Czym są dziedziny w fizyce. Podstawowe pola fizyczne

Pole- jedna z form istnienia materii i być może najważniejsza. Pojęcie „pola” odzwierciedla fakt, że siły elektryczne i magnetyczne działają na odległość ze skończoną prędkością, wzajemnie się i w sposób ciągły generując się nawzajem. Pole jest promieniowane, rozchodzi się ze skończoną prędkością w przestrzeni, oddziałuje z materią. Faraday sformułował idee pola jako nowej formy materii i umieścił notatki w zapieczętowanej kopercie, pozostawionej do otwarcia po jego śmierci (koperta ta została odkryta dopiero w 1938 r.). Faraday wykorzystał (1840) ideę uniwersalnego zachowania i transformacji energii, chociaż samo prawo nie zostało jeszcze odkryte.

W swoich wykładach (1845) Faraday mówił nie tylko o równoważnych przemianach energii z jednej formy w drugą, ale także o tym, że od dawna próbował „odkryć bezpośredni związek między światłem a elektrycznością” i że „można namagnesować i elektryzuje wiązkę światła i oświetla linię sił magnetycznych”. Posiada technikę badania przestrzeni wokół naładowanego ciała za pomocą ciał testowych, wprowadzenie do obrazu pola linie energetyczne. Opisał swoje doświadczenia dotyczące rotacji płaszczyzny polaryzacji światła przez pole magnetyczne. Badanie związku między właściwościami elektrycznymi i magnetycznymi substancji doprowadziło Faradaya nie tylko do odkrycia para- i diamagnetyzmu, ale także do ustanowienia podstawowej idei - idei pola. Napisał (1852): „Otaczające je środowisko lub przestrzeń odgrywa równie istotną rolę jak sam magnes, będąc częścią prawdziwego i kompletnego systemu magnetycznego”.

Faraday wykazał, że siła elektromotoryczna indukcji mi występuje, gdy zmienia się strumień magnetyczny F(otwieranie, zamykanie, zmiana prądu w przewodach, zbliżanie lub wyjmowanie magnesu itp.). Maxwell wyraził ten fakt równością: mi = -dF/ zw. Według Faradaya zdolność do indukowania prądów przejawia się w okręgu wokół wypadkowej magnetycznej. Według Maxwella zmienne pole magnetyczne otoczone jest wirowym polem elektrycznym, a znak minus związany jest z zasadą Lenza: prąd indukcyjny pojawia się w takim kierunku, aby zapobiec zmianie, która go generuje. Oznaczenie zgnilizny pochodzi z języka angielskiego. wirnik - wir. W 1846 roku F. Neumann stwierdził, że do wytworzenia prądu indukcyjnego należy zużyć pewną ilość energii.

Ogólnie układ równań pisany przez Maxwella w postaci wektorowej ma postać zwartą:

Wektory indukcji elektrycznej i magnetycznej (D i B) oraz wektory natężenia pól elektrycznych i magnetycznych (E i H) zawarte w tych równaniach są powiązane wskazanymi prostymi zależnościami ze stałą dielektryczną e i przenikalnością magnetyczną średnia μ. Zastosowanie tej operacji oznacza, że wektor natężenia pola magnetycznego obraca się wokół wektora prądu gęstości J.

Zgodnie z równaniem (1) każdy prąd powoduje pole magnetyczne w otaczającej przestrzeni, prąd stały - stałe pole magnetyczne. Takie pole nie może zostać uruchomione w "następujących" obszarach pole elektryczne, ponieważ zgodnie z równaniem (2) tylko zmieniające się pole magnetyczne generuje prąd. Wokół prądu przemiennego powstaje również przemienne pole magnetyczne, które jest w stanie wytworzyć pole elektryczne fali w „następnym” elemencie przestrzeni, falę nietłumioną - energia pola magnetycznego w pustce jest całkowicie przekształcana w energię elektryczną i odwrotnie. Ponieważ światło rozchodzi się w postaci fal poprzecznych, można wyciągnąć dwa wnioski: światło jest zaburzeniem elektromagnetycznym; pole elektromagnetyczne rozchodzi się w przestrzeni w postaci fal poprzecznych z prędkością z= 3 10 8 m/s, w zależności od właściwości medium, a zatem „natychmiastowe działanie dalekiego zasięgu” jest niemożliwe. Tak więc w falach świetlnych drgania są wykonywane przez siły pola elektrycznego i magnetycznego, a nośnikiem fali jest sama przestrzeń, która znajduje się w stanie napięcia. I to, ze względu na prąd przesunięcia, wytworzy nowe pole magnetyczne i tak dalej w nieskończoność .

Znaczenie równań (3) i (4) jest jasne - (3) opisuje elektrostatyczne twierdzenie Gaussa i uogólnia prawo Coulomba, (4) odzwierciedla brak ładunków magnetycznych. Rozbieżność (od łac. rozbieżne - wykryć rozbieżność) jest miarą źródła. Jeśli np. promienie świetlne nie rodzą się w szkle, a tylko przechodzą przez nie, divD = 0. Słońce jako źródło światła i ciepła ma rozbieżność dodatnią, a ciemność rozbieżność ujemną. Dlatego linie siły pola elektrycznego kończą się na ładunkach, których gęstość wynosi p, a pole magnetyczne są zamknięte na sobie i nigdzie się nie kończą.

System poglądów, który stanowił podstawę równań Maxwella, został nazwany Teoria pola elektromagnetycznego Maxwella. Chociaż te równania są proste, im więcej pracował nad nimi Maxwell i jego zwolennicy, tym głębsze znaczenie było im odsłaniane. G. Hertz, którego eksperymenty były pierwszym bezpośrednim dowodem wierności teorii pola elektromagnetycznego Faradaya-Maxwella, pisał o niewyczerpalności równań Maxwella: że te wzory są mądrzejsze od nas, mądrzejsze nawet od samego autora, jak jeśli dadzą nam więcej, niż w swoim czasie, zostało to w nich ustanowione ”.

Proces propagacji pola będzie trwał w nieskończoność w postaci nietłumionej fali - energia pola magnetycznego w próżni jest całkowicie zamieniana na energię elektryczną i odwrotnie. Wśród stałych zawartych w równaniach była stała c; Maxwell stwierdził, że jego wartość była dokładnie równa wartości prędkości światła. Nie można było nie zwrócić uwagi na ten zbieg okoliczności. Tak więc w falach świetlnych drgania są wykonywane przez siły pola elektrycznego i magnetycznego, a nośnikiem fali jest sama przestrzeń, która znajduje się w stanie napięcia.

Fala świetlna to fala elektromagnetyczna,„Przebiega przez przestrzeń i oddzielona od ładunków, które go wyemitowały”, jak to ujął Weisskopf. Porównał znaczenie odkrycia Maxwella z odkryciem prawa grawitacji Newtona. Newton połączył ruch planet z grawitacją na Ziemi i odkrył podstawowe prawa rządzące mechanicznym ruchem mas pod działaniem sił. Maxwell połączył optykę z elektrycznością i wydedukował podstawowe prawa (równania Maxwella) rządzące zachowaniem pól elektrycznych i magnetycznych oraz ich oddziaływaniem z ładunkami i magnesami. Prace Newtona doprowadziły do wprowadzenia pojęcia uniwersalnego prawa grawitacji, prace Maxwella - pojęcia pola elektromagnetycznego i do ustalenia praw jego propagacji. Jeżeli pole elektromagnetyczne może istnieć niezależnie od nośnika materialnego, to działanie dalekiego zasięgu powinno ustąpić pola bliskiemu, rozchodzącemu się w przestrzeni ze skończoną prędkością. Idee prądu przesunięcia (1861), fal elektromagnetycznych i elektromagnetycznej natury światła (1865) były tak odważne i niezwykłe, że nawet następne pokolenie fizyków nie od razu zaakceptowało teorię Maxwella. W 1888 G. Hertz odkrył fale elektromagnetyczne, ale tak aktywnego przeciwnika teorii Maxwella, jak W. Thomson (Kelvin), mogły przekonać tylko eksperymenty PN Lebiediewa, który odkrył w 1889 roku istnienie lekki nacisk.

W połowie XIX wieku. Maxwell połączył elektryczność i magnetyzm w zunifikowanej teorii pola. Ładunek elektryczny jest związany z cząstkami elementarnymi, z których najbardziej znane – elektron i proton – mają ten sam ładunek. mi, jest uniwersalną stałą natury. SI = 1,6 10 -19 C. Chociaż nie odkryto jeszcze żadnych ładunków magnetycznych, teoretycznie już się one pojawiają. Według fizyka Diraca wielkość ładunków magnetycznych powinna być wielokrotnością ładunku elektronu

Dalsze badania w zakresie pola elektromagnetycznego doprowadziły do sprzeczności z koncepcjami mechaniki klasycznej, którą holenderski fizyk H.A. Lorenza. Wprowadził przekształcenia współrzędnych układów inercjalnych, które w przeciwieństwie do klasycznych przekształceń Galileusza zawierały stałą – prędkość światła, co łączyło się z teorią pola. Zmieniono skalę czasu i długości przy prędkościach zbliżonych do prędkości światła. Fizyczne znaczenie tych transformacji Lorentza wyjaśnił dopiero A. Einstein w 1905 r. W swojej pracy „O elektrodynamice ciał w ruchu”, która stanowiła podstawę specjalnej teorii względności (STR) lub mechaniki relatywistycznej.

Przyrodoznawstwo nie tylko identyfikuje rodzaje obiektów materialnych we Wszechświecie, ale także ujawnia powiązania między nimi. Połączenie między obiektami w integralnym systemie jest bardziej uporządkowane, stabilniejsze niż połączenie każdego z elementów z elementami ze środowiska zewnętrznego. Aby zniszczyć system, oddzielić ten lub inny element od systemu, konieczne jest przyłożenie do niego określonej energii. Energia ta ma różną wartość i zależy od rodzaju interakcji między elementami systemu. W megaświecie te oddziaływania zapewnia grawitacja, w makrokosmosie oddziaływanie elektromagnetyczne dodaje się do grawitacji i staje się ona podstawowa, jako silniejsza. W mikroświecie, wielkości atomu, przejawia się jeszcze silniejsze oddziaływanie jądrowe, zapewniające integralność jąder atomowych. W przejściu do cząstek elementarnych, energii wiązań wewnętrznych, wiemy, że substancje naturalne to związki chemiczne pierwiastków zbudowane z atomów i zebrane w układzie okresowym. Przez pewien czas uważano, że atomy są elementarnymi budulcami wszechświata, ale potem ustalili, że atom jest „całym Wszechświatem” i składa się z jeszcze bardziej fundamentalnych cząstek oddziałujących ze sobą: protonów, elektronów, neutronów, mezonów itp. Liczba cząstek, które twierdzą, że są elementarne, rośnie, ale czy rzeczywiście są one aż tak elementarne?

Rozpoznano mechanikę newtonowską, ale pochodzenie sił powodujących przyspieszenie nie zostało omówione. Siły grawitacji działają przez pustkę, mają zasięg dalekiego zasięgu, podczas gdy siły elektromagnetyczne działają przez ośrodek. Obecnie wszystkie interakcje w przyrodzie są zredukowane do czterech typów: grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne jądrowe i słabe jądrowe.

Powaga(od łac. powaga- nasilenie) - historycznie pierwsza badana interakcja. Za Arystotelesem wierzono, że wszystkie ciała dążą do „swojego miejsca” (ciężkie – w dół do Ziemi, lekkie – w górę). Fizyka XVII-XVIII wieku znane były tylko oddziaływania grawitacyjne. Według Newtona dwie masy punktowe przyciągają się siłą skierowaną wzdłuż łączącej je linii: Znak minus wskazuje, że mamy do czynienia z przyciąganiem, r - odległość między ciałami (uważa się, że wielkość ciał jest znacznie mniejsza) r), t 1 i t 2 - masy ciała. Ilość g- uniwersalna stała określająca wartość sił grawitacyjnych. Jeżeli ciała ważące 1 kg znajdują się w odległości 1 m od siebie, siła przyciągania między nimi wynosi 6,67 10 -11 N. Grawitacja jest uniwersalna, podlegają jej wszystkie ciała, a nawet sama cząstka jest źródłem grawitacji. Jeśli wartość g było więcej, wtedy siła też by wzrosła, ale g jest bardzo mały, a oddziaływanie grawitacyjne w świecie cząstek subatomowych jest nieznaczne, a pomiędzy ciałami makroskopowymi ledwo zauważalne. Cavendish był w stanie zmierzyć wartość G, za pomocą wagi skrętnej. Wszechstronność stałej g oznacza, że w dowolnym miejscu we Wszechświecie iw dowolnym momencie czasu siła przyciągania między ciałami o masie 1 kg, oddzielonymi odległością 1 m, będzie miała taką samą wartość. Dlatego możemy powiedzieć, że ilość g określa strukturę układów grawitacyjnych. Grawitacja lub grawitacja nie ma większego znaczenia w interakcji między małymi cząsteczkami, ale utrzymuje planety, wszystko Układ Słoneczny i galaktyki. Nieustannie czujemy grawitację w naszym życiu. Prawo potwierdziło dalekosiężny charakter siły grawitacyjnej i główną właściwość oddziaływania grawitacyjnego - jego uniwersalność.

Teoria grawitacji Einsteina (GR) daje różne wyniki z prawa Newtona w silnych polach grawitacyjnych, w słabych - obie teorie są zbieżne. Zgodnie z ogólną teorią względności powaga- jest to przejaw krzywizny czasoprzestrzeni. Ciała poruszają się po zakrzywionych ścieżkach nie dlatego, że działa na nie grawitacja, ale dlatego, że poruszają się w zakrzywionej czasoprzestrzeni. Poruszają się „najkrótszą drogą, a grawitacja to geometria”. Efekt krzywizny czasoprzestrzeni można wykryć nie tylko w pobliżu zapadających się obiektów, takich jak gwiazdy neutronowe czy czarne dziury. Takimi są na przykład precesja orbity Merkurego lub spowolnienie czasu na powierzchni Ziemi (patrz ryc. 2.3, w). Einstein wykazał, że grawitację można opisać jako ekwiwalent przyspieszonego ruchu.

Aby uniknąć kompresji Wszechświata pod wpływem samograwitacji i zapewnić jego stacjonarność, wprowadził możliwe źródło grawitacji o niezwykłych właściwościach, prowadzące do „odpychania” materii, a nie do jej koncentracji, a siła odpychania wzrasta z odległością. Ale te właściwości mogą przejawiać się tylko w bardzo dużej skali Wszechświata. Siła odpychająca jest niewiarygodnie mała i nie zależy od masy odpychającej; jest reprezentowany w postaci gdzie T - masa odpychanego przedmiotu; r - jego odległość od odpychającego ciała; L - stały. Obecnie ustalany jest górny limit L = 10 -53 m -2, tj. dla dwóch ciał o masie 1 kg, znajdujących się w odległości 1 m, siła przyciągania przewyższa kosmiczne odpychanie co najmniej 10-25 razy. Jeśli dwie galaktyki o masie 10 41 kg znajdują się w odległości 10 milionów sv. lat (około 10 22 m), wtedy dla nich siły przyciągania byłyby w przybliżeniu zrównoważone przez siły odpychania, jeśli wartość L naprawdę blisko określonego górnego limitu. Ta wielkość nie została jeszcze zmierzona, chociaż jest ważna dla wielkoskalowej struktury Wszechświata jako fundamentalna.

oddziaływanie elektromagnetyczne, wywołany ładunkami elektrycznymi i magnetycznymi, przenoszony jest przez fotony. Siły oddziaływania między ładunkami zależą w złożony sposób od położenia i ruchu ładunków. Jeśli dwa ładunki Q 1 i q 2 nieruchomy i skupiony na punktach w oddali r, wtedy interakcja między nimi jest elektryczna i jest określona przez prawo Coulomba: z znaki opłat q 1 oraz q 2 siła oddziaływania elektrycznego skierowana wzdłuż linii prostej łączącej ładunki będzie siłą przyciągania lub odpychania. Tutaj przez oznacza stałą określającą intensywność oddziaływania elektrostatycznego, jego wartość wynosi 8,85 10 -12 F/m. Tak więc dwa ładunki o wartości 1 C, oddzielone o 1 m, będą podlegać sile 8,99 10 9 N. Ładunek elektryczny jest zawsze związany z cząstkami elementarnymi. Wartość liczbowa ładunku najsłynniejszego z nich - protonu i elektronu - jest taka sama: jest to stała uniwersalna e = 1,6 10 -19 kl. Ładunek protonu jest uważany za dodatni, ładunek elektronu jest ujemny.

Siły magnetyczne generowane są przez prądy elektryczne - ruch ładunków elektrycznych. Podejmowane są próby łączenia teorii uwzględniających symetrie, w których przewiduje się istnienie ładunków magnetycznych (monopoli magnetycznych), ale nie zostały one jeszcze odkryte. Dlatego wartość mi określa intensywność oddziaływania magnetycznego. Jeśli ładunki elektryczne poruszają się z przyspieszeniem, to emitują - oddają energię w postaci światła, fal radiowych lub promieni rentgenowskich, w zależności od zakresu częstotliwości. Prawie wszystkie nośniki informacji odbierane przez nasze zmysły mają charakter elektromagnetyczny, choć czasami występują w złożonych formach. Oddziaływania elektromagnetyczne determinują strukturę i zachowanie atomów, chronią atomy przed rozpadem, odpowiadają za wiązania między cząsteczkami, czyli za zjawiska chemiczne i biologiczne.

Grawitacja i elektromagnetyzm to siły dalekiego zasięgu, które rozprzestrzeniają się po całym wszechświecie.

Oddziaływania jądrowe silne i słabe- bliskiego zasięgu i pojawiają się tylko w obrębie wielkości jądra atomowego, czyli na obszarach rzędu 10 -14 m.

Słabe oddziaływanie jądrowe odpowiada za wiele procesów, które powodują niektóre rodzaje rozpadów jądrowych cząstek elementarnych (na przykład (3-rozpad - przemiana neutronów w protony) o prawie punktowym promieniu działania: około 10 -18 m. Wpływa silniej na przemiany cząstek niż na ich ruch, dlatego o jego sprawności decyduje stała związana z szybkością rozpadu – uniwersalny związek stały g (W), określenie szybkości procesów takich jak rozpad neutronów. Słabe oddziaływanie jądrowe jest realizowane przez tak zwane słabe bozony, a niektóre cząstki subatomowe mogą przekształcać się w inne. Odkrycie niestabilnych cząstek subjądrowych wykazało, że oddziaływania słabe powodują wiele przemian. Supernowe są jednym z nielicznych przypadków obserwowanych oddziaływań słabych.

Silne oddziaływanie jądrowe zapobiega rozpadowi jąder atomowych, a gdyby nie to, jądra rozpadłyby się dzięki siłom elektrycznego odpychania protonów. W niektórych przypadkach, ze względu na jego cechy, wprowadza się wartość g (S), podobny do ładunku elektrycznego, ale znacznie wyższy. Oddziaływanie silne realizowane przez gluony spada gwałtownie do zera poza obszarem o promieniu około 10 -15 m. Wiąże ze sobą kwarki tworzące protony, neutrony i inne podobne cząstki zwane hadronami. Mówią, że oddziaływanie protonów i neutronów jest odzwierciedleniem ich wewnętrznych oddziaływań, ale na razie obraz tych głębokich zjawisk jest przed nami ukryty. Z tym związane są energia uwalniana przez słońce i gwiazdy, przemiany w reaktorach jądrowych i uwalnianie energii. Wymienione typy interakcji mają najwyraźniej inny charakter. Do tej pory nie jest jasne, czy wyczerpują one wszystkie interakcje w przyrodzie. Najsilniejsze jest oddziaływanie silne bliskiego zasięgu, elektromagnetyczne jest słabsze o 2 rzędy wielkości, słabe o 14 rzędów wielkości, a grawitacyjne jest mniejsze od silnego o 39 rzędów wielkości. Zgodnie z wielkością sił interakcji występują one w różnym czasie. Silne oddziaływania jądrowe powstają, gdy cząstki zderzają się z prędkością bliską światłu. Czas reakcji, wyznaczony przez podzielenie promienia działania sił przez prędkość światła, daje wartość rzędu 10 -23 s. Procesy oddziaływań słabych zachodzą w ciągu 10 -9 s, a procesy grawitacyjne zachodzą w ciągu 10 16 s, czyli 300 milionów lat.

„Prawo odwrotnego kwadratu”, zgodnie z którym punktowe masy grawitacyjne lub ładunki elektryczne oddziałują na siebie, wynika, jak wykazał P. Ehrenfest, z trójwymiarowości przestrzeni (1917). W kosmosie NS pomiarów, cząstki punktowe oddziaływałyby zgodnie z odwrotnym prawem potęgowym ( n- jeden). Do n = 3, obowiązuje prawo odwrotnych kwadratów, ponieważ 3 - 1 = 2. A przy u = 4, co odpowiada prawu odwrotnych sześcianów, planety poruszałyby się spiralnie i szybko spadały na Słońce. W atomach o więcej niż trzech wymiarach nie byłoby również stabilnych orbit, to znaczy nie byłoby procesów chemicznych i życia. Kant zwrócił również uwagę na związek między trójwymiarowością przestrzeni a prawem grawitacji.

Dodatkowo można wykazać, że propagacja fal w czystej postaci jest niemożliwa w przestrzeni o parzystej liczbie wymiarów - pojawiają się zniekształcenia naruszające strukturę (informację) niosoną przez falę. Przykładem tego jest propagacja fali po powłoce gumowej (po powierzchni o wymiarach) NS= 2). W 1955 roku matematyk G.J. Whitrow doszedł do wniosku, że skoro organizmy żywe muszą przekazywać i przetwarzać informacje, wyższe formy życia nie mogą istnieć w przestrzeniach o równych wymiarach. Wniosek ten odnosi się do znanych nam form życia i praw przyrody i nie wyklucza istnienia innych światów, o innej naturze.

Od Newtona i P. Laplace'a zachowano rozważanie mechaniki jako uniwersalnej teorii fizycznej. W XIX wieku. miejsce to zajął mechaniczny obraz świata, obejmujący mechanikę, termodynamikę i kinetyczną teorię materii, sprężystą teorię światła i elektromagnetyzm. Odkrycie elektronu pobudziło rewizję pomysłów. Pod koniec wieku H. Lorentz zbudował swoją teorię elektronową, aby objąć wszystkie zjawiska naturalne, ale tego nie osiągnął. Problemy związane z dyskretnością ładunku i ciągłością pola oraz problemy w teorii promieniowania („katastrofa ultrafioletowa”) doprowadziły do stworzenia pola kwantowego obrazu świata i mechaniki kwantowej. Po utworzeniu SRT oczekiwano, że uniwersalne pokrycie świata przyrody może dać elektromagnetyczny obraz świata, który łączył teorię względności, teorię Maxwella i mechanikę, ale ta iluzja została wkrótce rozwiana.

Wielu teoretyków próbowało objąć grawitację i elektromagnetyzm za pomocą zunifikowanych równań. Pod wpływem Einsteina, który wprowadził czterowymiarową czasoprzestrzeń, zbudowano wielowymiarowe teorie pola, próbując zredukować zjawiska do właściwości geometrycznych przestrzeni.

Unifikację przeprowadzono w oparciu o ustaloną niezależność prędkości światła dla różnych obserwatorów poruszających się w pustej przestrzeni przy braku sił zewnętrznych. Przedstawiony Einstein światowa linia obiekt na płaszczyźnie, w której oś przestrzenna jest pozioma, a oś czasowa jest pionowa. Wtedy linia pionowa jest linią świata obiektu, który znajduje się w spoczynku w danym układzie odniesienia, a linia nachylona to obiekt poruszający się ze stałą prędkością. Zakrzywiona linia świata odpowiada przyspieszonemu ruchowi obiektu. Dowolny punkt na tej płaszczyźnie odpowiada pozycji w danym miejscu w określonym czasie i jest nazywany wydarzenie. W tym przypadku grawitacja nie jest już siłą działającą na pasywnym tle przestrzeni i czasu, ale jest zniekształceniem samej czasoprzestrzeni. Wszakże pole grawitacyjne jest "krzywizną" czasoprzestrzeni.

Aby ustanowić połączenie pomiędzy poruszającymi się względem siebie klatkami odniesienia, konieczne jest mierzenie odstępów przestrzennych w tych samych jednostkach, co czasowe. Czynnikiem dla tego ponownego obliczenia może być: prędkość światła, powiązanie odległości z czasem, w którym światło może pokonać tę odległość. W takim układzie 1 m jest równy 3,33 nsec (1 n = 10 -9 s). Wtedy światowa linia fotonu będzie przebiegać pod kątem 45 °, a dowolny obiekt materialny - pod mniejszym kątem (ponieważ jego prędkość jest zawsze mniejsza niż prędkość światła). Ponieważ oś przestrzenna odpowiada trzem osiom kartezjańskim, linie świata ciał materialnych będą znajdować się wewnątrz stożka opisanego przez linię świata fotonu. Wyniki obserwacji zaćmienia Słońca w 1919 roku przyniosły Einsteinowi światową sławę. Przemieszczenia gwiazd, które można zobaczyć tylko w pobliżu Słońca podczas zaćmienia, zbiegły się z przewidywaniami teorii grawitacji Einsteina. Tak więc jego geometryczne podejście do konstruowania teorii grawitacji zostało potwierdzone imponującymi eksperymentami.

W tym samym roku 1919, kiedy pojawiła się ogólna teoria względności, T. Kaluza, adiunkt na Uniwersytecie w Królewcu, wysłał swoją pracę do Einsteina, gdzie zaproponował piąty wymiar. Próbując znaleźć podstawową zasadę wszystkich oddziaływań (wtedy znane były dwie - grawitacja i elektromagnetyzm), Kaluza wykazał, że można je wyprowadzić jednorodnie w pięciowymiarowej ogólnej teorii względności. Dla powodzenia zjednoczenia wymiary piątego wymiaru nie miały znaczenia i być może są tak małe, że nie można ich wykryć. Dopiero po dwuletniej korespondencji z Einsteinem opublikowano artykuł. Szwedzki fizyk O. Klein zaproponował modyfikację podstawowego równania mechaniki kwantowej z pięcioma zmiennymi zamiast czterech (1926). Niezauważalne dla nas gabaryty przestrzeni „zwinął” do bardzo małych rozmiarów (przytaczając przykład niedbale rzuconego węża do podlewania, który z daleka wygląda jak kręta linia, ale przy każdym punkcie okazuje się być kołem). Wymiary tych osobliwych pętli są 10-20 razy mniejsze niż rozmiar jądra atomowego. Dlatego piąty wymiar nie jest obserwowalny, ale możliwy.

Radzieccy naukowcy G.A. Mandel i V.A. Kurek. Pokazali, że trajektorię naładowanej cząstki w przestrzeni pięciowymiarowej można ściśle opisać jako linię geodezyjną (z greki). geodaisia- przydział ziemi), czyli najkrótsza droga między dwoma punktami na powierzchni, czyli piąty wymiar może być fizycznie realny. Nie stwierdzono tego ze względu na zależność niepewności Heisenberga, która reprezentuje każdą cząstkę w postaci paczki falowej zajmującej obszar w przestrzeni, którego wielkość zależy od energii cząstki (im wyższa energia, tym mniejsza objętość obszaru ). Jeśli piąty wymiar jest zwinięty w małe koło, to aby go wykryć, oświetlające go cząstki muszą mieć wysoką energię. Akceleratory wytwarzają wiązki cząstek o rozdzielczości 10 -18 m. Dlatego jeśli okrąg w piątym wymiarze jest mniejszy, nie można go jeszcze wykryć.

Radziecki profesor Yu.B. Rumer wykazał w swojej pięciowymiarowej teorii, że piąty wymiar może mieć znaczenie działania. Natychmiast pojawiły się próby wizualizacji tej pięciowymiarowej przestrzeni, jako wcześniejszej czterowymiarowej czasoprzestrzeni wprowadzonej przez Einsteina. Jedną z tych prób jest hipoteza o istnieniu „równoległych” światów. Nietrudno było wyobrazić sobie czterowymiarowy obraz kuli: jest to zbiór jej obrazów w każdym punkcie czasowym - „rura” kulek, która rozciąga się od przeszłości do przyszłości. A pięciowymiarowa kula jest już polem, płaszczyzną absolutnie identycznych światów. We wszystkich światach, które mają od trzech do pięciu wymiarów, nawet jedna przyczyna, nawet przypadkowa, może wywołać kilka konsekwencji. Sześciowymiarowy Wszechświat zbudowany przez wybitnego radzieckiego projektanta samolotów L.R. Bartini, obejmuje trzy wymiary przestrzenne i trzy czasowe. Dla Bartiniego długość czasu to czas trwania, szerokość to liczba opcji, wysokość to prędkość czasu w każdym z możliwych światów.

Teoria grawitacji kwantowej musiał połączyć ogólną teorię względności i mechanikę kwantową. We wszechświecie podlegającym prawom grawitacji kwantowej krzywizna czasoprzestrzeni i jej struktura muszą się zmieniać, świat kwantowy nigdy nie jest w spoczynku. A koncepcje przeszłości i przyszłości, kolejność wydarzeń w takim świecie też powinna być inna. Zmiany te nie zostały jeszcze wykryte, ponieważ efekty kwantowe przejawiają się w niezwykle małych skalach.

W latach 50. XX wiek. R. Feynman, J. Schwinger i S. Tomogawa niezależnie stworzyli elektrodynamikę kwantową, łącząc mechanikę kwantową z koncepcjami relatywistycznymi i wyjaśniając wiele efektów uzyskanych w badaniu atomów i ich promieniowania. Następnie opracowano teorię oddziaływań słabych i wykazano, że elektromagnetyzm można połączyć matematycznie tylko z oddziaływaniami słabymi. Jeden z jej autorów, pakistański fizyk teoretyczny A. Salam, napisał: „Sekretem osiągnięć Einsteina jest uświadomienie sobie fundamentalnego znaczenia ładunku w oddziaływaniu grawitacyjnym. I dopóki nie zrozumiemy natury ładunków w oddziaływaniach elektromagnetycznych, słabych i silnych tak głęboko, jak robił to Einstein dla grawitacji, nie ma nadziei na sukces w ostatecznej unifikacji… Chcielibyśmy nie tylko kontynuować próby Einsteina, w których się nie powiódł aby odnieść sukces , ale także uwzględnij resztę podopiecznych w tym programie.”

Odżyło zainteresowanie wielowymiarowymi teoriami i ponownie zaczęto zwracać się ku twórczości Einsteina, Bergmana, Kaluzy, Rumera i Jordana. W pracach fizyków radzieckich (L.D. Landau, I.Ya. Pomeranchuk, E.S. Fradkin) pokazano, że w odległościach 10-33 cm w elektrodynamice kwantowej pojawiają się nieodwracalne sprzeczności (rozbieżności, anomalie, znikają wszystkie ładunki). Wielu naukowców pracowało nad pomysłami na ujednoliconą teorię. S. Weinberg, A. Salam i S. Glashow wykazali, że elektromagnetyzm i słabe oddziaływanie jądrowe można uznać za przejaw pewnego rodzaju siły „elektrosłabej”, a prawdziwymi nośnikami oddziaływań silnych są kwarki. Stworzona teoria to chromodynamika kwantowa- budowali protony i neutrony z kwarków oraz tworzyli tzw. model standardowy cząstek elementarnych.

Nawet Planck zwrócił uwagę na fundamentalną rolę wielkości złożonych z trzech stałych, które wyznaczają podstawowe teorie – SRT (prędkość światła c), mechanika kwantowa (stała Plancka h) oraz teoria grawitacji Newtona (stała grawitacyjna G). Z ich kombinacji można uzyskać trzy ilości (Plancka) z

wymiary masy, czasu i długości

5 10 93 g/cm3. Długość Plancka pokrywa się z odległością krytyczną, przy której elektrodynamika kwantowa traci znaczenie. Teraz geometria została wyznaczona tylko w odległościach większych niż 10-16 cm, czyli o 17 rzędów wielkości większych niż w przypadku Plancka! Unifikacja oddziaływań jest konieczna do wyeliminowania rozbieżności i anomalii w teorii - problemem było zdefiniowanie cząstek jako punktów i ich zniekształcenie czasoprzestrzeni. I zaczęli go szukać za pomocą idei wyższych symetrii. Te pomysły otrzymały „drugi wiatr” w latach 80-tych. XX wiek. w teoriach wielkiej unifikacji TVO i supergrawitacji. TVO to teoria, która pozwala zjednoczyć wszystkie interakcje, z wyjątkiem grawitacyjnych. Jeśli uda nam się połączyć z nim oddziaływanie grawitacyjne, otrzymamy Teorię Wszystkiego Co Jest (TVS). Wtedy świat zostanie opisany jednolicie. Poszukiwanie takiego „supermocarstwa” trwa.

Teorie supergrawitacji wykorzystują konstrukcje wielowymiarowe nieodłącznie związane z geometrycznym podejściem do konstrukcji ogólnej teorii względności. Możesz zbudować świat z różne liczby wymiary (wykorzystywane są modele 11- i 26-wymiarowe), ale 11-wymiarowe są najciekawsze i najpiękniejsze z matematycznego punktu widzenia: 7 to minimalna liczba ukrytych wymiarów czasoprzestrzeni, które pozwalają na uwzględnienie trzech nie- siły grawitacyjne w teorii, a 4 są zwykłymi wymiarami czasoprzestrzeni. Cztery znane interakcje są uważane za konstrukcje geometryczne o więcej niż pięciu wymiarach.

Teoria superstrun jest rozwijana od połowy lat 80-tych. XX wiek. wraz z supergrawitacją. Teoria ta została opracowana przez angielskiego naukowca M. Greena i amerykańskiego naukowca J. Schwartza. Zamiast punktu, mapowali cząstki na jednowymiarową strunę umieszczoną w wielowymiarowej przestrzeni. Ta teoria, zastępując cząstki punktowe małymi pętlami energii, wyeliminowała absurdy pojawiające się w obliczeniach. Kosmiczne struny - są to egzotyczne, niewidzialne formacje generowane przez teorię cząstek elementarnych. Teoria ta odzwierciedla hierarchię rozumienia świata – możliwość, że nie ma ostatecznej podstawy rzeczywistości fizycznej, a jedynie ciąg coraz mniejszych cząstek. Istnieją bardzo masywne cząstki i około tysiąca cząstek bez masy. Każda struna, która ma rozmiar Plancka (10 -33 cm), może mieć nieskończenie wiele rodzajów (lub trybów) wibracji. Tak jak wibracja strun skrzypiec generuje różne dźwięki, tak wibracja tych strun może generować wszystkie siły i cząstki. Superstruny pozwalają zrozumieć chiralność (z greki. cheir- ręka), podczas gdy supergrawitacja nie może wyjaśnić różnicy między lewą a prawą stroną - są w niej równe części każdego kierunku. Teoria superstrun, podobnie jak supergrawitacja, nie wiąże się z doświadczeniem, ale z eliminacją anomalii i rozbieżności, co jest bardziej charakterystyczne dla matematyki.

Amerykański fizyk E. Witten doszedł do wniosku, że teoria superstrun jest główną nadzieją na przyszłość fizyki, nie tylko bierze pod uwagę możliwość grawitacji, ale także potwierdza jej istnienie, a grawitacja jest konsekwencją teorii superstrun. Jego technologia, zapożyczona z topologii i kwantowej teorii pola, pozwala na odkrycie głębokich symetrii między splątanymi węzłami wysokowymiarowymi. Zarejestrowano wymiar odpowiadający względnie spójnej teorii, równy 506.

Teoria superstrun może wyjaśnić „zbity” rozkład materii we wszechświecie. Superstruny to nici pozostałe z substancji nowo narodzonego wszechświata. Są niesamowicie ruchliwe i gęste, zaginając otaczającą je przestrzeń, tworząc sploty i pętle, a masywne pętle mogą wytworzyć przyciąganie grawitacyjne wystarczająco silne, aby dać początek cząstkom elementarnym, galaktykom i gromadom galaktyk. Do 1986 roku opublikowano wiele artykułów o kosmicznych strunach, chociaż same nie zostały jeszcze odkryte. Znalezienie superstrun jest uważane za możliwe dzięki zakrzywieniu przestrzeni, które powodują, działając jak soczewka grawitacyjna, lub przez emitowane przez nie fale grawitacyjne. Ewolucja superstrun rozgrywa się na komputerach, a na ekranie pojawiają się obrazy, które odpowiadają tym obserwowanym w kosmosie - tam też powstają włókna, warstwy i gigantyczne puste przestrzenie, w których praktycznie nie ma galaktyk.

Ta niezwykła zbieżność kosmologii i fizyki cząstek elementarnych w ciągu ostatnich 30 lat umożliwiła zrozumienie istoty procesów narodzin czasoprzestrzeni i materii w krótkim odstępie czasu od 10-43 do 10-35 s po pierwotna osobliwość, zwana Wielki Wybuch. Liczba wymiarów 10 (sugragrawitacja) lub 506 (teoria superstrun) nie jest ostateczna, mogą pojawić się bardziej złożone obrazy geometryczne, ale wiele dodatkowych wymiarów nie jest dostępnych do bezpośredniego wykrywania. Prawdziwa geometria Wszechświata prawdopodobnie nie ma trzech wymiarów przestrzennych, co jest typowe tylko dla naszej Metagalaktyki – obserwowalnej części Wszechświata.

I wszystkie z nich, z wyjątkiem trzech, w czasie Wielkiego Wybuchu (10-15 miliardów lat temu) zapadły się do rozmiarów Plancka. Na dużych odległościach (do wymiarów metagalaktyki 1028 cm) geometria jest euklidesowa i trójwymiarowa, a u Plancka jest nieeuklidesowa i wielowymiarowa. Uważa się, że opracowywane obecnie Teorie Wszystkich Rzeczy powinny łączyć opisy wszystkich fundamentalnych oddziaływań między cząstkami.

Zbieżność przedmiotu badań zmieniła dotychczasową metodologię nauk. Astronomię uważano za naukę obserwacyjną, a akceleratory uważano za narzędzia w fizyce cząstek elementarnych. Teraz zaczęli budować założenia dotyczące właściwości cząstek i ich interakcji w kosmologii, i stało się możliwe przetestowanie ich już dla obecnego pokolenia naukowców. Tak więc z kosmologii wynika, że liczba cząstek elementarnych powinna być mała. Przepowiednia ta dotyczyła analizy procesów syntezy pierwotnej nukleonów, gdy wiek Wszechświata wynosił ok. 1 s i została dokonana w czasie, gdy wydawało się, że osiągnięcie wysokich mocy przy akceleratorach doprowadzi do wzrostu liczba cząstek elementarnych. Gdyby było wiele cząstek, wszechświat byłby teraz inny.

Materializacja duchów i rozmieszczenie słoni.
Bilety wstępu od 50 kopiejek do 2 rubli.
I. Ilf, E. Pietrow

Czym są fundamentalne interakcje i podstawowe pola? Dlaczego pola fundamentalne można uznać za jeden ze składników materii?

Lekcja-wykład

O tym, że pole jest szczególnym rodzajem materii, można przeczytać w wielu podręcznikach fizyki, a nawet w słowniku encyklopedycznym. Ale nie zawsze można znaleźć wyjaśnienia dla tego stwierdzenia. Dlatego znaczenie tego, co zostało powiedziane, często pozostaje niezrozumiałe. Spróbujmy to rozgryźć i „zmaterializować pole”. Zauważ, że powyższe stwierdzenie nie dotyczy żadnych pól, a jedynie podstawowe. Jakie są podstawowe pola?

Oddziaływania podstawowe i pola podstawowe... Studiując fizykę, poznałeś różne siły - siłę sprężystości, siłę tarcia, siłę grawitacji. Każda z tych sił charakteryzuje pewną interakcję między ciałami. Jak wiadomo, rozwój nauki wykazał, że wszystkie ciała makroskopowe składają się z atomów i cząsteczek (a dokładniej z jąder i elektronów). Z modelu atomowo-molekularnego wynika, że część oddziaływań między ciałami makroskopowymi może być reprezentowana jako wynik oddziaływania między atomami i cząsteczkami lub, przy jeszcze głębszym zagłębieniu się w strukturę materii, jako wynik oddziaływania między jądrami i elektrony, które tworzą ciała makroskopowe.

W szczególności siły takie jak siła sprężystości i siła tarcia są wynikiem sił działających między elektronami a jądrami. Nie udało się jednak zredukować oddziaływań grawitacyjnych i elektromagnetycznych do jakichkolwiek innych oddziaływań, chociaż takie próby były podejmowane.

Aby scharakteryzować interakcje, których nie da się zredukować do innych interakcji, zaczęli używać pojęcia fundamentalny co oznacza „podstawowy”.

Jak wspomniano w poprzednim rozdziale, podstawowe oddziaływania grawitacyjne i elektromagnetyczne można rozpatrywać na podstawie oddziaływania z polem. Pola odpowiadające oddziaływaniom podstawowym zaczęto nazywać podstawowe pola.

Podstawowe oddziaływania to oddziaływania grawitacyjne i elektromagnetyczne.

Rozwój nauki pokazał, że oddziaływania grawitacyjne i elektromagnetyczne nie są jedynymi oddziaływaniami fundamentalnymi. Obecnie odkryto cztery fundamentalne interakcje. Badając mikroświat, dowiadujemy się o dwóch innych fundamentalnych interakcjach.

Pola elektromagnetyczne i grawitacyjne to podstawowe pola, których nie można sprowadzić do ruchu żadnej cząstki.

Dalekiego i krótkiego zasięgu... Wiemy już, że oddziaływanie między cząstkami (naładowanymi i nienaładowanymi) można opisać za pomocą pól, ale nie można wprowadzać pojęcia pola. Pojęcie, zgodnie z którym oddziaływanie między cząstkami jest opisane bezpośrednio, bez wprowadzania pojęcia pola, nazywa się pojęciem działania dalekiego zasięgu. Ta nazwa oznacza, że cząstki oddziałują na dużą odległość. Wręcz przeciwnie, druga koncepcja, zgodnie z którą oddziaływanie odbywa się za pośrednictwem pola (grawitacyjnego i elektromagnetycznego), nazywana jest koncepcją bliskiego działania. Znaczenie pojęcia działania bliskiego zasięgu polega na tym, że cząstka oddziałuje z polem, które jest blisko niej, chociaż samo to pole może być tworzone przez cząstki znajdujące się bardzo daleko (ryc. 13).

Ryż. 13. Ilustracja interakcji w oparciu o koncepcję działania dalekiego zasięgu (a) i koncepcję działania bliskiego (b.c)

W pierwszym przypadku (patrz ryc. 13, a) siła F działa na ładunek q od strony ładunku Q znajdującego się w odległości r. W drugim przypadku ładunek Q tworzy pole E (x, y, z) w przestrzeni wokół siebie. W szczególności w punkcie o współrzędnych x 0, y 0, z 0, gdzie znajduje się ładunek q, tworzone jest pole E (x 0, y 0, z 0) (patrz ryc. 13, b). To pole, a nie bezpośrednio ładunek Q, oddziałuje z ładunkiem q (patrz ryc. 13, c).

Historycznie wiedza o przyrodzie rozwinęła się w taki sposób, że zaproponowana w latach 30. koncepcja działania bliskiego zasięgu. XIX wiek, przez angielskiego fizyka M. Faradaya, był postrzegany tylko jako wygodny opis.

Sytuacja zmieniła się zasadniczo po odkryciu fal elektromagnetycznych rozchodzących się ze skończoną prędkością – prędkością światła. Z teorii fal elektromagnetycznych wynikało, że każda zmiana pola elektromagnetycznego rozchodzi się w przestrzeni również z prędkością światła. Odnosząc się do przykładu pokazanego na rysunku 13, możemy powiedzieć, że jeśli ładunek Q w pewnym momencie zacznie się poruszać, to ładunek q „odczuje” zmianę działającej na niego siły nie w tym samym czasie, ale po czas r / s ( c to prędkość światła), czyli czas wymagany do osiągnięcia fali elektromagnetycznej od ładunku Q do naładowania q.

Skończona propagacja fal elektromagnetycznych powoduje, że opis oddziaływania elektromagnetycznego w oparciu o koncepcję działania dalekiego zasięgu staje się niewygodny.

Aby to zrozumieć, rozważmy następujący przykład. W 1054 roku na niebie pojawiła się jasna gwiazda, której światło było obserwowane nawet w ciągu dnia przez kilka tygodni. Następnie gwiazda zgasła i obecnie w rejonie sfery niebieskiej, gdzie gwiazda się znajdowała, odnotowuje się słabo świecącą formację, zwaną Mgławicą Kraba. Zgodnie ze współczesnymi wyobrażeniami o ewolucji gwiazd, gwiazda rozbłysła, podczas której jej moc promieniowania wzrosła miliardy razy, po czym gwiazda rozpadła się. W miejsce jasno świecącej gwiazdy powstała praktycznie nieemitująca gwiazda neutronowa i rozszerzający się obłok słabo świecącego gazu.

Z punktu widzenia koncepcji działania bliskiego zasięgu obserwacja światła gwiazdy sprowadza się do tego, co następuje. Ładunki na gwieździe wytworzyły pole, które dotarło do Ziemi w postaci fali i wpłynęło na elektrony w siatkówce oka obserwatora. W tym przypadku fala docierała do Ziemi przez setki lat. Ludzie obserwowali błysk gwiazdy, gdy samej gwiazdy już nie było. Jeśli spróbujemy opisać tę obserwację w oparciu o koncepcję działania dalekiego zasięgu, to musimy założyć, że ładunki w siatkówce oka oddziałują nie z ładunkami gwiazdy, ale z tymi, które kiedyś znajdowały się na gwiazda, której już nie ma. Zauważ, że w procesie powstawania gwiazdy neutronowej wiele ładunków znika, ponieważ neutrony powstają z elektronów i protonów - cząstek neutralnych, które praktycznie nie uczestniczą w oddziaływaniu elektromagnetycznym. Zgadzam się, że opis oparty na interakcji z tym, co kiedyś było, ale nie istnieje w chwili obecnej, jest „niezbyt wygodny”.

Innym powodem uznania pola za materiał jest fakt, że fala elektromagnetyczna przenosi energię i pęd przez przestrzeń (więcej szczegółów w § 57). Jeśli pole nie jest uważane za materialne, to należy uznać, że energia i impuls nie są związane z czymś materialnym i same z siebie są przenoszone w przestrzeni.

Teoria względności, sformułowana w 1905 roku przez Alberta Einsteina, opiera się na założeniu, że nie ma oddziaływań (w tym fundamentalnych) propagujących się szybciej niż światło.

Zaczęliśmy ten akapit od „materializujących się duchów”. Fizycy to dowcipni ludzie, a pojęcie „duchów” jest już używane we współczesnej teorii pola. Możemy powiedzieć, że te duchy jeszcze się nie zmaterializowały, to znaczy nie zostały zaobserwowane w doświadczeniu. Ale nauka o podstawowych dziedzinach nie została jeszcze ukończona.

Skończoność propagacji pól fundamentalnych i ich związek z energią i pędem (przenoszenie energii i pędu przez te pola) prowadzi do uznania tych pól za jeden ze składników materii. Materia jest więc reprezentowana przez cząstki (materia) i pola fundamentalne.

Jakie jest znaczenie pojęć „fundamentalne pola” i „fundamentalne interakcje”?
Podaj przykłady dziedzin, które nie są podstawowe.
Pomyśl i podaj przykłady niepodstawowych interakcji.

Zmienna pola może być rozpatrywana formalnie w taki sam sposób, jak współrzędna przestrzenna jest rozpatrywana w zwykłej mechanice kwantowej, a operator kwantowy o odpowiedniej nazwie jest powiązany ze zmienną pola.

Paradygmat pola, reprezentujący całą fizyczną rzeczywistość na podstawowym poziomie, sprowadzoną do niewielkiej liczby oddziałujących (skwantowanych) pól, jest nie tylko jednym z najważniejszych we współczesnej fizyce, ale być może niewątpliwie dominującym.

Najprostszym sposobem jest wizualizacja pola (kiedy nadchodzi, na przykład o polach podstawowych, które nie mają oczywistej bezpośredniej natury mechanicznej) jako zaburzenia (odchylenie od równowagi, ruch) jakiegoś (hipotetycznego lub po prostu urojonego) ciągłego ośrodka wypełniającego całą przestrzeń. Na przykład jako odkształcenie ośrodka sprężystego, którego równania ruchu pokrywają się lub są zbliżone do równań pola bardziej abstrakcyjnego pola, które chcemy wizualizować. Historycznie takie medium nazywano eterem, ale później termin prawie całkowicie wyszedł z użycia, a jego dorozumiana fizycznie znacząca część połączyła się z samym pojęciem pola. Niemniej jednak, dla podstawowego wizualnego zrozumienia pojęcia pola fizycznego w Ogólny zarys taka reprezentacja jest użyteczna, biorąc pod uwagę, że w ramach współczesnej fizyki takie podejście jest zwykle przyjmowane w większości jedynie jako ilustracja.

Zatem pole fizyczne można scharakteryzować jako rozproszony układ dynamiczny o nieskończonej liczbie stopni swobody.

Rolę zmiennej pola dla pól podstawowych często pełni potencjał (skalarny, wektorowy, tensorowy), czasem wielkość zwana natężeniem pola. (Dla pól skwantowanych, w pewnym sensie, odpowiedni operator jest również uogólnieniem klasycznego pojęcia zmiennej pola).

Podobnie pole w fizyce nazywa się wielkość fizyczną, uważaną za zależną od miejsca: jako kompletny zbiór, ogólnie rzecz biorąc, różnych wartości tej wielkości dla wszystkich punktów jakiegoś rozciągniętego ciała ciągłego - ośrodek ciągły, opisujący w całości stan lub ruch tego rozciągniętego ciała. Przykładami takich pól mogą być:

temperatura (ogólnie rzecz biorąc, różna w różnych punktach, a także w różnym czasie) w jakimś ośrodku (na przykład w krysztale, cieczy lub gazie) - (skalarne) pole temperatury,
prędkość wszystkich elementów pewnej objętości płynu jest polem wektorowym prędkości,
wektorowe pole przemieszczeń i pole naprężeń tensorowych podczas deformacji ciała sprężystego.

Dynamikę takich pól opisują również równania różniczkowe cząstkowe, a historycznie, takie pola były rozważane w fizyce po raz pierwszy, począwszy od XVIII wieku.

Nowoczesna koncepcja pola fizycznego wyrosła z idei pola elektromagnetycznego, zrealizowanego po raz pierwszy w fizycznie konkretnej i stosunkowo zbliżonej do współczesnej postaci przez Faradaya, matematycznie konsekwentnie realizowanej przez Maxwella – początkowo z wykorzystaniem mechanicznego modelu hipotetycznego ośrodka ciągłego - eter, ale potem wyszedł poza zastosowanie modelu mechanicznego.

Pola podstawowe

Wśród dziedzin fizyki wyróżnia się tzw. fundamentalne. Są to pola, które zgodnie z paradygmatem pola współczesnej fizyki stanowią podstawę fizycznego obrazu świata, wszystkie inne pola i oddziaływania są z nich wyprowadzone. Obejmują one dwie główne klasy pól oddziałujących ze sobą:

podstawowe pola fermionowe, stanowiące przede wszystkim fizyczne podstawy opisu materii,
podstawowe pola bozonowe (w tym grawitacyjne, które jest tensorowym polem cechowania), które stanowią rozszerzenie i rozwinięcie koncepcji Maxwellowskich i newtonowskich pól elektromagnetycznych; teoria jest na nich zbudowana.

Istnieją teorie (np. teoria strun, różne inne teorie unifikacyjne), w których rolę pól fundamentalnych odgrywa kilka innych, jeszcze bardziej fundamentalnych z punktu widzenia tych teorii pól lub obiektów (oraz obecnych pól fundamentalnych). pojawiają się lub powinny pojawiać się w tych teoriach w pewnym przybliżeniu jako „fenomenologiczna” konsekwencja). Jednak do tej pory takie teorie nie są wystarczająco potwierdzone ani ogólnie przyjęte.

Historia

Historycznie, wśród pól fundamentalnych, po raz pierwszy odkryto pola odpowiedzialne za oddziaływanie elektromagnetyczne (pola elektryczne i magnetyczne, następnie połączone w pole elektromagnetyczne) i grawitacyjne (dokładnie jako pola fizyczne). Pola te zostały odkryte i zbadane wystarczająco szczegółowo już w fizyce klasycznej. Początkowo te pola (w ramach newtonowskiej teorii grawitacji, elektrostatyki i magnetostatyki) wyglądały dla większości fizyków raczej jako formalne obiekty matematyczne wprowadzone dla formalnej wygody, a nie jako pełnoprawna rzeczywistość fizyczna, pomimo prób głębszego fizyczne zrozumienie, które jednak pozostawało raczej niejasne lub nie przynosiło zbyt znaczących owoców. Ale począwszy od Faradaya i Maxwella podejście do pola (w tym przypadku - do pola elektromagnetycznego) jako całkowicie sensownej rzeczywistości fizycznej zaczęło być stosowane systematycznie i bardzo owocnie, włączając w to znaczący przełom w matematycznym formułowaniu tych idei.

Z drugiej strony, wraz z rozwojem mechaniki kwantowej, stawało się coraz bardziej jasne, że materia (cząstki) posiada właściwości teoretycznie nieodłączne od pól.

Najnowocześniejszy

W ten sposób okazało się, że fizyczny obraz świata można zredukować u podstaw do skwantowanych pól i ich wzajemnego oddziaływania.

Do pewnego stopnia, głównie w ramach formalizmu całkowania po trajektoriach i diagramach Feynmana, wystąpił również ruch odwrotny: pola można przedstawić w zauważalnym stopniu jako prawie klasyczne cząstki (a dokładniej jako superpozycja nieskończonej liczby prawie klasyczne cząstki poruszające się po wszystkich wyobrażalnych trajektoriach), a oddziaływanie pól ze sobą jest jak narodziny i absorpcja siebie nawzajem przez cząstki (także z superpozycją wszystkich możliwych wariantów tego). I choć takie podejście jest bardzo piękne, wygodne i pozwala pod wieloma względami psychologicznie powrócić do idei cząstki o dobrze określonej trajektorii, to jednak nie może anulować pola widzenia rzeczy i nie jest nawet całkowicie symetryczną alternatywą dla go (a więc bliższy pięknemu, psychologicznie i praktycznie wygodnemu, ale jednak tylko formalnemu odbiorowi niż całkowicie samodzielnemu pojęciu). Są tutaj dwa kluczowe punkty:

procedura superpozycji nie jest w żaden sposób „fizycznie” wytłumaczalna w ramach prawdziwie klasycznych cząstek, to właśnie dodany do niemal klasycznego obrazu „korpuskularnego”, nie będącego jego organicznym elementem; jednocześnie z polowego punktu widzenia ta superpozycja ma jasną i naturalną interpretację;
sama cząstka, poruszająca się po jednej odrębnej trajektorii w formalizmie całki po trajektoriach, wprawdzie jest bardzo podobna do klasycznej, ale mimo to klasyczna nie jest do końca jedyną trajektorią - trzeba dodać pojęcie fazy (że jest jakaś właściwość falowa), która jest całkowicie obca temu podejściu w czystej postaci, a ten moment (choć tak naprawdę jest zminimalizowany i dość łatwo o tym nie myśleć) również nie ma żadnej organicznej interpretacji wewnętrznej; ale w ramach zwykłego podejścia terenowego taka interpretacja znów istnieje i jest znowu organiczna.

Możemy zatem stwierdzić, że podejście całkowania wzdłuż trajektorii jest, choć bardzo wygodne psychologicznie (w końcu, powiedzmy, cząstka punktowa o trzech stopniach swobody jest znacznie prostsza niż opisujące ją pole nieskończenie wymiarowe) i udowodniło praktyczna wydajność, ale wciąż tylko część przeformułowanie, choć dość radykalna koncepcja pola, a nie jego alternatywa.

I choć słowami w tym języku wszystko wygląda bardzo „korpuskularnie” (na przykład: „oddziaływanie naładowanych cząstek tłumaczy się wymianą innej cząstki – nośnika oddziaływania” lub „wzajemne odpychanie się dwóch elektronów wynika z wymiana wirtualnego fotonu między nimi”), ale za tym kryje się taka typowa polowa rzeczywistość, jak propagacja fal, aczkolwiek wystarczająco dobrze ukryta w celu stworzenia efektywnego schematu obliczeniowego i pod wieloma względami dająca dodatkowe możliwości zrozumienia jakościowego.

Lista podstawowych pól

Podstawowe pola bozonowe (pola są nośnikami oddziaływań fundamentalnych)

Te pola są polami kalibracyjnymi w modelu standardowym. Takie typy są znane:

Elektrosłabe
- Pole elektromagnetyczne (patrz również Photon)
- Pole jest nośnikiem oddziaływań słabych (patrz też bozony W i Z)
pole gluonowe (zobacz także gluon)

Pola hipotetyczne

Wszelkie obiekty teoretyczne (np. pola), które są opisane przez teorie nie zawierające wewnętrznych sprzeczności, wyraźnie nie zaprzeczają obserwacjom, a jednocześnie są w stanie podać obserwowalne konsekwencje, które umożliwiają dokonanie wyboru na korzyść tych teorii w porównaniu z tymi, można uznać za hipotetyczne w szerokim znaczeniu, które są obecnie akceptowane. Poniżej porozmawiamy (co generalnie odpowiada zwykłemu rozumieniu tego terminu) głównie o hipotetyce w tym węższym i ściślejszym sensie, implikującym słuszność i falsyfikowalność założenia, które nazywamy hipotezą.

W fizyce teoretycznej bierze się pod uwagę wiele różnych hipotetycznych dziedzin, z których każda należy do bardzo konkretnej, określonej teorii (pod względem ich rodzaju i właściwości matematycznych, pola te mogą być całkowicie lub prawie takie same jak znane pola niehipotetyczne, ale mogą się różnić mniej lub bardziej silnie; w obu przypadkach ich hipoteczność oznacza, że nie zostały jeszcze zaobserwowane w rzeczywistości, nie zostały odkryte doświadczalnie; w odniesieniu do niektórych hipotetycznych pól może powstać pytanie, czy można je zaobserwować w zasady, a nawet czy w ogóle mogą istnieć – np. jeśli teoria, w której są obecne, nagle okaże się wewnętrznie sprzeczna).

Pytanie o to, co należy uznać za kryterium, które umożliwia przeniesienie określonej dziedziny z kategorii hipotetycznych do kategorii rzeczywistych, jest dość subtelne, ponieważ potwierdzenie określonej teorii i prawdziwość pewnych obiektów w niej zawartych jest często mniej lub bardziej pośrednio. W tym przypadku sprawa zwykle sprowadza się do pewnego rodzaju rozsądnej zgody środowiska naukowego (którego członkowie są mniej lub bardziej szczegółowo świadomi, o jakim stopniu potwierdzenia faktycznie mówią).

Nawet w teoriach, które uważa się za wystarczająco dobrze potwierdzone, jest miejsce na obszary hipotetyczne (tu mówimy o tym, że różne części teorii zostały przetestowane z różnym stopniem staranności, a niektóre z dziedzin, które odgrywają ważną rolę w nich w zasadzie nie pojawiły się jeszcze w eksperymencie całkiem zdecydowanie, to znaczy do tej pory wyglądają dokładnie jak hipoteza wymyślona dla pewnych celów teoretycznych, podczas gdy inne dziedziny, które występują w tej samej teorii, zostały już zbadane na tyle dobrze, aby o nich mówić jako rzeczywistość).

Przykładem takiego hipotetycznego pola jest istotne w Modelu Standardowym pole Higgsa, którego pozostałe ciała bynajmniej nie są hipotetyczne, a sam model, choć z nieuniknionymi zastrzeżeniami, uważa się za opisujący rzeczywistość (przynajmniej do zakres, w jakim rzeczywistość jest znana).

Istnieje wiele teorii zawierających pola, których (do tej pory) nigdy nie zaobserwowano, a czasami same teorie podają takie szacunki, że ich hipotetyczne pola pozornie (ze względu na słabość ich manifestacji wynikającej z samej teorii) i w zasadzie nie mogą być wykryte w przewidywalna przyszłość (na przykład pole skrętne). Takie teorie (jeśli nie zawierają, oprócz praktycznie nieweryfikowalnych, również wystarczającej liczby łatwiejszych do przetestowania konsekwencji) nie są uważane za mające znaczenie praktyczne, chyba że jakieś nietrywialne nowy sposób sprawdzanie ich, aby ominąć oczywiste ograniczenia. Czasami (jak np. w wielu alternatywnych teoriach grawitacji - np. w polu Dicke'a) wprowadza się takie hipotetyczne pola, o sile przejawu których sama teoria w ogóle nic nie może powiedzieć (np. stała sprzężenia tego pola z innymi jest nieznana i może być dość duża, a arbitralnie mała); nie ma też pośpiechu ze sprawdzaniem takich teorii (ponieważ takich teorii jest wiele, a każda z nich nie dowiodła swojej przydatności, a nawet jest formalnie niefalsyfikowalna), chyba że z jakiegoś powodu jedna z nich nie wydaje się obiecująca dla rozwiązania niektórych bieżących trudności (jednak z odfiltrowania teorii na podstawie niefalsyfikowalności - zwłaszcza ze względu na nieokreślone stałe - czasami odmawiają, ponieważ poważna teoria solidna może czasami być testowana w nadziei, że jej efekt zostanie ujawniony , chociaż nie ma na to gwarancji; Jest to szczególnie prawdziwe, gdy w ogóle jest niewiele teorii kandydujących lub niektóre z nich wyglądają szczególnie interesująco fundamentalnie; także w przypadkach, gdy możliwe jest jednoczesne sprawdzenie teorii szerokiej klasy zgodnie z do znanych parametrów, bez wydawania szczególnych starań na sprawdzanie każdego z osobna).

Należy również zauważyć, że zwyczajowo nazywa się hipotetycznymi tylko te pola, które w ogóle nie mają obserwowalnych manifestacji (lub ich nie mają, jak w przypadku pola Higgsa). Jeśli istnienie pola fizycznego jest mocno ustalone przez jego obserwowalne przejawy, a mówimy tylko o poprawie jego opisu teoretycznego (na przykład o zastąpieniu newtonowskiego pola grawitacyjnego polem tensora metrycznego w ogólnej teorii względności), to jest zwykle nie akceptowano mówienia o jednym lub drugim jako hipotetycznym (chociaż dla wczesnej sytuacji w ogólnej teorii względności można było mówić o hipotetycznej naturze tensorowej natury pola grawitacyjnego).

Na zakończenie wspomnijmy o takich polach, których rodzaj jest dość nietypowy, to znaczy jest teoretycznie całkiem możliwy do wyobrażenia, ale w praktyce nigdy (a w niektórych przypadkach we wczesnych stadiach rozwoju) nie zaobserwowano żadnych tego typu pól. rozwoju ich teorii, mogą pojawić się wątpliwości co do jej spójności). Należą do nich przede wszystkim pola tachionowe. Właściwie pola tachionowe można nazwać raczej tylko potencjalnie hipotetycznymi (czyli nie osiągają statusu wykształcone przypuszczenie), ponieważ znane teorie konkretne, w których odgrywają mniej lub bardziej znaczącą rolę, np. teoria strun, same nie osiągnęły statusu wystarczająco potwierdzonych.

Jeszcze bardziej egzotyczne (na przykład Lorentz-nie-niezmiennicze - naruszające zasadę względności) pola (pomimo tego, że są one abstrakcyjnie teoretycznie całkiem wyobrażalne) we współczesnej fizyce można przypisać temu, że stoją daleko poza zakresem racjonalnego założenia, to znaczy, ściśle mówiąc, nie są uważane nawet za

). [ ]

Najprostszym sposobem jest wizualizacja pola (kiedy mówimy na przykład o polach podstawowych, które nie mają oczywistej bezpośredniej natury mechanicznej) jako zakłócenia (odchylenie od równowagi, ruch) jakiegoś (hipotetycznego lub po prostu wyimaginowanego) ciągłego ośrodka który wypełnia całą przestrzeń. Na przykład jako odkształcenie ośrodka sprężystego, którego równania ruchu pokrywają się lub są zbliżone do równań pola bardziej abstrakcyjnego pola, które chcemy wizualizować. Historycznie takie medium nazywano eterem, ale później termin prawie całkowicie wyszedł z użycia, a jego dorozumiana fizycznie znacząca część połączyła się z samym pojęciem pola. Niemniej jednak, dla fundamentalnego wizualnego zrozumienia pojęcia pola fizycznego w kategoriach ogólnych, taka reprezentacja jest przydatna, biorąc pod uwagę, że w ramach współczesnej fizyki takie podejście jest zwykle przyjmowane tylko w celach ilustracyjnych.

Zatem pole fizyczne można scharakteryzować jako rozproszony układ dynamiczny o nieskończonej liczbie stopni swobody.

temperatura (ogólnie rzecz biorąc, różna w różnych punktach, a także w różnym czasie) w jakimś ośrodku (na przykład w krysztale, cieczy lub gazie) - (skalarne) pole temperatury,
prędkość wszystkich elementów pewnej objętości płynu jest polem wektorowym prędkości,
wektorowe pole przemieszczeń i pole naprężeń tensorowych podczas deformacji ciała sprężystego.

Dynamikę takich pól opisują również równania różniczkowe cząstkowe, a historycznie, takie pola były rozważane w fizyce po raz pierwszy, począwszy od XVIII wieku.

Pola podstawowe

podstawowe pola fermionowe, stanowiące przede wszystkim fizyczne podstawy opisu materii,
podstawowe pola bozonowe (w tym grawitacyjne, które jest tensorowym polem cechowania), które stanowią rozszerzenie i rozwinięcie koncepcji Maxwellowskich i newtonowskich pól elektromagnetycznych; teoria jest na nich zbudowana.

Historia

Z drugiej strony, wraz z rozwojem mechaniki kwantowej, stawało się coraz bardziej jasne, że materia (cząstki) posiada właściwości teoretycznie nieodłączne od pól.

Najnowocześniejszy

W ten sposób okazało się, że fizyczny obraz świata można zredukować u podstaw do skwantowanych pól i ich wzajemnego oddziaływania.

procedura superpozycji nie jest w żaden sposób „fizycznie” wytłumaczalna w ramach prawdziwie klasycznych cząstek, to właśnie dodany do niemal klasycznego obrazu „korpuskularnego”, nie będącego jego organicznym elementem; jednocześnie z polowego punktu widzenia ta superpozycja ma jasną i naturalną interpretację;
sama cząstka, poruszająca się po jednej odrębnej trajektorii w formalizmie całki po trajektoriach, wprawdzie jest bardzo podobna do klasycznej, ale mimo to klasyczna nie jest do końca jedyną trajektorią - trzeba dodać pojęcie fazy (że jest jakaś właściwość falowa), która jest całkowicie obca temu podejściu w czystej postaci, a ten moment (choć tak naprawdę jest zminimalizowany i dość łatwo o tym nie myśleć) również nie ma żadnej organicznej interpretacji wewnętrznej; ale w ramach zwykłego podejścia terenowego taka interpretacja znów istnieje i jest znowu organiczna.

Lista podstawowych pól

Podstawowe pola bozonowe (pola są nośnikami oddziaływań fundamentalnych)

Te pola są polami kalibracyjnymi w modelu standardowym. Takie typy są znane:

Elektrosłabe
- Pole elektromagnetyczne (patrz również Photon)
- Pole jest nośnikiem oddziaływań słabych (patrz też bozony W i Z)
pole gluonowe (zobacz także gluon)

Pola hipotetyczne

Istnieje wiele teorii zawierających pola, których (do tej pory) nigdy nie zaobserwowano, a czasami teorie te same podają takie szacunki, że pozornie ich hipotetyczne pola (ze względu na słabość ich przejawu, co wynika z samej teorii) i w zasadzie nie mogą być wykryte w dającej się przewidzieć przyszłości (na przykład pole skrętne). Takie teorie (jeśli nie zawierają, oprócz praktycznie nieweryfikowalnych, również wystarczającej liczby łatwiejszych do przetestowania konsekwencji) nie są uważane za interesujące z praktycznego punktu widzenia, chyba że pojawi się jakiś nietrywialny nowy sposób ich testowania, który pozwala ominąć oczywiste ograniczenia. Czasami (jak np. w wielu alternatywnych teoriach grawitacji - np. w polu Dicke'a) wprowadza się takie hipotetyczne pola, o sile przejawu których sama teoria w ogóle nic nie może powiedzieć (np. stała sprzężenia tego pola z innymi jest nieznana i może być dość duża, a arbitralnie mała); nie ma też pośpiechu ze sprawdzaniem takich teorii (ponieważ takich teorii jest wiele, a każda z nich nie dowiodła swojej przydatności, a nawet jest formalnie niefalsyfikowalna), chyba że z jakiegoś powodu jedna z nich nie wydaje się obiecująca dla rozwiązania niektórych bieżących trudności (jednak z odfiltrowania teorii na podstawie niefalsyfikowalności - zwłaszcza ze względu na nieokreślone stałe - czasami odmawiają, ponieważ poważna teoria solidna może czasami być testowana w nadziei, że jej efekt zostanie ujawniony , chociaż nie ma na to gwarancji; Jest to szczególnie prawdziwe, gdy w ogóle jest niewiele teorii kandydujących lub niektóre z nich wyglądają szczególnie interesująco fundamentalnie; także w przypadkach, gdy możliwe jest jednoczesne sprawdzenie teorii szerokiej klasy zgodnie z do znanych parametrów, bez wydawania szczególnych starań na sprawdzanie każdego z osobna).

Pole jest zdefiniowane w całej przestrzeni, jeśli jest polem podstawowym. Pola, takie jak pole prędkości przepływu płynu lub pole deformacji kryształu, są określone w obszarze przestrzeni wypełnionej odpowiednim medium.

W nowoczesnych terminach zwykle wygląda jak pole na (w) czasoprzestrzeni, stąd zależność zmiennej pola od czasu jest uważana za prawie równą zależności od współrzędnych przestrzennych.

Mimo obecności pojęć alternatywnych czy reinterpretacji, mniej lub bardziej odległych od jej standardowej wersji, które jednak nie mogą jeszcze uzyskać nad nią decydującej przewagi czy nawet zrównania się z nią (bez wychodzenia z reguły poza dość marginalne zjawiska nowatorskiej fizyki teoretycznej), ani z reguły zbyt daleko od niej, pozostawiając jako całość (na razie) centralne miejsce.

W przeciwieństwie do wspomnianej nieco poniżej klasy pól fizycznych z fizyki mediów ciągłych, które same w sobie mają raczej wizualny charakter, o których mowa w poniższym artykule.

Z różnych powodów historycznych, z których nie najmniej ważnym był fakt, że koncepcja eteru implikowała psychologicznie dość specyficzną implementację, która mogła dać eksperymentalnie zweryfikowane konsekwencje, jednak w rzeczywistości fizycznie obserwowalne nietrywialne konsekwencje niektórych z tych modeli nie były odkryto, że konsekwencje innych doświadczeń bezpośrednio zaprzeczały, dlatego pojęcie fizycznie rzeczywistego eteru stopniowo uznawano za zbędne, a wraz z nim sam termin przestał być używany w fizyce. Nie mniejszą rolę odegrał w tym następujący powód: w momencie szczytu dyskusji nad stosowalnością pojęcia eteru do opisu pola elektromagnetycznego, „materia”, „cząstki” były uważane za obiekty zasadniczo inny charakter, dlatego ich przemieszczanie się w przestrzeni wypełnionej eterem wydawało się niewyobrażalne lub wyobrażalne z ogromnymi trudnościami; później ten powód zasadniczo przestał istnieć, ponieważ zaczęto opisywać materię i cząstki, a także obiekty pola, ale do tego czasu słowo eter została już prawie zapomniana jako aktualna koncepcja fizyki teoretycznej.

Chociaż w niektórych pracach współczesnych teoretyków czasami użycie pojęcia eteru jest głębsze - patrz AM Polyakov "Pola wskaźnikowe i struny".

Stan i ruch może oznaczać położenie makroskopowe i ruch mechaniczny elementarnych objętości ciała, może też zależeć od współrzędnych przestrzennych i zmian w czasie wielkości takich jak prąd elektryczny, temperatura, stężenie substancji, itp.

Substancja była oczywiście znana już wcześniej, ale długi czas wcale nie było oczywiste, że pojęcie pola można odnieść do opisu materii (która została opisana głównie „korpuskularnie”). Tak więc samo pojęcie pola fizycznego i odpowiadający mu aparat matematyczny zostały historycznie opracowane najpierw w odniesieniu do pola elektromagnetycznego i grawitacji.

Z wyjątkiem przypadków, w których najbardziej niejasne rozważania prowadziły do poważnych odkryć, ponieważ służyły jako bodziec do badań eksperymentalnych, prowadzących do odkryć fundamentalnych, jak odkrycie przez Oersteda wytwarzania pola magnetycznego przez prąd elektryczny.

Petera Galisona. Zegary Einsteina, mapy Poincarégo: imperia czasu. - 2004. - str. 389. - ISBN 9780393326048.
Por. artykuł Poincarégo Dynamika elektronu, rozdział VIII (A. Poincaré. Selected works, t. 3. Moscow, Nauka, 1974.), referat M. Plancka (M. Planck. Selected works. Moscow, Nauka, 1975). .) oraz artykuł Einsteina i Laubego „O siłach pondemotorycznych”, § 3 „Równość działania i reakcji” (A. Einstein. Zebrane prace naukowe, t. 1. M., Nauka, 1965.) (wszystkie za 1908) .

Niektóre właściwości równań pola zostały wyjaśnione, wychodząc z dostatecznie ogólne zasady takich jak niezmienność Lorentza i zasada przyczynowości. Zatem zasada przyczynowości i zasada skończoności szybkości propagacji oddziaływań wymagają, aby równania różniczkowe opisujące pola podstawowe należały do typu hiperbolicznego.

Oświadczenia te obowiązują dla podstawowych pól typu tachion. Układy makroskopowe z właściwościami pola tachionowego nie są niczym niezwykłym; to samo można założyć o niektórych typach wzbudzeń w kryształach itp. (w obu przypadkach miejsce prędkości światła zajmuje inna wielkość).

To jest opis stanowiska, które w tej chwili istnieje. Oczywiście nie oznaczają one fundamentalnej niemożności pojawienia się w przyszłości dość dostatecznie umotywowanych teorii, w tym tak egzotycznych dziedzin (jednak nie należy tego uważać za zbyt prawdopodobną).

M. Faraday wszedł do nauki wyłącznie dzięki talentowi i pracowitości w samokształceniu. Pochodzący z ubogiej rodziny pracował w introligatorni, gdzie zapoznawał się z twórczością naukowców i filozofów. Słynny angielski fizyk G. Davy (1778-1829), który przyczynił się do wejścia M. Faradaya do społeczności naukowej, powiedział kiedyś, że jego największym osiągnięciem naukowym było „odkrycie” M. Faradaya. M. Faraday wynalazł silnik elektryczny i generator elektryczny, czyli maszyny do produkcji elektryczności. Jest autorem poglądu, że elektryczność ma jedną fizyczną naturę, to znaczy niezależnie od tego, w jaki sposób jest uzyskiwana: przez ruch magnesu lub przejście naładowanych elektrycznie cząstek w przewodniku. Aby wyjaśnić oddziaływanie między ładunkami elektrycznymi na odległość, M. Faraday wprowadził pojęcie pola fizycznego. Pole fizyczne reprezentował jako właściwość samej przestrzeni wokół naładowanego elektrycznie ciała, aby wywierać fizyczny wpływ na inne naładowane ciało umieszczone w tej przestrzeni. Za pomocą cząstek metalu pokazał położenie i obecność sił działających w przestrzeni wokół magnesu (siły magnetyczne) i ciała naładowanego elektrycznie (elektrycznie). M. Faraday przedstawił swoje poglądy na temat pola fizycznego w liście testamentowym, który został otwarty dopiero w 1938 r. w obecności członków Royal Society of London. W liście tym odkryto, że M. Faraday posiadał technikę badania właściwości pola, aw jego teorii fale elektromagnetyczne rozchodzą się ze skończoną prędkością. Powody, dla których przedstawił swoje poglądy na temat pola fizycznego w formie testamentu, są prawdopodobnie następujące. Przedstawiciele francuskiej szkoły fizycznej zażądali od niego teoretycznego dowodu związku sił elektrycznych i magnetycznych. Ponadto pojęcie pola fizycznego według M. Faradaya oznaczało, że rozchodzenie się sił elektrycznych i magnetycznych odbywa się w sposób ciągły z jednego punktu pola do drugiego, a zatem siły te mają charakter siły krótkiego zasięgu, a nie dalekiego zasięgu, jak sądził Sh. Coulomb. M. Faraday należy do innego owocnego pomysłu. Badając właściwości elektrolitów odkrył, że ładunek elektryczny cząstek tworzących elektryczność nie jest ułamkowy. Ten pomysł został potwierdzony

określenie ładunku elektronu już pod koniec XIX wieku.

Teoria sił elektromagnetycznych D. Maxwella

Podobnie jak I. Newton, D. Maxwell nadał teoretyczną formę wszystkim wynikom badań sił elektrycznych i magnetycznych. Stało się to w latach 70. XIX wieku. Swoją teorię sformułował na podstawie praw komunikacji oddziaływania sił elektrycznych i magnetycznych, których treść można przedstawić w następujący sposób:

1. Każdy prąd elektryczny powoduje lub wytwarza pole magnetyczne w otaczającej przestrzeni. Stały prąd elektryczny wytwarza stałe pole magnetyczne. Ale stałe pole magnetyczne (magnes stacjonarny) nie może w ogóle wytworzyć pola elektrycznego (ani stałego, ani zmiennego).

2. Powstałe przemienne pole magnetyczne wytwarza przemienne pole elektryczne, które z kolei wytwarza przemienne pole magnetyczne,

3. Linie siły pola elektrycznego są zamknięte na ładunkach elektrycznych.

4. Linie siły pola magnetycznego są zamknięte i nigdy się nie kończą, to znaczy w naturze nie ma ładunków magnetycznych.

W równaniach D. Maxwella była pewna stała wartość C, która wskazywała, że prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w polu fizycznym jest skończona i pokrywa się z prędkością propagacji światła w próżni, równą 300 tys. s.

Podstawowe pojęcia i zasady elektromagnetyzmu.

Teoria D. Maxwella była postrzegana przez niektórych naukowców z dużymi wątpliwościami. Na przykład G. Helmholtz (1821-1894) wyznawał pogląd, zgodnie z którym elektryczność jest „płynem nieważkości”, rozchodzącym się z nieskończoną prędkością. Na jego prośbę G. Hertz (1857-

1894) rozpoczął eksperyment dowodzący płynnej natury elektryczności.

W tym czasie O. Fresnel (1788-1827) wykazał, że światło rozchodzi się nie jako fale podłużne, ale poprzeczne. W 1887 roku G. Hertzowi udało się skonstruować eksperyment. Światło w przestrzeni pomiędzy ładunkami elektrycznymi rozchodziło się w falach poprzecznych z prędkością 300 tys. km/s. To pozwoliło mu powiedzieć, że jego eksperyment eliminuje wątpliwości co do tożsamości światła, promieniowania cieplnego i falowego ruchu elektromagnetycznego.

Eksperyment ten stał się podstawą do stworzenia elektromagnetycznego fizycznego obrazu świata, którego jednym z wyznawców był G. Helmholtz. Uważał, że wszystkie siły fizyczne panujące w przyrodzie należy tłumaczyć w kategoriach przyciągania i odpychania. Jednak stworzenie elektromagnetycznego obrazu świata napotkało trudności.

1. Podstawowym pojęciem Galileusza - mechaniki Newtona było pojęcie materii,

mając masę, ale okazało się, że substancja może mieć ładunek.

Opłata wynosi własność fizyczna substancje tworzą wokół siebie fizyczne pole, które ma fizyczny wpływ na inne naładowane ciała, substancje (przyciąganie, odpychanie).

2. Ładunek i masa substancji mogą mieć różne wartości, to znaczy są wielkościami dyskretnymi. Jednocześnie koncepcja pola fizycznego zakłada przenoszenie interakcji fizycznych w sposób ciągły z jednego punktu do drugiego. Oznacza to, że siły elektryczne i magnetyczne są siłami krótkiego zasięgu, ponieważ w polu fizycznym nie ma pustej przestrzeni, która nie byłaby wypełniona falami elektromagnetycznymi.

3. W mechanice Galileo-Newtona możliwa jest nieskończenie duża prędkość

oddziaływanie fizyczne, jest tu również powiedziane, że elektromagnetyczne

fale rozchodzą się z dużą, ale skończoną prędkością.

4. Dlaczego siła grawitacji i siła oddziaływania elektromagnetycznego działają niezależnie od siebie? Wraz z odległością od Ziemi siła grawitacji maleje, słabnie, a sygnały elektromagnetyczne działają w statku kosmicznym dokładnie tak samo jak na Ziemi. W XIX wieku. równie przekonujący przykład można by podać bez statku kosmicznego.

5. Otwarcie w 1902 roku. P. Lebedev (1866-1912) - profesor Uniwersytetu Moskiewskiego - ciśnienie światła zaostrzało pytanie o fizyczną naturę światła: czy jest to strumień cząstek, czy tylko fale elektromagnetyczne o określonej długości? Ciśnienie jako zjawisko fizyczne związane jest z pojęciem materii, z dyskretnością – a dokładniej. Tak więc ciśnienie światła wskazywało na dyskretną naturę światła jako strumienia cząstek.

6. Podobieństwo spadku sił grawitacyjnych i elektromagnetycznych - zgodnie z prawem

„Odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości” – podniosło zasadne pytanie: dlaczego kwadrat odległości jest, a na przykład nie jest sześcianem? Niektórzy naukowcy zaczęli mówić o polu elektromagnetycznym jako o jednym ze stanów „eteru”, który wypełnia przestrzeń między planetami i gwiazdami.

Wszystkie te trudności wystąpiły z powodu braku wiedzy o budowie atomu w tamtym czasie, ale M. Faraday miał rację mówiąc, że nie wiedząc, jak zbudowany jest atom, możemy badać zjawiska, w których wyraża się jego fizyczna natura . Faktycznie fale elektromagnetyczne niosą ze sobą istotne informacje o procesach zachodzących wewnątrz atomów pierwiastków chemicznych i molekuł materii. Dostarczają informacji o odległej przeszłości i teraźniejszości Wszechświata: o temperaturze ciał kosmicznych, ich składzie chemicznym, odległości od nich itp.

7. Obecnie stosowana jest następująca skala fal elektromagnetycznych:

fale radiowe o długości fali od 104 do 10 -3 m;

fale podczerwone - od 10-3 do 810-7 m;

światło widzialne - od 8 10-7 do 4 10-7 m;

fale ultrafioletowe - od 4 10-7 do 10-8 m;

Fale rentgenowskie (promienie) - od 10-8 do 10-11 m;

promieniowanie gamma - od 10-11 do 10-13 m.

8. Ze względu na praktyczne aspekty badania sił elektrycznych i magnetycznych przeprowadzono je w XIX wieku. w szybkim tempie: pierwsza linia telegraficzna między miastami (1844), ułożenie pierwszego kabla transatlantyckiego (1866), telefon (1876), żarówka (1879), radioodbiornik (1895).

Minimalna część energii elektromagnetycznej to foton. To najmniejsza niepodzielna ilość promieniowania elektromagnetycznego.

Uczucie początek XXI w. to stworzenie przez rosyjskich naukowców z Troicka (obwód moskiewski) polimeru z atomów węgla, który ma właściwości magnesu. Powszechnie uważano, że obecność metali w substancji odpowiada za jej właściwości magnetyczne. Testowanie tego polimeru pod kątem metaliczności wykazało, że nie zawierał on metali.