mediul ca ceva asemănător cu un mediu gazos. Și nu este o coincidență că Maxwell a construit la început modele ale câmpului electric, plasându-l într-un mediu special asemănător unui lichid, care este incompresibil, inerțial și curge, experimentând rezistență. Mai târziu, eterul a fost fixat ca mediu pentru el, care umple tot spațiul și pătrunde în toate corpurile grele. Această idee a fost folosită pe scară largă de Thomson, sub a cărui influență științifică se afla Maxwell. De aici, câmpul său a devenit o zonă a eterului, conectată direct cu electricul și fenomene magnetice: „... Un câmp electromagnetic este acea parte a spațiului care conține și înconjoară corpuri care se află într-o stare electrică sau magnetică.”

Extravaganța curentului de polarizare. Ideile de câmp și de eter au jucat un rol decisiv în înțelegerea elementului central al teoriei - ipoteza curentului deplasării. În experimentele lui Faraday, efectele au fost observate la mare distanță de electricitatea care curge printr-un conductor. Aceeași explicație era cerută de faptul pasajului curent alternativ printr-un izolator care separă cele două plăci ale condensatorului. În recunoașterea unei noi specii curent electric considerațiile de simetrie ar putea juca rolul lor - curentul de conducere este completat de curentul de deplasare. Dar cum este posibilă mișcarea acestuia din urmă? Și aici a intrat în joc eterul. Asemenea unui dirijor, este un corp cu doar o mare rarefiere și permeabilitate. Proprietățile elastice ale eterului permit variabila câmp electric mișcă înainte și înapoi, adică fluctuează. Acesta este curentul de deplasare, care are forma unui proces oscilator de undă și se propagă în eter în afara conductorilor. La fel ca curentul de conducere, poate genera un câmp magnetic. Conform legii inducției, un câmp magnetic alternativ creează un câmp electric alternativ. Cu teoria sa, Maxwell a aprobat interacțiunea completă: orice câmp electric alternativ, bazat fie pe un curent de conducere, fie pe un curent de deplasare, generează un câmp magnetic. Există o simetrie a influențelor reciproce ale câmpurilor dinamice, ceea ce constituie natura unificată a câmpului electromagnetic.

Lumina ca un câmp electromagnetic. Teoria lui Maxwell a ajutat la o mai bună înțelegere a esenței luminii. Din cele mai vechi timpuri, a existat o ipoteză corpusculară (latina corpusculum - corp), care afirma că lumina este un flux de particule foarte mici, care se mișcă rectiliniu. Conform unei alte presupuneri, lumina este o undă cu o lungime foarte mică. La începutul secolului al XIX-lea. E. Jung și O. Fresnel au prezentat argumente convingătoare în favoarea ipotezei undei. Măsurătorile au stabilit că viteza luminii este de aproximativ 300.000 km/s.

Câmpul electromagnetic nu este doar lumină. Conform teoriei lui Maxwell, undele electromagnetice se propagă și cu o viteză de 300.000 km/s. Coincidența vitezelor și teoria undelor luminii l-au determinat pe om de știință să atribuie lumina proceselor electromagnetice. Teoria luminii ca o alternanță succesivă a câmpurilor electrice și magnetice nu numai că a explicat bine faptele vechi, dar a prezis și fenomene necunoscute. Pe lângă lumina vizibilă, ar trebui să existe radiații infraroșii, ultraviolete și alte tipuri de unde. De asemenea, lumina trebuie să exercite o anumită presiune asupra materiei.

Detectare cu experiență undele electromagnetice . Teoria lui Maxwell a fost publicată în 1873 într-un Tratat despre electricitate și magnetism. Aproape toți fizicienii au fost sceptici în privința asta, ipoteza curentului de deplasare a provocat o respingere specială. Nu existau astfel de idei exotice în teoriile lui Weber și Helmholtz. În această situație, a fost nevoie de dovezi ale unor experimente decisive și a avut loc. În 1887 un fizician german G. Hertz (1857-1894) a creat un generator de unde electromagnetice și a efectuat recepția acestora. Astfel, a fost descoperit un misterios „curent de părtinire”, care a deschis perspectiva unei noi practici (radio, televiziune). În 1895, fizicianul german V.K. Roentgen a descoperit o nouă radiație numită raze X și s-a dovedit a fi unde electromagnetice cu o frecvență mai mare decât radiații ultraviolete. În 1900 un om de știință rus P. N. Lebedev (1866-1912) printr-o foarte experimente subtile a descoperit presiunea undelor luminoase și i-a măsurat magnitudinea. Toată această practică științifică a indicat fără ambiguitate teoria lui Maxwell ca o imagine adevărată a naturii.

Materia este materie și câmp electromagnetic. Datorită naturii sale fundamentale, teoria lui Maxwell a influențat semnificativ imaginea științifică a naturii. Monopolul pe termen lung al ideii de materie s-a prăbușit, iar prin conceptul de câmp electromagnetic, ideea de câmp fizic a început să se formeze ca specii independente materie. Programul de descoperire a unității naturii a primit un rezultat remarcabil - prima diferență dintre electricitate și magnetism a făcut loc unui singur proces electromagnetic. Maxwell a demonstrat puterea euristică mare a ipotezei matematice și a oferit un exemplu de sinteză a matematicii cu fizica. Noua electrodinamică a devenit încoronarea realizării fizicii clasice.

Sarcini.

1. Ce tendințe au fost caracteristice dezvoltării biologiei din secolele al XVI-lea până în secolele al XIX-lea?

2. De ce descoperirea lui D. I. Mendeleev lege periodică considerată o revoluție în chimie?

3. Ce concluzii ideologice s-au tras din legea conservării energiei?

4. De ce au criticat machiștii și energiștii atomistica?

5. Este posibil să se recunoască o regularitate statistică din poziţia determinismului laplacian?

6. Ce idei noi a adus electrodinamica lui Maxwell?

100 r bonus la prima comandă

Alegeți tipul de lucru Munca de absolvent Lucru de curs Rezumat Teză de master Raport de practică Articol Raport de revizuire Test Monografie Rezolvarea problemelor Plan de afaceri Răspunsuri la întrebări munca creativa Eseu Desen Compoziții Traducere Prezentări Dactilografiere Altele Creșterea unicității textului Teza candidatului Lucrări de laborator Ajutor online

Cere un pret

Deja în lumea antică, gânditorii s-au gândit la natura și esența spațiului și a timpului. Unii dintre filozofi au negat posibilitatea existenței unui spațiu gol sau, după cum spuneau ei, inexistența. Aceștia erau reprezentanți ai școlii eleatice din Grecia antică - Parmenide și Zenon. Alți filozofi, inclusiv Democrit, au susținut că vidul există, ca și atomii, și este necesar pentru mișcările și conexiunile lor.

Până în secolul al XVI-lea, sistemul geocentric al lui Ptolemeu a dominat în știința naturii. A fost primul model matematic universal al lumii, în care timpul era infinit, iar spațiul era finit, inclusiv o uniformă. Sens Giratoriu corpuri cereștiîn jurul pământului de odihnă. O schimbare radicală a tabloului spațial și fizic întreg a avut loc în sistemul heliocentric al lumii, reprezentat de Copernic. Recunoscând mobilitatea Pământului, el a respins toate ideile preexistente despre unicitatea sa ca centru al Universului și, prin urmare, a îndreptat mișcarea gândirii științifice către recunoașterea infinitului și infinitului spațiului. Această idee a fost dezvoltată în filozofie Giordano Bruno, care a concluzionat că universul este infinit și nu are centru.

Un rol important în dezvoltarea ideilor despre spațiu l-a jucat open-ul Galileo principiul inerției. Conform acestui principiu, toate fenomenele fizice (mecanice) se produc în același mod în toate sistemele care se deplasează uniform și rectiliniu cu o viteză constantă în mărime și direcție.

Dezvoltarea ulterioară a conceptului de spațiu și timp este asociată cu imaginea fizică și cosmică a lumii R. Descartes. El a bazat-o pe ideea că toate fenomenele naturale sunt explicate prin acțiunea mecanică a particulelor materiale elementare. Același impact pe care Descartes l-a reprezentat sub formă de presiune sau impact atunci când particulele intră în contact unele cu altele și astfel a introdus în fizică ideea distanta scurta.

O nouă imagine fizică a lumii a fost prezentată în mecanica clasică I. Newton. El a desenat o imagine armonioasă a sistemului planetar, a dat o teorie cantitativă riguroasă a mișcării planetare. Punctul culminant al mecanicii sale a fost teoria gravitației, care a proclamat legea universală a naturii - Legea gravitației. Conform acestei legi, oricare două corpuri se atrag unul pe celălalt cu o forță direct proporțională cu masele lor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele.

Această lege se exprimă prin următoarea formulă:

Unde: k- constantă gravitațională; m1, m2- masele gravitante; r- distanta dintre ele.

Această lege nu spune nimic despre dependența gravitației de timp. Forța gravitației, pur matematic, poate fi numită pe distanță lungă, conectează instantaneu corpurile care interacționează și calculul său nu necesită ipoteze despre mediul care transmite interacțiunea.

După ce a extins legea gravitației la întregul Univers, Newton a luat în considerare și structura sa posibilă. A ajuns la concluzia că universul este infinit. Numai în acest caz, poate conține multe obiecte spațiale - centre de greutate. În cadrul modelului newtonian al Universului, a fost stabilită ideea unui spațiu infinit, în care există obiecte cosmice conectate prin gravitație. Descoperirea legilor de bază ale electro- și magnetostaticii care au urmat în a doua jumătate a secolului al XVIII-lea, asemănătoare sub formă matematică cu legea gravitației universale, a confirmat în continuare în mintea oamenilor de știință ideea forțelor cu rază lungă de acțiune care depinde doar de distanta, dar nu de timp.

Întoarcerea către ideile de acțiune pe rază scurtă este asociată cu ideile lui Faraday și Maskwell, care a dezvoltat conceptul de câmp electromagnetic ca realitate fizică independentă. Punctul de plecare pentru aceasta a fost recunoașterea interacțiunii pe distanță scurtă și a ratei finite de transmitere a oricăror interacțiuni.

Concluzia că câmpul electromagnetic al undelor se desprinde de descărcare și poate exista și se propaga în mod independent în spațiu părea absurdă. Maxwell însuși a căutat cu încăpățânare să-și derive ecuațiile din proprietăți mecanice eter. Dar când Hertz a descoperit experimental existența undelor electromagnetice, aceasta a fost luată ca dovadă decisivă a validității teoriei lui Maxwell. Locul acțiunii instantanee cu rază lungă de acțiune a fost luat de acțiunea cu rază scurtă de acțiune transmisă la o viteză finită.

Acțiunea apropiată este o reprezentare conform căreia interacțiunea dintre corpuri îndepărtate unele de altele se realizează cu ajutorul unui mediu (câmp) intermediar și se realizează cu o viteză finită. La începutul secolului al XVIII-lea, concomitent cu teoria acțiunii cu rază scurtă, s-a născut teoria opusă a acțiunii pe distanță lungă, conform căreia corpurile acționează unele asupra altora fără intermediari, printr-un vid, la orice distanță, și așa interacțiunea se realizează cu o viteză infinit de mare (dar respectă anumite legi). Un exemplu de acțiune cu rază lungă de acțiune poate fi considerat forța gravitației universale în teoria clasică a gravitației de I. Newton.

M. V. Lomonosov este considerat unul dintre fondatorii teoriei acțiunii cu rază scurtă de acțiune. Lomonosov a fost un oponent al teoriei cu rază lungă de acțiune, crezând că un corp nu poate acționa instantaneu asupra altor corpuri. El credea că interacțiunea electrică este transmisă de la corp la corp printr-un mediu special „eter” care umple tot spațiul gol, în special, spațiul dintre particulele care alcătuiesc „materia grea”, adică substanța. fenomene electrice, potrivit lui Lomonosov, ar trebui considerată ca anumite mișcări microscopice care au loc în eter. Același lucru este valabil și pentru fenomenele magnetice.

Cu toate acestea, ideile teoretice ale lui Lomonosov și L. Euler nu au putut fi dezvoltate în acel moment. După descoperirea legii lui Coulomb, care în forma ei a fost aceeași cu legea gravitației universale, teoria acțiunii cu rază lungă de acțiune înlocuiește complet teoria acțiunii cu rază scurtă de acțiune. Și abia la începutul secolului al XIX-lea M. Faraday a reînviat teoria acțiunii cu rază scurtă de acțiune. Potrivit lui Faraday, sarcini electrice nu se afectează direct unul pe altul. Fiecare dintre ele creează câmpuri electrice și magnetice (dacă se mișcă) în spațiul înconjurător. Câmpurile unei sarcini acționează asupra alteia și invers. Recunoașterea generală a teoriei acțiunii cu rază scurtă de acțiune începe în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, după demonstrarea experimentală a teoriei lui J. Maxwell, care a reușit să dea ideilor lui Faraday o formă cantitativă exactă, atât de necesară în fizică - o sistem de ecuații ale câmpului electromagnetic.

O diferență importantă între teoria acțiunii pe distanță scurtă și teoria acțiunii pe rază lungă este prezența viteza maxima propagarea interacțiunilor (câmpuri, particule) - viteza luminii. În fizica modernă, există o diviziune clară a materiei în particule-participanți (sau surse) de interacțiuni (numite materie) și particule-purtători de interacțiuni (numite câmp). Dintre cele patru tipuri de interacțiuni fundamentale, trei au primit o verificare experimentală fiabilă a existenței particulelor purtătoare: interacțiuni puternice, slabe și electromagnetice. În prezent, se încearcă detectarea purtătorilor de interacțiune gravitațională – așa-zișii

Datorită cercetărilor și realizărilor lui Oersted, Faraday, Maxwell, Hertz, Popov, s-a demonstrat că materia există nu numai sub formă de materie, ci și sub formă de câmp. Recunoașterea realității câmpului electromagnetic a însemnat victoria în fizică concepte apropiate peste standardul din secolul al XIX-lea. concept pe rază lungă. Să aruncăm o privire la esența acestor concepte.

Rază lungă și rază scurtă - concepte opuse, concepute pentru a explica caracter general interacțiunile obiectelor fizice.

Imediat după descoperirea de către Newton a legii gravitației universale și apoi după descoperirea de către Coulomb a legii interacțiunii electrostatice a sarcinilor, au apărut întrebări filozofice: de ce corpurile fizice cu masă acționează unele asupra altora la distanță prin spațiul gol și de ce corpurile încărcate interacționează chiar și printr-un mediu neutru din punct de vedere electric? Înainte de introducerea conceptului de teren, nu existau răspunsuri satisfăcătoare la aceste întrebări. Multă vreme s-a crezut că interacțiunea dintre corpuri poate fi realizată direct prin spațiul gol, care nu ia parte la transferul de interacțiune și transferul de interacțiune, astfel, are loc instantaneu. Această presupunere este esența conceptului raza lunga permițând acțiunea în afara timpului și spațiului. După Newton, acest concept devine utilizare largăîn fizică, deși Newton însuși a înțeles că forțele cu rază lungă de acțiune introduse de el (de exemplu, gravitația) sunt doar un dispozitiv formal care face posibilă o descriere a fenomenelor observate care este corectă într-o oarecare măsură.

În cercetarea asupra electricității și magnetismului, conceptul de acțiune cu rază lungă de acțiune, cu puțin timp înainte de cercetarea lui Faraday, a învins cele predominante. perioadă lungă de timp conceptul mecanicist de interacțiune apropiată, conform căruia corpurile care interacționează trebuie să atingă. Această victorie a dus la o serie de teorii și legi importante (legea lui Coulomb, electrodinamica lui Ampère). Cu toate acestea, până la mijlocul secolului al XIX-lea. ideea necesității de a renunța la acțiunea cu rază lungă de acțiune în electrodinamică, recunoașterea principiului acțiunii cu rază scurtă de acțiune și a vitezei finite de propagare a perturbațiilor electromagnetice a început să cuprindă mintea oamenilor de știință (Gauss, Riemann), dar nimeni, în afară de Maxwell, nu a dezvoltat această idee și a adus-o la nivelul unei teorii științifice.

Concept raza scurta afirmă că orice impact asupra obiectelor materiale poate fi transmis doar dintr-un punct dat din spațiu până la cel mai apropiat punct vecin și pe o perioadă finită de timp. În teoria electromagnetismului a lui Maxwell, s-a dovedit că interacțiunea corpurilor încărcate electric nu este instantanee, ci cu o viteză finită egală cu viteza luminii în vid - 300000 km/s.

Astfel, dezvoltarea conceptului de câmp fizic a contribuit la întărirea conceptului de interacțiune cu rază scurtă, care se extinde nu numai la electromagnetice, ci și la alte tipuri de interacțiuni.

Dezvoltarea conceptelor de spațiu și timp în teoria relativității speciale

În tabloul mecanicist al lumii, conceptele spaţiuși timp considerată indiferent de proprietățile materiei în mișcare. Spațiul a acționat în el ca un fel de recipient pentru corpurile în mișcare, iar timpul ca parametru, al cărui semn poate fi inversat. O altă trăsătură a tabloului mecanicist al lumii este că în ea spațiul și timpul ca forme ale existenței materiei sunt studiate separat și separat, în urma căruia nu se stabilește legătura lor.

Principiul relativității

Când imaginea mecanicistă a lumii domina în știința naturii și a existat o tendință de a reduce explicația tuturor fenomenelor naturale la legile mecanicii, principiul relativității, formulat de Galileo în cadrul mecanicii clasice, nu a fost supus niciunei îndoieli. Situația s-a schimbat dramatic atunci când fizicienii s-au ocupat de studiul fenomenelor electrice, magnetice și optice. Maxwell a unit toate aceste fenomene în cadrul unei teorii electromagnetice unificate. În acest sens, s-a pus firesc întrebarea: principiul relativității este valabil și pentru fenomenele electromagnetice?

În 1905, matematicianul și fizicianul francez A. Poincaré (1854–1912) a formulat principiul relativității ca lege fizică generală valabilă și pentru fenomenele mecanice și electromagnetice. Conform acestui principiu, legile fenomenelor fizice trebuie să fie aceleași atât pentru un observator în repaus, cât și pentru un observator în stare uniformă. mișcare rectilinie. Pe baza principiului relativității, s-a dezvoltat o nouă teorie fizică a spațiului și timpului - .

A. Poincaré a fost primul care a sugerat că principiul egalității tuturor sistemelor de coordonate inerțiale ar trebui să se aplice și fenomenelor electromagnetice, adică. Principiul relativității se aplică tuturor fenomenelor naturale. Acest lucru a condus la necesitatea reconsiderării conceptului de spaţiuși timp. Cu toate acestea, Poincare nu a indicat necesitatea acestui lucru. Acest lucru a fost făcut pentru prima dată de A. Einstein (1979–1955).

Teoria specială a relativității- o teorie fizică care consideră spațiul și timpul ca forme strâns legate de existența materiei. Teoria specială a relativității a fost creată în 1905-1908. lucrări ale lui H. Lorentz, A. Poincare, A. Einstein și G. Minkowski bazate pe analiza datelor experimentale legate de optice și fenomene electromagnetice, care sunt generalizate prin următoarele postulate:

· principiul relativității conform căreia toate legile naturii trebuie să fie aceleași în toate sisteme inerțiale referinţă;

· principiul constanței vitezei luminii, conform căreia viteza luminii în vid este aceeași în toate cadrele de referință inerțiale și nu depinde de mișcarea surselor de lumină și a receptorilor.

Principiul relativității în formularea lui Einstein este o generalizare a principiului relativității lui Galileo, formulată numai pentru mișcare mecanică. Acest principiu decurge dintr-o serie întreagă de experimente referitoare la electrodinamica și optica corpurilor în mișcare.

Experimentele exacte ale lui Michelson în anii 80 ai secolului XIX. a arătat că în timpul propagării undelor electromagnetice, vitezele nu se adună. De exemplu, dacă pe direcția de mișcare a unui tren a cărui viteză este egală cu v1, trimite un semnal luminos la o viteză v2, aproape de viteza luminii în vid, atunci viteza semnalului în raport cu platforma este mai mică decât suma v1+v2și, în general, nu poate depăși viteza luminii în vid. Viteza de propagare semnal luminos nu depinde de viteza sursei de lumină. Acest fapt a intrat în conflict cu principiul relativității lui Galileo.

Principiul constanței vitezei luminii poate fi verificat, de exemplu, prin măsurarea vitezei luminii din părțile opuse ale Soarelui care se rotește: o margine a Soarelui se deplasează întotdeauna spre noi, iar cealaltă în direcția opusă. În ciuda mișcării sursei, viteza luminii în vid este întotdeauna aceeași și egală cu s=300000 km/s.

Aceste două principii se contrazic din punctul de vedere al ideilor principale ale fizicii clasice.

A apărut o dilemă: respingerea fie a principiului constanței vitezei luminii, fie a principiului relativității. Primul principiu a fost stabilit atât de precis și fără ambiguitate, încât ar fi în mod clar nejustificat să-l refuzi și, în plus, este legat de o complicație excesivă a descrierii proceselor naturii. Nu mai puține dificultăți apar atunci când principiul relativității este negat în domeniul proceselor electromagnetice.

Aparenta contradicție între principiul relativității și legea constanței vitezei luminii apare deoarece mecanica clasică, potrivit lui Einstein, s-a bazat pe „două ipoteze nejustificate”:

intervalul de timp dintre două evenimente nu depinde de starea de mișcare a cadrului de referință;

Distanța spațială dintre două puncte corp solid nu depinde de starea de mișcare a cadrului de referință.

Pe baza acestor ipoteze aparent destul de evidente, mecanica clasică a admis în mod tacit că valorile intervalului de timp și ale distanței au valori absolute, adică. nu depind de starea de mișcare a corpului de referință. S-a dovedit că, dacă o persoană într-o mașină care se mișcă uniform trece, de exemplu, o distanță de 1 metru într-o secundă, atunci va trece, de asemenea, pe aceeași cale în raport cu patul drumului într-o secundă. În mod similar, se credea că dimensiunile spațiale ale corpurilor în cadrele de referință în repaus și în mișcare rămân aceleași. Și deși aceste presupuneri din punctul de vedere al conștiinței obișnuite și al bunului simț par de la sine înțelese, totuși, ele nu sunt de acord cu rezultatele experimentelor efectuate cu atenție care confirmă concluziile noii teorii speciale a relativității.

3.4.2. Transformarea Lorentz

Einstein, când lucra la teoria relativității speciale, nu a abandonat principiul relativității, ci, dimpotrivă, i-a dat mai mult forma generala. În același timp, a fost necesar să se transforme radical înțelegerea spațiului și a timpului, într-un cuvânt, pentru a crea o noua teorie modificări ale relaţiilor spaţio-temporale dintre obiecte.

Să luăm în considerare ce condiții trebuie să îndeplinească transformările coordonatelor spațiale și ale timpului în trecerea de la un cadru de referință la altul. Dacă acceptăm ipoteza mecanicii clasice despre natura absolută a distanțelor și a timpului, atunci ecuațiile de transformare, numite transformare galileană, vor avea următoarea formă:

x = x' + vt',

y = y',

z = z',

t = t'.

Cu toate acestea, recunoașterea principiului constanței vitezei luminii a necesitat înlocuirea transformării galileene cu alte formule care nu contrazic acest principiu. Einstein a arătat că o astfel de transformare, care nu contrazice principiul constanței vitezei, este așa-numita Transformarea Lorentz, numit după fizicianul olandez H. A. Lorenz (1853–1928).

În cazul în care un cadru de referință se mișcă față de celălalt uniform și rectiliniu de-a lungul axei x X, formulele pentru transformarea Lorentz, inclusiv transformarea timpului, au 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 ,

Unde v este viteza de deplasare a sistemului de coordonate (x',y',z') raportat la sistemul de coordonate (x,y,z),  c este viteza luminii.

Pe baza transformărilor Lorentz, este ușor de verificat că o riglă rigidă care se mișcă în direcția lungimii sale va fi mai scurtă decât una staționară și, cu cât mai scurtă, cu atât se mișcă mai repede. Într-adevăr, folosind prima ecuație a transformării Lorentz, obținem că lungimea riglei în mișcare față de cadrul de referință fix l \u003d l 0 (1–v 2 / c 2) 1/2, Unde l 0 - lungimea riglei în sistemul de referință asociat riglei.

Mecanica relativistă

Teoria specială a relativității provenit din electrodinamicăși a făcut puțin pentru a-și schimba conținutul, dar pe de altă parte și-a simplificat semnificativ construcția teoretică, adică. derivarea legilor și, cel mai important, a redus numărul de ipoteze independente care stau la baza acesteia.

Cu mecanica clasica cazul este oarecum diferit. Pentru a fi în concordanță cu postulatele teoriei speciale a relativității, mecanica clasică are nevoie de unele modificări. Aceste modificări privesc în principal legile mișcării rapide, adică. mișcare care este comparabilă cu viteza luminii. În condiții terestre obișnuite, întâlnim viteze mult mai mici decât viteza luminii și, prin urmare, corecțiile pe care teoria relativității cere să le facă sunt extrem de mici și în multe cazuri pot fi practic neglijate.

Mecanisme noi bazate pe Principiul special al relativității al lui Einstein, care este o combinație a principiului relativității cu afirmația despre caracterul finit al vitezei maxime de propagare a interacțiunii, se numește mecanică relativistă.

Principalele concluzii ale mecanicii relativiste sunt afirmațiile că masa unui corp m, lungimea sa lși durata evenimentului Dt depind de valoarea raportului vitezei corpului v la viteza luminii cși sunt definite prin formulele:

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,

Unde m 0 , l 0 , Dt 0 sunt masa corpului, lungimea acestuia și durata evenimentului în cadrul de referință asociat corpului.

De exemplu, dacă două nave spațiale sunt într-o stare de mișcare relativă, atunci un observator de pe fiecare dintre nave va vedea cealaltă navă micșorându-se în direcția mișcării, iar astronauții vor pierde în greutate și se vor mișca încet. Toate fenomenele cu mișcări periodice vor părea încetinite - mișcarea unui pendul, oscilația atomilor etc. La viteze normale, aceste modificări sunt extrem de mici: Pământul, care se mișcă în jurul Soarelui cu o viteză 30 km/h, s-ar părea unui observator în repaus în raport cu Soarele a fi redus cu doar câțiva centimetri. Când vitezele relative sunt foarte mari, modificările devin semnificative.

Pe lângă schimbările în lungime și timp, mecanica relativistă dă schimbare relativistă de masă .

Masa unui corp, determinată prin măsurarea forței necesare pentru a conferi corpului o anumită accelerație, se numește masa inerțială. Pentru un observator în nava spatialași în repaus față de un obiect, masa inerțială a acestui obiect rămâne aceeași indiferent de viteza navei v si se numeste masa de repaus. Masa inerțială a acestui obiect pentru un observator de pe Pământ se numește masă relativistă și depinde de viteza relativă a observatorului și a obiectului de observație. Când viteza unui corp se apropie de viteza luminii, masa acestuia crește la infinit și, în limită, se apropie de infinit. Prin urmare, conform teoriei relativității, mișcarea cu o viteză care depășește viteza luminii este imposibilă.

Din mecanica relativistă se poate deriva legea relației dintre masă și energie, care joacă un rol fundamental în fizica nucleara:

E \u003d mc 2,

Unde m- masa corpului, E- energia lui.

Verificarea experimentală a principalelor concluzii ale mecanicii relativiste este folosită pentru a fundamenta teoria relativității speciale a lui Einstein, care este confirmată zilnic în laboratoarele oamenilor de știință atomici care lucrează cu particule care se mișcă la viteze apropiate de viteza luminii. Mișcări cu viteze comparabile cu viteza luminii au fost observate pentru prima dată pe exemplul electronilor, iar apoi al altor particule elementare. Experimentele atent concepute cu astfel de particule au confirmat într-adevăr predicțiile relativității speciale conform cărora masa lor crește odată cu creșterea vitezei.

La viteze normale v<< c mecanica relativistă trece în mecanica clasică a lui Newton. Este suficient, de exemplu, să remarcăm că chiar și la viteza satelitului Pământului, care este de aproximativ 8 km/s, corecția masei va fi de aproximativ o două miliarde din aceasta. În 1928, fizicianul englez P. Dirac a combinat teoria specială a relativității și mecanica cuantică (mecanica microparticulelor) în mecanica cuantică relativistă descriind mișcarea microparticulelor la viteze apropiate de viteza luminii.