вход

Оглавление


1.  Введение

Согласно современным представлениям все физические взаимодействия в природе сводятся к четырем фундаментальным: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому. При этом последние два проявляют себя в мире атомных ядер и элементарных частиц. Адекватным общепринятым средством для описания этих взаимодействий является концепция физического поля. Ее корни уходят в натурфилософские представления древних греков ( $ \alpha\pi\epsilon\iota\rho o\nu$ Анаксимандра), которые в XVI-XIX вв. трансформировались в различные эфирные модели электричества, магнетизма и теплоты. В такой исторической перспективе физические поля -- это предполагаемые механизмы передачи взаимодействий от одних тел к другим. Эти механизмы действуют в пространстве и во времени и, как правило, предполагают существование субстанции (среда, эфир, вакуум) с необходимыми свойствами. Исторически первой законченной теорией поля была электромагнитная теория Максвелла.

Следует отметить, что в первоначальной количественной формулировке законов природы, понятие поля отсутствовало. Рассмотрим закон всемирного тяготения в его обычной форме, в которой представил его Ньютон в своих "Математических началах натуральной философии" в 1687г:

$\displaystyle F=G\frac{m_1m_2}{r^2}.$ (1)
Этот закон выражает силу гравитационного взаимодействия пары точечных частиц как функцию их мгновенного относительного положения и совсем ничего не говорит нам о механизме возникновения и распространения этой силы. В частности, если одна из частиц изменит свое положение, то согласно выражению (1), вторая сразу же "почувствует" это изменение в виде изменения действующей на нее силы и, в соответствие с третьим законом Ньютона, сама изменит свое силовое действие согласно тому же закону (1). То же самое можно повторить про закон электростатического взаимодействия пары точечных зарядов, открытый Пристли в 1767г.:

$\displaystyle F=k\frac{q_1q_2}{r^2}.$ (2)
В 1825 году Ампер опубликовал научный труд, в котором собрал и подытожил результаты своих 3-х летних кропотливых и трудоемких экспериментов, связанных с исследованием магнитного силового взаимодействия токов. Основной результат -- формула, выражающая силу взаимодействия $ d\vec F$ двух элементов тока $ I_1d\vec l_1$ и $ I_2d\vec l_2$ как функцию их относительного положения $ \vec r_{12}$ и ориентации:

$\displaystyle d\vec F=CI_1I_2\vec r_{12}\left(\frac{2}{r_{12}^3}(d\vec l_1\cdot...
...\frac{3}{r_{12}^5}(d\vec l_1\cdot\vec r_{12})(d\vec l_2\cdot\vec r_{12})\right)$ (3)
($ C$ -- константа, зависящая от системы единиц) имеет форму, аналогичную (1) и (2). Ни одна из приведенных нами формул не требует для своего обоснования или объяснения введения посредника взаимодействия, поскольку опирается непосредственно на наблюдения и эксперимент и выражает силу через легко измеримые пространственные характеристики физической системы. Такую формулировку законов природы принято называть дальнодействующей, в отличие от близкодействующих формулировок, которые опираются на концепцию переносчика взаимодействия -- специальной среды или ее особого состояния (физического поля), необходимые для объяснения детального механизма передачи этого взаимодействия.

На этапе становления и развития классической физики отношение между концепциями близкодействия и дальнодействия не было антагонистичным, а иногда несколько парадоксальным образом совмещались в трудах или мыслях одного и того же ученого-исследователя. Как уже отмечалось, Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения в дальнодействующей форме. Он неоднократно подчеркивал, что открытый им закон, прежде всего, следует рассматривать как инструмент для математического описания движения небесных тел. Осторожность Ньютона по отношению к гипотезам о природе гравитации, света, электричества и тепла и механизмах их распространения хорошо известна и является характерной особенностью его работ и научного мышления. Эта особенность достаточно рельефно выступает в следующем отрывке из его сочинения о теории цвета, где Ньютон высказывает свои мысли о природе света:

"Кто хочет, может считать, что это совокупность различных перипатетических качеств1. Другие могут предположить, что это множество невообразимо малых и быстрых корпускул различных размеров; эти корпускулы исходят от светящихся тел на огромных расстояниях друг от друга, но через неощутимо малые промежутки времени, и постоянно движутся вперед в соответствие с принципом движения, согласно которому вначале они ускоряются до того момента, когда сопротивление эфирной среды становится равным силе этого принципа. Это весьма похоже на то, как тело, брошенное в воду, сначала тоже ускоряется, но затем сопротивление воды становится равным силе тяжести. Те, кому это не нравится, могут представить свет как любое другое телесное излучение, как любой импульс или движение любой другой среды, как движение эфирного пара, который рассеивается в основном теле эфира, или как все то, что они могут счесть уместным для этой цели. Чтобы избежать ненужных споров и сделать эту гипотезу общей, пусть каждый представляет то, что ему нравится, но при одном условии: каким бы ни был свет, он состоит из лучей, которые отличаются друг от друга по случайным параметрам: величине, форме или энергии" [, с.38].

Как видно из этого отрывка, Ньютон отчетливо разделял философскую (истолковательную) часть физических теорий от их описательной части, которая целиком должна опираться на наблюдения и эксперимент. Несмотря на такую научную беспристрастность, Ньютон (как и многие другие его современники и последователи, находящиеся под влиянием механистической эфирной теории вселенной Декарта) все же считал необходимым найти правильную эфирную (т.е. близкодействующую) модель света, тяготения, электричества и тепла и даже писал, что полагать, "что одно тело может воздействовать на другое, находящееся от него на некотором расстоянии, через вакуум без каких-либо "посредников", ...-- для меня настолько абсурдно, что по-моему, ни один человек, обладающий хотя бы малейшим представлением о философских материях, не может в это верить."[, с.49]

Труд Ампера, о котором шла речь выше, был представлен самим автором полностью в духе дальнодействия2. Через полвека Максвелл, который активно использовал эфирные представления для объяснения электромагнитных явлений, назовет труд Ампера "одним из самых блестящих научных достижений", а самого Ампера -- "Ньютоном электричества". В частности, он пишет:

"Форма ее [работы Ампера С.С.К.] совершенна, строгость безупречна и все резюмируется в одной формуле [формуле (3) С.С.К.], из которой можно вывести все явления и которая должна будет остаться навсегда в качестве фундаментальной формулы электродинамики" [, с.115].

Однако полевые представления во второй половине XIXв. уже прочно вошли в обиход физиков, а концепция близкодействия стала рабочим инструментом. В свете этих событий нетрудно понять мнение Хевисайда по поводу той же формулы (3), которое он высказал в 1888 году:

"Ученые, не менее авторитетные, чем великий Максвелл, утверждали, что закон силы между двумя элементами тока -- основная формула электродинамики. Если бы это было так, разве мы не применяли бы его всегда? А применяем ли мы его вообще? Использовал ли его Максвелл в своем трактате? Я уверен, что здесь какая-то ошибка. Я ничуть не хочу лишить Ампера чести называться отцом электродинамики; я всего лишь хочу передать звание основной другой его формуле, выражающей механическую силу, которая действует на элемент проводника, несущего ток в любом магнитном поле -- векторное произведение тока и электромагнитной индукции. В этой формуле есть нечто реальное; она не похожа на формулу силы между двумя незамкнутыми элементами; она фундаментальна; и, как всем известно, ее постоянно используют, прямо или косвенно (через электродвижущую силу), как теоретики, так и практики" [, с.115].

Как явствует из приведенного отрывка, электрическим и магнитным полям в последней четверти XIXв. физики придавали приоритетный статус физической реальности.

Перенесемся теперь на столетие вперед. Несмотря на то, что концепция физического поля претерпела ряд существенных изменений и уточнений в связи с открытием и развитием теории относительности и квантовой теории, ее роль и место в устоявшейся физической картине мира значительно укрепились.

Обратимся к соответствующей статье современной физической энциклопедии.

" Взаимодействие в физике -- воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения. В механике Ньютона взаимное действие тел друг на друга характеризуется силой. Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия.

Первоначально в физике утвердилось представление о том, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает никакого участия в передаче взаимодействия; при этом передача взаимодействия происходит мгновенно. Так, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну. В этом состояла, так называемая, концепция дальнодействия.

Однако данные представления были оставлены, как не соответствующие действительности после открытия и исследования электромагнитного поля. Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а спустя конечное время. В разделяющем частицы пространстве происходит некоторый процесс, который распространяется с конечной скоростью. Соответственно, имеется "посредник", осуществляющий взаимодействие между заряженными частицами. Этот посредник был назван электромагнитным полем. Каждая заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие частицы. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в вакууме $ c=3\cdot10^{10}$ см/с. Возникла новая концепция близкодействия, которая позже была распространена и на любые другие взаимодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве. Так всемирное тяготение осуществляется гравитационным полем ..." [7]

Для полноты картины общепринятой точки зрения на взаимоотношения теории поля и дальнодействия обратимся к учебным пособиям и монографиям по физике.

"С точки зрения теории действия на расстоянии существование электромагнитных волн абсолютно непонятно. Поэтому после опытов Герца вопрос о характере электродинамических взаимодействий был однозначно решен в пользу теории поля" [8, п.1.5].

"В классической механике поле является лишь некоторым способом описания физического явления -- взаимодействия частиц. В теории же относительности благодаря конечности скорости распространения взаимодействий положение вещей существенным образом меняется. Силы, действующие в данный момент на частицу, не определяются их расположением в этот момент. Изменение положения одной из частиц отражается на других частицах лишь спустя некоторый промежуток времени. Это значит, что поле само по себе становится физической реальностью. Мы не можем говорить о непосредственном действии взаимодействии частиц, находящихся на расстоянии друг от друга. Взаимодействие может происходить в каждый момент лишь между соседними точками пространства (близкодействие). Поэтому мы должны говорить о взаимодействии одной частицы с полем и о последующем взаимодействии поля с другой частицей" [9, с.67].

"Итак, приняв ОТО (общую теорию относительности), мы должны отказаться как от фундаментального принципа -- закона сохранения энергии-импульса вещества и гравитационного поля, так и от концепции классического поля. Но это очень большая потеря, и мы были бы слишком легкомысленны, если бы без должных экспериментальных оснований согласились на нее. Отсюда один выход -- отказаться от ОТО: В основе нашей теории лежит представление о гравитационном поле как физическом поле в духе Фарадея-Максвелла, обладающем энергией импульсом..." [10, с.217].

Эти цитаты (при желании можно найти и массу других) наглядно иллюстрируют современную общепринятую точку зрения на роль и место физических полей в современной физике с одной стороны и на дальнодействие -- с другой:

  1. Концепция физического поля необходима для правильного учета релятивистских и квантовых закономерностей природы и истолкования экспериментов.
  2. Физические поля -- реальность, которая прямо или косвенно проявляет себя в многочисленных экспериментах или даже в повседневном опыте.
  3. Концепция дальнодействия была небольшим историческим эпизодом в период, предшествующий электромагнитной теории Максвелла. Она несовместима с принципами теории относительности, квантовой теории и простыми (например, электродинамическими) экспериментами.

Цель настоящей работы -- показать, что сложившаяся точка зрения на близкодействие и дальнодействие, является, в лучшем случае, общепринятой рабочей "научной философией", а не истиной, с необходимостью следующей из фундаментальных принципов физики или эксперимента. Другими словами, полевая картина природы -- это одно из правил нашего мышления об окружающем мире. Но возможны и другие правила. Мы постараемся показать, что такие правила есть и формулируются они именно в рамках дальнодействия. Эти новые правила разрабатывались (правда, может быть не слишком заметно для широкой научной общественности) в течение столетия, через которое мы перешагнули в нашем введении. Выводы, к которым мы приходим, следуя правилам "дальнодействующего мышления" о мире, таковы:

  1. Весь комплекс имеющихся экспериментальных фактов может быть, в принципе, описан и объяснен в рамках концепции дальнодействия, полностью согласующейся с принципами теории относительности и квантовой теории.
  2. Физические поля не могут иметь статус объективной реальности, если только сама концепция объективной реальности не зависит от выбора научной философии.
  3. Физическая картина мира, построенная в рамках концепции дальнодействия, в определенном смысле, шире полевой картины мира, и в некоторых отношениях ближе по духу представлениям квантовой теории и теории относительности.

Перед тем, как отправиться в путешествие длиной примерно в одно столетие, приведем цитату из лекций по физике одного из творцов современного дальнодействия -- Ричарда Фейнмана. В ней он кратко выражает свою точку зрения о том, что лучше или что правильнее: близкодействие или дальнодействие?

"Единственно разумная постановка вопроса -- спросить, какой путь рассмотрения электрических эффектов наиболее удобен. Одни предпочитают представлять их как взаимодействие зарядов на расстоянии и пользоваться сложным законом. Другим по душе силовые линии..." [11, с.25].


Далее: 2.  Немного истории Вверх: Близкодействие против дальнодействия: окончательна Previous: Близкодействие против дальнодействия: окончательна