Что же такое физическое поле? Можно ли представить его наглядно с помощью простых, доступных нашему пониманию образов? Как оно соотносится с представлениями о частицах вещества?
Самое простое представление о поле дает сплошная среда, например вода, заполняющая некоторую область пространства (или же вообще все пространство) . Эта среда может иметь в разных точках, например, различную плотность или температуру, по-разному двигаться. Именно конкретное физическое свойство среды, разное в разных точках и доступное для измерений, физически определяет поле. В связи с этим различают поле температур, поле скоростей, силовое поле и т. д.
В философском плане разделение мира на тела и частицы, с одной стороны, и сплошную среду, поле и пустое пространство – с другой, соответствует выделению двух крайних свойств мира – его дискретности и непрерывности.
Дискретность означает – «зернистость», конечную делимость пространственно-временного строения и состояния предмета или объекта, его свойств и форм движения (скачки), тогда как непрерывность выражает единство, целостность и неделимость объекта, сам факт его устойчивого существования. Для непрерывного нет границ делимого.
В математике этим философским категориям соответствуют дискретное множество натуральных чисел и непрерывное множество (континуум) действительных чисел. Для точного пространственно-временного описания свойств сплошной среды (и поля) был разработан специальный раздел математики.
Дискретные и непрерывные свойства мира в рамках классической физики первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые друг от друга, хотя в целом и дополняющие общее представление о мире. И только развитие концепции поля, главным образом для описания электромагнитных явлений, позволило понять их диалектическое единство. В современной квантовой теории это единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.
После появления квантовой теории поля представление о взаимодействии существенно изменилось. Согласно данной теории, любое поле не является непрерывным, а имеет дискретную структуру. Например, электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами – квантами электромагнитного поля, т. е. фотоны – переносчики этого поля. Аналогично другие виды взаимодействия возникают в результате обмена частиц квантами соответствующих полей. Например, в гравитационном взаимодействии, как предполагается, принимают участие гравитоны (их существование пока экспериментально не подтверждено).
Согласно полевой концепции, участвующие во взаимодействии частицы создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние – поле сил, проявляющееся в силовом воздействии на другие, частицы, помещенные в какую-либо точку данного пространства. Первоначально выдвигалась механическая интерпретация поля как упругих напряжений гипотетической среды «эфира». Теория относительности, отвергнув «эфир» как особую упругую среду, вместе с тем придала фундаментальный смысл понятию поля как первичной физической реальности.
В современной квантовой физике на роль «эфира» может претендовать новый возможный вид материи – физический вакуум . Первые представления о нем дал один из создателей квантовой теории поля английский физик П. Дирак (так называемое «море Дирака»). Хотя вакуум мы непосредственно не видим (он прозрачен для электромагнитных излучений и не оказывает никакого сопротивления движению материальных частиц и тел), но все же он может проявляться при взаимодействии с ним тех же частиц или электромагнитных волн (гамма-квантов), обладающих достаточной энергией. Если эта энергия превышает удвоенную энергию покоя, например, электрона, то гамма-квант при наличии еще одной частицы (атомного ядра) может, сам исчезнув, породить пару электрон–позитрон, как бы «вырванную» из вакуума. Есть и другие свидетельства в пользу физического вакуума.
В истории физики за последние 300 лет предложены по крайней мере четыре разные концепции «эфира»: абсолютное пространство Ньютона, светоносный эфир Гюйгенса, гравитационный эфир Эйнштейна и физический вакуум Дирака. Насколько оправдается интуиция физиков о существовании в природе особой среды – физического вакуума, покажет только будущее.
Когда исследователь достигает стадии,
на которой он перестает видеть за
деревьями лес, он слишком охотно
склоняется к разрешению этой трудности
путем перехода к изучению отдельных листьев.
Ланцет
Что такое корпускулярный и континуальный подходы к описанию различных объектов природы? Что такое поле в широком смысле слова? Для описания каких объектов применяют понятие поля? Как наглядно можно изобразить поле?
Урок-лекция
Корпускулярное и континуальное описание объектов природы . С древнейших времен существовало два противоположных представления о структуре материального мира. Одно из них - континуальная концепция Анаксагора-Аристотеля - базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности. Материю, согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя «не оставляет пустоты внутри себя».
Другое представление - атомистическая, или корпускулярная, концепция Левкиппа-Демокрита - было основано на дискретности пространственно-временнбго строения материи. Оно отражало уверенность человека в возможности деления материальных объектов на части до определенного предела - до атомов, которые в своем бесконечном многообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Таким образом, корпускулярный мир Левкиппа - Демокрита образован двумя фундаментальными началами - атомами и пустотой, и материя при этом обладает атомистической структурой.
Смотрю на него и не вижу, а потому называю его невидимым. Слушаю его и не слышу, а потому называю его неслышимым. Пытаюсь схватить его и не достигаю, поэтому называю его мельчайшим. Не надо стремиться узнать об источнике этого, потому что это едино.
Что, на ваш взгляд, является связующим звеном между изображением на картине, цитатой и названием параграфа?
Поль Синьяк. Сосна. Сан-Тропе
Современные представления о природе микромира сочетают в себе обе концепции.
Система как совокупность частиц (корпускулярное описание) . Каким образом можно описать мир дискретных частиц на основе классических представлений?
Разберем в качестве примера Солнечную систему. В простейшей модели, когда планеты рассматривают как материальные точки, для описания достаточно задать координаты всех планет. Совокупность координат в некоторой системе отсчета обозначают следующим образом: {х 1 (t), у 1 (t), z 1 (t)}; здесь индекс i нумерует планеты, а параметр t обозначает зависимость этих координат от времени. Задание всех координат в зависимости от времени полностью определяет конфигурацию планет Солнечной системы в любой момент времени.
Если мы хотим уточнить наше описание, необходимо задать дополнительные параметры, например радиусы планет, их массы и т. д. Чем точнее мы хотим описать Солнечную систему, тем больше различных параметров для каждой планеты мы должны рассматривать.
При дискретном (корпускулярном) описании некоторой системы необходимо задать различные параметры, характеризующие каждую из составляющих системы. Если эти параметры зависят от времени, необходимо учесть эту зависимость.
Система как непрерывный объект (континуальное описание) . Обращаясь к эпиграфу в начале параграфа, рассмотрим теперь такую систему, как лес. Однако, чтобы дать характеристику лесу, довольно бессмысленно перечислять всех представителей растительного и животного мира данного леса. И не только потому, что это слишком утомительная, если вообще возможная, задача. Заготовителей древесины, грибников, военных, экологов интересуют разные сведения. Как построить адекватную модель описания данной системы?
Например, интересы лесозаготовителей можно учесть, рассмотрев среднее количество (в м 3) деловой древесины на квадратный километр леса в данном районе. Обозначим эту величину через М. Поскольку она зависит от района, который рассматривается, введем координаты х и у, характеризующие район, и обозначим зависимость М от координат как функцию М(х,у). Наконец, величина М зависит от времени (одни деревья растут, другие гниют, происходят пожары и т.д.). Поэтому для полного описания необходимо знать зависимость этой величины и от времени М(х,у,t). Тогда величины можно реально, хотя и приближенно, оценить, исходя из наблюдения за лесом.
Приведем другой пример. Течение воды представляет собой механическое перемещение частичек воды и примесей. Однако описать течение при помощи корпускулярного метода просто невозможно: в одном литре воды содержится более 10 25 молекул. Для того чтобы охарактеризовать течение воды в различных точках акватории, необходимо знать скорость, с которой перемещаются частички воды в данной точке, т. е. функцию v(х, у, z, t) (Переменная t означает, что скорость может зависеть от времени, например при повышении уровня воды во время наводнения.)
Рис. 11. Фрагмент топографической карты, на которой приведены: линии равных высот (а); изображение холмов и впадин (б)
Наглядное изображение векторного поля можно также найти на географической карте - это линии течений, которые соответствуют полю скоростей жидкости. Скорость частички воды всегда направлена по касательной к такой линии. Аналогичными линиями изображают и другие поля.
Подобное описание называют полевым, а функцию, определяющую некоторую характеристику протяженного объекта в зависимости от координат и времени, называют полем. В приведенных выше примерах функция М(х,у,t) представляет собой скалярное поле, характеризующее плотность деловой древесины в лесу, а функция v(х, у, z, t) - векторное поле, характеризующее скорость течения жидкости. Различных полей существует великое множество. Фактически, описывая любой протяженный объект как нечто непрерывное, можно ввести свое поле, и не одно.
При непрерывном (континуальном) описании некоторого протяженного объекта используют понятие поля. Поле - это некоторая характеристика объекта, выраженная как функция от координат и времени.
Наглядное изображение поля . При дискретном описании некоторой системы наглядное изображение не вызывает затруднений. Примером может быть знакомая вам схема Солнечной системы. Но как можно изобразить поле? Обратимся к топографической карте местности (рис. 11, а).
На этой карте, помимо всего прочего, приведены линии равных высот для холмов и впадин (рис 11,6).
Это и есть одно из стандартных наглядных изображений скалярного поля, в данном случае поля высоты над уровнем моря. Линии равных высот, т. е. линии в пространстве, на которых поле принимает одинаковое значение, проводятся через некоторый интервал.
Поле можно наглядно изобразить в виде линий в пространстве. Для скалярного поля линии проводят через точки, в которых значение переменной поля постоянно (линии постоянного значения поля). Для векторного поля направленные линии проводят так, что в каждой точке линии вектор, соответствующий полю в данной точке, будет касательным к этой линии.
- На метеорологических картах проводят линии, называемые изотермами и изобарами. Каким полям соответствуют эти линии?
- Представьте реальное поле - поле пшеницы. Под действием ветра колоски наклоняются, причем в каждой точке пшеничного поля наклон колосков разный. Придумайте поле. т. е. укажите величину, которая могла бы описать наклон колосков на пшеничном поле. Какое это поле: скалярное или векторное?
- Планета Сатурн имеет кольца, которые при наблюдении с Земли кажутся сплошными, но на самом деле представляют собой множество мельчайших спутников, движущихся по круговым траекториям. В каких случаях целесообразно для колец Сатурна применять дискретное описание, а в каких - непрерывное?
Можно ли ускорить или замедлить время?
Существуют ли параллельные реальности?
Можно ли мгновенно перемещаться во времени? Возможно ли ясновидение?
ВСЕОБЩАЯ ДИСКРЕТИЗАЦИЯ
Развитие науки и техники идет от непрерывного (аналогового) к дискретному, т.е. не непрерывному. В чем это выражается? А посмотрите вокруг! Вся современная техника - цифровая! Она работает не с непрерывными сигналами, а с их дискретными, то есть отдельными, значениями, преобразованными в цифровой код. Эти отдельные значения сигналов хранятся в блоках памяти компьютеров, цифровых фотоаппаратов, видеокамер, мобильных телефонов. При необходимости они подвергаются обработке, и из них по специальным программам создают непрерывные сигналы - звуковые, электрические, световые и др.
А ведь еще недавно, в середине, да и во второй половине ХХ века, цифровая техника не была так распространена. Пользовались аналоговыми приборами, работающими с непрерывными сигналами. И никакие отдельные значения этих сигналов в цифровой код не преобразовывались.
Дискретная, цифровая техника является более точной, более многофункциональной, более эффективно использующей блоки памяти, чем аналоговая. Это доказывает, что человек - на правильном пути в разгадывании замысла Природы или Высшего Разума.
Аналогичные процессы произошли и в физике. В ней образовалась отдельная отрасль науки - квантовая физика. Она-то как раз и изучает отдельные, иначе говоря, дискретные (опять дискретизация, как в технике!) порции вещества и энергии, иначе говоря, кванты.
Что такое квантование (или, что то же самое, дискретизация) процесса? Процесс рассматривается не непрерывно, а в какие-то моменты (квантование по времени) или в каких-то определенных состояниях (квантование по уровню). Вот, я покажу на рисунке:
Поэтому и физика квантовая, что рассматривает все дискретное - отдельные частицы, отдельные порции, кванты, вещества, отдельные значения величин, отдельные, то есть дискретные, реальности. Начал все это дело Макс Планк. Именно он ввел понятие кванта - неделимой порции какой-либо величины. В основе этого понятия лежит представление о том, что некоторые физические величины могут принимать только определенные значения, то есть физическая величина квантуется или принимает дискретные значения. Квантовая физика как раз изучает широкий круг физических явлений, для которых характерна дискретность действия.
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ РЕАЛЬНОСТИ
Дискретность, квантовость мира практически уже доказана. А значит, вполне можно предположить и существование дискретных, параллельных, реальностей и возможность перехода из одной реальности в другую - так называемого квантового скачка. Вот, например, была я в одной реальности - и хоп! - переместилась в другую. Все в конечном итоге дробится на частицы, то есть на дискретные, не пересекающиеся друг с другом, элементы. И реальности существуют дискретно, параллельно друг другу. Ну, как страницы в закрытой книге. И поэтому можно перемещаться с одной страницы-реальности на другую скачком (ведь между ними ничего нет, поэтому процесс перехода из одной реальности в другую не может быть непрерывным, он дискретен).
Можно предположить дискретный характер даже нашей жизни. Вам никогда не казалось, что, например, ваше детство - другая, не ваша жизнь? Никогда вы не испытывали такого ощущения, что жизнь ваша перешла на новый качественный уровень? Лично у меня такие ощущения были много раз. Вот было у процесса (у жизни человека) такое-то состояние, и вдруг поменялось, скачком перешло на другой уровень. Вот вам и дискретизация.
Впрочем, это только предположение. Зато предположение, позволяющее допустить и объяснить существование параллельных реальностей. А значит, возможность мгновенного вашего перемещения из одной реальности в другую. Хорошо бы, чтобы из реальности с плохим качеством жизни в реальность, где качество жизни получше…
КАК ЭТО ОБЪЯСНИТЬ?
Не секрет, что все, в том числе и человек, состоит из мельчайших частиц. Современная квантовая физика находит все более и более мелкие частицы. Дошло до того, что даже время представляют в виде мельчайших частиц - хрононов. По теории профессора Вейника, каждый объект состоит из хрононов. Каждая такая частица несет в себе хрональное вещество, характеризующее время. Где-то таких частиц больше, где-то меньше. А возможно, что и количество хронального вещества в разных хрононах разное. За счет этого возникает неоднородность времени. Вот почему, на мой взгляд, бывает, что время течет по-разному: то тянется, то летит быстро.
А бывают частицы, совсем не содержащие хронального вещества, а потому «одновременно присутствующие» и в прошлом, и в настоящем, и в будущем. Что нам это дает?
Во-первых, объяснение мгновенного распространения информации и получения некоторыми людьми доступа к информации из прошлого и будущего.
Во-вторых, конечно, возможность мгновенного путешествия во времени! Получается, что если мы состоим из мельчайших частиц (а это ведь так и есть), куда меньших, чем, например, атом, допустим, из хрононов, присутствующих одновременно и в настоящем, и в прошлом, и в будущем, то мы сами одновременно присутствуем и в настоящем, и в прошлом, и в будущем. Почему мы этого не замечаем? Ну, может быть, нужна какая-то перегруппировка этих частиц, из которых мы состоим, чтобы мы ощутили перемещение во времени. Возможно, надо сначала расщепить тело на мельчайшие частицы (а они-то существуют и в настоящем, и в прошлом, и в будущем), а потом собрать - уже в прошлом или в будущем. Или вообще в другой реальности, в другом измерении. Так могут осуществляться перемещения во времени и в иные реальности.
Таким образом, в-третьих, существование хрононов позволяет предположить существование параллельных реальностей и возможность перемещений между ними. Ведь если есть мельчайшие частицы, лишенные хронального вещества и одновременно присутствующие и в настоящем, и в прошлом, и в будущем, то получается, что и настоящее, и прошлое, и будущее существуют одновременно, то есть параллельно и представляют собой параллельные реальности. В данный момент времени вы можете существовать как в настоящем, так и в прошлом, так и в будущем. Это трудно представить? Но ведь мы не видим всех этих мельчайших частиц, из которых состоим мы и наша реальность! Так где гарантия, что не существует тут же и в тот же момент бесконечное множество параллельных реальностей, состоящих из мельчайших частиц различного размера и размещенных с различной плотностью? Нам это трудно представить, визуализировать только потому, что мы этих мельчайших частиц не наблюдаем. Но они-то есть!
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПУТЕШЕСТВИЯ
Вышеописанные операции с мельчайшими частицами можно определить как информационные процессы, имеющие место в результате информационного воздействия. Дело в том, что это вообще свойство информационного воздействия - влиять не на большое, а на малое, на мельчайшие частицы, из которых состоит живой объект и с изменения движения и состояния которых начинаются глобальные качественные изменения в организме. На этом свойстве информации основывается, например, лечение информационными методами.
Между прочим, современные ученые уже научились перебрасывать мельчайшие частицы на доли секунды во времени и мгновенно перемещать на большие расстояния в пространстве - телепортировать. При этом перемещается не физически частица, а информация о ней. При перемещении во времени и из реальности в реальность путем расщепления на частицы без хронального вещества и обратной сборки тоже может в другом времени или в другой реальности получиться объект, физически не совсем такой, как исходный. Но переместится главное - информация об объекте, информационный портрет объекта - вся, связанная с ним информация.
А что такое наша личность? Это ведь информация! Вот поменяли вы тело, например, похудели или поправились, но вы - это вы. И вы живы с любым телом. А вот если погибнет ваш информационный портрет, ваша психика, содержимое вашего мозга, вот это будет разрушение личности. Сейчас масса богатых людей пытаются обеспечить себе вечную жизнь путем сохранения в блоках памяти всей информации, которая имеет к ним отношение - все их мысли, чувства, что они видели, слышали, ощущали. Для бессмертия, да и вообще для существования личности главное сохранить информацию о себе, а не тело. Так вот, теория профессора Вейника позволяет предположить возможность информационного перемещения из реальности в реальность и путешествия во времени и объяснить эти явления.
С древнейших времен существовали два противоположных представления о структуре материального мира. Одно из них: континуальная концепция Анаксагора - Аристотеля - базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности, "сплошности" и, по-видимому, было связано с непосредственными чувственными впечатлениями, которые производят вода, воздух, свет и т.п. Материю, согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя не оставляет пустоты внутри себя.
Другое представление: атомистическая (корпускулярная) концепция Левкиппа - Демокрита - было основано на дискретности пространственно-временного строения материи, "зернистости" реальных объектов и отражало уверенность человека в возможность деления материальных объектов на части лишь до определенного предела - до атомов, которые в своем бесконечном разнообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Надо признать, что корпускулярный подход оказался чрезвычайно плодотворным в различных областях естествознания. Прежде всего, это, конечно, относится к ньютоновской механике материальных точек. Очень эффективной оказалась и основанная на корпускулярных представлениях молекулярно-кинетическая теория вещества, в рамках которой были интерпретированы законы термодинамики. Правда, механистический подход в чистом виде оказался здесь неприменимым, так как проследить за движением 1023 материальных точек, находящихся в одном моле вещества, не под силу даже современному компьютеру. Однако если интересоваться только усредненным вкладом хаотически движущихся материальных точек в непосредственно измеряемые макроскопические величины (например, давление газа на стенку сосуда), то получалось прекрасное согласие теоретических и экспериментальных результатов. Законы К. м. составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение ядер атомных, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы К. м. лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. К.м. позволила, напр., объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоёмкости газов и твёрдых тел, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников). Только на основе К. м. удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звёзды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звёздах.
В квантовой механике довольно распространенной является ситуация, когда некоторая наблюдаемая имеет парную наблюдаемую. Например, импульс – координата, энергия – время. Такие наблюдаемые называются дополнительными или сопряженными. Ко всем им применим принцип неопределенности Гейзенберга.
Существует несколько различных эквивалентных математических описаний квантовой механики:
При помощи уравнения Шрёдингера;
При помощи операторных уравнений фон Неймана и уравнений Линдблада;
При помощи операторных уравнений Гейзенберга;
При помощи метода вторичного квантования;
При помощи интеграла по траекториям;
При помощи операторных алгебр, так называемая алгебраическая формулировка;
При помощи квантовой логики.
Когда исследователь достигает стадии,
на которой он перестает видеть за
деревьями лес, он слишком охотно
склоняется к разрешению этой
трудности путем перехода к изучению
отдельных листьев.
Корпускулярный и континуальный подходы к описанию природы. Скалярное поле. Векторное поле. Траектория.
Корпускулярное и континуальное описание объектов природы. Вам известно об атомно-молекулярном строении вещества. Знания эти основаны на опытных фактах. Именно опыт, в частности опыт Перрена по изучению броуновского движения, положил конец спорам философов о том дискретно вещество или непрерывно.
С древнейших времен существовало два противоположных представления о структуре материального мира. Одно из них – континуальная концепция Анаксогора – Аристотеля – базировалась на идее непрерывности, внутренней однородности, «сплошности» и, по-видимому, было связано с непосредственными «чувственными» впечатлениями, которые производят вода, воздух, свет и т. п. Материю согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя «не оставляет пустоты внутри себя».
Другое представление – атомистическая, иначе корпускулярная концепция Левкиппа – Демокрита – было основано на дискретности пространственно-временного строения материи, «зернистости» реальных объектов и отражало уверенность человека в возможности деления материальных объектов на части до определенного предела – атомов, которые в своем бесконечном многообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Таким образом, корпускулярный мир Левкиппа – Демокрита образован двумя фундаментальными началами – атомами и пустотой, и материя при этом обладает атомистической структурой. Атомы по представлению древних греков не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из бесконечности времени.
Современные представления о природе микромира, сочетают в себе обе концепции. С одной стороны, наш мир действительно состоит из отдельных частичек, т. е. того, что древние греки называли атомами. Число этих частичек в наблюдаемой нами Вселенной конечно, хотя и очень большое. С другой стороны, в наблюдаемом нами пространстве нет пустоты, поскольку, например, такие составляющие материи как фотоны пространственно не разделены и обладая свойствами непрерывности, полностью заполняют его.
Система как совокупность частиц (корпускулярное описание). Прежде чем говорить о континуальном подходе, напомним, каким образом можно описать мир дискретных частиц на основе классических представлений.
Рассмотрим в качестве примера Солнечную систему. В простейшей модели, когда планеты рассматриваются как материальные точки, для описания достаточно задать координаты всех планет. Совокупность координат в некоторой системе отсчета обозначают следующим образом: {x i (t), y i (t), z i (t) }, здесь индекс i нумерует планеты, а параметр t обозначает зависимость этих координат от времени. Задание всех координат в зависимости от времени полностью определяет конфигурацию планет Солнечной системы в любой момент времени.
Если мы хотим уточнить наше описание, необходимо задать дополнительные параметры, например, радиусы планет, их массы и т. д. Чем точнее мы хотим описать Солнечную систему, тем больше различных параметров для каждой из планет мы должны рассматривать.
Таким образом, при дискретном (корпускулярном) описании некоторой системы необходимо задать различные параметры, характеризующие каждую из составляющих системы. Если эти параметры зависят от времени, необходимо учесть эту зависимость.
Система как непрерывный объект (континуальное описание). Обращаясь к эпиграфу, рассмотрим теперь такую систему, как лес. Однако чтобы дать характеристику лесу, довольно бессмысленно перечислять всех представителей растительного и животного мира данного леса. И не только потому, что это слишком утомительная, если вообще возможная, задача. Заготовителей древесины, грибников, военных, экологов интересуют разные сведения. Как построить адекватную модель описания данной системы?
Например, интересы лесозаготовителей можно учесть, рассмотрев среднее количество (в кубометрах) деловой древесины на квадратный километр леса в данном районе. Обозначим эту величину через M . Поскольку она зависит от района, который рассматривается, введем координаты x и y , характеризующие район и обозначим зависимость M от координат как функцию M(x,y) . Наконец, величина M зависит от времени (одни деревья растут, другие – гниют, происходят пожары и т. д.). Поэтому для полного описания необходимо знать зависимость этой величины и от времени M(x,y,t) . Тогда величины можно реально, хотя и приближенно, сделать оценки, исходя из наблюдения за лесом.
Поле
Гравитационное поле. Вспомним курс физики. Вы изучали закон всемирного тяготения, в соответствии с которым все тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Рассмотрим какое-либо из тел Солнечной системы и обозначим его массу через m . В соответствии с законом всемирного тяготения на это тело действуют все другие тела Солнечной системы, и суммарная гравитационная сила, которую мы обозначим через , равна векторной сумме всех этих сил. Поскольку каждая из сил пропорциональна массе m , то суммарную силу можно представить в виде: . Векторная величина зависит от расстояния до других тел Солнечной системы, т. е. от координат выбранного нами тела. Из определения, которое было дано в предыдущем параграфе, следует, что величина является полем. Данное поле имеет название гравитационное поле.
Вблизи поверхности Земли сила, действующая на какое-либо тело, например на вас, со стороны Земли намного превосходит все остальные гравитационные силы. Это знакомая вам сила тяжести. Так как сила тяжести связана с массой тела соотношением , то вблизи поверхности Земли есть просто ускорение свободного падения.
Поскольку величина не зависит от массы или какого-либо другого параметра выбранного нами тела, то, очевидно, что если в ту же самую точку пространства поместить другое тело, то сила, действующая на него, будет определяться той же самой величиной , умноженной на массу нового тела. Таким образом, действие гравитационных сил всех тел Солнечной системы на некоторое пробное тело, можно описать как действие гравитационного поля на это пробное тело. Слово пробное означает, что этого тела может и не быть, поле в данной точке пространства все равно существует и не зависит от наличия этого тела. Пробное тело служит просто для того, чтобы можно было измерить это поле при помощи измерения суммарной гравитационной силы, действующей на него.
Совершенно очевидно, что в наших рассуждениях можно и не ограничиваться Солнечной системой, можно рассматривать любую, сколь угодно большую систему тел.
Гравитационную силу, создаваемую некоторой системой тел и действующую на пробное тело, можно представить как действие гравитационного поля, создаваемого всеми телами (за исключением пробного) на пробное тело.
Электромагнитное поле. Электрические силы очень похожи на гравитационные, только действуют они между заряженными частицами, причем для одноименно заряженных частиц – это силы отталкивания, а для разноименно заряженных – силы притяжения. Закон подобный закону всемирного тяготения – это закон Кулона. В соответствии с ним сила, действующая между двумя заряженными телами, пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами.
В силу аналогии между законом Кулона и законом всемирного тяготения то, что говорилось о гравитационных силах, можно повторить для электрических сил, и представить силу, действующую со стороны некоторой системы заряженных тел на пробный заряд q в виде: . Величина характеризует знакомое вам электрическое поле и называется напряженностью электрического поля. Вывод, касающийся гравитационного поля можно почти дословно повторить для электрического поля.
Электрическую силу, создаваемую некоторой системой заряженных тел и действующую на пробный заряд, можно представить как действие электрического поля, создаваемого всеми заряженными телами (за исключением пробного) на пробный заряд.
Взаимодействие между заряженными телами (или просто зарядами), как уже говорилось, очень похоже на гравитационное взаимодействие между любыми телами. Однако есть одно очень существенное отличие. Гравитационные силы не зависят от того, движутся тела, или неподвижны. А вот сила взаимодействия между зарядами изменяется, если заряды движутся. Например, между двумя одинаковыми неподвижными зарядами действуют силы отталкивания. Если же эти заряды движутся, то силы взаимодействия изменяются. В дополнение к электрическим силам отталкивания появляются силы притяжения.
Вы уже знакомы с этой силой из курса физики. Именно эта сила вызывает притяжение двух параллельных проводников с током. Эта сила называется магнитной силой. Действительно, в параллельных проводниках с одинаково направленными токами заряды движутся, как показано на рисунке, а значит, притягиваются магнитной силой. Сила, действующая между двумя проводниками с током, есть просто сумма всех сил, действующих между зарядами. Почему же в этом случае исчезает электрическая сила?
Все очень просто. Проводники содержат как положительные, так и отрицательные заряды, причем количество положительных зарядов в точности равно количеству отрицательных зарядов. Поэтому в целом электрические силы компенсируются. Токи же возникают вследствие движения только отрицательных зарядов, положительные заряды в проводнике неподвижны. Поэтому магнитные силы не компенсируются.
Механическое движение всегда относительно, т. е. скорость всегда задается относительно некоторой системы отсчета и изменяется при переходе от одной системы отсчета к другой.
А теперь посмотрите внимательно на рисунок 21. Чем отличаются рисунки а и б ? На втором рисунке заряды движутся. Но это движение только в определенной, выбранной нами системе отсчета. Мы можем выбрать другую систему отсчета, в которой оба заряда неподвижны. И тогда магнитная сила исчезает. Это наводит на мысль, что электрическая и магнитная силы – это силы одной природы. И это действительно так. Опыт показывает, что существует единая электромагнитная сила, действующая между зарядами, которая по-разному проявляется в различных системах отсчета. Соответственно, можно говорить о едином электромагнитном поле, которое представляет собой совокупность двух полей – электрического поля и магнитного поля. В различных системах отсчета электрическая и магнитная составляющие электромагнитного поля могут проявляться по-разному. В частности может оказаться, что в какой-то системе отсчета исчезает электрическая или магнитная составляющая электромагнитного поля. Таким образом, из относительности движения следует, что электрическое взаимодействие и магнитное взаимодействие есть две составляющих единого электромагнитного взаимодействия.
Но, если так, то можно повторить вывод, касающийся электрического поля.
Электромагнитную силу, создаваемую некоторой системой зарядов и действующую на пробный заряд, можно представить как действие электромагнитного поля, создаваемого всеми зарядами (за исключением пробного) на пробный заряд.
Не следует думать, что только гравитационное и электромагнитное взаимодействия могут быть выражены через посредство соответствующего поля. Метод описания взаимодействия при помощи полей нашел широкое применение в физике микромира. Этот метод может применяться при описании самых различных взаимодействий. Например, архимедова сила, действующая на тело, погруженное в жидкость, или на воздушный шар в воздухе, выражается следующим образом: F A = rgV , где g - ускорение свободного падения, V – объем тела, погруженного в жидкость, или находящегося в воздухе, аr – плотность жидкости или воздуха. Как известно, плотность воздуха уменьшается с высотой, т. е. зависит от координат. Плотность воды также изменяется с глубиной погружения, в океанских глубинах плотность воды несколько больше, чем вблизи поверхности океана. Отсюда следует, что плотность зависит от координат, которые имеет тело, находящееся под действием архимедовой силы. Т. е. можно ввести поле плотности, которое при действии на тело приводит к возникновению силы Архимеда.
Другой пример связан с силами, действующими на тело, обтекаемое потоком жидкости или газа. К таким силам относятся сила сопротивления движению в водной или газовой среде, и подъемная сила, действующая на крыло самолета. Поток жидкости или газа – это поле скоростей (см. предыдущий параграф). Это поле воздействует на каждый участок поверхности тела, находящегося в потоке, что и приводит к возникновению силы сопротивления и подъемной силы.
Общий вывод, который можно сделать, исходя из примеров, рассмотренных в данном параграфе: многие силы, действующие на тело, находящееся в вакууме или в непрерывной среде, можно представить как результат действия на тело соответствующих полей. К подобным силам относятся, в частности, гравитационная и электромагнитная силы.
