Поле и вещество

Введение понятия электромагнитного поля расширило научное представление о формах материи, изучаемых в физике. Классическая, ньютоновская физика имела дело только с одной-единственной формой физической материи – веществом, которое было построено из материальных частиц и представляло собой систему таких частиц, в качестве которых рассматривались либо материальные точки (механика), либо атомы (учение о теплоте).

Если главной характеристикой вещества является масса, так как именно она фигурирует в основном законе механики F=m*a, то в электродинамике основным является понятие энергии поля. Другими словами, при изучении движения в механике в первую очередь обращают внимание на перемещение тел, обладающих массой, а при исследовании электромагнитного поля – на распространение электромагнитных волн в пространстве с течением времени. Другим отличием вещества от поля является также характер передачи воздействий. В механике такое воздействие передается с помощью силы, причем оно может быть осуществлено в принципе на какое угодно расстояние, в то время как в электродинамике энергетическое воздействие поля передается от одной точки к другой. Наконец, нельзя не отметить также тот немаловажный факт, что после того, когда источник электромагнитных волн прекращает свое действие, возникшие электромагнитные волны продолжают распространяться в пространстве. Выходит, что электромагнитные волны могут существовать автономно, без непосредственной связи с источником энергии.

Исторически подход к изучению природы с точки зрения вещества и связанной с ним массы нашел свое отчетливо выражение в механистической картине мира, которая пыталась объяснить другие, немеханические явления с помощью понятий и принципов механики. В его основе лежит представление о дискретной природе вещества, которое в механике рассматривалось как система материальных частиц, а в других науках - совокупность атомов или молекул. Таким образом, дискретность можно рассматривать как конечную делимость материи на отдельные, все уменьшающиеся части. Еще античные греки поняли, что такая делимость не может продолжаться бесконечно, ибо тогда исчезнет сама материи. Поэтому они выдвинули предположение, что последними неделимыми частицами материи являются атомы.

С дискретной точки зрения, строение материи можно представить в виде такой структуры, которая предполагает возможность её конечного деления на все уменьшающиеся отдельные части, начиная от молекул и атомов и кончая элементарными частицами и кварками.

С точки зрения непрерывности материя представляется в виде определенной целостности и единства. Наглядным образом такой непрерывности является любая сплошная среда, которая заполняет определенное пространство. Свойства такой среды, например, жидкости, изменяются от одной точки к другой непрерывно, без разрывов и скачков. На примере электромагнитного поля мы убедились, что силовое воздействие такого поля передается от близлежащей предшествующей точки к последующей, то есть непрерывно.

В классической теории существовало явное противопоставление дискретных представлений непрерывным, когда исключалось всякое их взаимодействие при изучении вещества и поля. В современной же физике, как мы убедимся в дальнейшем, именно взаимосвязь и взаимодействие дискретности и непрерывности, корпускулярных и волновых свойств материи при исследовании свойств и закономерностей движения её мельчайших частиц служит основой адекватного описания изучаемых явлений и процессов. Таким микрочастицам материи присущ корпускулярно-волновой дуализм, то есть они одновременно обладают как свойствами корпускул (вещества), так и волн (поля).

Подобное представление совершенно чуждо классической физике, в которой дискретный и корпускулярный подход применялся при изучении одни явлений, а непрерывный и полевой- при исследовании других. Более того, мы знаем теперь, что механистическая трактовка явлений электричества и магнетизма опиралась, в конечном счете, на дискретной и корпускулярной их интерпретации, когда они рассматривались как особые субстанции, то есть отождествлялись с разновидностью вещества.

С другой стороны, более универсальный подход к единому объяснению всех физических явлений с точки зрения единой теории поля был, выдвинут в качестве грандиозной программы создателем теории относительности А.Эйнштейном, но так и остался нереализованным. Основные его идеи станут понятными после того, как мы познакомимся с теорией относительности.

Диалектическое взаимодействие дискретности и непрерывности находит свое яркое воплощение в современных квантовых теориях полей. Действительно, взаимодействие в квантовой теории электромагнитного поля происходит в результате взаимного обмена фотонами, квантами этого поля. То же самое можно сказать о гравитационном поле, где такое взаимодействие осуществляется с помощью гравитонов, гипотетических частиц такого поля. С точки зрения новой теории, частицы или кванты поля, в каждой точке пространства создают поле сил, которое оказывает свое воздействие на другие частицы.

Само же поле в истории физики, как мы видели, интерпретировалось по - разному. В первых представлениях об электромагнетизме поле рассматривалось чисто механически, а именно как натяжение силовых линий между зарядами, а в оптике как упругое колебание особой, все проникающей среды - мирового эфира. После отказа от такого допущения сначала в теории электромагнитного поля и окончательно в теории относительности, на роль своеобразного эфира в современной физике претендует, по - видимому, физический вакуум. В квантовой теории поля он рассматривается как низшее энергетическое состояние квантованных полей, в котором отсутствуют какие - либо реальные частицы. Однако возможность виртуальных процессов в вакууме приводит к определенным эффектам при взаимодействии его с реальными частицами. В квантовой теории поля понятие физического вакуума считается основным, поскольку его свойствами определяют свойства всех других состояний системы.

Таким образом, с развитием физики представления о веществе и поле в корне изменились. Прежнее их противопоставление в классической физике уступило место пониманию их взаимосвязи и взаимодействия в современной физике. С одной стороны, вещество рассматривается как определенная дискретная система взаимодействующих элементарных частиц. С другой стороны, поле как непрерывная целостность, состоит из квантов поля, которые обмениваются друг с другом энергией и тем самым обеспечивают существование и движение самой системы.

Литература

Основная

Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики//Эйнштейн А. Собр. соч. т. IV, С.401 - 452.

Дополнительная

Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М.. Фейнмановские лекции по физике. Электричество и магнетизм – М. 1966, вып. 5, гл. 1.

Феймановские лекции по физике. Излучение. Волны. Кванты - М., 1966, вып. 3 Гл. 28

Вопросы для самоконтроля

1. Как первоначально объясняли явления электричества и магнетизма?

2. Какие открытия стали основой для создания теории электромагнитного поля?

3. В каких случаях электрические заряды создают магнитное поле?

4. Что такое статическое электрическое поле?

5. В каком случае статическое поле может превратиться в динамическое поле и образовать магнитное поле?

6. Что называют индукционным током?

7. Когда магнит создает электрическое поле?

8. Какая связь существует между электричеством и магнетизмом?

9. На какие открытия опирался Максвелл при создании своей теории электромагнитного поля?

10.Какие новые следствия были получены из теории Максвелла?

11.Почему оптические явления стали рассматриваться как электромагнитные?

12.Какой характер имеют электромагнитные волны?

13.Чем отличаются световые волны от других электромагнитных волн?

14.Как происходит передача энергии в электромагнитном поле?

15.Чем отличается поле от вещества?

Дата добавления: 2015-06-28