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Já no mundo antigo, os pensadores pensavam sobre a natureza e a essência do espaço e do tempo. Alguns dos filósofos negaram a possibilidade da existência de um espaço vazio ou, como dizem, de inexistência. Estes eram representantes da escola eleática na Grécia antiga - Parmênides e Zenão. Outros filósofos, incluindo Demócrito, argumentaram que o vazio existe, como os átomos, e é necessário para seus movimentos e conexões.
Até o século XVI, o sistema geocêntrico de Ptolomeu dominava as ciências naturais. Foi o primeiro modelo matemático universal do mundo, no qual o tempo era infinito e o espaço era finito, incluindo o movimento circular uniforme dos corpos celestes ao redor da Terra imóvel. Uma mudança radical na imagem espacial e física inteira ocorreu no sistema heliocêntrico do mundo, representado por Copérnico. Reconhecendo a mobilidade da Terra, ele rejeitou todas as ideias pré-existentes sobre sua singularidade como centro do Universo e, assim, direcionou o movimento do pensamento científico para o reconhecimento da infinidade e da infinidade do espaço. Essa ideia foi desenvolvida na filosofia Giordano Bruno, que concluiu que o universo é infinito e não tem centro.
Um papel importante no desenvolvimento de ideias sobre o espaço foi desempenhado por Galileu o princípio da inércia. De acordo com este princípio, todos os fenômenos físicos (mecânicos) ocorrem da mesma maneira em todos os sistemas que se movem uniforme e retilínea com uma velocidade constante em magnitude e direção.
O desenvolvimento posterior do conceito de espaço e tempo está associado à imagem física e cósmica do mundo R. Descartes. Ele a baseou na ideia de que todos os fenômenos naturais são explicados pela ação mecânica de partículas materiais elementares. O mesmo impacto que Descartes representou na forma de pressão ou impacto quando as partículas entram em contato umas com as outras e assim introduziu na física a ideia queima-roupa.
Uma nova imagem física do mundo foi apresentada na mecânica clássica I. Newton. Ele desenhou uma imagem harmoniosa do sistema planetário, deu uma teoria quantitativa rigorosa do movimento planetário. O auge de sua mecânica era a teoria da gravidade, que proclamava a lei universal da natureza - lei da gravidade. De acordo com esta lei, quaisquer dois corpos se atraem com uma força que é diretamente proporcional às suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles.
Essa lei é expressa pela seguinte fórmula:
|
Esta lei não diz nada sobre a dependência da gravidade no tempo. A força da gravidade, puramente matematicamente, pode ser chamada de longo alcance, ele conecta instantaneamente os corpos que interagem e seu cálculo não requer nenhuma suposição sobre o meio que transmite a interação.
Tendo estendido a lei da gravitação para todo o Universo, Newton também considerou sua possível estrutura. Ele chegou à conclusão de que o universo é infinito. Somente neste caso, pode conter muitos objetos espaciais - centros de gravidade. No âmbito do modelo newtoniano do Universo, foi estabelecida a ideia de espaço infinito, no qual existem objetos cósmicos, interligados pela força da gravidade. A descoberta das leis básicas da eletro e magnetostática que se seguiram na segunda metade do século XVIII, semelhantes em forma matemática à lei da gravitação universal, confirmou ainda mais nas mentes dos cientistas a ideia de forças de longo alcance que dependem apenas da distância, mas não do tempo.
A virada para as ideias de ação de curto alcance está associada às ideias de Faraday e Maskwell, que desenvolveu o conceito do campo eletromagnético como uma realidade física independente. O ponto de partida para isso foi o reconhecimento da interação de curto alcance e a taxa finita de transmissão de quaisquer interações.
A conclusão de que o campo eletromagnético da onda rompe com a descarga e pode existir e se propagar independentemente no espaço parecia absurda. O próprio Maxwell procurou teimosamente derivar suas equações das propriedades mecânicas do éter. Mas quando Hertz descobriu experimentalmente a existência de ondas eletromagnéticas, isso foi considerado uma prova decisiva da validade da teoria de Maxwell. O lugar da ação instantânea de longo alcance foi ocupado pela ação de curto alcance transmitida a uma velocidade finita.
2.7. Interação, interação próxima, interação de longo alcance
2.7.1. Conceitos de curto e longo alcance
longo alcance
. Após a descoberta da lei da gravitação universal por I. Newton, e depois a lei de Coulomb, que descreve a interação de corpos eletricamente carregados, surgiu por que corpos físicos com massa agem uns sobre os outros a grandes distâncias através do espaço vazio e por que corpos carregados interagem com entre si mesmo em uma quarta-feira eletricamente neutra?
Antes da introdução do conceito de "campo", não havia uma resposta satisfatória para essa pergunta. Por muito tempo, acreditou-se que a interação entre os corpos pode ser realizada diretamente através do espaço vazio, que não participa da transferência das interações, e a transferência da interação de corpo para corpo é transmitida instantaneamente, ou seja. com velocidade infinita. Tal suposição é a essência do conceito de ação de longo alcance, que foi fundamentado por R. Descartes. A maioria dos cientistas aderiu a esse conceito até o final do século XIX.
O princípio da ação de longo alcance foi estabelecido na física também porque a interação gravitacional dos corpos macroscópicos, de acordo com a lei da gravitação universal de I. Newton, é quase imperceptível - a atração é fraca demais para ser sentida. Portanto, era difícil confirmar ou refutar experimentalmente. Apenas experiências conhecidas G. Cavendish foram as primeiras observações de laboratório de atração gravitacional.
interação próxima
. Ao contrário, as leis de interação de corpos eletricamente carregados permitiam a possibilidade de sua verificação relativamente simples. Logo foi estabelecido que a interação de cargas elétricas não ocorre instantaneamente. Cada partícula eletricamente carregada cria um campo elétrico que atua sobre outras partículas não no mesmo momento, mas depois de algum tempo.
Em outras palavras, a interação é transmitida por meio de um intermediário - o campo eletromagnético, e a velocidade de propagação do campo eletromagnético é igual à velocidade da luz. Esta é a essência conceitos de proximidade.
2.7.2. Tipos fundamentais de interações
De acordo com o conceito de ação de curto alcance, todas as interações entre os redemoinhos (além do contato direto entre eles) são realizadas com a ajuda de certos campos (por exemplo, interação na teoria da gravidade - com a ajuda de um campo gravitacional , interações eletromagnéticas - com a ajuda de campos eletromagnéticos). Até o século XX. apenas dois tipos de interações eram conhecidos: gravitacional e eletromagnético.
Atualmente, além das interações gravitacionais e eletromagnéticas, mais duas são conhecidas - as chamadas interações fracas e fortes. Esses tipos de interações na física moderna são fundamentais.
Fraco A interação é responsável pela interação intranuclear, levando, por exemplo, ao decaimento de um nêutron com emissão de elétrons (radiação β), Forte interação - para interações intranucleons, mantém quarks dentro de nucleons.
Espacialmente quatro interações são diferentes. Assim, as interações gravitacionais e eletromagnéticas são descritas pelas leis das "distâncias do quadrado inverso" e se manifestam formalmente em todo o espaço ad infinitum. Interações fortes se manifestam apenas dentro do tamanho do núcleo ~ 10-13 cm, e interações fracas - em distâncias várias vezes menores que o tamanho dos núcleos.
A força relativa das interações é diferente. Se a interação forte for condicionalmente tomada como unidade, então a interação eletromagnética será 10 2 vezes menor, a fraca - 10 10 e a gravitacional - 10 38 vezes menor que a interação forte.
E embora a força das interações seja significativamente diferente, nenhuma delas pode ser negligenciada. Cada interação pode ter uma influência decisiva nos processos de um caso particular. Mesmo uma interação como a gravitacional, apesar de sua aparente pequenez (10 38 vezes menor que a interação forte) desempenha, por exemplo, um papel dominante nos processos da ordem cósmica, onde existem objetos com uma enorme massa e grandes escalas espaciais de fenômenos.
Na segunda metade do século XX. intenso trabalho foi realizado na possível unificação das interações eletromagnética, fraca e forte.
Por enquanto S. Weinberg, S. Glashow e A. Salamu conseguiu criar uma teoria unificada interação eletrofraca. De acordo com essa teoria, as partículas são responsáveis por interações eletrofracas - quanta do campo eletrofraco - bósons W~ e Z0. Logo tais partículas foram descobertas experimentalmente. C. Rubbia e S. van der Meer.
Como observado acima, a força fundamental forte é responsável pela ligação das partículas no núcleo e, portanto, é muitas vezes referida como nuclear. Inicialmente, essa interação foi estudada no âmbito da mesodinâmica quântica. cientista japonês X Yukawa propõem a ideia de que a interação entre nucleons (prótons e nêutrons) em núcleos atômicos é devido a partículas especiais - quanta de campo nuclear, chamados mésons. Posteriormente, tais partículas foram descobertas e receberam o nome de π
- mésons.
O próximo estágio no desenvolvimento da teoria das interações fortes foi a criação cromodinâmica quântica. A necessidade de criar uma nova teoria é explicada pelo seguinte: mais tarde descobriu-se que as unidades individuais do núcleo - nêutrons e prótons - consistem em unidades menores - quarks, então a pesquisa mudou para o campo de estudar interações entre quarks em nucleons . De acordo com conceitos modernos, de acordo com a cromodinâmica quântica, uma forte interação está associada à existência de quanta do campo intranucleon por glúons. Assim, a teoria das interações fortes - cromodinâmica quântica - descreve a interação de quarks e glúons.
A teoria das interações eletrofracas e fortes é chamada Modelo padrão do macrocosmo.
Depois que a teoria unificada das interações eletrofracas foi criada, surgiu uma perspectiva real de construir uma teoria nuclear de todas as três formas de interações das partículas elementares (o programa da "Grande Unificação").
E muito recentemente, surgiram novas ideias que abrem, talvez, perspectivas distantes, mas ainda reais, para a unificação de todas as quatro interações conhecidas, incluindo a gravitacional. A solução desse problema marcaria uma grandiosa revolução científica, difícil de medir pela escala de todas as revoluções científicas anteriores.
Em outras palavras, hoje temos um programa de pesquisa muito produtivo que dá a direção de seu desenvolvimento, o que leva de maneira orientada à unidade de todas as teorias fundamentais.
Se tal programa for implementado, significará que a natureza, em última análise, está sujeita à ação de uma determinada superpotência que se manifesta em algumas interações particulares. Esta superpotência é poderosa o suficiente para criar nosso Universo, dotá-lo de energia nas formas apropriadas e matéria com uma certa estrutura.
Mas superpotência é mais do que apenas força. Nele, matéria, espaço-tempo e interação se fundem em um todo harmônico inseparável, gerando tal unidade do Universo, que ninguém havia imaginado antes. A ciência moderna está em busca dessa unidade.
O conceito de vácuo físico está intimamente relacionado aos conceitos de interação na física. De acordo com os conceitos modernos, o vácuo não é um “vazio absoluto”, mas um sistema físico real, por exemplo, um campo eletromagnético em um de seus estados. Além disso, de acordo com a teoria quântica de campos, todos os outros estados de campo podem ser obtidos a partir do estado de vácuo. O vácuo pode ser definido como um campo com energia mínima. As transformações físicas mais complexas ocorrem constantemente no vácuo, por exemplo, um tipo especial de oscilações de vácuo de um campo eletromagnético, que não escapam dele e não se propagam, mas se manifestam claramente em um experimento físico.
A ação próxima é uma representação segundo a qual a interação entre corpos distantes um do outro é realizada com a ajuda de um meio intermediário (campo) e é realizada em uma velocidade finita. No início do século XVIII, simultaneamente com a teoria da ação de curto alcance, nasceu a teoria oposta da ação de longo alcance, segundo a qual os corpos agem uns sobre os outros sem intermediários, através de um vazio, a qualquer distância, e tal a interação é realizada em uma velocidade infinitamente alta (mas obedece a certas leis). Um exemplo de ação de longo alcance pode ser considerado a força da gravitação universal na teoria clássica da gravidade por I. Newton.
M. V. Lomonosov é considerado um dos fundadores da teoria da ação de curto alcance. Lomonosov era um oponente da teoria de longo alcance, acreditando que um corpo não pode agir sobre outros corpos instantaneamente. Ele acreditava que a interação elétrica é transmitida de corpo a corpo através de um meio especial "éter" que preenche todo o espaço vazio, em particular, o espaço entre as partículas que compõem a "matéria pesada", ou seja, a substância. Os fenômenos elétricos, segundo Lomonosov, devem ser considerados como certos movimentos microscópicos que ocorrem no éter. O mesmo se aplica aos fenômenos magnéticos.
No entanto, as ideias teóricas de Lomonosov e L. Euler não puderam ser desenvolvidas naquela época. Após a descoberta da lei de Coulomb, que em sua forma era a mesma da lei da gravitação universal, a teoria da ação de longo alcance suplanta completamente a teoria da ação de curto alcance. E somente no início do século 19 M. Faraday reviveu a teoria da ação de curto alcance. De acordo com Faraday, as cargas elétricas não agem diretamente umas sobre as outras. Cada um deles cria campos elétricos e magnéticos (se se mover) no espaço circundante. Os campos de uma carga atuam sobre outra e vice-versa. O reconhecimento geral da teoria da ação de curto alcance começa na segunda metade do século XIX, após a comprovação experimental da teoria de J. Maxwell, que conseguiu dar às ideias de Faraday uma forma quantitativa exata, tão necessária na física - uma sistema de equações do campo eletromagnético.
Uma diferença importante entre a teoria da interação de curto alcance e a teoria da interação de longo alcance é a presença de uma velocidade máxima de propagação das interações (campos, partículas) - a velocidade da luz. Na física moderna, há uma clara divisão da matéria em partículas-participantes (ou fontes) de interações (chamadas de matéria) e partículas-portadoras de interações (chamadas de campo). Dos quatro tipos de interações fundamentais, três receberam verificação experimental confiável da existência de partículas transportadoras: interações fortes, fracas e eletromagnéticas. Atualmente, estão sendo feitas tentativas para detectar portadores de interação gravitacional - os chamados
longo alcance . Após a descoberta da lei da gravitação universal por I. Newton, e depois a lei de Coulomb que descreve a interação de corpos eletricamente carregados, surgiu a questão de por que corpos físicos com massa agem uns sobre os outros a grandes distâncias através do espaço vazio e por que corpos carregados interagem mesmo através de corpos eletricamente carregados ambiente neutro?
Antes da introdução do conceito de "campo", não havia uma resposta satisfatória para essa pergunta. Por muito tempo, acreditou-se que a interação entre os corpos pode ser realizada diretamente através do espaço vazio, que não participa da transferência das interações, e a transferência da interação de corpo para corpo é transmitida instantaneamente, ou seja. com velocidade infinita. Tal suposição é a essência do conceito de ação de longo alcance, que foi fundamentado por R. Descartes. A maioria dos cientistas aderiu a esse conceito até o final do século XIX.
O princípio da ação de longo alcance foi estabelecido na física também porque a interação gravitacional dos corpos macroscópicos, de acordo com a lei da gravitação universal de I. Newton, é quase imperceptível - a atração é fraca demais para ser sentida. Portanto, era difícil confirmar ou refutar experimentalmente. Apenas experiências conhecidas G. Cavendish foram as primeiras observações de laboratório de atração gravitacional.
interação próxima . Pelo contrário, as leis de interação de corpos eletricamente carregados permitiam a possibilidade de sua verificação relativamente simples. Logo foi estabelecido que a interação de cargas elétricas não ocorre instantaneamente. Cada partícula eletricamente carregada cria um campo elétrico que atua sobre outras partículas não no mesmo momento, mas depois de algum tempo.
Em outras palavras, a interação é transmitida por meio de um intermediário - o campo eletromagnético, e a velocidade de propagação do campo eletromagnético é igual à velocidade da luz. Esta é a essência conceitos de proximidade.
Curto alcance e longo alcance- estas são visões mutuamente opostas para explicar a interação de estruturas materiais. Por conceito ação próxima qualquer interação em objetos materiais pode ser transmitida apenas entre pontos vizinhos no espaço em um período de tempo finito. longo alcance permite a ação à distância instantaneamente com velocidade infinita, ou seja, de fato, fora do tempo e do espaço. Depois de Newton, esse conceito foi amplamente utilizado na física, embora ele próprio entendesse que as forças de longo alcance por ele introduzidas (por exemplo, as forças gravitacionais) são apenas um dispositivo formal aproximado que permite dar uma descrição dos fenômenos observados que é certo até certo ponto. A aprovação final do princípio da ação de curto alcance veio com o desenvolvimento do conceito do campo físico como meio material. As equações de campo descrevem o estado do sistema em um determinado ponto em um determinado momento como dependente do estado no momento anterior mais próximo no ponto vizinho mais próximo. Se um campo eletromagnético pode existir independentemente de um portador de material, então a interação elétrica não pode ser explicada por uma ação instantânea à distância. Portanto, a ação de longo alcance de Newton deu lugar à ação de curto alcance, campos se propagando no espaço a uma velocidade finita. Assim, de acordo com a ciência moderna, as interações entre estruturas são transmitidas através do campo correspondente a uma velocidade finita igual à velocidade da luz no vácuo.
Todo o conjunto de partículas elementares com suas interações se manifesta macroscopicamente na forma de matéria e
Campos. O campo, ao contrário da matéria, tem propriedades especiais. A realidade física do campo eletromagnético é visível pelo menos pelo fato de existirem ondas de rádio. A fonte do campo eletromagnético são partículas carregadas em movimento. A interação de cargas ocorre de acordo com o esquema: partícula - campo - partícula. O campo é o portador da interação. Sob certas condições, o campo pode "se separar" de suas fontes e se propagar livremente no espaço. Tal campo tem um caráter de onda.
Como você obtém informações sobre o estado da matéria nas estrelas? Os processos atômicos que ocorrem nas camadas externas das estrelas são acompanhados pela emissão de ondas eletromagnéticas. Um desses processos é a excitação dos átomos, levando à emissão de uma série de "porções" características de energia do campo eletromagnético (espectro). Cada elemento químico tem seu próprio espectro de radiação único. Ao analisar, por exemplo, a luz solar (a luz é radiação eletromagnética) usando instrumentos ópticos, é possível determinar a composição química e a porcentagem de elementos nas camadas externas do Sol.
Na visão moderna do mundo da ciência natural, tanto a substância quanto o campo consistem em partículas elementares, e as partículas interagem umas com as outras, transformando-se mutuamente. No nível das partículas elementares há uma interconversão do campo e da matéria. Assim, os fótons podem se transformar em pares elétron-pósitron, e esses pares são aniquilados (aniquilados) no processo de interação com a formação dos fótons. Além disso, o vácuo também consiste em partículas (partículas virtuais) que interagem entre si e com partículas comuns. Assim, as fronteiras entre matéria e campo e mesmo entre vácuo, por um lado, e matéria e campo, por outro, na verdade desaparecem. Em um nível fundamental, todas as facetas da natureza acabam sendo condicionais. Na moderna imagem natural-científica do mundo, matéria e campo se interconvertem. Portanto, atualmente
tempo, tentativas persistentes estão sendo feitas para criar uma teoria unificada de todos os tipos de interações.
Na presença de vários campos, para determinar a interação resultante, aplique princípio da superposição. O princípio da superposição nas ciências naturais permite obter o efeito resultante da superposição (superposição) de várias interações independentes como a soma dos efeitos causados por cada interação separadamente. É válido para sistemas descritos por equações lineares. O princípio da superposição é amplamente utilizado na mecânica, na teoria das oscilações e na teoria ondulatória dos campos físicos. Na mecânica quântica, o princípio da superposição refere-se às funções de onda. De acordo com isso, se um sistema físico pode estar em estados descritos por duas ou mais funções, então o sistema também pode estar em um estado descrito por qualquer combinação linear dessas funções.
17. O conceito de interação. O conceito de longo alcance e curto alcance.
Debaixo interação em um sentido mais restrito, eles entendem tais processos durante os quais entre estruturas e sistemas em interação há uma troca de quanta de certos campos, energia e, às vezes, informações.
Atualmente, é geralmente aceito que qualquer interação de qualquer objeto pode ser reduzida a uma classe limitada de quatro tipos principais de interações fundamentais: forte, eletromagnético, fraco e gravitacional. A intensidade da interação é normalmente caracterizada pela chamada constante de interação, que é um parâmetro adimensional que determina a probabilidade de processos devido a esse tipo de interação. A razão dos valores das constantes dá a intensidade relativa das interações correspondentes.
Conceitos de longo e curto alcance.
Curto alcance e longo alcance- estas são visões mutuamente opostas para explicar a interação de estruturas materiais. Por conceito curto alcance qualquer interação em objetos materiais pode ser transmitida apenas entre pontos vizinhos no espaço em um período de tempo finito. longo alcance permite a ação à distância instantaneamente com velocidade infinita, ou seja, de fato, fora do tempo e do espaço. Depois de Newton, esse conceito foi amplamente utilizado na física, embora ele próprio entendesse que as forças de longo alcance por ele introduzidas (por exemplo, as forças gravitacionais) são apenas um dispositivo formal aproximado que permite dar uma descrição dos fenômenos observados que é certo até certo ponto. A aprovação final do princípio da ação de curto alcance veio com o desenvolvimento do conceito do campo físico como meio material. As equações de campo descrevem o estado do sistema em um determinado ponto em um determinado momento como dependente do estado no momento anterior mais próximo no ponto vizinho mais próximo. Se um campo eletromagnético pode existir independentemente de um portador de material, então a interação elétrica não pode ser explicada por uma ação instantânea à distância. Portanto, a ação de longo alcance de Newton deu lugar à ação de curto alcance, campos se propagando no espaço a uma velocidade finita. Assim, de acordo com a ciência moderna, as interações entre estruturas são transmitidas através do campo correspondente a uma velocidade finita igual à velocidade da luz no vácuo.
18. Características dos principais tipos de interação (gravitacional, eletromagnética, forte e fraca).
1. Interação gravitacional é universal, mas não é levado em conta no microcosmo, pois é a mais fraca de todas as interações e se manifesta apenas na presença de massas suficientemente grandes. Seu alcance não é limitado, o tempo também não é limitado. A natureza de troca da interação gravitacional ainda está em questão, uma vez que a hipotética partícula fundamental - o gráviton - ainda não foi descoberta.
(I. Newton) - a interação mais fraca.
2. Interação eletromagnética: constante da ordem de 10 -2 , raio de interação não limitado, tempo de interação t ~ 10 -20 s. É realizado entre todas as partículas carregadas. A partícula transportadora é um fóton (γ-quântico).
(Pingente).
3. Interação fraca está associado a todos os tipos de decaimento β; é responsável por muitos decaimentos de partículas elementares e pela interação dos neutrinos com a matéria. A constante de interação é de cerca de 10 -13 , t ~ 10 -10 s. Esta interação, como a forte, é de curto alcance: o raio de interação é r ~ 10 -18 m. As partículas transportadoras são um bóson vetorial intermediário: W + , W - , Z 0 .(Fermi).
4. Interação forte assegura a ligação de nucleons no núcleo. A constante de interação é igual a 1, o raio de ação é de cerca de 10 -15 m, o tempo de fluxo é t ~ 10 -23 s. Forte interação é realizada entre quarks - partículas que compõem prótons e nêutrons - com a ajuda dos chamados. glúons. (Yukawa).
