Теория близкодействия определение. Действие на расстоянии. Суть теории дальнодействия
17. Понятие взаимодействия. Концепция дальнодействия и близкодействия.
Под взаимодействием в более узком смысле понимают такие процессы, в ходе которых между взаимодействующими структурами и системами происходит обмен квантами определенных полей, энергией, а иногда и информацией.
В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу четырех основных видов фундаментальных взаимодействий: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному . Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью так называемой константы взаимодействия, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия. Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий.
Концепции дальнодействия и близкодействия.
Близкодействие и дальнодействие -это взаимно противоположные взгляды для объяснения взаимодействия материальных структур. По концепцииблизкодействия любое взаимодействие на материальные объекты может быть передано только между соседними точками пространства за конечный промежуток времени.Дальнодействие допускает действие на расстоянии мгновенно с бесконечной скоростью, т. е. фактически вне времени и пространства. После Ньютона эта концепция получает широкое распространение в физике, хотя он сам понимал, что введенные им силы дальнодействия (например, силы тяготения) являются лишь формальным приближенным приемом, позволяющим дать верное в некоторых пределах описание наблюдаемых явлений. Окончательное утверждение принципа близкодействия пришло с выработкой концепции физического поля как материальной среды. Уравнения поля описывают состояние системы в данной точке в данный момент времени как зависящее от состояния в ближайший предшествующий момент в ближайшей соседней точке. Если электромагнитное поле может существовать независимо от материального носителя, то электрическое взаимодействие нельзя объяснить мгновенным действием на расстоянии. Поэтому дальнодействие Ньютона уступило место близкодействию, полям, распространяющимся в пространстве с конечной скоростью. Таким образом, согласно современной науке, взаимодействия между структурами передаются посредством соответствующего поля с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.
18. Характеристика основных видов взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое).
1. Гравитационное взаимодействие является универсальным, однако в микромире не учитывается, так как из всех взаимодействий является самым слабым и проявляется только при наличии достаточно больших масс. Его радиус действия не ограничен, время также не ограничено. Обменный характер гравитационного взаимодействия до сих пор остается под вопросом, так как гипотетическая фундаментальная частица- гравитон- пока не обнаружена.
(И. Ньютон) – самое слабое взаимодействие.
2. Электромагнитное взаимодействие: константа порядка 10 -2 , радиус взаимодействия не ограничен, время взаимодействия t ~ 10 -20 с. Оно реализуется между всеми заряженными частицами. Частица-переносчик – фотон (γ-квант).
(Кулон).
3. Слабое взаимодействие связано со всеми видами β-распада, им обусловлены многие распады элементарных частиц и взаимодействие нейтрино с веществом. Константа взаимодействия порядка 10 -13 , t ~ 10 -10 с. Это взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим: радиус взаимодействия r~10 -18 м. Частицы-переносчики – промежуточный векторный бозон:W + , W - , Z 0 .(Ферми).
4. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа взаимодействия принимается равной1, радиус действия порядка 10 -15 м, время протекания t ~10 -23 с. Сильное взаимодействие осуществляется между кварками – частицами, из которых состоят протоны и нейтроны –cпомощью т.н. глюонов. (Юкава).
Принцип дальнодействия
Дальноде́йствие и Короткоде́йствие (Близкодействие ) - две концепции классической физики , противоборствовавшие на заре её становления.
Согласно концепции дальнодействия, тела действуют друг на друга без посредников, через пустоту, на любом расстоянии, и такое взаимодействие осуществляется с бесконечно большой скоростью (но подчиняется определённым законам). Примером дальнодействия можно считать силу всемирного тяготения в классической теории гравитации Ньютона. Согласно концепции короткодействия (близкодействия), тело может действовать только на своё непосредственное окружение, а всякое действие на расстоянии должно осуществляться при помощи тех или иных посредников.
Принципиальное отличие теории близкодействия, принятой на сегодняшний день, можно рассмотреть на простом примере - взаимодействии двух точечных частиц. Концепция близкодействия постулирует, что в процессе этого взаимодействия частица А испускает другую частицу - С, при этом ее скорость и импульс меняются, согласно законам сохранения. Частица С поглощается частицей В, что, в свою очередь, приводит к изменению импульса и скорости последней. В результате создается иллюзия непосредственного влияния частиц друг на друга. В современной физике проводится четкое разделение материи на частицы-участники (или источники) взаимодействий (называемые веществом) и частицы-переносчики взаимодействий (называемые полем). Из четырех видов фундаментальных взаимодействий надежную экспериментальную проверку существования частиц-переносчиков получили три - сильное , слабое и электромагнитное взаимодействия. В настоящее время предпринимаются попытки по обнаружению переносчиков гравитационного взаимодействия - так называемого гравитона , предсказанного в некоторых расширениях Общей теории относительности .
Важным отличием теории близкодействия от теории дальнодействия является наличие максимальной скорости распространения взаимодействий (полей, частиц) - скорости света .
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Принцип дальнодействия" в других словарях:
- (Newton) Исаак (4.1.1643, Вулсторп, ок. Грантема, 31.3.1727, Кенсингтон), англ. физик, астроном, математик, основоположник классич. и небесной механики. Н. создал дифференциальное и интегральное исчисления как адекватный язык математич.… … Философская энциклопедия
КОСМОЛОГИЧЕСКОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО БЫТИЯ БОГА - своеобразная рационализация основного догмата авраамических религий о Боге как созидателе мирового порядка (космоса), отвечающая Книге Бытия из Ветхого завета. Оно называется космологическим (но не просто логическим) потому, что апеллирует к… … Современный философский словарь
Тяготение, универсальное свойство притяжения между любыми телами. Изучение Г. положило начало ньютоновской классич. механике. Так, Г. Галилей, изучая квазиоднородное поле Г. у поверхности земли, сформулировал закон инерции н установил, что сила,… … Математическая энциклопедия
- “МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАЧАЛА НАТУРАЛЬНОЙ ФИЛОСОФИИ” (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. L., 1687; последнее издание L., 1990; рус. пер. академика А. Н. Крылова: П., 1915 1916) главное сочинение И. Ньютона, год публикации которого… … Философская энциклопедия
- (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. L., 1687; последнее издание – L., 1990; рус. пер. академика А.Н.Крылова: П., 1915–1916) – главное сочинение И.Ньютона, год публикации которого считается годом рождения новоевропейской науки. В этом… … Философская энциклопедия
ФИЗИКА. 1. Предмет и структура физики Ф. наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиб. общие свойства и законы движения окружающих нас объектов материального мира. Вследствие этой общности не существует явлений природы, не имеющих физ. свойств … Физическая энциклопедия
I. Предмет и структура физики Ф. – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения. Поэтому понятия Ф. и сё законы лежат в основе всего… … Большая советская энциклопедия
В Википедии есть статьи о других людях с такой фамилией, см. Максвелл. Джеймс Клерк Максвелл James Clerk Maxwell … Википедия
ТЕОРИЯ - (1) система научных идей и принципов, обобщающих практический опыт, отражающих объективные природные закономерности и положения, которые образуют (см.) или раздел какой либо науки, а также совокупность правил в области какого либо знания млн.… … Большая политехническая энциклопедия
- (греч. τὰ φυσικά – наука о природе, от φύσις – природа) – комплекс науч. дисциплин, изучающих общие свойства структуры, взаимодействия и движения материи. В соответствии с этими задачами совр. Ф. весьма условно можно подразделить на три больших… … Философская энциклопедия
Книги
- Реляционная концепция Лейбница Маха , Владимиров Ю.С.. В книге изложен реляционно-статистический подход к природе физического мироздания, идейные основания которого заложены в трудах Г. Лейбница и Э. Маха. Согласно этому подходу, в основе…
Мы уже знаем, что вскоре после того, как был установлен закон Кулона, электростатика и магнитостатика были сформулированы в форме теории псевдоблизкодействия. Максвелл взялся за задачу слить эту теорию воедино с идеями Фарадея, разработав ее так, чтобы она включала и вновь открытые
явления диэлектрической и магнитной поляризации, электромагнетизма и магнитной индукции.
В качестве исходного пункта своей теории Максвелл взял уже упоминавшуюся выше идею о том, что электрическое поле всегда сопровождается электрическим смещением не только в веществе, где отличается от 1, но и в эфире, для которого Мы рассказали, как можно представить себе смещение в виде разделения и перетекания электрических жидкостей в молекулах. Установили мы и дифференциальный закон, связывающий плотность заряда в каждой точке пространства с дивиргенцией равной
Точно те же соображения применимы к магнетизму с одним важным отличием: согласно Амперу, не существует реальных магнитов и магнитных величин, существуют лишь электромагниты. Магнитное поле всегда должно вызываться электрическими токами, будь это токи проводимости в проволоках или молекулярные токи в молекулах. Отсюда следует, что магнитные силовые линии нигде не оканчиваются, т. е. они либо замкнуты, либо уходят в бесконечность. Это так в случае электромагнита - катушки, через которую протекает ток (фиг. 9 7, а, б): магнитные силовые линии внутри катушки прямые, а снаружи они частично замкнуты, а частично уходят в пространство, в бесконечность. Если рассмотреть виток катушки, лежащий между двумя плоскостями то можно видеть, что точно столько «магнитного смещения» входит через плоскость А, сколько выходит через плоскость В. Поэтому мы должны записать
Это и есть максвелловская формула близкодействия для магнетизма. Заметим, что вместо понятия «смещение» используется выражение магнитная индукция.
Перейдем теперь к электромагнитному закону Био и Савара. Для того чтобы превратить его в закон близкодействия, предположим, что электрический ток протекает не в тонкой проволоке, а равномерно распределен с плотностью по круговому поперечному сечению Выясним вопрос, как велика напряженность магнитного поля на границе поперечного сечения. По закону Био и Савара, это магнитное поле лежит в направлении, перпендикулярном плоскости окружности, и, согласно формуле (54), имеет величину где - радиус окружности, а длина элемента тока. Но площадь поперечного сечения В нашем случае - круг и равна следовательно, формулу
(54) можно записать как
причем это справедливо для любого как угодно малого поперечного сечения и любой как угодно малой длины.
Фиг. 97. Магнитное поле катушки (соленоида). а - силовые лииии в катушке становятся видимыми при помощи железных опилок, б - ток , текущий сквозь катушку.
Итак, слева мы имеем определенную дифференциальную величину, характеризующую магнитное поле, а записанный нами закон утверждает, что эта величина пропорциональна плотности тока. Здесь мы не сможем провести математический анализ того, как образуется эта дифференциальная величина. Она должна учитывать не только напряженность, но и направление магнитного поля,
поэтому она обвивается или «завихряется» вокруг направления тока, т. е. зависит от дифференциальной операции, называемой «вихрем», или «ротором», поля Я (записывается как Соответственно мы можем записать символически
опять-таки рассматривая эту формулу лишь как мнемоническую запись соотношения между напряженностью и направлением магнитного поля с одной стороны, и плотностью тока с другой. Для математика, однако, эта формула представляет собой дифференциальное уравнение того же вида, что и закон (58).
Четыре символические формулы (58) - (61) обнаруживают чудесную симметрию. Формальное сходство такого рода - ни в коем случае не малозначительноеобстоятельство. В нем находит свое проявление фундаментальная простота явлений природы, скрытая от прямого взгляда из-за ограниченности человеческих чувств и открывающаяся лишь перед нашими аналитическими способностями.
В общем случае ток проводимости и ток смещения существуют одновременно. Для первого из них верен закон Ома (52), (стр. 159); для второго - закон Максвелла
Когда одновременно имеют место оба тока, мы получаем
В случае магнетизма тока проводимости не существует, поэтому
Если подставить эти выражения в наши символические уравнения (58) - (61), то мы получаем
Это и есть уравнения Максвелла - законы, которые остаются основой электромагнитных и оптических теорий и в наше время. Математик видит в них строгие математические уравнения. Для нас же они просто мнемонические формулировки, утверждающие следующее:
а) Везде, где присутствует электрический заряд, возникает электрическое поле такого вида, что в каждом объеме заряд точно компенсируется смещением.
б) Из каждой замкнутой поверхности выходит в точности столько магнитного смещения, сколько в нее входит (не существует свободных магнитных зарядов).
в) Всякий электрический ток, будь это ток проводимости или ток смещения, всегда окружен магнитным полем.
г) Магнитный ток смещения всегда окружен электрическим полем.
Максвелловские уравнения поля, как их называют, представляют собой истинную теорию близкодействия, или контактного взаимодействия, ибо, как мы сейчас увидим, из них вытекает конечная скорость распространения электромагнитных сил.
Однако в те времена, когда они были впервые установлены, вера в прямое действие на расстоянии, согласно модели ньютоновского тяготения, настолько укоренилась в умах, что прошло довольно много времени, прежде чем уравнения Максвелла были приняты - ведь теория дальнодействия не менее успешно справилась, с описанием явления индукции при помощи формул. В теории дальнодействия это осуществлялось с помощью предположения, что движущиеся заряды вызывают, в дополнение к кулоновскому притяжению, определенные действия на расстоянии, зависящие от величины и направления скорости зарядов. Первые гипотезы такого рода были выдвинуты Нейманом (1845 г.). Другой знаменитый закон был сформулирован Вильгельмом Вебером (1846 г.); аналогичные формулы предложили Риман (1858 г.) и Клаузиус (1877 г.). Общей для этих теорий была идея о том, что все электрические и магнитные взаимодействия следует объяснять с помощью сил, действующих между элементарными электрическими зарядами, или, как мы сейчас говорим, «электронами». Эти теории, таким образом, предшествовали современной теории электронов, но с одним существенным упущением: они не учитывали конечность скорости распространения сил. Такие электродинамические теории, основанные на дальнодействии, давали полное объяснение электродвижущих сил и токов индукции, возникающих в случае замкнутых токов проводимости. Но в случае «открытых» цепей, именно заряда и разряда конденсаторов, они были обречены на неудачу, ибо в этом явлении начинают играть роль токи смещения, о которых теории дальнодействия ничего не могли сказать. Тем, что у нас
есть сейчас полностью удовлетворительные экспериментальные приборы, позволяющие сделать выбор между теорией дальнодействия и теорией близкодействия, мы обязаны Гельмгольцу. Именно он добился определенного успеха в осуществлении соответствующих экспериментов и он же стал одним из наиболее ревностных первых последователей теории Максвелла. Но закрепил победу максвелловской теории ученик Гельмгольца - Герц, открывший электромагнитные волны.
Действие на расстоянии представляет собой взаимодействие объектов между собой, не используя при этом никаких посредников. Согласно этой теории между взаимодействующими объектами находится пустота. То есть отрицается наличие, какого либо агента передающего воздействие от одного тела к другому.
Рисунок 1 — дальнодействие на примере двух зарядов
Также считается, что это самое воздействие передается бесконечно быстро. Ну, или, по крайней мере, со скоростью света. Расстояние также может быть любым, действие тел друг на друга всё равно будет происходить.
В качестве примера теории действия на расстоянии приводится сила всемирного тяготения. Которая описана в классической теории гравитации Ньютона. Но, тем не менее, хотя сам Ньютон и открыл гравитацию он так и не смог объяснит механизм ее работы. То бишь луна притягивается к земле без постороннего физического агента, как и земля к солнцу, но вот каков механизм этого взаимодействия он так и не объяснил.
Рисунок 2 — притяжение луны к земле
Ученые того времени не сразу приняли теорию дальнодействия. Они всё-таки пытались адаптировать законы механики к явлениям, которые объяснялись с помощью теории действия на расстоянии. При этом использовали теорию близкодействия. Которая сводилась к тому, что тела находящиеся на расстоянии не могут взаимодействовать между собой непосредственно. То есть, чтобы сила передавалась от одного тела к другому, нужен какой либо физический посредник.
В результате адаптации возникло такое понятие как эфир. Да-да тот самый эфир, который вспоминают при теле или радиовещании. Суть эфира заключается в том, что он и взял на себя функции той физической среды, которая должна являться посредником для передачи силы между телами. То есть, используя понятия эфира, можно применить теорию близкодействия к явлению скажем гравитации. Одно тело давит на эфир, который, сжимаясь, передает воздействие на другое тело.
Рисунок 3 — эфирная частица заполняющая вакуум
К слову считалось, что эфир заполняет пространство внутри атома между ядром и электронами. Он та и являлся связующим звеном между ними, так как выходила, что внутри твердых физических тел на самом деле находилась пустота. Электромагнитная волна, испускаемая все при том же радиовещании, так же распространялась благодаря эфиру.
Но в итоге от понятия эфира пришлось отказаться. Хотя оно конечно и давало объяснение каким образом взаимодействуют тела находящиеся на расстоянии но математически доказать это не удалось. Не противоречивую теорию, включающую в себя близкодействие и понятие эфира, так и не сформировали.
Современная физика проводи четкую границу в материальных частицах. Одни из них являются источниками вызывающими взаимодействие, к примеру, носители заряда. То есть это непосредственно вещество скажем металл. А другие только переносят это взаимодействие, их называют полем.
Взаимодействие между частицами (заряженными и незаряженными) можно описывать при помощи полей, но можно и не вводить понятие поля. Концепцию, в соответствии с которой взаимодействие между частицами описывают напрямую, без введения понятия поля, называют концепцией дальнодействия . Название это означает, что частицы взаимодействуют на далеком расстоянии. Наоборот, вторую концепцию, в соответствии с которой взаимодействие осуществляется через посредство поля (гравитационного и электромагнитного), называют концепцией близкодействия . Смысл понятия близкодействия заключается в том, что частица взаимодействует с полем, которое имеется вблизи нее, хотя само это поле может создаваться частицами, находящимися очень далеко.
В первом случае на заряд \(q\) действует сила \(F\) со стороны заряда \(Q\), находящегося на расстоянии \(r\). Во втором случае заряд \(Q\) создает в пространстве вокруг себя поле \(\vec{Е}(x, y, z)\). В частности, в точке с координатами \(x_{0}\), \(y_{0}\), \(z_{0}\), где находится заряд \(q\), создается поле \(\vec{Е}(x_{0}, y_{0}, z_{0})\). Это поле, а не непосредственно заряд \(Q\) взаимодействует с зарядом \(q\).
Исторически знания о природе развивались таким образом, что концепция близкодействия, предложенная в 30-е гг. XIX в. английским физиком М. Фарадеем, воспринималась лишь как удобное описание.
Положение принципиально изменилось после открытия электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью - скоростью света. Из теории электромагнитных волн следовало, что любое изменение электромагнитного поля распространяется через пространство также со скоростью света. Можно сказать, что если заряд \(Q\) в какой-то момент времени начнет движение, то заряд \(q\) «ощутит» изменение действующей на него силы не в тот же момент времени, а спустя время \(r/c\) (\(c\) - скорость света), т. е. время, необходимое для того, чтобы электромагнитная волна дошла от заряда \(Q\) до заряда \(q\).
Конечность распространения электромагнитных волн приводит к тому, что описание электромагнитного взаимодействия на основе концепции дальнодействия становится неудобным.
Чтобы понять это, рассмотрим следующий пример. В 1054 г. на небосводе появилась яркая звезда, свет которой наблюдался даже днем в течение нескольких недель. Затем звезда угасла, и в настоящее время в районе небесной сферы, где находилась звезда, отмечается слабо светящееся образование, которое получило название Крабовидной туманности. В соответствии с современными представлениями об эволюции звезд произошла вспышка звезды, во время которой ее мощность излучения увеличилась в миллиарды раз, после чего звезда распалась. На месте ярко светящейся звезды образовались практически не излучающая нейтронная звезда и расширяющееся облако слабо светящегося газа.
С точки зрения концепции близкодействия наблюдение света звезды сводится к следующему. Заряды, находящиеся на звезде, создали поле, которое в виде волны дошло до Земли и оказало воздействие на электроны в сетчатке глаза наблюдателя. При этом волна достигла Земли за сотни лет. Люди наблюдали вспышку звезды, когда самой звезды уже не было. Если попробовать описать это наблюдение на основе концепции дальнодействия, то приходится считать, что заряды в сетчатке глаза взаимодействуют не с зарядами звезды, а с теми, которые когда-то были на звезде, которой уже нет. Заметим, что в процессе образования нейтронной звезды многие заряды исчезают, поскольку из электронов и протонов образуются нейтроны - нейтральные частицы, практически не участвующие в электромагнитном взаимодействии. Согласитесь, что описание на основе взаимодействия с тем, что когда-то было, но не существует в настоящий момент времени, «не очень удобное».
Другая причина признать поле материальным связана с тем, что электромагнитная волна переносит через пространство энергию и импульс . Если поле не считать материальным, то следует признать, что энергия и импульс не связаны с чем-то материальным и сами по себе переносятся через пространство.
Сформулированная в 1905 г. Альбертом Эйнштейном теория относительности базируется на постулате, в соответствии с которым не существует взаимодействий (в том числе и фундаментальных), распространяющихся быстрее света.
Мы начали с «материализации духов». Так вот... Физики - народ остроумный, и понятие «духи» уже используется в современной теории поля. Можно сказать, что пока еще эти духи не материализованы, т. е. не наблюдаются на опыте. Но и наука о фундаментальных полях пока еще не завершена.
Конечность распространения фундаментальных полей и их связь с энергией и импульсом (перенос энергии и импульса этими полями) приводят к признанию этих полей в качестве одной из составляющих материи. Материя, таким образом, представлена частицами (веществом) и фундаментальными полями.