Концепция близкодействия и свойства фундаментальных материальных полей. 2
Министерство образования и науки Российской Федерации
Псковский
государственный
Реферат по концепциям современного естествознания
На тему:
«Концепция близкодействия и свойства фундаментальных материальных полей»
1. Концепция близкодействия и дальнодействия………………………. 3стр.
1.1.Принцип близкодействия…………
1.2.Принцип дальнодействия…………
2. Возникновение
и развитие представлений об электромагнитном
и
гравитационном поле……………………………………………………………………
2.1. О электромагнитном……………………………………
2.2. О гравитацоинном…………………………………………
3. Фундаментальные
материальные поля, проблема физического
вакуума……………………………………………………………
3.1. Материальные
поля………………………………………………………15-
3.2. Проблема
физического вакуума……………………………
4. Список
литературы……………………………………………………
- Концепция дальнодействия и близкодействия.
Каким образом удаленные друг от друга тела действуют друг на друга? Возникают две точки зрения на проблему передачи действия на расстояние.
- Принцип близкодействия.
Если мы наблюдаем действие одного тела на другое, находящееся на некотором расстоянии от него, говорит Максвелл, то прежде чем допустить, что это действие прямое и непосредственное, мы склонны сначала исследовать, нет ли между телами какой-либо материальной связи. Если подобные связи имеются, то мы предпочитаем объяснить действие одного тела на другое при помощи этих промежуточных звеньев.
Мы знаем, что тела действуют друг на друга при соприкосновении. Бросим в воду камень, от него побежит волна и всколыхнет плавающие ветки — воздействие передается от точки к точке. Звук распространяется потому, что давление передается от одного объема среды к соседнему, от молекулы к молекуле. Если накрыть звучащий электрический звонок стеклянным колпаком и откачать воздух, то видно, как молоточек по-прежнему ударяет по колокольчику, но звук исчезает — в пустом пространстве звук не распространяется.
В отличие от звука электрические и магнитные силы, гравитация действуют и в пустоте; в ней распространяется свет, поэтому мы видим Солнце и звезды. Период колебаний маятника, помещенного под колпак, не изменяется при удалении воздуха (если пренебречь трением); значит, не изменяется и сила тяжести.
Естественно предположить, что в пространстве вблизи магнита, вблизи заряженного или массивного тела состояние пустоты изменяется.
Пространство, окружающее эти тела,
находится в напряженном
- Принцип дальнодействия.
Но существовало и другое представление — дальнодействие: сила от одного тела к другому мгновенно передается на расстояние через пустоту. На основе этого взгляда Ньютон построил свою теорию тяготения. Предположение о мгновенной передаче воздействия не помешало ему получить законы движения небесных тел, с огромной точностью совпадающие с данными наблюдений.
Идею дальнодействия трудно согласовать со свойствами света: было известно, что свет распространяется с конечной скоростью и проходит все промежуточные точки на линии светового луча. Особенно хорошо это видно, когда луч света проходит в тумане — он непрерывен. Ньютон предположил, что светящееся тело испускает частицы, передающие свет,— корпускулы. Тогда конечная скорость света не противоречит представлению о дальнодействии, но остаются без объяснения волновые свойства света, доказанные опытами по интерференции (сложение и вычитание волн, идущих от одного источника, но разными путями) и дифракции (огибание
светом препятствий). Корпускулярная теория Ньютона так и не смогла объяснить эти явления.
Сторонников действия на расстоянии нисколько не смущала мысль о действии тела там, где его самого нет. «Разве, — рассуждали они, — мы не видим, как магнит или наэлектризованная палочка прямо через пустоту притягивает тела?» И при этом сила притяжения, например, магнита заметно не меняется, если магнит завернуть в бумагу или положить в деревянный ящик. Более того, даже если нам и кажется, что взаимодействие тел вызвано непосредственным контактом, то в действительности это не так. При самом тесном контакте между телами остается небольшой промежуток. Ведь груз, подвешенный на нити, не разрывает эту нить, хотя между отдельными атомами, слагающими ее, также пустота.
Для объяснения передачи воздействия па расстояние была придумана специальная среда — эфир, заполняющая все пространство между частицами вещества. Воздействие передается за счет того, что вокруг заряженных или намагниченных тел эфир деформируется и возникает сила, действующая на другое заряженное или намагниченное тело. Деформация эфира передается последовательно: от точки к точке. Свет распространяется в нем так же, как звук в твердом теле.
Успехи в открытии законов взаимодействия электрических зарядов не были органически связаны с представлением о действии на расстоянии. Ведь опытное исследование самих сил отнюдь не предполагает определенных представлений о том, как эти силы передаются. В первую очередь нужно было найти математическое выражение сил, а «объяснять» их можно было уже потом.
Если бы развитие науки происходило прямолинейно, то никаких сомнений в окончательной победе действия на расстоянии не оставалось бы. Но в
действительности линия
- Возникновение и развитие представлений об электромагнитном и гравитационном поле.
- Об электромагнитном.
Мы никогда не узнаем, кто первым обратил внимание на удивительную способность янтаря, потертого о шерсть, притягивать к себе различные легкие предметы, не соприкасаясь с ними. Произошло это очень давно. По словам древнегреческого философа Фалеса Милетского, жившего в VI веке до нашей эры, это были ткачи.
Позднее было обнаружено, что таким свойством обладает не только янтарь, но и стекло, эбонит и другие вещества, потертые о мех или кожу. Янтарь по-гречески — электрон, и поэтому тела, приведенные в данное состояние, стали называть наэлектризованными.
В
этих простейших опытах люди впервые
столкнулись с явным
На протяжении многих веков никаких серьезных попыток научного объяснения опытов с наэлектризованными телами фактически не было предпринято. Нельзя же считать объяснением попытки приписать янтарю живую душу. Развлекались этими опытами зачастую просто состоятельные люди, не имевшие никакого отношения к науке. При дворах европейских государей устраивались «электрические сеансы». Особенно увлекалась ими Екатерина II. Были построены электрические машины. Научились получать большие электрические искры.
Тем не менее именно с этих простых опытов началось развитие науки об электричестве.
Существование магнитных минералов было известно с глубокой древности, и изобретение компаса, дату которого невозможно установить, стало первым их практическим применением. Но явление само по себе не привлекало
внимания ученых, и Гильберт сделал первый шаг в этой области, заметив отталкивание одноименных магнитных полюсов. Однако в отличие от
электрических
зарядов магнитные полюса встречаются
не по отдельности, а только парами
- северный полюс и южный полюс.
В обычном магните, имеющем форму
стержня (прямоугольного параллелепипеда),
один конец действует как северный
полюс, а другой - как южный. Если
стержень разрезать пополам, то на месте
разреза возникнут новые
До
середины XVIII века успехи в изучении
электричества были невелики. Было
обнаружено электричество двух родов
— положительное и
Работы этого периода о неподвижных электрических зарядах, достигли своего кульминационного момента в опытах французского инженера Шарля
Кулона, сумевшего с большой точностью измерить силу, которая возникает между двумя электрическими зарядами.
Вольта ввел новое физическое понятие об электрическом токе, то есть понятие о движущихся электрических зарядах. Первые источники тока он получил в результате последовательного наложения друг на друга медных и цинковых пластинок, разделенных пропитанными кислотой кусками материи.
Работы Вольта вызвали огромный интерес в Европе не только в научных кругах, но также и среди широкой публики, которая приписывала электрическому току чудодейственную силу. Совершенно серьезно полагали, что его целебные возможности так велики, что он в состоянии излечивать даже глухих и слепых. Но открытие Вольта привело к появлению совсем иного чуда: оно дало жизнь новой области физики - электромагнетизму, который потряс науку и вызвал техническую революцию.
Первым на пути открытия электромагнетизма был датчанин Христиан Эрстед. За несколько лет до своего открытия он пишет: “Следует испробовать, не производит ли электричество каких-либо действий на магнит”. Но, видимо, он долго не смог понять, как проверить свою догадку.
В 1820 г. Эрстед на лекции демонстрировал нагревание проводника током. Вблизи установки находилась магнитная стрелка, и кто-то из наблюдательных студентов обратил внимание, что при прохождении тока стрелка поворачивалась (правда, это не единственная версия по поводу данного открытия). Эрстед тщательно изучил обнаруженный эффект и опубликовал о нем сообщение. После многих лет безуспешных попыток ему
удалось заметить отклонение магнита при пропускании вблизи него электрического тока; тем самым ему впервые удалось обнаружить родство между электричеством и магнетизмом, которые до него считались не связанными друг с другом.
Спустя несколько месяцев профессор астрономии в Сорбонне Андре Мари Ампер делает следующий шаг вперед. Работы Эрстеда натолкнули его на мысль о том, что если электрический ток притягивает магнит и, следовательно, наделен магнитными свойствами, то и все явления магнетизма должны объясняться на основании свойств электрических токов. Но может ли магнит, этот кусочек материи, состоять из множества микроскопических электрических токов? Чтобы подтвердить эту гипотезу, необходимо было доказать, что два электрических тока могут притягиваться и отталкиваться подобно двум магнитам. Ампер поставил опыт, доказал это и вывел в результате общий закон взаимодействия электрических токов.
Ампер
видит задачу физики в том, чтобы
“свести к минимуму число принципов,
объясняющих физические явления”.
Его исходная идея о том, что все
многообразие явлений взаимодействия
магнитов, магнитов и токов можно
свести к взаимодействию токов, означала
устранение излишних гипотез и сведение
многообразия к единой основе. Но эта
исходная идея нуждалась в экспериментальном
исследовании, Ампер продемонстрировал
свои знаменитые опыты. Спираль с
током действует на магнитную
стрелку так же, как и полосовой
магнит. Спираль ориентируется в
магнитном поле Земли подобно
стрелке компаса, а две спирали
взаимодействуют подобно
Ампер является основателем электродинамики.
Но электродинамика была основана на дальнодействии. Революционную идею высказал Майкл Фарадей.
Прежде всего он первый получил электрический ток, используя магнетизм, обнаружив тем самым эффект, обратный тому, который наблюдал Эрстед. Этот результат явился последним звеном в цепи, окончательно установившим тесную связь между электричеством и магнетизмом. Фарадей, по сути дела, ввел в физику идею поля, превратив заряды и токи из главных действующих лиц на арене электромагнитного взаимодействия во вспомогательные и, передав главные роли среде, считая, что “материя присутствует везде, и нет промежуточного пространства, не занятого ею”.
День 28 октября 1831 года, когда Фарадей получил электрический ток, вращая медный диск между полюсами магнита, является великой датой в истории нашей цивилизации: эра громоздких и дорогостоящих химических генераторов окончилась; машина Фарадея открыла век современных электростанций.
В 60-х годах XIX в. английский физик Максвелл развил теорию Фарадея об электромагнитном поле и создал теорию электромагнитного поля. Это была первая теория поля. Она касается только электрического и магнитного полей и весьма успешно объясняет многие электромагнитные явления.
Теория
Максвелла по-новому поставила вопрос
о взаимосвязи электричества
и магнетизма. Их единство проявляется
в том, что изменяющееся электрическое
поле порождает магнитное, а изменяющееся
магнитное порождает
Принципиально новой чертой
Максвелла
исходит из признания конечности
скорости распространения
испущенный источником, но не принятый еще приемником, живет самостоятельной жизнью как реальное образование, обладающее энергией, которая по Максвеллу, сосредоточена в поле. Теория Максвелла на основе
понятия поля свела в единую систему все знания по электричеству и магнетизму.
Теория близкодействия одержала окончательную победу. Электромагнитное поле обнаруживает себя как нечто реально существующее, это особая форма материи, осуществляющая взаимодействие между заряженными частицами, существующая независимо от наших представлений о нем. Доказательством его реальности является и конечная скорость распространения электромагнитных взаимодействий (около 300 000 км/с).
- О гравитационном.
Догадка о единстве причин, управляющих движением планет и падением земных тел была высказана в глубокой древности. Первым ясно высказал эту
мысль греческий философ Анаксагор, выходец из Малой Азии, живший в Афинах почти две тысячи лет назад. Он говорил, что Луна, если бы не двигалась, упала бы на Землю, как падает камень из пращи. Не правда ли,
сказано неплохо, особенно если учесть, что такое высказывание появилось более чем за двадцать веков до Ньютона.
Однако никакого практического влияния на развитие науки гениальная догадка Анаксагора, по-видимому, не имела. Ей суждено было оказаться не понятой современниками и забытой потомками. Античные и средневековые мыслители, чье внимание привлекало движение планет, были очень далеки от правильного истолкования причин этого движения. Ведь даже великий Кеплер, сумевший ценой гигантского труда сформулировать точные
математические законы движения планет, считал, что причиной этого движения является вращение Солнца.
Согласно представлениям Кеплера, Солнце, вращаясь, постоянными толчками увлекает планеты во вращение.
Результаты естествознания XVII в. обобщил Исаак Ньютон. Именно он завершил постройку фундамента нового классического естествознания.
Все свои великие открытия он сделал или подготовил в молодые годы, в 1665-1667 гг., спасаясь в родном Вульсторпе от чумы, свирепствовавшей в
городах Англии. (К этому периоду относится известный анекдот об упавшем яблоке, наведшем Ньютона на мысль о тяготении.)
Создание теории тяготения стала вершиной научного творчества Ньютона. Его теория тяготения и провозглашение первого действительно универсального закона природы – закона всемирного тяготения.
В 1666 г. у Ньютона возникает идея всемирного тяготения, его родства с силой тяжести на Земле и идея о том, каким образом можно вычислить силу тяготения.
Ньютон сделал вывод, что для всех планет имеет место притяжение к Солнцу, что все планеты тяготеют друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Далее Ньютон выдвинул тезис, в соответствии с которым сила тяжести пропорциональна лишь количеству материи (массе) и не зависит от формы материала и других свойств тела. Развивая это положение, Ньютон формулирует закон всемирного тяготения в общем виде:
где F – сила притяжения между двумя материальными телами с массами М1 и М2, а R – расстояние между этими телами. Коэффициент G называется гравитационной постоянной. Гравитационная постоянная очень мала и
следовательно гравитационные эффекты становятся заметными только при большой массе тел.
Разработанный Ньютоном способ изучения явлений природы оказался исключительно плодотворным. Его учение о тяготении – не общее
натурфилософское рассуждение и умозрительная схема, а логически строгая, точная (и более чем на два века единственная) фундаментальная теория, которая стала рабочим инструментом исследования окружающего мира,
прежде всего движения небесных тел. Законы движения планет предстали как следствия закона всемирного тяготения. Причину и природу тяготения Ньютон не считал возможным обсуждать, не имея на этот счет достаточного количества фактов («Гипотез не измышляю!»).
Ньютон
вычислил орбиту кометы из наблюдений
ее перемещения на фоне звезд и
убедился, что она, подобно планетам,
двигалась в солнечной системе
под действием тяготения
она действительно появилась. Ей присвоили название кометы Галилея и видели ее еще в 1835 и в 1910 и в 1986 годах.
Галилей доказал, что если не учитывать сопротивления воздуха, то все тела независимо от их веса падают на землю с одинаковым ускорением. Если с
высокой
башни сбросить два предмета, тяжелый
и легкий, то они ударятся о землю
одновременно. Это противоречило
бытовавшему тогда
предметы с Пизанской башни.) Тридцать лет спустя Роберт Бойль, проверяя гипотезу Галилея о падении тел, показал, что в вакууме с одинаковой скоростью падают и перо, и тяжелая золотая монета.
- Фундаментальные материальные поля. Проблема физического вакуума.
- Фундаментальные материальные поля
Несмотря на великое многообразие взаимодействий тел друг с другом, в природе существует четыре вида взаимодействий и, соответственно, четыре типа полей. Перечислим их все в порядке возрастания величины взаимодействия:
Гравитационные взаимодействия
обеспечивают тяготение тел
Слабые взаимодействия ответственны за большинство распадов и превращений элементарных частиц.
Электромагнитные взаимодействия - это взаимодействие заряженных тел.
Сильные взаимодействия связываются протоны и нейтроны (нуклоны) в атомном ядре.
Гравитационные поля. Гравитация обладает рядом особенностей, резко отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Поэтому в описании взаимодействий элементарных частиц оно обычно не учитывается. В микромире гравитация ничтожна.
Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной? Все дело во второй удивительной черте гравитации — ее универсальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по
мере
образования все больших
стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас.
Кроме того, гравитация — дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.
Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось.
Электромагнитные поля. Это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между заряженными частицами. Представляет собой взаимосвязанные переменные электрическое поле и магнитное поле. Взаимная связь электрического и магнитного полей заключается в том, что всякое изменение одного из них приводит к появлению другого. Таким образом, электромагнитное поле распространяется от точки к точке пространства в виде электромагнитных
волн, бегущих от источника. Благодаря конечности скорости распространения электромагнитное поле может существовать автономно от породившего его
источника и не исчезает с устранением источника (например, радиоволны не исчезают с прекращением тока в излучившей их антенне).
Электромагнитное поле в вакууме описывается напряженностью электрического поля и магнитной индукцией (при изменении магнитного
потока, пронизывающего замкнутый контур, в нем возникает электрический ток. Это явление было названо электромагнитной индукцией).
Распространение возмущений электромагнитного поля на далёкие расстояния называется электромагнитной волной.
Электромагнитные волны представляют собой электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды.
Любая электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве (вакууме) с одинаковой скоростью — скоростью света (свет также является электромагнитной волной).
Существует теория, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействие в одно — электрослабое.
Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. В то же время электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и молекул (положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны).
Оно отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных): силы упругости, трения,
поверхностного натяжения, им определяются свойства агрегатных состояний вещества, химических превращений, оптические явления, многие реакции в мире элементарных частиц.
Ядерные поля. В ядре существует некое поле, которое создают частицы, входящие в ядро (нуклоны).
Ядра большинства природных изотопов представляют собой очень устойчивые образования. Нейтроны и протоны в них удерживаются мощными ядерными силами притяжения. Поэтому в ядре ядерные силы притяжения,
наряду с силами отталкивания между протонами (кулоновскими), образуют устойчивую систему частиц. Интересно отметить, что ядерные силы между
двумя протонами, между двумя нейтронами, между протоном и нейтроном всегда одинаковы. Поэтому как протоны, так и нейтроны рассматриваются как разные состояния одной частицы - нуклона. Величина ядерных сил не зависит от наличия или отсутствия электрического заряда нуклона. Следовательно, ядерные силы имеют совершенно иную природу, отличающуюся от природы электромагнитных, гравитационных и других сил.
Особенности ядерных сил:
1. Ядерные силы - короткодействующие.
2.
В основном, устойчивом состоянии
полная энергия ядра
Но так как нуклоны сильно связаны между собой, то полученная энергия быстро перераспределяется между ними.
3. Возбужденное ядро, как и возбужденная капля жидкости, начинает интенсивно колебаться. Многочисленные столкновения нуклонов могут в какой-то момент времени привести к сосредоточению полученной энергии на одном из поверхностных нуклонов. И если дополнительная энергия больше энергии связи, то нуклон преодолеет силу поверхностного натяжения и
вылетит за пределы ядра. Таким образом, по капельной модели выброс нуклона из ядра аналогичен испарению.
Слабые поля. Экзотическими представляются слабые взаимодействия: загадочное нейтрино, распад странных частиц — вот следы их деятельности. А на самом деле это не так. Слабые взаимодействия совсем не являются экзотическими. Сейчас ученые считают, что они, по-видимому, присущи всем элементарным частицам.
Все дело в том, что в процессах, протекающих за счет действия электромагнитных или ядерных сил, слабые взаимодействия заметным образом не проявляют себя, оказываются в тени именно потому, что они с
слабы. Ими можно просто пренебречь. Лишь в тех случаях, когда электромагнитные и ядерные силы ничего не могут сделать,
слабые взаимодействия выступают на первый план. Только в этих случаях такое грубое макроскопическое существо, как человек, способно заметить их

- Концепция Б.Л. Черкасского об эпидемическом процессе как социально-экологической системе
- Концепция большого взрыва
- Концепция Большого Взрыва
- Концепция большого взрыва в космологии XX века
- Концепция Большого взрыва в космологии XX века
- Концепция брендинга: сущность и основные понятия
- Концепция бренд-менеджмента в системе маркетинга
- Концепция безотходного производства
- КОНЦЕПЦИЯ БЕЗОТХОДНОГО ПРОИЗВОДСТВА
- Концепция бесконечности и космологическая эволюция
- Концепция бесконечности и современная космология
- Концепция бизнес-плана мини-гостиницы эконом-класса «Флайт» в г. Санкт-Петербург
- Концепция биосферы и экология
- Концепция близкодействия и свойства фундаментальных материальных полей