В заключение отметим, что важнейшей особенностью современного физического эксперимента стала неизмеримо возросшая роль измерительной и вычислительной техники. Современные исследования ведутся обычно на больших установках и требуют значительных затрат. Развитые страны идут на это, и не только потому, что естественные науки составляют часть культуры человечества, но и потому, что именно они позволяют увеличивать целостность, независимость и благосостояние государства.
7. ВЕЩЕСТВО И МАССА, ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ.
В физике под веществом подразумевают такой вид материи, который обладает массой покоя, т.е. в состоянии неподвижности (хотя бы и относительной) масса системы не равна нулю. В конечном счете, вещество слагается из атомов (или элементарных частиц). В следующих разделах мы узнаем, что существуют частицы, имеющие нулевую или мнимую массу покоя; такие частицы могут существовать только в движении.
Вещество всегда локализовано в ограниченной части пространства. Его положение можно задать с помощью ограниченного числам параметров, которые принято называть степенями свободы. В простейшем случае движения точки, ее положение в пространстве задается 3-мя независимыми координатами (степенями свободы). Даже, когда вещество нельзя моделировать точкой (например, твердое тело), его положение все равно определяется конечным числом независимых координат - степеней свободы. Если вещество состоит из N атомов, то мы можем описать положение каждого атома в отдельности. Всего потребуется задать 3 N параметров. Реально атомы образуют связи; каждая связь превращает одну из независимых координат в зависимую, и число независимых параметров (координат) уменьшается. Положение твердого тела, оказывается, можно задать всего лишь 6 параметрами: тремя координатами - положение центра масс тела и еще тремя углами - его ориентацию (разворот) относительно координатных осей.
В настоящем и в прошлых разделах упоминалось понятие массы, которое требует дополнительного обсуждения. В начале нашего курса говорилось, что масса характеризует количество материи. Это формулировка качественная. Она требует уточнения. Правильнее говорить, что масса - одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные и гравитационные свойства. Остановимся на этом вопросе подробнее. В теории Ньютона масса рассматривалась, как количество вещества. Понятие массы ввел в механику И.Ньютон, давая определение импульса - . Массой он назвал коэффициент пропорциональности m, постоянную для тела величину. Эквивалентное определение массы вытекает и из второго закона Ньютона: Здесь масса - это коэффициент пропорциональности между результирующей силой и вызываемым ею ускорением. Определенная таким образом масса характеризует инертность тела. Т.е. чем больше масса тела, тем меньшее ускорение оно приобретает под действием постоянной силы. Определенная таким образом масса называется инертной.
В теории гравитации И. Ньютона масса выступает как источник поля сил тяготения. Каждая масса создает вокруг себя пол сил тяготения (гравитационное поле). На любое тело, помещенное в это поле, действует сила, пропорциональная его собственной массе, массе источника и направленная к источнику. Это значит, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения. Закон всемирного тяготения формулируется в следующем виде:, где м3/(кг×с2)- гравитационная постоянная, m1 и m2 - массы тел, r - расстояние между телами.
Из этой формулы можно получить связь между массой тела и его весом Р в поле тяготения Земли, если считать, что m1 - масса тела, m2 = M - масса Земли, а r = Rз - радиус Земли:
т.е. . Определенная таким образом масса называется гравитационной.
В принципе, ниоткуда не следует, что масса, создающая поле тяготения и масса, определяющая инерцию тела - одинаковы. Однако, специальные опыты показали, что инерционная и гравитационная массы при выборе одинаковой системы единиц равны. Этот фундаментальный закон природы называется принципом эквивалентности масс. Экспериментально этот принцип был проверен в 1971 году с очень высокой точностью - 10-12.
В классической физике считалось, что масса тела не меняется ни в каких процессах. Это утверждение формулировалось в виде закона сохранения массы. Понятие массы приобрело более глубокий смысл в рамках релятивистской механики или теории относительности, рассматривающей движение тел с большими скоростями. Релятивистская механика показывает, что не существует по отдельности законов сохранения массы и энергии. Они слиты воедино. Это естественно, так как материя (количество которой характеризуется массой) невозможна без движения (количество которой характеризуется энергией). Подробнее рассмотрим этот вопрос после изучения законов сохранения и специальной теории относительности.
Природа массы - важнейший, до сих пор не решенный вопрос физики. Принято считать, что массы элементарных частиц определяется полями, с ними связанными. Однако, до настоящего времени не создана количественная теория массы. Не существует теорий, объясняющих, почему массы элементарных частиц образуют не непрерывный, а дискретный, т.е. прерывный спектр значений, и тем более, позволяющих рассчитать эти значения.
8. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. ПОЛЕ. ПРИНЦИПЫ БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ И ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ.
Уже несколько раз упоминалось понятие поле. Что же следует под ним понимать? В механике Ньютона взаимодействие тел количественно характеризуется силой. Более общей характеристикой взаимодействия тел является потенциальная энергия. Но не для всех сил она может быть введена.
Первоначально в классической механике утвердилась концепция, что взаимодействие между телами происходит через пустое пространство, которое не принимает участия во взаимодействии, передача взаимодействия происходит мгновенно. Так, например, считалось, что перемещение Земли мгновенно приводит к изменению силы тяготения, действующей на Луну. В этом и состояла так называемая концепция дальнодействия. По сути дела утверждалась возможность мгновенной передачи какого-либо воздействия от одного тела другому. При этом не оговаривался механизм этой передачи.
Однако, данные представления были откинуты, как не соответствующие реальным, после открытия и исследования электрических и магнитных полей. Понятие поля в применении к электрическому и магнитному полям было введено в 30-х годах 19-го века М. Фарадеем. Концепция поля была возрождением теории близкодействия, основоположником которой был Р.Декарт. Согласно его концепции близкодействия, взаимодействующие тела создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние - поле, которое проявляется в силовом воздействии на другие тела, в эти поля помещенные. Экспериментально было показано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно. Перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другую заряженную частицу не в тот же момент, а спустя некоторое время. В разделяющем частицы пространстве происходит некоторый процесс, который распространяется с конечной, хотя и очень большой скоростью. Был сделан вывод, что имеется посредник, осуществляющий взаимодействие между заряженными частицами. Этот посредник был назван электромагнитным полем. Каждая заряженная частица создает вокруг себя электромагнитное поле, действующее на другие заряженные частицы. Скорость распространения электромагнитных волн не превышает скорости их распространения в вакууме, равной 3×108 м/с. Таким образом, возникла новая концепция - концепция близкодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие телами осуществляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве. Всемирное тяготение, например, осуществляется за счет гравитационных полей. Взаимодействие тел передается не мгновенно, а через некоторый промежуток времени. Скорость передачи взаимодействия ограничена скоростью света в вакууме.
В современной физике существует квантовая теория поля. Согласно этой теории, любое поле не непрерывно, а дискретно. Дискретность означает наличие некоторых частиц поля - квантов. Каждому полю соответствуют свои частицы. Например, электромагнитному полю соответствуют кванты, называемые фотонами, известными из школьного курса физики. Фотоны - это переносчики электромагнитного взаимодействия.
Как наглядно представить себе процесс взаимодействия посредством квантов электромагнитного поля. Допустим вы стоите в лодке, ваш приятель тоже стоит в другой лодке. Вам надо сдвинуться так, чтобы в лодке ничего не изменилось. Нельзя касаться другой лодки и своего приятеля, нельзя просто выкинуть что-либо из лодки. Проще всего прийти в движение, перекинувшись с приятелем какими-то одинаковыми вещами, например, веслами. Вы как бы оттолкнетесь друг от друга, не касаясь и ничего не выкидывая из лодок. Точно также и тела, обмениваются одинаковыми квантами, ничего не теряя, и таким образом взаимодействуют друг с другом.
Несмотря на великое многообразие взаимодействий тел друг с другом, в природе существует четыре вида взаимодействий и, соответственно, четыре типа полей. Перечислим их все в порядке возрастания величины взаимодействия. Гравитационные взаимодействия обеспечивают тяготение тел друг к другу. Слабые взаимодействия ответственны за большинство распадов и превращений элементарных частиц. Электромагнитные взаимодействия - это взаимодействие заряженных тел. Сильные взаимодействия связываются протоны и нейтроны (нуклоны) в атомном ядре.