Зарождение и развитие понятия физического поля. Близкодействие. Фундаментальные физические поля. Кванты поля. Взаимопревращаемость поле

Гравитоны – кванты гравитационного поля, имеющие нулевую массу покоя и нулевой электрический заряд, переносчики гравитационного взаимодействия. Экспериментально пока не обнаружены.

              Точные исследования гравитационного поля Земли позволяет установить распределение масс под её поверхностью (гравиметрическая разведка), что позволяет решать важные прикладные задачи, связанные с поиском полезных ископаемых, движением искусственных спутников.

Гравитационное поле Земли – постоянно действующий на среду обитания живых организмов фактор. Сила притяжения Земли действовала на живые организмы в течение всего эволюционного процесса, поэтому перегрузки, частичная потеря веса и невесомость для биологических объектов (например, для человека) – необычные явления, хотя в обыденной жизни и встречаются кратковременные процессы, связанные с ними: прыжки, качели, начало движения вниз скоростного лифта и др.

Приливы и отливы обусловлены силами гравитационного притяжения Луны и Солнца (вертикальные смещения земной поверхности – до 50 см, морской – от 1 до 18 м; изменение ускорения свободного падения до 0,25 ∙ 10-5 м/с2), в незначительной степени – больших планет. По этой же причине происходят полусуточные изменения приземного атмосферного давления и осуществляются сложные динамические движения верхних слоёв атмосферы.

Гравитационные поля слабо проявляют себя в явлениях микромира, но становятся решающим фактором в макромире и при протекании космических явлений в мегамире.

Электромагнитные поля

Взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами, движущимися произвольным образом, осуществляется посредством электромагнитного поля, которое представляет собой совокупность двух взаимосвязанных полей - электрического и магнитного.

              Фотоны – кванты электромагнитного поля, нейтральные элементарные частицы с нулевой массой покоя, переносчики электромагнитного взаимодействия.

              Электрические поля создаются электрическими зарядами или переменным магнитным полем.

              Величины, описывающие электрическое поле: напряженность электрического поля, потенциал электрического поля.

              Магнитные поля создаются движущимися электрическими зарядами и переменным электрическим полем.

              Магнитные поля описываются величиной, называемой индукцией магнитного поля, или магнитной индукцией.

В природе нет магнитных зарядов, подобных электрическим. Они были предсказаны П.Дираком, но экспериментально никогда не наблюдались.

              Наглядным способом изображения электрических и магнитных полей являются силовые линии (воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением напряженности электрического поля (индукции магнитного поля)), которые качественно характеризуют распределение полей в пространстве.

Магнитное поле Земли

Земля имеет собственное магнитное поле, которое легко обнаружить по его влиянию на намагниченную стрелку компаса. Она укажет нам направление на северный и южный магнитные полюса Земли, не совпадающие с географическими полюсами. Магнитное поле Земли непостоянно во времени. Наблюдаются его вековые, суточные и нерегулярные изменения. Сильные возмущения, вызванные изменением солнечной активности, длящиеся иногда до нескольких суток, называются магнитными бурями.

Взаимодействие заряженных частиц, испускаемых Солнцем (солнечный ветер), с магнитным полем Земли вызывает полярные сияния.

Электромагнитные поля и живые организмы

Электромагнитные поля оказывают сложное воздействие на живые организмы, поскольку живой организм в значительной степени состоит из биологических жидкостей, содержащих большое количество ионов, участвующих в различных обменных процессах.

Электромагнитные излучения (ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-лучи вызывают биохимические, физиологические, генетические и др. изменения в живых клетках и организмах. В основе этого воздействия лежат процессы ионизации и возбуждения молекул, радиационно-химические явления, изменяющие структуру ДНК.

Электрические и магнитные явления широко используются в повседневной жизни: в быту, на производстве, технике и медицине.

              Современные бытовые приборы и оборудование (телевизоры, магнитофоны, компьютеры и т.д., провода, по которым течёт электрический ток), повсюду нас окружающие, являются источниками электромагнитных полей, иногда очень сильных и вредных для нас. На кинескопе телевизора, к примеру, накапливается электростатический заряд, создающий электрическое поле напряжённостью 20-50 кВ/м. На расстоянии 3 см магнитная индукция при работе фена или электробритвы составляет около 1,5-2 мТл.

              В медицинской диагностике используются методы электрокардиографии, электроэнцефалографии, рентгенологические исследования. При лечении используются методы физиотерапии (гальванизация, электрофорез лекарственных средств, УВЧ-терапия и пр.), электрохирургия, лазерная хирургия и терапия.

              Источником информации о состоянии и деятельности органов живого организма (сердца, мозга и др.) являются биоэлектрические потенциалы (биопотенциалы), возникающие в тканях и клетках живого организма в процессе его функционирования, характеризующие их электрическую активность.

Для клеток в состоянии покоя характерна разность потенциалов 60-100 мВ между внутренним содержимым клетки и окружающей её средой. Благодаря малой толщине мембраны (7-10 нм) в ней создаётся сильное электрическое поле.

Квантовое поле

По современным представлениям, квантовое поле является наиболее фундаментальной и универсальной формой материи, лежащей в основе всех ее конкретных проявлений.

Поля, сопоставляемые с элементарными частицами, имеют квантовую природу, поэтому их называют квантовыми полями: они объединяют в себе и частицы, и взаимодействие, пред­ставляя единый объект. Каждый квант поля есть элементарная частица с за­данной энергией и импульсом и общей для всех квантов массой m. Квантами электромагнитного поля являются фотоны, кван­ты других полей соответствуют всем остальным элементарным частицам. Математический аппарат, описывающий такие поля, называется квантовой теорией поля.

С точки зрения квантовой теории поля всякое взаимодействие сводится к обмену квантами соответствующего поля, т.е. все взаимодействия носят чисто квантовый характер. Например, элек­тромагнитное взаимодействие между двумя электронами есть не что иное, как обмен фотонами - каждый из электронов испус­кает фотоны, которые затем поглощаются другими электронами.

С квантовой точки зрения гравитационное поле состоит из квантов - гравитонов, которые пока еще не наблюдались. Си­лы тяготения выступают как результат обмена между телами гра­витонами, которые переносят энергию и импульс. Ядерные силы, удерживающие нуклоны в ядре, обусловлены обменом мезонами - квантами мезонного поля.

Идея воспринимать частицу как квантовые состояния неко­торого поля пронизывает всю современную физику. В этом смыс­ле поле можно считать первичным понятием, а элементарные ча­стицы возникают в результате его квантования. Квантовое по­ле принимает форму квантов­частиц. Оно преодолевает унаследо­ванное от классической физики противопоставление между твер­дыми материальными частицами и окружающим их простран­ством. Квантовому полю приписывается самостоятельная физи­ческая природа - оно заполняет все пространство. Частицы пред­ставляют собой точки сгущения этой среды - возникающие и ис­чезающие энергетические узлы. При таком подходе частицы утра­чивают свою независимость и как бы "растворяются" в окружаю­щем пространстве. Говорят, что квантовое поле - это фундамен­тальная сущность, которая может существовать в протяженной (континуальной) форме (в виде поля) и в непротяженной (дис­кретной) форме - в виде частиц.

Квантовая физика су­щественно изменила наши взгляды не только на частицы, но и на пустоту, вакуум. Близкодействие теперь рассматривается как особое, напряженное состояние вакуу­ма; здесь происходят непрерывные колебания электромагнитного и других полей, рождаются и исчезают элементарные частицы. Все частицы квантовая механика рассматривает как кванты того или иного поля и не признает возможности существования какого угодно участка пространства, где бы не было поля. В вакууме поля тоже присутствуют, только без реальных частиц. Вакуум - это система полей, ни в одном из которых нет квантов. Поэтому вакуум не может быть пустым, он содержит бес­численное множество беспорядочно возникающих и исчезающих частиц. При столкновениях нуклонов из пустоты может возникать целый сноп различных частиц или, как говорят, вакуум полон ча­стиц.

Выводы

За последние 150 лет физика и естествознание шагнули далеко вперед. То, что раньше казалось непонятным и необъяснимым, теперь, благодаря квантовой теории становится вполне понятным. Наука не стоит на месте. Сейчас ученые пытаются достичь самого низшего уровня строения материи. Т.к. до сих пор не удалось обнаружить кванты гравитационного поля, то делаются попытки объяснить природу гравитации. Интересной, на мой взгляд, является теория радиоактивной гравитации. Может быть, когда-нибудь человечество сможет найти объяснения всем явлениям природы и попытается подчинить себе все физические поля. 

Библиография

1.       Яворук О.А. Естествознание: Учебное пособие. Ярославль, 2004.

2.       Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Электричество. 1996. Т.3. Ч.1.

3.       Физическая энциклопедия. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ.

4.       А.Эйнштейн. Собрание научных трудов. М.: Наука. 1965. Т.1.

5.       Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. 2000.

6.       Алеманов С.Б. Волновая теория строения элементарных частиц. М.: "БИНАР", 2006.

7.       Концепции современного естествознания: Учеб. пособие / В.Г. Торосян. – М.: Высш. шк., 2003.

2