Становление концепции физического поля

Министерство  образования и науки Российской Федерации 

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования  «Пермский  государственный университет» 
 
 
 
 
 
 

                                                                                                                                Кафедра: истории и философии 
 
 

Становление концепции физического поля 
 
 
 
 

Реферат студентки 1 курса,

заочного           отделения  философско-социологического факультета

специальности «Психология»

О. М. Провковой

Проверил  кандидат философских наук, доцент Т.А.Васильева  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Пермь 2012

Содержание: 

1)Понятие физического поля                                                                  3

2)Открытия Фарадея                                                                                4

3)История теории электромагнитного поля Максвелла                       6

4)Литература                                                                                           22

Понятие физического поля 

Физическое  поле - особая форма материи; физическая система с бесконечно большим числом степеней свободы. Примерами могут служить электромагнитные, и гравитационные поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантованные) поля, соответствующие различным элементарным частицам. 

Понятие «Физическое поле» направляет наш взор к основоположникам электромагнетизма Фарадею и Максвеллу. Под этим термином понимают некоторого посредника, благодаря которому действие от одного тела передается к другому на расстоянии.

При этом само понятие поля со временем изменилось. Основоположники электромагнетизма понимали скорее под полем какую-либо среду, которая подвержена динамике, может вращаться и перетекать, так и появились такие понятия теории поля как дивергенция и ротор. Именно такие познания о поле привели к появлению эфира. Существенно то, что не что иное как построение наглядных моделей невидимого поля посодействовали удачному творению классической электродинамики.

В XX веке на замену традиционного понятия поля пришло еще две концепции. Первая из них – замена физического понятия поля математическим пространством. Наверное, этак именуемый путь геометризации физики, более знаменитым образцом, которого считается общая теория относительности. Вторая – модель обменного взаимодействия, выраженная в квантовой теории. В данном случае в взаимосвязи с потребностью заполучить дискретные свойства частиц и действий за место постоянного поля используются виртуальные частички – переносчики взаимодействия.

В полевой физике во многом проистекает возвращение к представлениям о поле в духе Фарадея-Максвелла, лишь на современном уровне. Для данного употребляется понятие «Полевая среда». Наверное, однозвучная понятию физического поля настоящая сущность, подверженная собственной динамике, средством которой и проистекает взаимодействие удаленных объектов. Так взаимодействие частиц в полевой среде описывается полевым уравнением движения, а построенная на базе данной концепции полевая механика в качестве собственных следствий охватывает классическую механику, электродинамику, отчасти теорию относительности, квантовую и ядерную физику и много других следствий.

Открытие  Фарадея

 Майкл  Фарадей - английский физик, основоположник современной концепции поля в электродинамике, автор ряда фундаментальных открытий, в том числе закона электромагнитной индукции, законов электролиза, явления вращения плоскости поляризации света в магнитном поле, один из первых исследователей воздействия магнитного поля на среды.

Концепция физического поля берет начало в работах большого английского ученого XIX в. Майкла Фарадея. 
Родители Фарадея принадлежали к рабочему классу (его отец был кузнецом). Сам он вначале 1800-х гг. состоял в подмастерьях у переплетчика и влачил довольно ничтожное существование. Однако молодой Фарадей был зачарован недавним огромным прорывом в науке — изобретением загадочных свойств двух новых сил, электричества и магнетизма. Он жадно всасывал всю легкодоступную ему информацию по этим вопросам и навещал лекции профессора Хамфри Дэви из Королевского института в Лондоне. 
 
Однажды профессор Дэви нешуточно испортил глаза во время неудачного химического опыта; понадобился секретарь, и он взял на эту обязанность Фарадея. Поэтапно юный Фарадей заслужил доверие ученых Королевского института и получил возможность ставить личные важные опыты, хотя часто ему доводилось терпеть и холодное отношение. С годами профессор Дэви все ревнивее относился к удачам талантливого ассистента, который сначала числился в кругах экспериментаторов восходящей звездой, а со временем заткнул за пояс популярность самого Дэви. Лишь после ухода из жизни Дэви в 1829 г. Фарадей получил научную свободу и выполнил целую серию необыкновенных открытий. Итогом их стало творение электрических генераторов, обеспечивших энергией целые города и изменивших ход мировой цивилизации. 
Ключом к наибольшим открытиям Фарадея стали силовые, либо физические, поля. Если вместить стальные опилки над магнитом и встряхнуть, выяснится что опилки укладываются в рисунок, в виде сети и занимающий все место вокруг магнита. «Нити сети» — это и есть фарадеевы силовые линии. Они убедительно демонстрируют, как распределяются в пространстве электрическое и магнитное поля. Образец, если нарисовать графически магнитное поле Земли, то обнаружится, что полосы исходят откуда-то из области Северного полюса, а потом возвращаются и опять уходят в территорию в области Южного полюса. Аналогично, если нарисовать силовые полосы электрического поля молнии во время грозы, выяснится, будто они сходятся на кончике молнии. 
Пустое пространство для Фарадея совсем никак не было пустым; оно было переполнено силовыми чертами, при подмоги которых можно было вынудить отдаленные предметы передвигаться. 
 
(Скудная молодость никак не дозволила Фарадею заполучить систематическое образование, и он фактически никак не разбирался в арифметике; вследствие данного его записные книжки были переполнены никак не уравнениями и формулами, а нарисованными от руки диаграммами силовых линий. По драматичной участи именно недостаток математического воспитания принудил его разработать прекрасные диаграммы силовых рядов, которые сейчас разрешено узреть в любом учебнике физикики. Физическая картина в науке часто наиболее принципиальна, нежели математическая установка, которая употребляется для ее описания.) 
 
Историки выдвинули много догадок о том, что именно привело Фарадея к изобретению физических полей — одного из наиважнейших понятий в истории всей мировой науки. Практически вся без исключении инновационная физика написана на языке фарадеевых полей. В 1831 г. Фарадей сделал главное открытие в области физических полей, навсегда изменившее нашу цивилизацию. Однажды, пронося магнит — через детскую игрушку — над проволочной рамкой, он увидел, что в рамке появляется электрический ток, хотя магнит с ней никак не соприкасается. Это значило, что невидимое поле магнита может на расстоянии вынудить электроны передвигаться, создавая ток. 
Силовые поля Фарадея, которые до этого эпизода считались бесполезными  картинами, плодом досужей выдумки, оказались настоящей материальной силой, способной двигать объекты и производить энергию. 
Иными словами, силовые поля Майкла Фарадея и есть те самые силы, что движут прогрессивной цивилизацией, всеми ее проявлениями — от электровозов до свежайших вычислительных систем, Интернета и карманных компьютеров. 
 
Полтора века фарадеевы физические поля побуждали физиков к дальнейшим изучениям. На Эйнштейна, к примеру, они оказали такое мощное действие, что он определил собственную теорию гравитации на языке физических полей.

 
Только некоторое количество месяцев разделяют появление закона электромагнитной индукции Фарадея и появление Джеймса Клерка Максвелла, гениального . 
( = JCM, формула термодинамики. – псевдоним, коим подписывал Джеймс Клерк Максвелл стихотворные опусы и послания к приятелям.) 
Фарадей сделал свое величайшее открытие 4 октября 1831 года, а несколько ранее – 13 июня этого же года в семье шотландского лендлорда Джона Клерка Максвелла появился сын Джеймс. 
И теория Фарадея, и молодой потомок знатного старинного шотландского семейства должны будут еще пройти рука к руке много лет, а пока перед ними первые, наиболее тяжелые годы жизни. 
Нельзя заявить, что возникновение на свет фарадеевских мыслей, крепко связанных с понятием «силовых линий» и «тепловых трубок», было встречено с восхищением. 
Нечесаное дитя никак не знающего арифметики, прежнего переплетчика было не под стать стройным, отлично математически оформленным творениям именитых французов Кулона, Ампера, Био и Лапласа, придумавших на базе представлений о мгновенном действии на расстоянии блестящие теории и изящные формулы. 
Фарадеевская теория силовых линий и трубок, занимающих все место, в данной блестящей компании была очевидной золушкой, хотя и заметной, однако очень уж невзрачной, чтоб ее воспринимать серьезно. 
Поэтому-то первые годы жизни новой теории невозможно назвать счастливыми. Некие ученые дозволяют идею, что встреча Максвелла с новой теорией полностью имела возможность не состояться – в этом случае формирование физики, возможно, пошло бы совершенно другим маршрутом и идеи Фарадея были бы забыты. 
Детство Джеймса Клерка Максвелла было счастливым. Двухэтажный каменный дом Максвелла находился на красочной малонаселенной территории на севере Англии. Его друзья – лошадь пони, пес, осы, лягушки (чтоб лучше слышить их «пение», знаток Джеймс клал их в рот), вообще все живое (чрезнекоторое количество лет он писал: «Как поживают травы, кустарники и деревья? Коровы, овцы, лошади, собаки и люди?»). 
Целый мир, существующий вокруг, был для него раскрытой книжкой, странички которой маленький мальчик перелистывал с жадностью. 
«Мастер Джеймс – очень счастливый человек, он достаточно поправился с тех пор, как погода стала умеренной, у него хватает работы с дверями, замками, ключами и т.д., а слова «покажи мне, как это делается» постоянно сопутствуют ему. Он исследует тайные ходы для проволок от колокольчиков и путь, по которому вода течет из пруда через плотину, вниз по канаве, в воду Урра, а затем в море, где плавают корабли. 
Что касается колокольчиков, то они у нас не заржавеют; он стоит на часах в кухне... или звонит сам, посылая при этом наблюдать и кричать ему о том, что в это время происходит, потом таскает повсюду отца, заставляя показывать дыры, сквозь которые проходят проволоки...» 
Это – строчки из послания мамы Джеймса, как видно уже по письму, дамы талантливой и тонко ощущающей. В то время «мастеру Джеймсу» было только около трех лет. Такой энтузиазм к находящемуся вокруг миру у трехлетнего мальчугана – в общем, явление, встречающееся часто; однако каким многозначительным кажется он, когда мы уже знаем, что из любознательного малыша вырастет гений! 
Отец Максвелла – Джон Клерк Максвелл был человеком очевидно, незаурядным. Будучи адвокатом, он тем не менее более времени уделял иным, наиболее увлекательным для него вещам, странствовал, промышлял спортом, мастерил, моделировал машинки, ставил физические эксперименты, увлекался техникой и в том числе опубликовал некоторое количество научных заметок. Когда малютка Максвелл возвращался с прогулки, он нес с собой полные горсти «ценностей»: палочек, камешков, растений и подобных вещей. Дома он сохранял свои сокровища до прихода отца, который рассказывал Джеймсу, о каждой его находке по отдельности. Сам Максвелл никак не уставал твердить, что добросердечные и мудрые родители – одна из величайших удач, о которых разрешено лишь мечтать. 
В конце концов, ему повезло в том смысле, что он появился во время промышленного расцвета в Англии – «старик пар» стал уже постепенно сдавать позиции «величайшему революционеру» – электрической искре. Открытия Фарадея привели к широкому распространению электромагнитных приборов. 
Делаются первые удачи в области электрического телеграфа. Начинают подумывать о прокладке по дну океана меж Америкой и Европой электрического кабеля. Становится жизненно необходимой единая концепция электромагнетизма, которая вобрала бы в себя все частные формулы и зависимости, способные посодействовать в исследовании не только тех определенных случаев, решения для которых уже были получены, однако и тех, которые встретятся на практике в первый раз. 
Однако пока – школа (школа называлась важно – Эдинбургская академия). В ней Максвеллу не понравилось – чуть он явился туда первый раз в домотканой одежде и деревенских отцовской модели грубых башмаках, ему была устроена «аборигенами», как сейчас сказали бы, «темная». («Они набросились на меня, как пчелы».) Однако и позже, когда дела нормализовались, академия не сумела вызвать симпатий Джеймса. Обучался он плохо, в особенности по математике (вот он – будущий гениальный математик!), для которой, как считалось, у него никак не хватало воображения. Да и вообще, в академии его именовали «глупцом», считали нелюдимым и туповатым. Единственная радость – послания к папе. «Мой дорогой папа, в тот день, когда ты уехал, мы пошли в зоопарк, и там был слон, и Лиза испугалась его некрасивой морды. А у одного джентльмена был мальчик, который спрашивал, не индийская ли это корова. Собачка Аски думает, что она тоже школьник, хочет идти со мной в школу... Твой почтительный слуга. Джеймс Клерк Максвелл». 
И внезапно – геометрия, треугольно-прямоугольно-многоугольная геометрия, с четкой логикой, с наглядностью, к которой он так пристрастился в малолетстве, с тревожащими названиями, блестящими чертежными приборами. 
«Я сделал тетраэдр, додекаэдр, – пишет он папе, – и два других эдра, названия которых еще не знаю».

Геометрия пробудила Джеймса, он начинает заниматься с диковинным пристрастием и скоро становится наилучшим воспитанником академии. Успехи его не просто хороши, они прекрасны, ярки, потрясающи. Его коллеги потом вспоминали, как Максвелл «с помощью одной фигуры и нескольких линий» решил наитруднейшую задачу по стереометрии, условие которой было записано на трех досках. 
Несколько раз в Эдинбург приезжал из усадьбы отец Джеймса, совместно они рассматривали город, время от времени заходили на заседания Королевского общества. На одном из заседаний появился вопрос, каким образом древние этруски имели возможность построить, никак не зная высшей математики, совершенно правильный овал (дискуссировался вопрос о форме этрусских погребальных урн). Максвелл был заинтригован проблемой и через некоторое время внес предложение необычайно остроумный и феноменально простой способ вычерчивания овальных кривых и эллипсов с помощью двух иголок и связанной в кольцо нити. 
Метод был доложен на заседании Эдинбургского Королевского общества и одобрен наиболее известными учеными Шотландии. Доложен, очевидно, не Максвеллом (ему в ту пору не было и 15 лет), а другим, довольно приличным ученым. 
За данной работой – очень много других. Он исследует поляризацию света, магнитные явления, обосновывает важную теорему теории упругости (впоследствии стала называться «теоремой Максвелла»). В ту пору Джеймсу Клерку Максвеллу было неполных 19 лет.

Его страсть  к исследованиям и приобретению новых знаний беспредельна. Отец поощряет его. Когда Максвелл едет погостить  к приятелю в Бирмингам, отец намечает для него следующую программу действий:

«Эдинбург, 13 марта 1853 г. Попроси Гейджа дать тебе инструкцию по бирмингамским заводам, познакомься, если сможешь, с работой оружейников, с производством пушек и их испытаниями, с производством холодного оружия и его испытанием; с папье-маше и лакированней; с серебрением путем цементации и путем накатки; серебрением электролитическим способом – на заводе Элкингтона; с плавкой и штампованием – на заводе Брэзиера; с обточкой и изготовлением чайников из белого металла и т.д.; с производством пуговиц различных сортов, стальных перьев, иголок, булавок и всевозможных мелких предметов, которые очень интересно изготавливаются путем разделения труда и при помощи остроумных инструментов; к местной промышленности относится и производство разных сортов стекла, а также и литейное дело всех видов, производство машин, инструментов и приборов (оптических и научных) как грубых, так и тонких. Если тебе Бирмингам надоест, отправляйся в Кенилворт, Варвик, Стратфорд на Эйвоне...»

Максвелл  упорно учится. Из академии он переходит  в Эдинбургский университет, быстро исчерпав его, он отправляется в Кембридж, в Тринити-колледж, где некогда учился Ньютон и где математика преподавалась на таком высоком уровне, как нигде больше. К сожалению, к физике отношение там было не слишком радушное – в колледже, как писал английский физик А. Шустер, предполагалось, что «физика как наука давно оформилась, и добавить к ней нечего», «все главнейшие факты в природе уже известны, что шансы сделать большое экспериментальное открытие ничтожно малы и что поэтому задача экспериментатора состоит в разрешении споров между соперничающими теориями или в нахождении незначительных остаточных явлений, которые могут добавить более или менее важные подробности теории». Несмотря ни на что, Максвелл решил посвятить себя именно физике. Его наставник Гопкинс писал: «Это был самый экстраординарный человек, которого я когда-либо видел. Он органически был неспособен думать о физике неверно. Я растил его как великого гения, со всей его эксцентричностью и пророчеством о том, что он в один прекрасный день будет сиять в физике – пророчеством, с которым убежденно были согласны и его коллеги-студенты».

Особое  впечатление произвела на Максвелла  книга Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству». Двадцатилетний Максвелл встретился наконец со своей ровесницей – теорией Фарадея, не особенно жалуемой великолепными учеными за свой плебейский наряд, начисто лишенный математической мишуры. Но на проницательного Максвелла, видевшего вещи гораздо глубже своих современников, «Экспериментальные исследования» произвели неизгладимое впечатление. «Я решил, – писал он, – не читать ни одного математического труда в этой области, покуда не изучу достаточно основательно «Экспериментальных исследований по электричеству».

Это была любовь с первого взгляда, любовь на всю жизнь. Многочисленные его  увлечения другими отраслями  физики были тоже очень плодотворны: он изобрел волчок, поверхность которого, окрашенная в разные цвета, при вращении образовывала самые неожиданные  сочетания. При смещении красного и  желтого получался оранжевый  цвет, синего и желтого – зеленый, при смешении всех цветов спектра получался белый цвет – действие, обратное действию призмы – «диск Максвелла»; он нашел термодинамический парадокс, много лет не дававший покоя физикам – «дьявол Максвелла»; в кинетическую теорию были введены им «распределение Максвелла» и «статистика Максвелла – Больцмана»; есть «число Максвелла». Кроме того, его перу принадлежит изящное исследование об устойчивости колец Сатурна, за которое ему была присуждена академическая медаль и после которого он становится «признанным лидером математических физиков». Кроме того, Максвелл создал множество небольших шедевров в самых разнообразных областях – от осуществления первой в мире цветной фотографии до разработки способа радикального выведения с одежды жировых пятен.