Физика в технике

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.

_{Рис. 4. Электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне}

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.