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

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина

Реферат

По курсу «Концепции современного естествознания»

на тему

«Зарождение и развитие понятия физического поля.

Близкодействие. Фундаментальные физические поля.

Кванты поля. Взаимопревращаемость поле-вещество»

Выполнила

студентка 4 курса

41 группы

д/о факультета журналистики

Мусорина Е.С.

Научный руководитель:

к. ф.-м. н. Умрихин А.В.

Тамбов 2006
План

1. Введение

2. Зарождение и развитие понятия физического поля

3. Взаимодействие

4. Гравитационные поля

5. Электромагнитные поля

6. Магнитное поле Земли

7. Электромагнитные поля и живые организмы

8. Квантовое поле

9. Выводы

10. Библиография

Введение

Самые первые, донаучные, представления древних об устройстве мира кажутся нам сейчас порой нелепыми и наивными. «Черепаха и слоны», на которых покоится мир, а также «три кита» до сих пор считаются нами, хотя и в переносном смысле, очень надежным и устойчивым основанием для чего-либо.

Но не это главное. Важным является то, что с самого зарождения науки ученые стремились к единому и точному знанию, пытаясь свести многообразие явлений окружающего мира к нескольким простым исходным принципам.

Формирование механической картины мира происходило в течение нескольких столетий до середины девятнадцатого века под сильным влиянием взглядов выдающихся мыслителей древности. Она явилась необходимым и очень важным шагом на пути познания природы.

Однако позже, с развитием средств измерения, стало известно, что при изучении многих явлений, например, небесной механики необходимо учитывать сложные эффекты, связанные с движением частиц со скоростями, близкими к световым.

Появились уравнения специальной теории относительности, с трудом вмещающиеся в рамки механических представлений. Изучая свойства микрочастиц, ученые выяснили, что в явлениях микромира частицы могут обладать свойствами волны.

Возникли трудности при описании электромагнитных явлений (испускание, распространение и поглощение света, электромагнитной волны), которые не могли быть разрешены классической ньютоновской механикой.

Зарождение и развитие понятия физического поля

В XIX веке естественные науки накопили огромный эмпирический материал, нуждающийся в переосмыслении и обобщении. Многие полученные в результате исследований научные факты не совсем вписывались в устоявшиеся механические представления об окружающем мире. Во второй половине XIX века на основе исследований в области электромагнетизма сформировалась электромагнитная картина мира.

В её формировании сыграли решающую роль исследования, проведённые выдающимися учёными М.Фарадеем и Дж. Максвеллом, Г.Герцем.

В 1845 году М.Фарадей ввел понятие физического поля, которое сыграло значительную роль в дальнейшем развитии науки и техники (радиосвязь, телевидение и т.д.). Он считал, что как электрические, так и магнитные взаимодействия осуществляются посредством единого материального поля. Фарадей был убеждён в реальности существования этого поля, замечая силовые линии, «отпечатанные» в железных опилках между 2-мя электрическими зарядами или магнитами. Он воображал себе, что это поле передает взаимодействие от одной точки к другой (предположив даже, что такое взаимодействие распространяется со скоростью света – значительно раньше Максвелла). С другой стороны, французские учёные и прежде всего Ампер не признавали существование какого-либо физического поля, полагая, что взаимодействие происходит немедленно, с бесконечной скоростью.

В 1873 году Максвеллом была создана материалистическая теория электромагнитного поля, которая вместе с дальнейшими физическими экспериментами убедительно продемонстрировала правоту Фарадея. Так в науку прочно вошло понятие физического поля, признаваемое и в настоящее время. Более того, Эйнштейн отчаянно попытался свести всю суть материи к физическому полю, однако это ему не удалось. Он с сожалением констатировал, что вынужден пока допускать оба понятия – материи и физического поля. Эта ситуация сохранилась вплоть до настоящего времени.

Более новая точка зрения, принятая в настоящее время, исходит из представления, что взаимодействия передаются с помощью особого материального посредника, называемого электромагнитным полем.

Физические поля - это один из видов материи, связывающий частицы вещества в единые системы, при помощи которого осуществляется взаимодействие частиц.

Взаимодействие между удаленными телами осуществляется посредством создаваемых ими гравитационных и электромагнитных полей. Поля создаются частицами и телами в окружающем их пространстве.

              Примерами полей являются гравитационное поле, электромагнитное поле, поля ядерных сил.

              Физические поля не только осуществляют взаимодействие между частицами. Могут существовать и поля, не зависящие от создавших их частиц (электромагнитные волны, гравитационные волны). Электромагнитные волны были предсказаны Дж.Максвеллом и экспериментально обнаружены Г.Герцем. Гравитационные волны экспериментально пока не обнаружены.

Скорость распространения взаимодействия между частицами и скорость распространения волн не может превышать скорости света в вакууме.

Как и любой материальный объект, поля характеризуются энергией, импульсом и другими величинами. Опыт показывает, что энергия поля изменяется дискретным образом, т.е. каждому полю можно поставить в соответствие определенные частицы, кванты (например, электромагнитному полю - фотоны, гравитационному полю - гравитоны).

Физические поля – один из основных видов материи, отличный от вещества в макроскопических явлениях. В микромире различие между веществом и полями носит весьма относительный характер. Элементарные частицы и частицы полей могут взаимопревращаться, обладают многими общими для них свойствами.

Взаимодействие

              Говоря о физических полях следует сказать и о понятии взаимодействие. С ним мы сталкиваемся повсеместно. Часто используем даже в обыденных разговорах. Для науки это понятие имеет особое значение. Дать определение этому понятию также трудно, как и понятиям «материя» и «движение».

Взаимодействие - философская категория, отражающая процессы воздействия различных объектов друг на друга, их взаимную обусловленность, взаимопереход и порождение одним объектом другого.

Взаимодействие объективно определяет существование, структурную организацию и развитие любой материальной системы. Оно, так же, как и движение, является атрибутом материи. Оно всегда осуществляется в пространстве и времени.

В природе нет ни одного явления, при описании которого бы не использовалось это понятие. В силу универсальности взаимодействия осуществляется взаимная связь всех структурных уровней материи, материальное единство мира.

Не существует объектов вне взаимодействия с другими объектами. Структура атомного ядра, например, обусловлена взаимодействием между нуклонами; структура атома обусловлена взаимодействием между ядром и электронной оболочкой; структура кристалла – взаимодействием между атомами вещества; структура Солнечной системы – между Солнцем и планетами и т.д.

Взаимодействие проявляется на всех структурных уровнях материи.

Исторически возникли две концепции взаимодействия - близкодействие и дальнодействие.

              Близкодействие - согласно этой концепции взаимодействие между объектами осуществляется с помощью промежуточных звеньев (например, полей, передающих взаимодействие с конечной скоростью, среды, частиц - переносчиков взаимодействия)

Дальнодействие - согласно этой концепции взаимодействие между объектами мгновенно передается через пустое пространство на сколь угодно большие расстояния без каких-либо промежуточных звеньев.

Обе концепции являются научными. Однако, согласно современным представлениям, взаимодействие распространяется с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. Концепция дальнодействия же выступает как удобная модель, которую мы можем использовать для решения практических задач в тех случаях, когда скорость взаимодействия очень мала.

Важную роль в естественных науках играет особый класс взаимодействий: силовые взаимодействия.

Силовыми взаимодействиями называют воздействие тел или частиц друг на друга, приводящие к изменению состояния их движения.

Несмотря на качественное разнообразие, по последним научным данным, имеются лишь четыре типа фундаментальных силовых взаимодействий: гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное.

Гравитационное взаимодействие самое универсальное - оно характерно для всех материальных объектов, не зависит от их природы и простирается на огромные расстояния. Любое матери­альное тело создает гравитационное поле. Гравитация проявляется в виде притяжения между телами.

Электромагнитное взаимодействие действует между элек­трически заряженными телами, как покоящимися, так и движу­щимися. Оно присутствует в электрических, магнитных и элек­тромагнитных явлениях и процессах, с которыми мы встречаемся наиболее часто в жизни. Электромагнитное взаимодействие опре­деляет строение и свойства атомов и молекул, включает в себя кулоновские силы, силы взаимодействия между проводниками с током, силы трения, сопротивления, упругости, химические силы и другие, т.е. проявляется на макроскопическом уровне. Оно счи­тается основным в химии и биологии. В электромагнитных взаи­модействиях не участвуют только нейтрино и антинейтрино.

Сильное взаимодействие «скрепляет» кварки внутри нукло­нов. В сильных взаимодействиях участвуют все адроны. Оно дей­ствует на расстояниях 10−13 см и меньше и представляет собой притяжение или отталкивание между составными частями микро­объекта.

Ядерные силы, действующие внутри ядра и отвечающие за связь протонов и нейтронов (нуклонов) в атомных ядрах, а так­же за многообразие ядерных реакций, перестали считаться фун­даментальными. Пока до конца не все еще ясно, но предполага­ется, что они должны выражаться через сильные взаимо­действия.

Слабое взаимодействие ответственно за большинство распа­дов и многие превращения элементарных частиц. В этом процессе принимают участие все частицы. Оно простирается на расстояния 10−15 − 10−22 см. Это взаимодействие ответственно, например, за превращение в ядре нейтрона в протон, электрон и антинейтри­но; оно же вызывает переходы между лептонами. Большинство частиц нестабильны именно из-за слабого взаимодействия.

Гравитационные поля

Гравитационное взаимодействие между телами осуществляется посредством гравитационного поля (в случае малых скоростей и малых энергий взаимодействия описывается законом всемирного тяготения, открытым И.Ньютоном).

Гравитационное поле описывается при помощи следующих величин:

g – напряженность гравитационного поля (единица измерения 1 Н/кг);

φ – потенциал гравитационного поля (единица измерения 1 Дж/кг).

В случае высоких гравитационных потенциалов и больших скоростей пользуются созданной А.Эйнштейном общей теорией относительности, являющейся обобщением ньютоновской теории.