Фундаментальні поля як складові матерії

Про те, що поле – це особливий вид матерії, можна прочитати в багатьох підручниках фізики і навіть в енциклопедичному словнику. А ось пояснень до цього твердження зустрічаються далеко не завжди. Тому часто сенс сказаного залишається незрозумілим. Спробуємо розібратися в цьому і «матеріалізувати поле». Зауважимо, що наведене вище твердження відноситься не до будь-яких полях, а тільки до фундаментальних. Що ж таке фундаментальні поля?

ФУНДАМЕНТАЛЬНІ ВЗАЄМОДІЇ ТА ФУНДАМЕНТАЛЬНІ ПОЛЯ. Вивчаючи фізику, ви знайомилися з різними силами – силою пружності, силою тертя, силою тяжіння. Кожна з цих сил характеризує деяке взаємодія між тілами. Як ви знаєте, розвиток науки показало, що всі макроскопічні тіла складаються з атомів і молекул (точніше, з ядер і електронів). З атомно-молекулярної моделі випливає, що деякі з взаємодій між макроскопічними тілами можна представити як результат взаємодії між атомами і молекулами або, при ще більшому поглибленні в структуру речовини, як результат взаємодії між ядрами і електронами, що входять до складу макроскопічних тіл.

Зокрема, такі сили, як сила пружності і сила тертя, є результат сил, що діють між електронами і ядрами. А ось гравітаційні взаємодії й електромагнітні взаємодії звести до якимось іншим взаємодіям не вдалося, хоча такі спроби і робилися.

Для характеристики взаємодій, які не зводяться до інших взаємодіям, стали використовувати поняття фундаментальні, що означає «основні».

Як говорилося в попередньому параграфі, фундаментальні гравітаційне й електромагнітне взаємодії можна розглядати _ на основі взаємодії з полем. Поля, відповідні фундаментальних взаємодій, стали називати фундаментальними полями.

Фундаментальними взаємодіями є гравітаційне й електромагнітне взаємодії.

Розвиток науки показало, що гравітаційне і електромагнітне взаємодії не єдині фундаментальні взаємодії. В даний час виявлено чотири фундаментальні взаємодії. Про двох інших фундаментальних взаємодіях ми дізнаємося при вивченні мікросвіту.

Електромагнітне і гравітаційне поля – це фундаментальні поля, які не можуть бути зведені до руху будь-яких часток.

Дальнодії близкодействии. Ми вже знаємо, що взаємодія між частинками (зарядженими і незарядженими) можна описувати за допомогою полів, але можна і не вводити поняття поля. Концепцію, відповідно до якої взаємодія між частинками описують безпосередньо, без введення поняття поля, називають концепцією дальнодії. Назва це означає, що частинки взаємодіють на далекій відстані. Навпаки, другу концепцію, відповідно до якої взаємодія здійснюється за посередництвом поля (гравітаційного та електромагнітного), називають концепцією близько-дії. Сенс поняття близкодействия полягає в тому, що частка взаємодіє з полем, яке мається поблизу неї, хоча саме це поле може створюватися частинками, що знаходяться дуже далеко (рис. 13).

У першому випадку (див. Рис. 13, а) на заряд q діє сила F з боку заряду Q, що знаходиться на відстані r. У другому випадку заряд Q створює в просторі навколо себе поле Е (х, у, z). Зокрема, в точці з координатами х0, у0, z0, де знаходиться заряд q, створюється поле Е (х0, у0, z0) (див. Рис. 13, б). Це поле, а не безпосередньо заряд Q взаємодіє з зарядом q (див. Рис. 13, в).

Історично знання про природу розвивалися таким чином, що концепція близкодействия, запропонована в 30-і рр. XIX ст, англійським фізиком М. Фарадеєм, сприймалася лише як зручне опис.

Положення принципово змінилося після відкриття електромагнітних хвиль, що поширюються з кінцевою швидкістю – швидкістю світла. З теорії електромагнітних хвиль випливало, що будь-яка зміна електромагнітного поля поширюється через простір також зі швидкістю світла. Звертаючись до прикладом, наведеним на малюнку 13, можна сказати, що якщо заряд Q в якийсь момент часу почне рух, то заряд q «відчує» зміна діючої на нього сили не в той же момент часу, а через час r / с ( с – швидкість світла), т. е. час, необхідний для того, щоб електромагнітна хвиля дійшла від заряду Q до заряду q.

Кінцівка поширення електромагнітних хвиль призводить до того, що опис електромагнітної взаємодії на основі концепції дальнодії стає незручним.

Щоб зрозуміти це, розглянемо наступний приклад. У 1054 р на небозводі з’явилася яскрава зірка, світло якої спостерігався навіть удень протягом декількох тижнів. Потім зірка згасла, і в даний час в районі небесної сфери, де знаходилася зірка, відзначається слабо світиться освіту, яке отримало назву Крабовидної туманності. Відповідно до сучасних уявлень про еволюцію зірок стався спалах зірки, під час якої її потужність випромінювання збільшилася в мільярди разів, після чого зірка розпалася. На місці яскраво світиться зірки утворилися практично не випромінює нейтронна зірка і розширюється хмара слабо світиться газу.

З точки зору концепції близкодействия спостереження світла зірки зводиться до наступного. Заряди, що знаходяться на зірці, створили поле, яке у вигляді хвилі дійшло до Землі і справила вплив на електрони в сітківці ока спостерігача. При цьому хвиля досягла Землі за сотні років. Люди спостерігали спалах зірки, коли самої зірки вже не було. Якщо спробувати описати це спостереження на основі концепції дальнодії, то доводиться вважати, що заряди в сітківці ока взаємодіють ні з зарядами зірки, а з тими, які колись були на зірці, якої вже немає. Зауважимо, що в процесі утворення нейтронної зірки багато заряди зникають, оскільки з електронів і протонів утворюються нейтрони – нейтральні частинки, практично не беруть участь у електромагнітній взаємодії. Погодьтеся, що опис на основі взаємодії з тим, що колись було, але не існує в даний момент часу, «не дуже зручне».

Інша причина визнати поле матеріальним пов’язана з тим, що електромагнітна хвиля переносить через простір енергію і імпульс (докладніше див. § 57). Якщо поле не рахувати матеріальним, то слід визнати, що енергія і імпульс не пов’язані з чимось матеріальним і самі по собі переносяться через простір.

Сформульована в 1905 р Альбертом Ейнштейном теорія відносності базується на постулаті, відповідно до якого не існує взаємодій (у тому числі і фундаментальних), що поширюються швидше світла.

Ми почали цей параграф з «матеріалізації духів». Фізики – народ дотепний, і поняття «духи» вже використовується в сучасній теорії поля. Можна сказати, що поки ще ці духи не матеріалізовані, т. Е. Не наблюдаются на досвіді. Але й наука про фундаментальні полях поки ще не завершена.

Кінцівка поширення фундаментальних полів та їх зв’язок з енергією і імпульсом (перенесення енергії та імпульсу цими полями) призводять до визнання цих полів в якості однієї зі складових матерії. Матерія, таким чином, представлена ​​частками (речовиною) і фундаментальними полями.

Який сенс закладений в поняття «фундаментальні поля» і «фундаментальні взаємодії»?
Наведіть приклади полів, які не є фундаментальними.
Подумайте і приведіть приклади нефундаментальних взаємодій.

Посилання на основну публікацію