Близкодействие и дальнодействие. Электрическое поле

В одном из прошлых уроков мы познакомились с основным законом электростатики, то есть, с законом Кулона. Однако, не было никакой уверенности в том, как именно осуществляется взаимодействие между зарядами. На этот счет было два основных мнения: теория близкодействия и теория дальнодействия (или теория действия на расстоянии). Теория близкодействия заключается в том, что всякое взаимодействие осуществляется посредством какого-то промежуточного звена (то есть переносчика взаимодействия).

Теория дальнодействия, напротив, говорит о том, что всякое взаимодействия осуществляется мгновенно и через пустоту, то есть действие со стороны любых тел может передаваться мгновенно на сколь угодно большие расстояния.

Рассмотрим некоторые примеры из жизни, подтверждающие теорию близкодействия. Например, когда вы разговариваете с собеседником, ваши голосовые связки оказывают воздействие на слуховые нервы собеседника. Но передается это воздействие через воздух. Из курса физики девятого класса вы знаете, как передаются звуковые волны. Ваши голосовые связки возбуждают колебания среды (в данном случае воздуха), и эти колебания передаются через воздух, после чего раздражают слуховой нерв собеседника. Точно таким же способом вы слышите музыку. Заметим, что это действие происходит с определенной скоростью — скоростью звука. То есть, на то, чтобы оказать воздействие требуется определенный промежуток времени. Также, если вы что-то рисуете, то оказываете некое воздействие на бумагу, посредством карандаша или кисти. Разрезая арбуз или яблоко, вы оказываете воздействие посредством ножа.

Многие ученые объясняли гравитационные и электромагнитные взаимодействия некими невидимыми и неосязаемыми субстанциями, которые, по их мнению, заполняли все пространство. Например, в 17 в. известным математиком, физиком и философом Рене Декартом была выдвинута теория о существовании так называемого мирового (или физического) эфира. Согласно этой теории, все пространство заполнено неким эфиром, посредством которого передаются электромагнитные волны (в том числе свет). Однако, в обосновании этой теории возникли серьезные трудности после того, как выяснили, что электромагнитные волны являются поперечными, а это свойство присуще только твердым телам, как вы знаете из курса физики девятого класса.

Позднее, когда Ньютон открыл закон всемирного тяготения, от теории близкодействия и вовсе отказались. Возникла теория дальнодействия. Действительно, изучая Солнечную систему, люди видели, что Луна вращается вокруг Земли, а Земля — вокруг Солнца. Казалось бы, несмотря на огромные расстояния, тяготение передается мгновенно без каких-либо посредников. Кстати, сторонником теории дальнодействия был и Шарль Кулон, который также наблюдал взаимодействие электрических зарядов без всяких видимых посредников.

То же самое можно сказать и о магнитах, которые способны притягивать металлические тела на расстоянии. Более того, если между магнитом и металлом поместить лист бумаги или даже деревянный брусок, магнит все равно продолжает оказывать воздействие на металл.

Несмотря на эти аргументы, в 19 в Майкл Фарадей провел очень серьезные исследования, в которых доказал, что взаимодействие между электрическими зарядами, все-таки, происходит с помощью неких частиц. Позднее, Джеймс Максвелл установил, что всякое взаимодействие между заряженными телами происходит в течение определенного промежутка времени (а не мгновенно). Это подтверждало опыты Фарадея. То есть, работы Фарадея и Максвелла указывали на то, что, все-таки существуют некие переносчики электромагнитного взаимодействия. Следовательно, должны быть и какие-то частицы-переносчики других фундаментальных видов взаимодействий.

На сегодняшний день считается, что переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны. За сильное взаимодействие отвечают частицы, которые называются глюОнами, а переносчиками слабого взаимодействия являются некоторые виды бозОнов. Подробнее об этих частицах мы будем говорить в одиннадцатом классе. Переносчиком гравитационного взаимодействия является гипотетическая частица, которая называется гравитоном. Дело в том, что эта частица еще не открыта, но ее открытие предсказано, также как и открытие бозона Хиггса.

Узнав о частицах, которые являются переносчиками взаимодействия, мы можем дать определение электрическому полю. Электрическое поле — это особая форма материи, которая создается электрическими зарядами и оказывает воздействие на другие заряды.

Именно в этом и состояла идея Майкла Фарадея: заряды не действуют друг на друга непосредственно. Они окружены электрическим полем, посредством которого и осуществляется взаимодействие. Прямых доказательств существования полей получить не удалось до тех пор, пока не были проведены исследования взаимодействий движущихся зарядов. В результате таких исследований было доказано существование электромагнитных полей, которые могли изменяться с течением времени. Как вы знаете, вокруг любого движущегося заряда возникает магнитное поле, поэтому рассматривая движущиеся заряды, мы говорим об электромагнитных полях.

Итак, основываясь на работах Фарадея, Максвелл сумел доказать, что скорость распространения электромагнитных волн в пространстве вполне определена — она равна скорости света в вакууме. Разумеется, сторонники теории дальнодействия легко принимали такую скорость за мгновенное распространение даже в пределах Земли, не говоря уже о пределах помещения, в котором проводился тот или иной эксперимент. Тем не менее, именно определенность скорости распространения взаимодействий является решающим аргументом в пользу теории близкодействия. Таким образом, на сегодняшний день считается, что теория близкодействия верна и находит подтверждение в многочисленных экспериментах.

Приведем пример наглядный пример. Все вы знаете, что сегодня мы можем передавать информацию с помощью радиоволн. Космическая станция, находящаяся в миллионах километрах от Земли может послать на Землю некие радиоволны и сразу после этого быть уничтожена. Тем не менее, радиоволны дойдут до Земли. Если бы теория дальнодействия была верна, то сразу после уничтожения станции прекратилось бы и всякое взаимодействие между станцией и Землей. Однако, это не так, а, следовательно, электромагнитное поле — это некий особый вид материи, который реально существует и обнаруживает себя теми или иными воздействиями. Еще одним примером может являться звездное небо, на которое каждый из вас неоднократно смотрел. Любая звезда, которую вы видите сегодня, возможно умерла несколько тысяч лет назад, превратившись в белый карлик. Дело в том, что если звезда находится за несколько тысяч световых лет от Земли, то пройдет несколько тысяч лет, прежде чем свет долетит до Земли, и вы сможете его увидеть.

Несмотря на то, что существуют частицы-переносчики взаимодействия, мы, все же не можем сказать, что поле состоит из этих частиц. Поле — это некая особая материя, обладающая определенными свойствами, которые одинаково проявляются в одинаковых ситуациях, поэтому мы не можем спутать поле с чем-то другим. Говоря об электрическом поле, мы можем сказать, что главным его свойством является действие на электрические заряды с определенной силой. Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим полем.

То есть, мы можем сказать, что вокруг любого неподвижного заряда возникает электростатическое поле, которое не изменяет своих свойств с течением времени. Это поле будет действовать на любой другой электрический заряд. В свою очередь, поле другого заряда также будет действовать на первый заряд. Сила действия электрического поля зависит от величины заряда. Об этом и о других характеристиках электрического поля мы поговорим в ближайшее время.