ТЕМА 8.Фундаментальные взаимодействия и фундаментальные силовые поля

РАХШТАДТ Ю.А.

 

Материя существует не только в форме вещества. Пространство между телами никогда не является пустым: оно заполнено материей в форме силового поля. Поле является переносчиком взаимодействия тел. Образно говоря, каждое тело “узнает” о существовании других тел только через окружающие его поля. В определенном смысле поле является такой же составной частью любого макроскопического тела, как и элементарные частицы, образующие атомы этого тела. Например, собственный объем частиц составляет всего около 10^-15 полного объема макроскопического тела, остальной же объем занят полями этих частиц.

Полям - так же, как и частицам вещества, - свойственно состояние движения. Но это движение не может быть сведено к простому механическому перемещению. Для описания полей непригодны модели механики: материальная точка, твёрдое тело, система тел и др. Действительно, что именно движется, когда в поле происходят какие-то изменения или когда оно передает воздействие одного тела на другое? Современная физика не может сопоставить этому движению столь же наглядные модели, как в случае перемещения тел или частиц.

Модель поля более сложна. Мы представляем себе поле как некий материальный объект, непрерывно заполняющий все пространство рассматриваемой области, причем состояние поля даже в двух соседних точках может быть различным. Поэтому физические величины, характеризующие поле, должны быть непрерывными функциями координат. Тогда, сопоставляя каждой геометрической точке пространства определенное значение соответствующей функции, получаем искомую модель поля.

В математическом отношении у такой модели может быть много разновидностей. Если функция, о которой шла речь, есть скаляр, то такое поле называется скалярным. Если же функция векторная, то это значит, что каждой точке пространства соответствует те­перь не одно число, как в скалярном поле, а тройка чисел. Такое поле называется векторным. Может случиться и так, что одной векторной величины окажется недостаточно для однозначной характеристики состояния поля. Это - более сложные по своей математической структуре поля /например, тензорное или спинорное /. Электростатическое поле, например, можно описать с помощью скалярной модели – п о ля потенциала , или с помощью векторной модели - п о ля вектора электрической напряженности .

Указанные математические модели применяются и за пределами проблемы силовых полей, например: температурное поле, поле скоростей в жидкости, поле деформаций и механических напряжений тела и др. Эти поля принципиально отличаются от силовых: они не представляют собой какой-либо особой формы существования материи. Поле скоро­стей, температур и т.п. есть просто удобный способ наглядного изображения этих параметров для какой-либо пространственно протяженной вещественной среды /нагретый газ, поток жидкости и т.п./ По существу такие поля являются просто математическими моделями.

Моделирование фундаментальных силовых полей представляет собой значительно более глубокую по своему физическому содержанию проблему. В самом деле, что значит выбрать подходящую модель для описания какого-нибудь поля? Для этого, прежде всего, нужно выяснить, какой набор физических величин должен быть задан, чтобы состояние поля определялось столь же однозначно, как, скажем, определяется положение тела по его координатам.

Однако, обнаружив в природе какое-то новое фундаментальное поле, мы еще не знаем, какие физические величины могут послужить его характеристикой, будут ли это скаляры, векторы или тензоры. Так или иначе, эти величины заранее неизвестны, это - новые физические величины, которые еще только предстоит найти. Найти же их можно только из опыта, из экспериментальных данных об основных свойствах вновь открытого поля. Конечно, можно попытаться и теоретически "сконструировать" модель поля, но тогда эксперимент должен подтвердить её соответствие оригиналу. Найденная в результате модель силового поля не есть, следовательно, чисто математическое построение. Она отражает физическую реальность новой формы материи, т.е. является физической моделью.

Физические поля - физические системы, обладающие бесконеч­но большим числом степеней свободы. Относящиеся к такой систе­ме физические величины не локализованы на каких-либо материаль­ных частицах с конечным числом степеней свободы, а непрерывно распределены по некоторой области пространства. Примерами таких полей могут служить гравитационное и электромагнитное поля.

Пока речь идет о нерелятивистских процессах /классическая механика/, понятие поля можно не вводить: поле является лишь некоторым спо­собом описания физического явления - взаимодействия частиц. Мо­жно считать, что пространство вокруг частиц не играет особенной роли в передаче взаимодействия – такое представление соответствует концепции дальнодействия.

Модель силового поля была введена именно для объяснения механизма дальнодействия: поле рассматривается как материальная среда, являющаяся носителем взаимодействия (табл. 8.1).

Таблица 8.1

Примеры дальнодействующих взаимодействий

Гравитационное взаимодействие	Электромагнитное взаимодействие
Взаимодействие точечных масс - - закон всемирного тяготения Ньютона. Здесь γ – гравитационная постоянная.	Электростатическое взаимодействие точечных зарядов - - закон Кулона. Здесь , где e0 – электрическая постоянная, e – диэлектрическая проницаемость вещества.	Магнитное взаимодействие параллельных токов - - закон Ампера. Здесь – – магнитная сила, действующая на единицу длины проводника с током («приведенная сила»), μ0 – магнитная постоянная.

 

В тео­рии же относительности при рассмотрении релятивистских процессов, благодаря конечной скорости распространения взаимодействий по­ложение вещей существенным образом меняется и говорить о дально­действии уже нельзя. В этом случае изменение положения одной из частиц отражается на других частицах лишь спустя некоторый промежуток времени, т.е. поле, переносящее взаимодействие, является само по себе физической реальностью. Взаимодействие может происходить в каждый момент лишь между соседними точками пространства (близкодействие).

Соответственно четырем известным сейчас видам фундаментальных сил существуют четыре типа силовых полей: гравитационное, электромагнитное, поле сильных (ядерных) взаимодействий и поле слабых взаимодействий (табл. 8.2).

Параметры фундаментальных взаимодействий

Таблица 8.2

Параметры	Фундаментальные взаимодействия
Гравитационное взаимодействие	Слабое взаимодейст-вие	Электро-магнитное взаимодействие	Ядерное взаимодействие
Интенсив–ность, G 2	10–39	10–14	10–2
Радиус R,м	¥	10–15	¥	10–18
Носители	Гравитоны (?) /или гравита-ционные волны (?)/	- - бозоны	Фотоны /или электромагнитные волны/	Глюоны

 

Каждое из них ответственно за свой круг процессов и явлений в природе. Мы пока не знаем, почему фундаментальных полей именно четыре, существуют ли еще какие-нибудь виды силовых полей - или, напротив, все они есть только частные про­явления какого-то одного, еще более фундаментального поля.

Мы будем рассматривать гравитационное и электромагнитное силовые поля.