время, своего рода сцена, на которой разыгрываются физические процессы, как сказал Эйнштейн.

6.Галилеевская физика рассматривает мир как некий «объект», и все описание идет извне, «со стороны», т.е. наблюдатель не «принадлежит» объекту.

7.Теория Ньютона в принципе несовместима с теорией относительности (ОТО) Эйнштейна, так как согласно Ньютону тяготение передается мгновенно, а по Эйнштейну

—только со скоростью света с.

8.Главным же в ней является лапласовский детерминизм. Все причинно-следственные связи — однозначные. Наличие случайности обусловлено лишь невозможностью учесть все влияющие факторы, все детали сложного механизма природы.

72

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Чем, по Вашему мнению, обусловлена трехмерность реального пространства?

2.Каковы классические и современные представления о пространстве и времени?

3.Опишите представления о траектории и мировой линии.

4.Может ли классическая механика разрешить «путешествие» из будущего в прошлое? Почему?

5.В чем заключается парадокс времени?

6.Перечислите основные параметры движения в механике Галилея — Ньютона. Их физический смысл.

7.В чем заключается вклад Галилея и Ньютона в классическую механику?

8.Каковы особенности механики Ньютона?

9.Какие законы сохранения в классической механике Вы знаете?

10.В чем смысл лапласовского детерминизма?

11.Какие принципы оптимальности Вы знаете? В чем их вероятностный смысл?

12.Сформулируйте основные положения механической картины мира.

13.С какими свойствами пространства и времени связаны законы сохранения параметров движения?

14.Объясните, почему фигурист на льду начнет вращаться быстрее, если он поднимет руки вверх.

15.Дайте определение понятия «стрелы времени» и приведите его подтверждение в современном естествознании.

ЛИТЕРАТУРА

8, 18, 19, 26, 53, 57, 61, 70, 76, 89, 99, 106, 112, 115, 118, 141, 148.

Глава 3. ФИЗИКА ПОЛЕЙ

Природа проста и не роскошествует излишними причинами.

И. Ньютон

В физике все. что не запрещено, имеется.

Гелл-Манн

3.1. Определение понятия поля

Переходя к физическим основам концепции современного естествознания, заметим, что в физике существуют фундаментальные понятия. К ним относятся постоянно рассматриваемые в нашем курсе пространство, время и понятие «поле». В механике дискретных объектов, механике Галилея, Ньютона, Декарта, Лапласа, Лагранжа, Гамильтона и других представителей физического классицизма установлено, что силы взаимодействия между дискретными объектами вызывают изменение параметров их движения (скорость, импульс, момент импульса) и энергии.

73

И это было наглядно и понятно. Однако с изучением природы электричества и магнетизма возникло понимание, что взаимодействовать между собой электрические заряды могут и без непосредственного контакта. В этом случае мы как бы переходим от представления близкодействия к бесконтактному дальнодействию. Это и привело к понятию поля.

Физическим полем называют особую форму материи, связывающую частицы (объекты) вещества в единые системы и передающую с конечной скоростью действие одних частиц на другие.

Такие определения слишком общие и не всегда выражают глубинную и конкретнопрактическую сущность понятия. Физики с трудом отказывались от идеи физического контактного взаимодействия тел и для объяснения различных явлений вводили такие модели, как электрическая и магнитная «жидкости»; для механических колебаний частичек среды — модель эфира; использовали понятия оптических флюидов, теплорода,

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

флогистона в тепловых явлениях, описывая их тоже с механической точки зрения; и даже биологи вводили «жизненную силу» для объяснения процессов в живых организмах. Все это были попытки описать передачу действия через материальную («механическую») среду.

Однако в работах Фарадея (экспериментально), Максвелла (теоретически) и многих других ученых было показано, что существуют электромагнитные поля (в том числе и в вакууме) и именно они передают электромагнитные колебания. Выяснилось, что и видимый свет представляет электромагнитные колебания в определенном диапазоне частот. Было установлено, что электромагнитные волны делятся на несколько видов в шкале колебаний:

Что же такое поле? Воспользуемся неким абстрактным представлением (такие же абстракции используются в построении физики микромира и физики Вселенной). Можно сказать, что поле описывается физической величиной, которая в разных точ-

74

ках пространства принимает различные значения. Например, температура — это величина, с помощью которой можно описать поле (в данном случае скалярное) как Т= Τ (х, у, z), или если оно меняется во времени, то Т= Τ (x, у, z, t). Могут быть поля давлений, в том числе и атмосферного воздуха, поле распределения людей на Земле или различных наций среди населения, распределения оружия на Земле, разных песен, животных, всего что угодно. Могут быть и векторные поля, как, например, поле скоростей текущей жидкости. Мы знаем, что скорость (х, у, z) есть вектор. Поэтому записываем скорость движения жидкости в любой точке пространства в момент t в виде (х, у, z, t). Аналогично могут быть представлены и электромагнитные поля. В частности, электрическое поле — векторное, так как кулоновская сила между зарядами есть вектор, определяемый по формуле

где q — электрический заряд,— напряженность электрического поля.

Людям трудно было мысленно представить поведение полей, и оказалось, что надо просто рассматривать поле как математические функции координат и времени какого-то параметра, описывающего явление или эффект.

Можно предположить и наглядную простую модель векторного поля и дать его описание. Мысленную картину поля можно представить, начертив во многих точках пространства векторы, которые определяют какую-то характеристику процесса взаимодействия или движения (для потока жидкости — это вектор скорости; электрические явления можно модельно рассматривать как заряженную жидкость со своим вектором напряженности поля и т.д.). Заметим, что определение параметров движения через координаты и импульс в классической механике — это метод Лагранжа, а через векторы скоростей и потоки — это метод Эйлера. Например, модельным представлением электрического поля являются силовые линии (рис. 3.1). По густоте касательных к ним можно судить об интенсивности течения жидкости. Число линий на единицу площадки, распо-

Рис. 3.1. Модель силовых линий поля.

75

ложенной перпендикулярно к ним, будет пропорционально напряженности электрического поля Е. Хотя картина силовых линий, введенных в 1852 г. М. Фарадеем (1791—1867), очень наглядна, следует понимать, что это лишь условная картина, простая

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.