Близкоде́йствие - представление, согласно которому взаимодействие между удаленными друг от друга телами осуществляется с помощью промежуточной среды (поля) и осуществляется с конечной скоростью. В начале 18 века одновременно с теорией близкодействия зародилась противоположная ей теория дальнодействия , согласно которой тела действуют друг на друга без посредников, через пустоту, на любом расстоянии, и такое взаимодействие осуществляется с бесконечно большой скоростью (но подчиняется определенным законам). Примером дальнодействия можно считать силу всемирного тяготения в классической теории гравитации И. Ньютона .
Одним из родоначальников теории близкодействия считается М. В. Ломоносов . Ломоносов был противником теории дальнодействия, считая, что тело не может воздействовать на другие тела мгновенно. Он полагал, что электрическое взаимодействие передается от тела к телу через особую среду «эфир», заполняющую все пустое пространство, в частности и пространство между частицами, из которых состоит «весомая материя», т. е. вещество. Электрические явления, по Ломоносову, следует рассматривать как определенные микроскопические движения, происходящие в эфире. То же самое относится и к магнитным явлениям.
Однако теоретические представления Ломоносова и Л. Эйлера в то время не могли получить развития. После открытия закона Кулона , который по своей форме был таким же, как и закон всемирного тяготения, теория дальнодействия совсем вытесняет теорию близкодействия. И только в начале 19 века М. Фарадей возрождает теорию близкодействия. Согласно Фарадею, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое и магнитное (если он движется) поля. Поля одного заряда действуют на другой и наоборот. Всеобщее признание теории близкодействия начинается со второй половины 19 века, после экспериментального доказательства теории Дж. Максвелла , сумевшего придать идеям Фарадея точную количественную форму, столь необходимую в физике - систему уравнений электромагнитного поля.
Важным отличием теории близкодействия от теории дальнодействия является наличие максимальной скорости распространения взаимодействий (полей, частиц) - скорости света. 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
2.7. Взаимодействие, близкодействие, дальнодействие
2.7.1. Концепции близкодействия и дальнодействия
Дальнодействие
. После открытия закона всемирного тяготения И. Ньютоном, а затем закона Кулона, описывающего взаимодействие электрических заряженных тел, возник , почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на больших расстояниях через пустое пространство и почему заряженные тела взаимодействуют между собой даже через электрически нейтральную среду?
До введения понятия «поле» на этот вопрос не было удовлетворительного ответа. Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может непосредственно осуществляться через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействий, а передача взаимодействия от тела к телу передается мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия, которую обосновал Р. Декарт. Большинство ученых придерживалось этой концепции вплоть до конца XIX в.
Принцип дальнодействия утвердился в физике еще и потому, что гравитационное взаимодействие макроскопических тел в соответствии с законом всемирного тяготения И. Ньютона малозаметно, – притяжение слишком слабо, чтобы его ощутить. Поэтому экспериментально это было трудно подтвердить или опровергнуть. Только известные опыты Г. Кавендиша
были первыми лабораторными наблюдениями гравитационного притяжения.
Близкодействие
. Напротив, законы взаимодействия электрически заряженных тел допускали возможность их относительно простой проверки. Вскоре было установлено, что взаимодействие электрических зарядов происходит не мгновенно. Каждая электрически заряженная частица создает электрическое поле, действующее на другие частицы не в тот же момент, а спустя некоторое время.
Иными словами, взаимодействие передается через посредника – электромагнитное поле, а скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света. Это составляет суть концепции близкодействия.
2.7.2. Фундаментальные типы взаимодействий
Согласно концепции близкодействия все взаимодействия между юлами (помимо прямого контакта между ними) осуществляются с помощью тех или иных полей (например, взаимодействие в теории тяготения – с помощью гравитационного поля, электромагнитные взаимодействия – с помощью электромагнитных полей). Вплоть до ХХ в. были известны лишь два типа взаимодействий: гравитационное
и электромагнитное.
В настоящее время, помимо гравитационного и электромагнитного взаимодействий, известны еще два – так называемые слабые и сильные взаимодействия. Указанные типы взаимодействий в современной физике являются фундаментальными.
Слабое
взаимодействие отвечает за внутриядерное взаимодействие, приводящее, например, к распаду нейтрона с испусканием электронов (β -излучение), сильное
взаимодействие – за внутринуклонные взаимодействия, оно удерживает кварки внутри нуклонов.
Пространственно четырех взаимодействий различно. Так, гравитационные и электромагнитные взаимодействия описываются законами «обратных квадратов расстояний» и проявляются во всем пространстве формально до бесконечности. Сильные взаимодействия проявляются только в пределах размера ядра ~10 –13 см, а слабые взаимодействия - на расстояниях в несколько порядков раз меньших размеров ядер.
Относительная сила взаимодействий различна. Если сильное взаимодействие условно принять за единицу, то электромагнитное взаимодействие будет в 10 2 раз меньше, слабое – в 10 10 , а гравитационное – в 10 38 раз меньше сильного взаимодействия.
И хотя сила взаимодействий существенно различна, ни одним из них пренебрегать нельзя. Каждое взаимодействие может оказывать решающее влияние на процессы в том или ином конкретном случае. Даже такое взаимодействие, как гравитационное, несмотря на свою кажущуюся малость (в 10 38 раз меньше сильного взаимодействия) играет, например, доминирующую роль в процессах космического порядка, где присутствуют объекты с огромной массой и большие пространственные масштабы явлений.
Во второй половине XX в. велись интенсивные работы по возможному объединению электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий.
Пока что С. Вайнбергу
, Ш. Глэшоу
и А. Саламу
удалось создать единую теорию электрослабого взаимодействия.
В соответствии с этой теорией за электрослабые взаимодействия отвечают частицы – кванты электрослабого поля - бозоны W~
и Z 0 . Вскоре такие частицы были обнаружены экспериментально К. Руббиа
и С. ван дер Меером
.
Как отмечалось выше, сильное фундаментальное взаимодействие отвечает за связь частиц в ядре, и поэтому часто называется ядерным.
Вначале это взаимодействие изучалось в рамках квантовой мезонодинамики. Японский ученый Х Юкава
выдвинул идею, что взаимодействие между нуклонами (протонами и нейтронами) в атомных ядрах обусловлено специальными частицами – квантами ядерного поля, названными мезонами.
В дальнейшем такие частицы были открыты и получили название π
– мезонов.
Следующим этапом развития теории сильных взаимодействий было создание квантовой хромодинамики.
Необходимость в создании новой теории объясняется следующим: в дальнейшем было выяснено, что отдельные единицы ядра – нейтроны и протоны – сами состоят из более мелких единиц – кварков, поэтому исследования переместились в область изучения взаимодействий между кварками в нуклонах. По современным представлениям, в соответствии с квантовой хромодинамикой, сильное вздимодействие связано с существованием квантов внутринуклонного поля глюонами. Таким образом, теория сильных взаимодействий – квантовая хромодинамика – описывает взаимодействие кварков и глюонов.
Теорию электрослабых и сильных взаимодействий называют Стандартной моделью макромира.
После того, как была создана единая теория электрослабых взаимодействий, появилась реальная перспектива построения ядерной теории всех трех форм взаимодействий элементарных частиц (программа «Великого объединения»).
А в самое последнее время появились новые идеи, которые открывают, может быть, далекие, но все же реальные перспективы объединения всех известных четырех взаимодействий, включая и гравитационное. Решение этой задачи ознаменовало бы грандиозную научную революцию, которую трудно измерить масштабами всех предшествующих научных революций.
Иными словами, на сегодняшний день мы имеем очень продуктивную исследовательскую программу, дающую направление ее развития, которое ориентированно ведет к единству всех фундаментальных теорий.
Если такая программа будет реализована, то это будет означать что природа, в конечном счете, подчинена действию некой суперсилы проявляющейся в некоторых частных взаимодействиях. Эта суперсила достаточно мощна, чтобы создать нашу Вселенную, наделить ее энергией в соответствующих формах и материей с определенной структурой.
Но суперсила – нечто большее, чем просто сила. В ней материя, пространство-время и взаимодействие слиты в нераздельное гармоническое целое, порождающее такое единство Вселенной, о котором раньше никто и не предполагал. Современная наука в поиске такого единства.
С концепциями взаимодействия в физике тесно связана концепция физического вакуума. По современным представлениям, вакуум – это не «абсолютная пустота», а реальная физическая система, например электромагнитное поле в одном из своих состояний. Более того, согласно квантовой теории поля, из состояния вакуума можно получить все другие состояния поля. Вакуум можно определить как поле с минимальной энергией. В вакууме постоянно протекают сложнейшие физические превращения, например особого рода вакуумные колебания электромагнитного поля, не вырывающиеся из него и не распространяющиеся, однако отчетливо проявляющиеся в физическом эксперименте.
Дальнодействие . После открытия закона всемирного тяготения И. Ньютоном, а затем закона Кулона, описывающего взаимодействие электрических заряженных тел, возник вопрос, почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на больших расстояниях через пустое пространство и почему заряженные тела взаимодействуют между собой даже через электрически нейтральную среду?
До введения понятия «поле» на этот вопрос не было удовлетворительного ответа. Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может непосредственно осуществляться через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействий, а передача взаимодействия от тела к телу передается мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия, которую обосновал Р. Декарт. Большинство ученых придерживалось этой концепции вплоть до конца XIX в.
Принцип дальнодействия утвердился в физике еще и потому, что гравитационное взаимодействие макроскопических тел в соответствии с законом всемирного тяготения И. Ньютона малозаметно, – притяжение слишком слабо, чтобы его ощутить. Поэтому экспериментально это было трудно подтвердить или опровергнуть. Только известные опыты Г. Кавендиша были первыми лабораторными наблюдениями гравитационного притяжения.
Близкодействие . Напротив, законы взаимодействия электрически заряженных тел допускали возможность их относительно простой проверки. Вскоре было установлено, что взаимодействие электрических зарядов происходит не мгновенно. Каждая электрически заряженная частица создает электрическое поле, действующее на другие частицы не в тот же момент, а спустя некоторое время.
Иными словами, взаимодействие передается через посредника – электромагнитное поле, а скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света. Это составляет суть концепции близкодействия.
Близкодействие и дальнодействие -это взаимно противоположные взгляды для объяснения взаимодействия материальных структур. По концепцииблизко действия 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.
Вся совокупность элементарных частиц с их взаимодействиями проявляет себя макроскопически в форме вещества и
поля. Поле в отличие от вещества обладает особыми свойствами. Физическая реальность электромагнитного поля видна хотя бы из того, что существуют радиоволны. Источником электромагнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. Взаимодействие зарядов происходит по схеме: частица - поле - частица. Поле является переносчиком взаимодействия. В некоторых условиях поле может "оторваться" от своих источников и свободно распространяться в пространстве. Такое поле носит волновой характер.
Как получают сведения о состоянии вещества звезд? Атомные процессы, которые разыгрываются во внешних оболочках звезд, сопровождаются излучением электромагнитных волн. Одним из таких процессов является возбуждение атомов, ведущее к излучению ряда характерных "порций" энергии электромагнитного поля (спектр). У каждого химического элемента имеется свой, только ему присущий спектр излучения. Анализируя, например, солнечный свет (свет является электромагнитным излучением) с помощью оптических приборов, можно определить химический состав и процентное содержание элементов во внешних оболочках Солнца.
В современной естественно-научной картине мира как вещество, так и поле состоят из элементарных частиц, а частицы взаимодействуют друг с другом, взаимопревращаются. На уровне элементарных частиц происходит взаимопревращение поля и вещества. Так, фотоны могут превратиться в электронно-позитронные пары, а эти пары в процессе взаимодействия уничтожаются (аннигилируются) с образованием фотонов. Более того, вакуум тоже состоит из частиц (виртуальных частиц), которые взаимодействуют как друг с другом, так и с обычными частицами. Таким образом, исчезают фактически границы между веществом и полем и даже между вакуумом, с одной стороны, и веществом и полем - с другой. На фундаментальном уровне все грани в природе действительно оказываются условными. В современной естественно-научной картине мира вещество и поле взаимопревращаются. Поэтому в настоящее
время предпринимаются настойчивые попытки создать единую теорию всех видов взаимодействий.
При наличии нескольких полей для определения результирующего взаимодействия применяют принцип суперпозиции. Принцип суперпозиции в естествознании позволяет получать результирующий эффект от наложения (суперпозиции) нескольких независимых взаимодействий как сумму эффектов, вызываемых каждым взаимодействием в отдельности. Он справедлив для систем, описываемых линейными уравнениями. Принцип суперпозиции широко используется в механике, теории колебаний и волновой теории физических полей. В квантовой механике принцип суперпозиции относится к волновым функциям. Согласно этому, если физическая система может находиться в состояниях, описываемых двумя или несколькими функциями, то система может также находиться в состоянии, описываемом любой линейной комбинацией этих функций.
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.