Физика в технике

Еще в конце XVII — начале XVIII в. Ньютон предложил для объяснения взаимного притяжения материальных тел так называемую гипотезу дальнодействия. Согласно этой гипотезе тела, находящиеся в различных точках пространства, обладают свойством взаимно притягиваться без участия какой-либо промежуточной среды. Это является таким же первичным свойством тел, как их протяженность или инерция. При этом считалось, что всякое взаимодействие между телами происходит мгновенно, т. е. если с каким-либо телом из группы взаимодействующих тел произошли некоторые изменения (например, быстрое перемещение), то все остальные тела «узнают» об этом в это же самое мгновение.

Благодаря простоте математических формулировок и успехам применения теории всемирного тяготения к телам солнечной системы (расчеты траекторий небесных тел) гипотеза Ньютона получила в то время весьма широкое распространение.

Кроме гипотезы дальнодействия, существовала и гипотеза близкодействия Декарта.

Декарт считал, что взаимодействие между телами может передаваться и осуществляться только через некоторую промежуточную среду (эфир) и определяться свойствами последней.

На основе своей гипотезы Декарт создал полуколичественную теорию Вселенной, согласно которой взаимодействие тел между собой объяснялось вихревыми движениями эфира, заполняющего все мировое пространство.

Несмотря на то что гипотеза Декарта во многом уступала ньютоновской теории дальнодействия в количественном объяснении тяготения, она была более содержательной и материалистичной, что не могло не повлиять на ход развития дальнейших представлений на механизм взаимодействия тел.

Позднее А. Эйнштейном была создана новая теория тяготения, которая является более общей и более точной, чем теории Ньютона и Декарта. В 30-х годах XIX в. английский физик М. Фарадей, основываясь на идее близкодействия, дал картину электромагнитного поля как совокупности «натяжений» эфира, заполняющего все мировое пространство. Эта гипотеза Фарадея послужила основой для создания теории электромагнитного поля Дж. Максвеллом, который теоретически установил взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями.

Согласно воззрениям Максвелла всякое изменение электрического поля вызывает в, окружающем пространстве появление магнитного поля, которое, в свою очередь, приводит к возникновению электрического поля. Таким образом, при изменении расстояния между какими-либо двумя противоположными электрическими зарядами или при изменении величины этих зарядов должна возникнуть электромагнитная, волна, распространяющаяся в пространстве с огромной скоростью — 300 000 км/сек. Этот процесс распространения в мировом эфире электрических и магнитных «натяжений», по мнению Максвелла, и является процессом распространения электромагнитной волны (рис. 4).

Опыты Герца, в результате которых были открыты электромагнитные волны, явились блестящим подтверждением наличия электромагнитного поля Фарадея — Максвелла.

Однако существование в окружающем пространстве мировой среды (эфира) должно каким-то образом проявляться при движении в нем материальных тел. Для этого в начале XX века был проведен ряд экспериментов по обнаружению «эфирного ветра».

Опыты Физо и Майкельсона — Морли были попыткой обнаружить «эфирный ветер» при движении Земли вокруг Солнца, однако они дали отрицательные результаты, что послужило основанием для отказа от гипотезы о существовании эфира. Таким образом, представление об электромагнитном поле как об особом состоянии эфира было заменено новым представлением: электромагнитное поле стало рассматриваться как особая форма существования материи.

В настоящее время теоретическая физика изучает различные типы физических полей: электромагнитное, гравитационное (или поле тяготения), мезонное, электронно-позитронное и др.

В современном представлении физические поля и «элементарные» частицы — электроны, протоны, нейтроны, различные типы мезонов — и другие частицы имеют много общего.

«Элементарные» частицы, по квантовой теории поля, суть кванты, т. е. «возбужденные» состояния соответствующего поля.

Любое состояние поля характеризуется его энергией, и в зависимости от величины этой энергии можно говорить о том или ином состоянии поля. Следует заметить, что возможны не любые состояния поля, а только вполне определенные, дискретные состояния, причем «возбужденные» состояния поля есть состояния с большей энергией.

Как говорилось выше, «элементарные» частицы являются квантами того или иного физического поля. Так, например, электроны являются квантами электронно-позитронного поля, фотоны — квантами электромагнитного поля и т. д.

Проявление квантовых особенностей различно для различных типов полей. Если кванты электромагнитного поля могут возникать в каком угодно количестве, причем их может возникнуть как четное, так и нечетное число, то кванты электронно-позитронного поля возникают только парами: одновременно с возникновением электрона возникает и позитрон, электрический заряд которого противоположен заряду электрона.

Скорости распространения взаимодействий для различных типов полей также различны. В то время как кванты электромагнитного поля (фотоны) распространяются со скоростью света (300 000 км/сек) и имеют массу покоя, равную нулю, кванты мезонных полей, обладая отличной от нуля массой покоя, распространяются с гораздо меньшей скоростью.

Поле, в котором отсутствуют кванты (т. е. поле, имеющее некоторую минимально возможную «наинизшую» энергию), называют «нулевым» полем или вакуумом. Таким образом, вакуум представляет собой вполне определенное состояние поля и вовсе не является абсолютно пустым пространством.

Построить полную и законченную теорию взаимодействующих полей очень трудно, и эта задача в настоящее время еще не завершена.

Над созданием единой теории поля работали такие выдающиеся (физики, как А. Эйнштейн и В. Паули.

В настоящее время в теоретической физике возникло и с успехом развивается новое направление, ставящее целью построить единую теорию поля, основываясь па так называемых «самодействиях», т. е. взаимодействиях некоторой «праматерии», как ее условно называют физики, самое с собой. Это направление получило название нелинейной теории материи. В разработке и построении такой теории принимают участие известный физик, один из основоположников ква, нто, вой механики В. Гейзенберг, советские физики Д. Д. Иваненко, А. М. Бродский и другие.

Успехи, достигнутые за короткое время при разработке и построении этой теории (были теоретически получены массы почти всех «элементарных» частиц; показана необходимость введения некоторой минимально возможной «элементарной» длины, характеризующей структуру любого типа поля и в том числе вакуума и являющейся по существу границей тех закономерностей в микромире, которые еще могут описываться современной квантовой физикой), позволяют надеяться, что рано или поздно будет создана единая «нелинейная» теория материи и тем самым будет сделан еще один шаг на пути познания бесконечно разнообразного в качественном и количественном отношениях окружающего нас мира.

Теория относительности и ускорители частиц

Теория относительности, которая изучает законы движения материальных тел в пространстве и во времени, и квантовая механика, описывающая микромир с его особенностями, взаимно дополняют друг друга и являются теми инструментами, при помощи которых наука открывает новые законы и глубже познает природу.

В повседневной жизни мы встречаемся с чрезвычайно разнообразными процессами и явлениями, скорость протекания которых различна. Известно, что развитие животных и растений происходит в течение месяцев, лет и десятков лет. Но в природе существуют процессы, длительность которых измеряется миллионными и даже миллиардными долями секунды.