5.4. Понятие поля. Близкодействие. Электродинамическая картина мира

Физическая картина мира принципиально изменилась с введением понятия физического поля. Под физическим полем сейчас мы понимаем особую форму материи, связывающую частицы вещества в единые системы и передающую с конечной скоростью действие одних частиц на другие.

Введение понятия поля уничтожает принцип дальнодействия и заменяет его принципом близкодействия, в соответствии с которым взаимодействие вещественных частиц осуществляется через посредника - поле, причем любое изменение положения и характеристик (массы, заряда) какого-либо тела вызовет изменение его воздействия на другие тела не мгновенно, а спустя некоторое время.

Впервые идея близкодействия была высказана в первой половине 17-го в. Р. Декартом, но не вошла в научный обиход. Она возродилась, когда в 30-х годах 19-го века М. Фарадей ввел понятия электрического и магнитного полей. Концепции физического поля и близкодействия получили развитие в 60-х годах 19-го века, когда гениальный Д.К. Максвелл на основе идей Фарадея создал теорию электромагнитного поля и придал ей математическую форму.

Основные положения этой теории (классической электродинамики) таковы:

- электромагнитное поле - особый вид материи, создаваемый частицами, обладающими особым свойством - электрическим зарядом (сейчас известно, что такими частицами являются протоны, электроны и ряд других);

- существование электромагнитного поля проявляется в его силовом воздействии на другие заряженные частицы, помещенные в поле.

Электромагнитное поле можно представить состоящим из двух компонент: электрического и магнитного полей. Электрическое поле отличается тем, что оно действует на заряженную частицу вне зависимости от ее движения. Магнитное же поле действует только на движущиеся частицы с силой, пропорциональной скорости движения. Поэтому электрическое поле удобно обнаруживать по силовому воздействию на неподвижный заряд, а магнитное - по силовому воздействию на проводник с постоянным током, ибо в целом проводник с током электронейтрален (электрическое поле на него не действует), но содержит движущиеся заряженные частицы - электроны, на которые и действует магнитное поле.

Силовой характеристикой электрического поля является вектор напряженности , магнитного поля - вектор магнитной индукции.

На заряд q со стороны электрического поля действует электрическая (кулоновская) сила

, (5.22)

а если заряд движется со скоростью , то на него со стороны магнитного поля действует также магнитная сила (сила Лоренца)

, (5.23)

где есть векторное произведение векторови.

Разделение электромагнитного поля на электрическое и магнитное условно и зависит от выбора системы отсчета, относительно которой рассматривается поле. Действительно, частица, движущаяся относительно одной системы отсчета, в другой системе имеет иное значение скорости или вообще покоится. Соответственно, в разных системах отсчета будет различно и соотношение сил и, но модуль и направление результирующей силы остаются неизменными, что дополнительно свидетельствует о невозможности физическими опытами обнаружить движение системы отсчета, то есть подтверждает принцип относительности.

Как и любой другой вид материи, электромагнитное поле обладает энергией, складывающейся из энергий электрического и магнитного полей.

Важнейшим вкладом Фарадея и Максвелла в учение об электромагнетизме явилось открытие взаимосвязи электрического и магнитного полей: переменное электрическое поле порождает в окружающем пространстве электрическое поле и, наоборот, переменное магнитное поле порождает электрическое поле.

Отметим, что до опытов Х. Эрстеда, М. Фарадея и теоретического осмысления результатов их опытов Максвеллом электрические и магнитные явления считались независимыми и имеющими различную природу. Максвелловская теория электромагнитного поля стала первым примером выявления единой природы двух взаимодействий, ранее считавшихся не связанными друг с другом. После этого одним из магистральных направлений фундаментальной физики стали попытки выявления единой природы электромагнитного и различных других фундаментальных физических взаимодействий (гравитационного, сильного, слабого). Об этом направлении рассказано в последующих разделах.

Ядром математического аппарата классической электродинамики является знаменитая система уравнений Максвелла, позволяющая рассчитать в любой точке пространства характеристики электромагнитного поля, возникшего из-за наличия источников поля - заряженных тел и токов, а также из-за описанной выше взаимосвязи электрического и магнитного полей.

В классической электродинамике для описания состояния электромагнитного поля в некоторый момент времени необходимо задать значения ив каждой точке пространства, а эволюция этого поля описывается двумя функциями трех пространственных и временной переменнойи.

Одним из важнейших результатов теории Максвелла явилось предсказание существования электромагнитных волн. Электромагнитная волна есть процесс распространения в пространстве взаимосвязанных колебаний электрического и магнитного полей, сопровождающегося переносом энергии. Г. Герц разработал устройства для излучения и обнаружения электромагнитных волн и в 1888 г. экспериментально доказал их существование, чем внес решающий вклад в утверждение теории электромагнитного поля.

Замечательно, что предсказанная теорией скорость распространения электромагнитных волн оказалась равной скорости света, что позволило Максвеллу выдвинуть идею об электромагнитной природе света, ставшую затем общепризнанной. Этим было установлено единство природы электромагнитных и оптических явлений. Была создана электромагнитная волновая теория оптики, объяснившая огромное множество оптических явлений.

Ввиду столь очевидных успехов полевой теории электромагнитного взаимодействия понятие поля (физического поля) стали использовать и для описания других типов фундаментальных физических взаимодействий. В первую очередь было введено понятие гравитационного поля как особой формы материи, осуществляющей гравитационное взаимодействие (тяготение). Гравитационное поле подобно электростатическому полю - то есть электромагнитному полю, создаваемому неподвижными электрическими зарядами. Сходство основано на подобии основных экспериментальных законов электростатики (закона Кулона) и гравитации (закона всемирного тяготения). Действительно, модуль силы Кулона, то есть силы взаимодействия в вакууме неподвижных точечных зарядов и, равен

. (5.24)

где r - расстояние между зарядами, k - константа, а модуль силы притяжения материальных точек иравен

, (5.25)

где G - гравитационная постоянная.

Из сравнения выражений (5.24) и (5.25) видно, что силы электрического и гравитационного взаимодействия убывают обратно пропорционально квадрату расстояния между телами, а роль зарядов, определяющих величину электрического взаимодействия, при гравитационном взаимодействии играют массы тел.

Основная характеристика электрического поля - напряженность, как следует из (5.22), определяется как отношение силы, действующей со стороны электрического поля на неподвижный точечный заряд q, помещенный в это поле (пробный заряд), к величине этого заряда: .

Аналогично, основная характеристика гравитационного поля - напряженность гравитационного поля, определяется как отношение силы тяготения, действующей на материальную точку (пробную массу) со стороны гравитационного поля, к массе этой точки:. В классической физике описать гравитационное поле - значит указать значение его напряженностив каждой точке пространства в данный момент времениt.

Последующее открытие новых типов фундаментальных взаимодействий ввело в научный обиход представления о новых типах физических полей. Взаимодействию нуклонов в ядре сопоставили поле ядерных сил, так называемому слабому взаимодействию, ответственному за многие превращения элементарных частиц, сопоставили поле слабого взаимодействия.

Характерной особенностью классических представлений о поле и веществе является резкое противопоставление дискретности частиц вещества (то есть их локализованности в пространстве, ограниченности, разделенности) и континуальности поля (протяженности в пространстве, отсутствия фиксированных границ, непрерывности).

Современные представления о физических полях, как будет подробнее изложено далее, существенно отличаются от классических, в первую очередь за счет идеи о квантовании поля и о корпускулярно-волновом дуализме материи.

К концу 19-го века сложилась новая картина мира, в которой важнейшими составляющими теоретического описания мира являлись классическая ньютоновская механика и максвелловская полевая классическая электродинамика. Эта картина мира получила название электродинамической.