Концепция близкодействия и материальные физические поля.

Хотя теория поля, применяемая в механике сплошных сред, была основана на континуальном подходе к изучаемым объектам, она ни в коем случае не ставила под сомнение микроскопическую дискретность этих объектов. Как было сказано выше, континуальный подход в этом случае не имел онтологического статуса. Противоположный - корпускулярный - взгляд на структуру материи считался бесспорным вплоть до начала XIX века.

С корпускулярным подходом была тесно связана концепция дальнодействия, в соответствии с которой взаимодействие между телами (электрическое, магнитное, гравитационное) осуществляется мгновенно и непосредственно через пустое пространство, которое не принимает в этом никакого участия. Однако вопрос о том, каким образом каждое из взаимодействующих тел «информирует» другое о своем «присутствии», смущал большинство ученых того времени, не исключая и самого Ньютона. А без ответа на этот вопрос все законы, основанные на концепции дальнодействия не могли стать основой более глубокого понимания механизмов протекания взаимодействия.

В 30-е годы XIX века великий английский физик М. Фарадей выдвинул новый подход к природе электрических взаимодействий, который стали называть концепцией близкодействия. В соответствии с этой концепцией, тело А, имеющее заряд q_А, меняет свойства окружающего пространства, создавая в нем электрическое поле. Другое тело В, также имеющее заряд q_В,  взаимодействует с этим полем. Это проявляется в том, что со стороны поля на тело В действует сила

 где -коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения, r - расстояние между телами А и В (это формулировка закона Кулона). То же самое можно сказать и о заряженном теле А, на которое со стороны электрического поля, созданного телом В, действует сила  Таким образом, введенное Фарадеем поле является как бы промежуточным звеном, «переносчиком» электрического взаимодействия.

Термин «поле», который применил Фарадей, не случаен и отражает континуальный подход к этой новой физической реальности. В отличие от полей, описывающих состояние объектов в механике сплошных сред, электрическое поле Фарадея обозначало новую материальную сущность, отличающуюся от вещества. Состояние такого электрического поля описывается вектором напряженности E (x, y, z), определенным в каждой точке непрерывного пространства и фактически представляющим собой силу, действующую на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку пространства. Электрическое поле, как и любое векторное поле, можно наглядно изобразить силовыми линиями, касательные к которым в каждой точке пространства совпадают с направлением вектора E. Основной задачей электростатики является расчет электрического поля, создаваемого заданным распределением зарядов в пространстве. В общем случае это довольно трудная задача, связанная с интегрированием дифференциальных уравнений в частных производных).

Впоследствии аналогичный подход привел Фарадея к еще одной физической реальности - магнитному полю, с помощью которого осуществляется магнитное воздействие между электрическими токами (движущимися зарядами). Очевидно, с точки зрения концепции близкодействия можно рассматривать и тяготение, предполагая существование особого гравитационного поля, являющегося «переносчиком» такого взаимодействия. И все же первоначально материальность гипотетических силовых полей вызвала сомнение, так как, во-первых, ничего нового в поведении заряженных тел концепция близкодействия не объясняла и не предсказывала, а, во-вторых, эта концепция лишала мир «пустоты», так как электрическое поле могло существовать и в вакууме. Поэтому, придерживаясь общепринятого в науке принципа «не умножать сущностей без необходимости», ученые почти полвека не принимали концепцию Фарадея. Тем более, что в начале XIX века уже пришлось однажды пойти на признание нового материального объекта природы - «светоносного эфира».

Классические представления о природе света.В XVII - XVIII веках в оптике, как и в других областях естествознания, возобладал корпускулярный подход: свет трактовался как поток частиц (корпускул). Главным аргументом в пользу корпускулярной природы света Ньютон считал прямолинейное распространение световых лучей. Кроме того, считая свет потоком корпускул, легко объяснить законы отражения и преломления. Однако существовал и целый ряд оптических явлений, не укладывающихся в рамки чисто корпускулярной гипотезы.

 К таким явлениям относились прежде всего интерференционные и дифракционные эффекты. Несовместимые с корпускулярным подходом, эти эффекты в то же время легко объяснялись на языке волновых процессов. Однако решающий вклад в этот переход к волновой теории света принадлежит великому французскому оптику О. Френелю, создавшему теорию дифракции света, полностью основанную на волновой концепции.

Однако это не означало, что все трудности в оптике преодолены. Ведь если свет это волна, то сразу возникает вопрос: что является средой для распространения таких волн. И этой средой стали считать эфир - особую материальную субстанцию, заполняющую все пространство.

Апофеоз классического естествознания.В 1860 - 1865 гг. великий последователь Фарадея, Дж. К. Максвелл показал, что электричество и магнетизм не просто тесно связаны друг с другом, а представляют собой единое электромагнитное поле, в котором могут распространяться волны электромагнитных колебаний, в определенном частотном диапазоне воспринимаемые как свет. Таким образом, казалось бы, все стало на свои места: свет действительно представляет собой волновой процесс, этот волновой процесс есть не что иное, как распространение колебаний электромагнитного поля, а электромагнитное поле, следовательно, и является тем гипотетическим эфиром, природа которого ранее была абсолютно непонятна.

Структура электромагнитного поля с самого начала считалась непрерывной, так что для описания его состояния применяется континуальный подход. В частности, состояние электромагнитного поля в вакууме описывается вектором напряженности электрического поля Е и вектором магнитной индукции В, связанными друг с другом системой уравнений Максвелла, обобщающих известные законы электрических и магнитных явлений (закон Кулона, закон электромагнитной индукции Фарадея, закон Био-Савара-Лапласа и другие). В уравнения Максвелла входят заряды и токи, являющиеся источниками электромагнитного поля, а также величины, характеризующие электрофизические свойства среды (диэлектрическая и магнитная проницаемость, электропроводность и другие). С помощью этих уравнений определяется состояние электромагнитного поля в любой последующий момент времени. Таким образом, теория Максвелла не противоречит концепции детерминизма и относится к динамическим теориям.

На этом фактически закончился классический этап в физике и в естествознании в целом. В соответствии с классическим мировоззрением материя существует в двух формах: вещество (корпускулярный подход) и поле (континуальный подход). Триумфом такого подхода стала классическая электродинамика, созданная Г. А. Лоренцем, которая блестяще описала практически все известные к тому времени электрические и оптические свойства вещества.

Лекция 6

Тема лекции: Физическая картина мира – 2

План лекции

Развитие представлений о пространстве и времени в специальной и общей теории относительности. Постулаты Эйнштейна. Преобразования Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца. Понятие об интервале. Представление о четырехмерном пространстве-времени. Основы динамики СТО. Основы общей теории относительности.

Статистические закономерности в природе. Проблема необратимости в естествознании. Особенности описания состояний в статистических теориях. Основы молекулярно-кинетической теории. Первое и второе начала термодинамики. Понятие об энтропии как мере хаотичности. Увеличение энтропии при переходе из упорядоченного в неупорядоченное состояние. Гипотеза «тепловой смерти» Вселенной и ее критика.