Физические поля в природе

При изучении взаимодействий объектов природы, прежде всего, видно, что одни взаимодействия происходят при непосредственном контакте (удар шаров и др.), а другие в тех случаях, когда непосредственного контакта нет. Мы наблюдаем действие на расстоянии в случае гравитационного взаимодействия, притяжения двух тел, обладающих массами, или в случае взаимодействия двух электрически заряженных тел.

Чтобы представить взаимодействие на расстоянии рассмотрим, неприятный для землян, случай опасного приближения к Земле пусть и небольшого астероида кометы, метеорита. Для предотвращения с Землей люди отправляют ракету, сообщив ей определенный импульс. Через некоторое время ракета «встречается» с астероидом и, согласно закону сохранения импульса, объединенное тело ракета-астероид приобретает новую скорость, направленную в сторону от Земли. Земля спасена! Ракета в этом случае играет роль переносчика импульса или переносчика воздействия. Отметим, что в тот момент времени, когда ракета начала двигаться равномерно и прямолинейно, астероид тоже находился в состоянии равномерного прямолинейного движения.

Другой пример. Чтобы заставить тело, привязанное к дальнему концу длинного шнура колебаться, мы посылаем волну вдоль шнура, приведя в колебание конец шнура, находящийся в руке. Волна вдоль шнура бежит с постоянной скоростью, зависящей от упругости и плотности шнура.

Аналогично можно объяснить эффект гравитационного или электромагнитного взаимодействия, если ввести в рассмотрение некую материальную среду, которая окружает взаимодействующие тела и которая, воспринимая импульс от первого тела, передает его второму. Такая материальная среда получила название поля гравитационного или электромагнитного.

Используя понятие поля, рассматривают гравитационное или электромагнитное взаимодействия следующим образом. При движении массивного тела или электрического заряда возникает импульс, который передается локально непосредственно полю. Этот импульс воспринимают частицы поля – кванты поля, которые называют гравитонами, в случае передачи гравитации, или фотонами при передаче электромагнитного взаимодействия. Распространяясь в пространстве со скоростью света, фотоны или гравитоны достигают второго тела и передают ему некоторый импульс. Второе тело воспринимает импульс, меняет свое состояние, порождает изменение поля, примыкающего к нему, и таким образом возникает обратное движение квантов поля, т.е., происходит наблюдаемое макроскопическое взаимодействие.

В случае ядерных, сильных взаимодействий в качестве носителей импульса выступают частицы - -мезоны, а в случае слабых взаимодействий – W-бозоны.

Такое представление о взаимодействиях тел получило название принципа близкодействия. В классической механике Ньютона действовал принцип дальнодействия, предполагавший практически мгновенное распространение воздействия одного тела на другое при любых расстояниях между телами.

Физическая реальность электромагнитного и гравитационного полей видна, хотя бы, из того, что благодаря материальности этих полей образовались и существуют атомы, молекулы, макротела, планеты, звезды, галактики. В некоторых условиях поля могут оторваться от своих источников и существовать самостоятельно.

Физические поля обладают особыми свойствами. О свойствах полей можно судить по тому воздействию, которое оно оказывает на движущиеся в нем частицы. Поскольку степень взаимодействия характеризуется силой, то силовую характеристику поля напряженностью поля в точке. Т.о., напряженность поля в точке – это сила, действующая со стороны поля на единицу гравитационной массы или единицу электрического заряда.

Энергетической характеристикой гравитационного и электрического полей в точке является величина, называемая потенциалом. Потенциал поля в точке – это величина численно равная потенциальной энергии единицы гравитационной массы или единице электрического заряда.

Важной особенностью электромагнитного и гравитационного полей является то, что они подчиняются принципу суперпозиции. Результирующее поле, созданное совокупностью своих источников (масс или зарядов), представляется в виде векторной или скалярной суммы величин, характеризующих поля отдельных источников. Другими словами, при существовании нескольких полей в одной точке отсутствует их влияние друг на друга.