Концепция близкодействия и свойства фундаментальных материальных полей

 

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Псковский государственный политехнический  институт

 

 

 

 

Реферат по концепциям современного естествознания

 

На тему:

«Концепция близкодействия и свойства фундаментальных материальных полей»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                          Факультет управления и экономики

                                                                          гр. 011-021

                                                                          Павлова М.Э

 

                                                                

                                                                  

                                  Содержание:

1. Концепция близкодействия и дальнодействия……………………….      3стр.

      1.1.Принцип близкодействия…………………………………………………… 3-4стр.

      1.2.Принцип дальнодействия…………………………………………………… 4-6стр.

2. Возникновение и развитие представлений об электромагнитном и                    гравитационном поле……………………………………………………………………    7  стр.

2.1. О электромагнитном……………………………………………………… 7-12стр.

2.2. О гравитацоинном………………………………………………………… 12-14стр.

 3. Фундаментальные материальные поля, проблема физического    вакуума………………………………………………………………………………………       15стр.

3.1. Материальные  поля………………………………………………………15-19стр.

3.2. Проблема  физического вакуума……………………………………  19-21стр.

4. Список  литературы…………………………………………………………………..     22стр.                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. 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.

1. 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 состоянии, которое описывается словами: «В пространстве возникает поле». Под  действием зарядов возникает  электрическое поле, под действием  магнита — магнитное, массивное  тело вызывает гравитационное поле. Электрическое  поле действует па заряженное тело, магнитное — на магнит, поле силы тяжести — скажем, на камень, заставляя  их двигаться. Изменение скорости этих тел объясняется действием поля в той области пространства, где  в данный момент времени они находятся. Сила передается через пустое пространство от точки к точке с помощью  полей, как через невидимую жидкость. Такой механизм передачи воздействия  называется близкодействием и принят современной физикой.

2. 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 развития скорее напоминает не прямую, а спираль. Пройдя один виток спирали, мы опять  возвращаемся примерно к тем же представлениям, но уже на более высоком уровне. Именно так и произошло при  развитии концепции близкодействия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Возникновение и развитие представлений об электромагнитном и       гравитационном поле.

 

1. 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 проявлением  электрических сил.

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 полюса, т. е. получатся два новых магнита, каждый из которых имеет и северный, и южный полюса. Все попытки  получить таким способом изолированный  магнитный полюс - монополь - заканчивались  неудачей.

До  середины XVIII века успехи в изучении электричества были невелики. Было обнаружено электричество двух родов  — положительное и отрицательное, открыта возможность передачи и  накопления электричества, правильно  истолкована молния, как гигантская электрическая искра между двумя  облаками или между облаком и  Землей. И, наконец, дело дошло до первого  практического применения приобретенных  знаний: Франклином был изобретен  молниеотвод (часто не вполне правильно  называемый громоотводом). Оказалось, что заостренный металлический  штырь, приподнятый над зданиями и заземленный, предохраняет эти  здания от попадания молнии. Впечатление, созданное этим открытием, было огромно. Молниеотвод буквально вошел  в моду. Дамы носили его на шляпках  в качестве украшений.  Его опыты  произвели очень большое впечатление  на Современников, и, принимая государственного деятеля молодой американской республики в Академии наук в Париже, математик  Даламбер не побоялся поблагодарить  его за то, что он «похитил молнию у неба и скипетр у тирана».

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 полосовым  магнитам. Позднее он осуществил и  взаимодействие прямых проводников  с током. Ему возражали: “Это взаимодействие электрическое”, но он показывал, что  одинаково заряженные проводники должны отталкиваться, а у него одинаковые по направлению токи притягиваются, т.е. он впервые разграничил электростатические и электродинамические явления.