litceysel.ru
добавить свой файл
1
Дальнодействие в современной физике*



Одним из центральных вопросов не только школьного курса, но всей современной физики, является вопрос о природе взаимодействия физических тел на любом структурном уровне материи. Вопрос имеет прямое отношение к формированию мировоззрения учащихся.

Методическая сложность вопроса состоит в том, что значительная часть школьного курса физики (вопросы классической механики, отчасти закон Кулона) излагается с позиции дальнодействия. И только при изучении электродинамики и специальной теории относительности (СТО) включаются идеи близкодействия. При этом создается впечатление, что дальнодействие полностью изгнано из современной науки. В вузовском курсе физики также нет обобщеннного подхода к проблеме соотношения дальнодействия и близкодействия. Учитывая вышесказанное, сделаем попытку свести воедино современные представления по этому вопросу.

Закон диалектики о единстве противоположностей находит яркие иллюстрации в физике. Сошлемся на такой классический пример, как корпускулярно-волновой дуализм света. Потребовалось несколько столетий ожесточенной борьбы двух концепций о природе света, чтобы, наконец, в начале ХХ века утвердилось их диалектическое единство.

Нечто подобное происходит сейчас и с принципами дальнодействия и близкодействия при рассмотрении их в свете современных научных и философских представлений.

Определим сначала, что обычно понимается под «дальнодействием» и «близкодействием». Вся классическая механика фактически оказалась построенной на концепции дальнодействия, т.е. мгновенности передачи действия от одного тела к другому, находящемуся на любом расстоянии от первого. При этом предполагается существование бесконечно быстрого сигнала, переносящего это действие. Такой подход к проблеме взаимосвязи тел вытекал как из уровня физических знаний в ХУ11-ХУ111 веках, так и из философских и религиозных представлений ученых тог времени [1].

Покажем, как выражено дальнодействие в основных законах классической механики. Второй закон Ньютона утверждает, что ускорение , приобретаемое телом массы m под действием силы (меры воздействия на данное тело другого или других тел), возникает сразу же, как только возникает взаимодействие. В формуле закона нет указания на запаздывание этого действия. То же обнаруживаем и в 3-м законе Ньютона (противодействие всякому действию возникает тотчас же, как только возникает действие), и в законе всемирного тяготения (гравитационная сила зависит только от масс тяготеющих тел и расстояния между ними):


Как часто бывает в науке, одному учению противопоставляется другое. Наряду с концепцией дальнодействия развивалось учение о передачи действия от точки к точке пространства с определенной скоростью : все события в данном месте и в данный момент времени определяются тем, что происходило в соседних точках пространства в предшествующий момент времени. В этом и состоит сущность близкодействия. Такой подход был наиболее последовательно развит Дж. Максвеллом, который при математической формулировке идеи близкодействия получил так называемые запаздывающие потенциалы электромагнитного поля, функциональная зависимость которых от расстояния и времени показывала, что электромагнитные взаимодействия передаются не мгновенно, а с конечной скоростью, в частности, в вакууме со скоростью 300000 км/с.

Считалось, что окончательно концепция близкодействия победила концепцию дальнодействия в специальной теории относительности(СТО), основанной на том, что скорость света в вакууме является предельной скоростью передачи взаимодействия между материальными телами.

Однако, более глубокое осмысление формул СТО, а также содержания квантовой механики, показало, что дальнодействие не было «изгнано» из физической теории. Наоборот, физика еще раз показала, что она, являясь объективным отражением бытия, не может противоречить ни общенаучным, ни философским положениям.

Покажем, что, как это ни парадоксально, СТО не запрещает скоростей, больших скорости света в вакууме. Согласно постулату СТО, эта скорость- предельная скорость. Но…к пределу можно «стремиться» с двух сторон! В 1930 году английский физик П. Дирак завершил построение релятивистской теории электрона. Анализируя формулу Эйнштейна [2]:

(1)

которая справедлива не только для тел, имеющих массу, но она верна и тогда, когда физический объект не обладает массой, например, для фотона. Дирак преодолел общепринятую догму, что полная энергия Е частицы должна иметь только положительное значение, и рассмотрел физическое проявление двух возможных знаков перед квадратным корнем в формуле (1)[3]. Учет знака (-) позволил Дираку открыть мир античастиц. Первая античастица – позитрон-вскоре была обнаружена в космических лучах. Ныне известно, что у каждой частицы имеется своя античастица. Так физики еще раз убедились в необходимости рассмотрения всех возможностей, которые вытекают из математических формул теории, тем более, если это СТО, являющаяся фундаментом современной науки.


Перепишем формулу (1) в следующем виде:

(2)

и проанализируем ее с точки зрения, какие значения скорости для движения частиц она разрешает. Во-первых, возможны скорости меньшие или равные скорости света в вакууме. Если скорость движения частицы и его импульс то формула (2) может быть преобразована так:

(3)

Так как при рассматриваемых скоростях величина, стоящая в скобках, положительна, то, поскольку все остальные величины в этой формуле заведомо положительны, то и масса частицы m будет положительной величиной ( у фотона, движущегося со скоростью света с масса автоматически оказывается равной нулю). В рассматриваемом случае мы получили характеристику – массу-для обычных, классических частиц.

Но, во-вторых, формула (2) разрешает рассмотреть и другой случай, когда скорость частицы больше скорости света в вакууме: Тогда величина , стоящая в скобках, оказывается отрицательной, и из формулы (2) следует, что масса такой частицы является мнимой . Исходя из «здравого смысла», этот случай следовало бы отбросить, как приводящий к бессмысленности. Но тогда как быть с самой СТО, выводы которой противоречат «здравому смыслу», т.е. противоречат нашим привычным, классическим представлениям. Однако, этот случай является рабочей гипотезой современной квантовой электродинамики и квантовой теории поля, в которых анализируются состояния особой физической системы – физического вакуума, заполненного так называемыми виртуальными частицами, обладающими мнимыми массами и движущимися со скоростями, большими скорости света в вакууме. Мир виртуальных частиц не может быть обнаружен непосредственно современными физическими приборами, так как они с самого начала проектировались и строились для регистрации обычных частиц, имеющих вещественную(действительную) массу[4]. Проблеме физического вакуума в последние годы посвящены десятки научных работ. Его реальность обнаруживается в таких наблюдениях и эффектах, как Лембовский сдвиг энергетических уровней атома водорода в эффектах Унру, Казимира, Хоккинга и т.д.[5]. Мир виртуальных частиц, а следовательно, и сверхсветовых скоростей, с их парадоксальными свойствами[4], обретает «права» физической реальности.


По иному дальнодействие рассматривается в квантовой механике. Сверхсветовая передача информации возможна в так называемом «не силовом взаимодействии»[6]. Таковы является , например, взаимодействие, выражаемое принципом Паули. Согласно последнему, в одном квантовом состоянии не могут находится два и более одинаковых фермиона (фермион -это частица, имеющая полуцелое спиновое квантовой число) с одним и тем же набором квантовых чисел, определяющих состояние частицы. «Информация» о занятости данного состояния передается другим тождественным фермионам мгновенно, т.е. речь идет о «дальнодействии», однако, с той особенностью, что не устанавливается механизм передачи информации.

Другим видом квантово-механического не силового взаимодействия является «взаимодействие» между двумя частицами, имеющими общую волновую функцию. Измерения параметров состояния только одной из частиц, приводит к изменению волновой функции всей системы, т.е. изменяется вероятность состояний и другой частицы, хотя непосредственного воздействия на эту частицу не производилось. И в этом случае мы встречаемся с проявлением дальнодействия, но не в старом, классическом его понимании, с его физическими и философскими противоречиями и спекуляциями в духе лапласовского детерминизма и божественной воли. Дальнодействие проявляется здесь в редукции волновой функции и находится в единстве с близкодействием, на основе которого строится волновое поле. В этом отражается противоречивость объективной реальности и процесса ее познания.

Литература

[1]Кудрявцев П.С. История физики т.1.М., 1956г.

[2]Угаров В.А. Специальная теория относительности М., 1977г.

[3]Компанеец А.С. Симметрия в микро- и макромире М., 1978г.

[4]Терлецкий Я.Н. Парадоксы теории относительности М., 1966г.

[5]Киржниц Д.А. Нечто по имени Ничто ж-л «Знание-сила», №8,1977г.

[6]Фок В.А. Замечания к творческой биографии А.Эйнштейна ж-л УФН,т.59, вып.1, с.116.1956г.

[7]Соросовский образовательный журнал 2001, №2, с.69- ; №5, с.86-



* Статья опубликована в методическом сборнике «В помощь учителю физики» г. Псков, изд. ПГПИ, 1988г., вып.№2, с.11-15