Семинар 6. ВЕЩЕСТВО И ПОЛЕ

    Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от нашего сознания. В классическом представлении различают два вида материи: вещество и поле. Вещество – это совокупность дискретных образований, обладающих определенной (ненулевой) массой покоя, это атомы, молекулы и все построенные из них тела, структура и форма которых весьма разнообразны. Поле – особая форма материи, которую называют физическим полем. Оно характеризуется отсутствием массы покоя, но обладает энергией и передает ее. В настоящее время различают че­тыре вида полей соответственно основным видам фундаментальных взаимодействий: гравитационное поле, электромагнитное поле, поле слабых сил и поле ядерных сил. По современным представле­ниям любое взаимодействие тел или обмен энергией происходит че­рез одно из четырех фундаментальных полей. Взаимодействие через поле происходит за счет обмена виртуальными частицами – квантами поля. У каждого поля имеются свои особые кванты, переносчики взаимодействий. Поля бывают векторными и скалярными.

Согласно общей теории относительности, источником грави-тационного поля являются масса или энергия, а также импульс и поток массы. Переносчиком гравитационного взаимодействия является частица гравитон (гравитино), масса покоя которой равна нулю. Скорость распространения частиц этого поля равна скорости света. Радиус действия поля равен бесконечности.

Поле слабых сил. Переносчиком взаимодействия являются промежуточные векторные базоны. Масса покоя этих частиц довольно велика. Радиус действия сил поля имеет порядок 10^-15 м.

Поле ядерных сил. Переносчиками взаимодействия являются глюоны. Радиус действия сил поля равен примерно 10^-13 м.

Электромагнитное взаимодействие. Переносчиками взаимо-действия являются кванты электромагнитного поля – фотоны. Масса покоя фотона равна нулю. Скорость движения всегда равна скорости света. Радиус действия сил поля – бесконечность.

В повседневной жизни и технике мы чаще всего встречаемся с различными видами электромагнитных взаимодействий: силы упругости, трения, силы наших мышц и мышц различных животных и т.д. обусловлены ими.

Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас многообразные предметы и тела, так как свет – одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без сил электромагнитной природы. Живые существа и даже человек, как показывают полеты космонавтов, способны длительное время находиться в состоянии невесомости, когда силы всемирного тяготения заметно не проявляются. Но если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы (химическая связь) и образование из вещества тел различной формы определяются исключительно электромагнитным взаимодействием.

    Виды физических полей – электрическое, магнитное, гравитационное. Электрическое поле - поле, посредством которого взаимодействуют электрические заряды. Основными характеристиками электростатического поля являются: напряженность Е (силовая характеристика), потенциал j (энергетическая). Магнитное поле создается проводниками с током, движущимися заряженными частицами и телами, намагниченными телами, а также переменным электрическим полем и действует только на движущиеся заряженные частицы и тела, а также на намагниченные тела. Силовой характеристикой магнитного поля служит вектор магнитной индукции B. Характеристики электростатического и магнитного полей подчиняются принципу суперпозиции. В действительности существует только одно поле – электромагнитное, подчиняющееся принципу относительности. Гравитационное поле порождается объектами, обладающими массой. Это поле носит центрально-симметричный характер, потенциально. Силы гравитационного взаимодействия имеют однонаправленный характер (в природе существует только гравитационное притяжение). Силы гравитации подобны кулоновским силам.

    При рассмотрении явлений микромира понятия частицы и поля, которые на макроскопическом уровне относят к различным физическим объектам, сливаются в единое понятие квантового поля как особого вида материи. Частица – это особое состояние поля, квант поля.

Физический вакуум. Он назван третьим видом материи и был введен для объяснения происхождения черных дыр. Физический вакуум – это бескрайний океан виртуальных элементарных частиц. Доказательством существования таких частиц является изучение спектра излучения атома водорода, в котором происходит сдвиг энергетических уровней из-за взаимодействия электро­на с физическим вакуумом. Физический вакуум – чрезвычайно сложный и парадоксальный объект, обладающий высокой степенью хаотичности и неопределенности. Потенциально (виртуально) вакуум содержит всевозможные частицы и состояния, которые могут из него получиться при наличии соответствующих условий, но в то же время актуально­го в нем ничего нет. Из физического вакуума могут рождаться элементарные частицы, т.е. привычное для нас вещество.

    С точки зрения квантовой теории поля нет принципиального различия между вакуумом и частицей, различие между ними – это различие между двумя состояниями одной и той же физической реальности. Микрообъект следует рассматривать как материальную сущность, которая имеет потенциальную возможность при одних условиях проявлять себя как поле, при других – как частица. В макроусловиях она проявляет лишь одну из сторон своих свойств. Характерной особенностью поля является отсутствие у него точной локализации. Физическое тело – это дискретное образование, занимающее определенный объем.

    Прерывность (дискретность) и непрерывность неотъемлемы друг от друга и объективно существуют только в своем единстве.

Контрольные вопросы

    1.При каких условиях можно считать полями величины: плотность населения в стране, плотность звезд в галактике, распределение плотности по объему Земли, плотность воздуха в атмосфере, распределение деревьев в роще? Какие поля будут векторными, а какие скалярными?

    2.Вещество и поле как формы материи.

    3.Электрическое и магнитное поля. Их характеристики. Принцип суперпозиции для электрического и магнитного полей.

    4.На основании каких законов были записаны уравнения Максвелла? Почему про них было сказано, что «уравнения умнее нас, умнее их создателя»? В чем это проявилось?

    5.Почему после появления уравнений Максвелла перешли от механической к электромагнитной картине мира? Как передавались взаимодействия в той и другой картинах мира?

    6.На каком основании можно утверждать, что свет есть электромагнитная волна?

    7.Что такое пустота, или вакуум?