belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 127
Текст из файла (страница 127)
Само понятие силы было пе очень ясным,а что такое действие на больших расстояниях, понять было почти невозможно: Кеплер вначале тоже боялся говорить о силе и говорил о действии душ — души Солнца и душ планет. Он изгнал души и стал писать о силах лишь спустя много лет так труден был первый шаг. Новая гипотеза позволила Кеплеру примириться с тем, что орбиты планет это нс окружности (и не составлены из окружностей), а имеют форму эллипса. Со времен Кеплера и почти до наших дней шли споры: могут ли тола действовать друг на друга на расстоянии, т.е.
осуществляется ли в природе дальнодействие или надо верить, что всегда и везде есть какая-то среда, есть эфир, который передает действие одного небесного тела на другое'? То, что движущееся тело может изменять направление своего движения или свою скорость, люди знали, конечно, очень давно. Но почему это происходит, где кроется причина этого явления, понять было очень и очень непросто. Еще в эпоху Коперника думали, что все сводится к свойству самого тела. Тяжелые тела стремятся к центру Земли, небесные тела стремятся 12.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 471 двигаться по окружности это их внутреннее свойство. Даже после Ньютона далеко не все согласились с тем, что причина изменения состояния движения есть сила, внешняя по отношению к движущемуся телу, сила, источник которой лежит впе тела. Чтобы идея взаимодействия тел завоевала свое место, понадобился весь ХЪ П1 в. Лейбниц, развивая теорию монад, мельчайших частиц, из которых состоят все тела, наделял их стремлением изменить свое состояние движения.
Теорию монад пропагандировал весьма авторитетный математик и философ Вольф — в ХЪ'П в. много говорили о вольфианской философии и вольфианцах. С вольфианцами спорил Эйлер, который, понимая, что действие сил между телами необходимо описывать строгими математическими методами, считал, что необходима среда, передающая взаимодействие. Такой средой мог служить эфир, теорию которого строил еще Декарт. Эйлер знал о действии наэлектризованных тел, знал о свойствах магнитов. Закон всемирного тяготения Ньютона был для него великим законом.
Но только в последнем случае было известно математическое выражение закона сил, зависимость сил тяготения от расстояния. Кулон открыл свой закон лишь в конце Х 17П1 в. Поэтому даже Эйлер мог обсуждать явления природы лишь качественно, и никакой теории эфира в строгом смысле у него не было. Рассуждая о свойствах эфира, который должен был передавать разные взаимодействия, Эйлер укрепил в сознании естествоиспытателя мысль о том, что пространство между телами есть сложная среда, а вовсе не пустой сосуд, в котором двигаются материальные точки, как это принимал в своей механике Ньютон.
Интересно, что в теории эфира трудно было обьяснить притяжение частиц. Вихри, которыми был насыщен эфир Декарта, могли только расталкивать тела. Так, Декарт считал, 1то вихри, находящиеся между Землей и Лупой, вытесняют воды океанов и вызывают во время новолуния (вопреки фактам) отливы.
Эйлер исправил ошибку Декарта. Но теория эфира не могла завоевать общее признание до тех пор, пока не приобрела способность описывать результаты опыта количественно. Даже Юнг, объяснивший явление интерференции, рассуждал вначале с позиций корпускулярной теории света. Только в работах Френеля волновая теория света, распространяющегося в мировом эфире, приобрела реальную силу.
Но в долгом споре о дальнодействии и близкодействии решающим было великое открытие Фарадея, открытие нового физического объекта "- электромагнитного поля. Фарадей описал электромагнитное ноле в терминах модели упругих силовых линий. Пользуясь такой простой моделью, Фарадей смог, тем не менее, подробно описать свои многочисленные опыты. Но модель Фарадея стала теорией лишь после того, как Максвелл написал свои уравнения и создал повук> пауку электродинамику.
Стоит обратить внимание, что электродинамика стала после механики вторым разделом науки, которую теперь называют физикой. К концу Х1Х в. к ним добавились термодинамика, акустика и гидродинамика. Теория Максвелла, опережая время, была и первой релятивистской теорией поля. Теория была релятивистской в том смысле, что она удовлетворяла требованиям специальной теории относительности, хотя последняя была создана на 40 лет позже. После Фарадея и Максвелла спор о дально- 472 ГЛ. 12.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ действии потерял смысл, и вопрос о природе и законах сил взаимодействия стал предметом физических теорий, а нс философских дискуссий. Однако слишком сильна была привычка сводить все явления к классической механике, и долго еще электромагнитное поле старались объяснить, опираясь лишь на механику жидкостей.
Долго ученые не могли привыкнуть к тому, что электромагнитное поле существует само по себе, что оно может колебаться, быть неподвижным, принимать вид волны, проникать в другие тела. Наше поколение уже не удивляется тому, что радиоволны связывают Землю с космическим кораблем, мы давно привыкли к дэльнодействию, и эфир в нашем воображении перестал существовать. Мы знаем даже больше.
Мы знаем, что на доставку сообщения с космического корабля на Землю тратится время, и когда корабль уходит от Земли на миллионы километров, оно становится вполне ощутимым. Это значит., что сигнал, после того как он покинул передатчик, путешествует в пространстве, пока не достигнет приемника на Земле.
Распространение взаимодействия с конечной скоростью -- это главная идея, лежащая в основе представления о поле. Физики стали говорить о запаздывающем взаимодействии. То., что свет распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью, равной почти 300000 км/с, было доказано Ремером еще 200 лет назад. Наблюдая нерегулярности в движении спутников Юпитера, он понял, что их можно объяснить, если учесть., что расстояние от Земли до Юпитера пе постоянно и что время, которое свет тратит на прохождение этого расстояния, также изменяется. Но понять, что этот вывод относится к электромагнитному полю, смог только Максвелл.
Свет в те времена никак не связывали с электрическим или магнитным полем, свет представляли себе как поток каких-то корпускул, и то, что эти корпускулы летят с конечной скоростью, никого не удивляло. Грубая, и даже ошибочная с нашей точки зрения, модель помогла сделать важное открытие. Итак, свет распространяется с конечной скоростью. А как обстоит дело с силой тяжести, с гравитацией? Может быть, и силы всемирного тяготения действуют не мгновенно, как это предполагается в законе Ньютона, где силы зависят только от расстояния в заданный момент времепиу Лаплас был уверен, что механика позволяет очень точно вычислить все, что касается движения планет, и попробовал определить поправки., которые надо внести в существующие расчеты, если учесть, что скорость распространения гравитации конечна.
Полученный результат расчета был неожиданным: из него следовало, что скорость распространения тяготения больше скорости света по крайней мере в миллион раз. Сейчас мы знаем, что Лаплас ошибся в расчетах, и скорость распространения гравитации равна скорости света. Но и сегодня это всего лишь теоретическая расчетная величина -- скорость передачи гравитационного взаимодействия пока никто пе измерил. До Максвелла никто никак пе связывал свет с электромагнетизмом. Но из уравнений Максвелла следовало, что в электромагнитном поле есть волны и что они распространяются со скоростью, которая с удивительной точностью совпадает с известной величиной скорости света.
Надо было обладать большой смелостью, чтобы прийти отсюда к выводу, что свет и есть 12.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ электромагнитная волна. Можно сказать, что Максвелл сделал первый шаг в построении единой теории разных физических действий; в его электродинамике обьединились в одной сисгеме уравнений электричество, магнетизм и свет. Представление об электромагнитном поле как о «классической» непрерывной системе продержалось недолго.
Идея древних греков о том, что все в природе должно состоять из атомов, оказалась все же правильной. Конечно, следует себе отчетливо представить, что это были чисто умозрительные заключения, игра ума. Планк, а затем Эйшптейн доказали, что теорию, которая объяснила бы, как заряженные частицы взаимодействуют с электромагнитным полем, можно построить, только если предположить, что электромагнитное поле состоит из квантов, летящих со скоростью света и не имеющих массу говоря более строго., их энергия покоя должна быть равна ну.ню, Этим закончился классический период в теории электромагнитного поля.
Учение о тепле превратилось в строгую науку -- термодинамику. Учения об электричестве, магнетизме и свете объединились в электродинамику, науку об электромагнитном поле. Началась квантовая эра физика ХХ в. Родившись на заре нашего столетия, квантовая механика не только объяснила явления в микромире. Как оказалось, именно квантовым законам подчинепы и макроскопические тела, особс1шо при низких температурах.
В свою очередь, квантовая механика, объединившись с теорией Максвелла, дала жизнь новой науке — квантовой электродипамике, квантовой теории электромагнитного поля. Созданная в середине прошлого века, теория Максвелла сохранила свою силу после открытия специальной теории относительности и квантовой механики. Более того, уравнения Максвелла и требование их инвариантности в любых инерциальных систем послужили фундаментом теории относительности. Главное изменение, которое внесла квантовая электродинамика в наши представления об электромагнитном поло, связано с открытием позитрона и процессов рождения пар электрон-позитрон при взаимодействии фотона и, например, ядра.
Процгкю рождения частиц из вакуума был немыслим в картине мира классической физики частицы считались неизменяемыми и неуничтожаемыми. Столь же неизменным был и вакуум. Сейчас представление о иакууме сильно изменилось. В нем все время существует периодически изменяющееся электромагнитное поле, физики говорят о «флуктуациях вакуума». Конечно, в среднем эти поля равны нулю, но квантовая механика разрешает возникать на очень короткое время парам электрон-позитрон, которые тут же исчезают "- аннигилируют. Все это связано с тем, что квантовая механика «Ве возражает» против нарушения закона сохранения энергии, если только это нарушение длится время Ьг не больше, чем Ы ЦЬа, где,ЛЕ величина неопределенности энергии.
Так, если речь идет о рождении и аннигиляции пары с энергией масштаба 1 МэВ, что соответствует энергии е е+-пары, то время такого странного события не должно превышать 10 21 с. Таков масштаб времени у событий, о которых мы говорили. Каким взаимодействиям обязано существование атомов и молекул, твердых и жидких тел, газов? Сейчас мы знаем четыре фундаментальных взаимодействия (т. е. четыре вида сил), регулирующих все «взаимоотношения» 474 Гл. Нь злключение в природе слабые, сильные (ядерные), электромагнитные и гравитационные.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
