2. Теория поля

Большинство сил, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, представляют собой силы контактного типа, возникающие при соприкосновении. Мы тянем или толкаем тела, либо же один предмет сталкивается с другими. В древности казалось невероятным, что Солнце с реальной силой притягивает Землю, поскольку между ними нет контакта.

Создание Ньютоном теории всемирного тяготения привело к возникновению совершенно новых представлений. Согласно этой теории, все планеты действуют друг на друга определенными силами, несмотря на то, что они не соприкасаются и между ними нет материальной среды, которая могла бы передавать действие сил. Для описания гравитационного взаимодействия Ньютону пришлось ввести понятие «действие на расстоянии», поскольку нельзя было представить передачу гравитационной силы через пустое пространство. Но Ньютон и не пытался объяснить, почему действие гравитационной силы передается через пустоту. Он поставил своей целью дать правильное математическое описание наблюдаемых явлений, не отвечая на вопрос «почему?».

Для решения проблемы сил, действующих на расстоянии, позднее было введено понятие эфир. Это была одна из самых известных гипотез в физике. Эфир обладал единственным свойством – предавал силу на расстояние. Его представляли в виде невидимого и невесомого желе: толкните его в одном месте и этот толчок вызовет возмущение, которое побежит в другие точки. Придуманный для объяснения действия сил на расстоянии, эфир был нематериальным и в нем не было никаких контактных сил. Тем не менее, строились сложные теории напряжений, деформаций и вихревых движений в эфире. Эфир рассматривался так же как среда, в которой распространяется свет; поэтому его называли светоносным эфиром.

В теории эфира для объяснения все новых фактов приходилось вводить так много произвольных допущений, что она рухнула под тяжестью собственного веса. Окончательно представление об эфире было развенчано теорией относительности Эйнштейна. Ее место в истолковании всех сил, действующих на расстоянии, заняла теория поля.

2.1 Скалярные и векторные поля

Любую физическую величину, которая имеет вполне определенное значение в каждой точке пространства, можно рассматривать как величину, характеризующую данное физическое поле.Основной характеристикой поля является то, что изменение величины поля от одной точки пространства к другой должно быть плавным. Другими словами, не должно быть скачков в значениях физических величин – скажем, от -20 до+30 – в двух соседних точках, находящихся на сколь угодно малом расстоянии друг от друга. Изменение должно происходить постепенно. В таком плавном изменении от точки к точке пространства и заключается главная особенность поля.

Примером поля может служить карта погоды (метеорологическая карта), на которой отмечаются температура и давление некоторой территории, т.е. графически изображается поле температур и поле давлений. Такие карты составляют, измеряя значение атмосферного давления в большом числе пунктов, находящихся на какой-либо территории, и проводя через точки с одинаковым давлением кривые, называемыми изобарами. На таких картах видны медленные изменения давления. Давление в данной точке задается единственным числом. Давление есть скалярная величина, а поле давлений –скалярное поле.

В случае температуры на картах проводятся линии равных температур (изотермы), которые соединяют точки с равными значениями температуры. Температура – скалярная величина, а поле температур является скалярным.

Другой пример, скорость потока воды в реках и морях обычно неодинакова в разных точках. Изменения скорости течения зависят от конфигурации дна и берегов и могут создавать как области стоячей воды, так и зоны вихревого движения и даже водовороты. Поскольку скорость плавно меняется от одной точки потока к другой, можно описать течение потока с помощью поля скоростей. Поле скоростей существенно отличается от поля давлений и температур тем, что для указания скорости требуется задать не только ее абсолютное значение, но и направление. Поле скоростей естьвекторное поле.

Любую физическую величину, имеющую в каждой точке пространства определенное численное значение и направление, можно рассматривать как величину, характеризующую векторное поле. Большинство представляющих для физики полей являются векторными; к ним относятся гравитационное, магнитное, электрическое и другие поля.

В принципе соответствующая величина должна изменяться в пространстве непрерывно в математическом смысле, если мы хотим сопоставить ей некое поле. Именно таким образом меняются некоторые физические величины, например, вектор гравитационной силы, и их описание путем введения поля вполне оправдано. Однако те же температура и давление в действительности меняются вовсе не непрерывно. Понятия температура и давление имеют физический смысл лишь для большого числа молекул. Обе эти величины – макроскопические характеристики многочисленных микроскопических эффектов. Нет ни малейшего смысла говорить о температуре и давлении одной или даже десятка молекул. Однако объем, занимаемый даже миллионом молекул, с точки зрения обычных масштабов чрезвычайно мал. Поэтому для всех практических задач изменение давления и температуры от одной группы из миллиона молекул к другой такой же группе можно считать непрерывным.

В каждом отдельном случае следует выяснить, обнаруживает соответствующая физическая величина такие свойства, чтобы описание ее с помощью поля оказалось полезным.