Зарождение и развитие понятия физического поля. Близкодействие. Фундаментальные физические поля. Кванты поля. Взаимопревращаемость поле

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина

Реферат

По курсу «Концепции современного естествознания»

на тему

«Зарождение и развитие понятия физического поля.

Близкодействие. Фундаментальные физические поля.

Кванты поля. Взаимопревращаемость поле-вещество»

Выполнила

студентка 4 курса

41 группы

д/о факультета журналистики

Мусорина Е.С.

Научный руководитель:

к. ф.-м. н. Умрихин А.В.

Тамбов 2006
План

1. Введение

2. Зарождение и развитие понятия физического поля

3. Взаимодействие

4. Гравитационные поля

5. Электромагнитные поля

6. Магнитное поле Земли

7. Электромагнитные поля и живые организмы

8. Квантовое поле

9. Выводы

10. Библиография

Введение

Самые первые, донаучные, представления древних об устройстве мира кажутся нам сейчас порой нелепыми и наивными. «Черепаха и слоны», на которых покоится мир, а также «три кита» до сих пор считаются нами, хотя и в переносном смысле, очень надежным и устойчивым основанием для чего-либо.

Но не это главное. Важным является то, что с самого зарождения науки ученые стремились к единому и точному знанию, пытаясь свести многообразие явлений окружающего мира к нескольким простым исходным принципам.

Формирование механической картины мира происходило в течение нескольких столетий до середины девятнадцатого века под сильным влиянием взглядов выдающихся мыслителей древности. Она явилась необходимым и очень важным шагом на пути познания природы.

Однако позже, с развитием средств измерения, стало известно, что при изучении многих явлений, например, небесной механики необходимо учитывать сложные эффекты, связанные с движением частиц со скоростями, близкими к световым.

Появились уравнения специальной теории относительности, с трудом вмещающиеся в рамки механических представлений. Изучая свойства микрочастиц, ученые выяснили, что в явлениях микромира частицы могут обладать свойствами волны.

Возникли трудности при описании электромагнитных явлений (испускание, распространение и поглощение света, электромагнитной волны), которые не могли быть разрешены классической ньютоновской механикой.

Зарождение и развитие понятия физического поля

В XIX веке естественные науки накопили огромный эмпирический материал, нуждающийся в переосмыслении и обобщении. Многие полученные в результате исследований научные факты не совсем вписывались в устоявшиеся механические представления об окружающем мире. Во второй половине XIX века на основе исследований в области электромагнетизма сформировалась электромагнитная картина мира.

В её формировании сыграли решающую роль исследования, проведённые выдающимися учёными М.Фарадеем и Дж. Максвеллом, Г.Герцем.

В 1845 году М.Фарадей ввел понятие физического поля, которое сыграло значительную роль в дальнейшем развитии науки и техники (радиосвязь, телевидение и т.д.). Он считал, что как электрические, так и магнитные взаимодействия осуществляются посредством единого материального поля. Фарадей был убеждён в реальности существования этого поля, замечая силовые линии, «отпечатанные» в железных опилках между 2-мя электрическими зарядами или магнитами. Он воображал себе, что это поле передает взаимодействие от одной точки к другой (предположив даже, что такое взаимодействие распространяется со скоростью света – значительно раньше Максвелла). С другой стороны, французские учёные и прежде всего Ампер не признавали существование какого-либо физического поля, полагая, что взаимодействие происходит немедленно, с бесконечной скоростью.

В 1873 году Максвеллом была создана материалистическая теория электромагнитного поля, которая вместе с дальнейшими физическими экспериментами убедительно продемонстрировала правоту Фарадея. Так в науку прочно вошло понятие физического поля, признаваемое и в настоящее время. Более того, Эйнштейн отчаянно попытался свести всю суть материи к физическому полю, однако это ему не удалось. Он с сожалением констатировал, что вынужден пока допускать оба понятия – материи и физического поля. Эта ситуация сохранилась вплоть до настоящего времени.

Более новая точка зрения, принятая в настоящее время, исходит из представления, что взаимодействия передаются с помощью особого материального посредника, называемого электромагнитным полем.

Физические поля - это один из видов материи, связывающий частицы вещества в единые системы, при помощи которого осуществляется взаимодействие частиц.

Взаимодействие между удаленными телами осуществляется посредством создаваемых ими гравитационных и электромагнитных полей. Поля создаются частицами и телами в окружающем их пространстве.

              Примерами полей являются гравитационное поле, электромагнитное поле, поля ядерных сил.

              Физические поля не только осуществляют взаимодействие между частицами. Могут существовать и поля, не зависящие от создавших их частиц (электромагнитные волны, гравитационные волны). Электромагнитные волны были предсказаны Дж.Максвеллом и экспериментально обнаружены Г.Герцем. Гравитационные волны экспериментально пока не обнаружены.

Скорость распространения взаимодействия между частицами и скорость распространения волн не может превышать скорости света в вакууме.

Как и любой материальный объект, поля характеризуются энергией, импульсом и другими величинами. Опыт показывает, что энергия поля изменяется дискретным образом, т.е. каждому полю можно поставить в соответствие определенные частицы, кванты (например, электромагнитному полю - фотоны, гравитационному полю - гравитоны).

Физические поля – один из основных видов материи, отличный от вещества в макроскопических явлениях. В микромире различие между веществом и полями носит весьма относительный характер. Элементарные частицы и частицы полей могут взаимопревращаться, обладают многими общими для них свойствами.

Взаимодействие

              Говоря о физических полях следует сказать и о понятии взаимодействие. С ним мы сталкиваемся повсеместно. Часто используем даже в обыденных разговорах. Для науки это понятие имеет особое значение. Дать определение этому понятию также трудно, как и понятиям «материя» и «движение».

Взаимодействие - философская категория, отражающая процессы воздействия различных объектов друг на друга, их взаимную обусловленность, взаимопереход и порождение одним объектом другого.

Взаимодействие объективно определяет существование, структурную организацию и развитие любой материальной системы. Оно, так же, как и движение, является атрибутом материи. Оно всегда осуществляется в пространстве и времени.

В природе нет ни одного явления, при описании которого бы не использовалось это понятие. В силу универсальности взаимодействия осуществляется взаимная связь всех структурных уровней материи, материальное единство мира.

Не существует объектов вне взаимодействия с другими объектами. Структура атомного ядра, например, обусловлена взаимодействием между нуклонами; структура атома обусловлена взаимодействием между ядром и электронной оболочкой; структура кристалла – взаимодействием между атомами вещества; структура Солнечной системы – между Солнцем и планетами и т.д.

Взаимодействие проявляется на всех структурных уровнях материи.

Исторически возникли две концепции взаимодействия - близкодействие и дальнодействие.

              Близкодействие - согласно этой концепции взаимодействие между объектами осуществляется с помощью промежуточных звеньев (например, полей, передающих взаимодействие с конечной скоростью, среды, частиц - переносчиков взаимодействия)

Дальнодействие - согласно этой концепции взаимодействие между объектами мгновенно передается через пустое пространство на сколь угодно большие расстояния без каких-либо промежуточных звеньев.

Обе концепции являются научными. Однако, согласно современным представлениям, взаимодействие распространяется с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. Концепция дальнодействия же выступает как удобная модель, которую мы можем использовать для решения практических задач в тех случаях, когда скорость взаимодействия очень мала.

Важную роль в естественных науках играет особый класс взаимодействий: силовые взаимодействия.

Силовыми взаимодействиями называют воздействие тел или частиц друг на друга, приводящие к изменению состояния их движения.

Несмотря на качественное разнообразие, по последним научным данным, имеются лишь четыре типа фундаментальных силовых взаимодействий: гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное.

Гравитационное взаимодействие самое универсальное - оно характерно для всех материальных объектов, не зависит от их природы и простирается на огромные расстояния. Любое матери­альное тело создает гравитационное поле. Гравитация проявляется в виде притяжения между телами.

Электромагнитное взаимодействие действует между элек­трически заряженными телами, как покоящимися, так и движу­щимися. Оно присутствует в электрических, магнитных и элек­тромагнитных явлениях и процессах, с которыми мы встречаемся наиболее часто в жизни. Электромагнитное взаимодействие опре­деляет строение и свойства атомов и молекул, включает в себя кулоновские силы, силы взаимодействия между проводниками с током, силы трения, сопротивления, упругости, химические силы и другие, т.е. проявляется на макроскопическом уровне. Оно счи­тается основным в химии и биологии. В электромагнитных взаи­модействиях не участвуют только нейтрино и антинейтрино.

Сильное взаимодействие «скрепляет» кварки внутри нукло­нов. В сильных взаимодействиях участвуют все адроны. Оно дей­ствует на расстояниях 10−13 см и меньше и представляет собой притяжение или отталкивание между составными частями микро­объекта.

Ядерные силы, действующие внутри ядра и отвечающие за связь протонов и нейтронов (нуклонов) в атомных ядрах, а так­же за многообразие ядерных реакций, перестали считаться фун­даментальными. Пока до конца не все еще ясно, но предполага­ется, что они должны выражаться через сильные взаимо­действия.

Слабое взаимодействие ответственно за большинство распа­дов и многие превращения элементарных частиц. В этом процессе принимают участие все частицы. Оно простирается на расстояния 10−15 − 10−22 см. Это взаимодействие ответственно, например, за превращение в ядре нейтрона в протон, электрон и антинейтри­но; оно же вызывает переходы между лептонами. Большинство частиц нестабильны именно из-за слабого взаимодействия.

Гравитационные поля

Гравитационное взаимодействие между телами осуществляется посредством гравитационного поля (в случае малых скоростей и малых энергий взаимодействия описывается законом всемирного тяготения, открытым И.Ньютоном).

Гравитационное поле описывается при помощи следующих величин:

g – напряженность гравитационного поля (единица измерения 1 Н/кг);

φ – потенциал гравитационного поля (единица измерения 1 Дж/кг).

В случае высоких гравитационных потенциалов и больших скоростей пользуются созданной А.Эйнштейном общей теорией относительности, являющейся обобщением ньютоновской теории.

Гравитоны – кванты гравитационного поля, имеющие нулевую массу покоя и нулевой электрический заряд, переносчики гравитационного взаимодействия. Экспериментально пока не обнаружены.

              Точные исследования гравитационного поля Земли позволяет установить распределение масс под её поверхностью (гравиметрическая разведка), что позволяет решать важные прикладные задачи, связанные с поиском полезных ископаемых, движением искусственных спутников.

Гравитационное поле Земли – постоянно действующий на среду обитания живых организмов фактор. Сила притяжения Земли действовала на живые организмы в течение всего эволюционного процесса, поэтому перегрузки, частичная потеря веса и невесомость для биологических объектов (например, для человека) – необычные явления, хотя в обыденной жизни и встречаются кратковременные процессы, связанные с ними: прыжки, качели, начало движения вниз скоростного лифта и др.

Приливы и отливы обусловлены силами гравитационного притяжения Луны и Солнца (вертикальные смещения земной поверхности – до 50 см, морской – от 1 до 18 м; изменение ускорения свободного падения до 0,25 ∙ 10-5 м/с2), в незначительной степени – больших планет. По этой же причине происходят полусуточные изменения приземного атмосферного давления и осуществляются сложные динамические движения верхних слоёв атмосферы.

Гравитационные поля слабо проявляют себя в явлениях микромира, но становятся решающим фактором в макромире и при протекании космических явлений в мегамире.

Электромагнитные поля

Взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами, движущимися произвольным образом, осуществляется посредством электромагнитного поля, которое представляет собой совокупность двух взаимосвязанных полей - электрического и магнитного.

              Фотоны – кванты электромагнитного поля, нейтральные элементарные частицы с нулевой массой покоя, переносчики электромагнитного взаимодействия.

              Электрические поля создаются электрическими зарядами или переменным магнитным полем.

              Величины, описывающие электрическое поле: напряженность электрического поля, потенциал электрического поля.

              Магнитные поля создаются движущимися электрическими зарядами и переменным электрическим полем.

              Магнитные поля описываются величиной, называемой индукцией магнитного поля, или магнитной индукцией.

В природе нет магнитных зарядов, подобных электрическим. Они были предсказаны П.Дираком, но экспериментально никогда не наблюдались.

              Наглядным способом изображения электрических и магнитных полей являются силовые линии (воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением напряженности электрического поля (индукции магнитного поля)), которые качественно характеризуют распределение полей в пространстве.

Магнитное поле Земли

Земля имеет собственное магнитное поле, которое легко обнаружить по его влиянию на намагниченную стрелку компаса. Она укажет нам направление на северный и южный магнитные полюса Земли, не совпадающие с географическими полюсами. Магнитное поле Земли непостоянно во времени. Наблюдаются его вековые, суточные и нерегулярные изменения. Сильные возмущения, вызванные изменением солнечной активности, длящиеся иногда до нескольких суток, называются магнитными бурями.

Взаимодействие заряженных частиц, испускаемых Солнцем (солнечный ветер), с магнитным полем Земли вызывает полярные сияния.

Электромагнитные поля и живые организмы

Электромагнитные поля оказывают сложное воздействие на живые организмы, поскольку живой организм в значительной степени состоит из биологических жидкостей, содержащих большое количество ионов, участвующих в различных обменных процессах.

Электромагнитные излучения (ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-лучи вызывают биохимические, физиологические, генетические и др. изменения в живых клетках и организмах. В основе этого воздействия лежат процессы ионизации и возбуждения молекул, радиационно-химические явления, изменяющие структуру ДНК.

Электрические и магнитные явления широко используются в повседневной жизни: в быту, на производстве, технике и медицине.

              Современные бытовые приборы и оборудование (телевизоры, магнитофоны, компьютеры и т.д., провода, по которым течёт электрический ток), повсюду нас окружающие, являются источниками электромагнитных полей, иногда очень сильных и вредных для нас. На кинескопе телевизора, к примеру, накапливается электростатический заряд, создающий электрическое поле напряжённостью 20-50 кВ/м. На расстоянии 3 см магнитная индукция при работе фена или электробритвы составляет около 1,5-2 мТл.

              В медицинской диагностике используются методы электрокардиографии, электроэнцефалографии, рентгенологические исследования. При лечении используются методы физиотерапии (гальванизация, электрофорез лекарственных средств, УВЧ-терапия и пр.), электрохирургия, лазерная хирургия и терапия.

              Источником информации о состоянии и деятельности органов живого организма (сердца, мозга и др.) являются биоэлектрические потенциалы (биопотенциалы), возникающие в тканях и клетках живого организма в процессе его функционирования, характеризующие их электрическую активность.

Для клеток в состоянии покоя характерна разность потенциалов 60-100 мВ между внутренним содержимым клетки и окружающей её средой. Благодаря малой толщине мембраны (7-10 нм) в ней создаётся сильное электрическое поле.

Квантовое поле

По современным представлениям, квантовое поле является наиболее фундаментальной и универсальной формой материи, лежащей в основе всех ее конкретных проявлений.

Поля, сопоставляемые с элементарными частицами, имеют квантовую природу, поэтому их называют квантовыми полями: они объединяют в себе и частицы, и взаимодействие, пред­ставляя единый объект. Каждый квант поля есть элементарная частица с за­данной энергией и импульсом и общей для всех квантов массой m. Квантами электромагнитного поля являются фотоны, кван­ты других полей соответствуют всем остальным элементарным частицам. Математический аппарат, описывающий такие поля, называется квантовой теорией поля.

С точки зрения квантовой теории поля всякое взаимодействие сводится к обмену квантами соответствующего поля, т.е. все взаимодействия носят чисто квантовый характер. Например, элек­тромагнитное взаимодействие между двумя электронами есть не что иное, как обмен фотонами - каждый из электронов испус­кает фотоны, которые затем поглощаются другими электронами.

С квантовой точки зрения гравитационное поле состоит из квантов - гравитонов, которые пока еще не наблюдались. Си­лы тяготения выступают как результат обмена между телами гра­витонами, которые переносят энергию и импульс. Ядерные силы, удерживающие нуклоны в ядре, обусловлены обменом мезонами - квантами мезонного поля.

Идея воспринимать частицу как квантовые состояния неко­торого поля пронизывает всю современную физику. В этом смыс­ле поле можно считать первичным понятием, а элементарные ча­стицы возникают в результате его квантования. Квантовое по­ле принимает форму квантов­частиц. Оно преодолевает унаследо­ванное от классической физики противопоставление между твер­дыми материальными частицами и окружающим их простран­ством. Квантовому полю приписывается самостоятельная физи­ческая природа - оно заполняет все пространство. Частицы пред­ставляют собой точки сгущения этой среды - возникающие и ис­чезающие энергетические узлы. При таком подходе частицы утра­чивают свою независимость и как бы "растворяются" в окружаю­щем пространстве. Говорят, что квантовое поле - это фундамен­тальная сущность, которая может существовать в протяженной (континуальной) форме (в виде поля) и в непротяженной (дис­кретной) форме - в виде частиц.

Квантовая физика су­щественно изменила наши взгляды не только на частицы, но и на пустоту, вакуум. Близкодействие теперь рассматривается как особое, напряженное состояние вакуу­ма; здесь происходят непрерывные колебания электромагнитного и других полей, рождаются и исчезают элементарные частицы. Все частицы квантовая механика рассматривает как кванты того или иного поля и не признает возможности существования какого угодно участка пространства, где бы не было поля. В вакууме поля тоже присутствуют, только без реальных частиц. Вакуум - это система полей, ни в одном из которых нет квантов. Поэтому вакуум не может быть пустым, он содержит бес­численное множество беспорядочно возникающих и исчезающих частиц. При столкновениях нуклонов из пустоты может возникать целый сноп различных частиц или, как говорят, вакуум полон ча­стиц.

Выводы

За последние 150 лет физика и естествознание шагнули далеко вперед. То, что раньше казалось непонятным и необъяснимым, теперь, благодаря квантовой теории становится вполне понятным. Наука не стоит на месте. Сейчас ученые пытаются достичь самого низшего уровня строения материи. Т.к. до сих пор не удалось обнаружить кванты гравитационного поля, то делаются попытки объяснить природу гравитации. Интересной, на мой взгляд, является теория радиоактивной гравитации. Может быть, когда-нибудь человечество сможет найти объяснения всем явлениям природы и попытается подчинить себе все физические поля. 

Библиография

1.       Яворук О.А. Естествознание: Учебное пособие. Ярославль, 2004.

2.       Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Электричество. 1996. Т.3. Ч.1.

3.       Физическая энциклопедия. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ.

4.       А.Эйнштейн. Собрание научных трудов. М.: Наука. 1965. Т.1.

5.       Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. 2000.

6.       Алеманов С.Б. Волновая теория строения элементарных частиц. М.: "БИНАР", 2006.

7.       Концепции современного естествознания: Учеб. пособие / В.Г. Торосян. – М.: Высш. шк., 2003.

2