Что же такое физическое поле? Можно ли представить его наглядно с помощью простых, доступных нашему пониманию образов? Как оно соотносится с представлениями о частицах вещества?

Самое простое представление о поле дает сплошная среда, например вода, заполняющая некоторую область пространства (или же вообще все пространство) . Эта среда может иметь в разных точках, например, различную плотность или температуру, по-разному двигаться. Именно конкретное физическое свойство среды, разное в разных точках и доступное для измерений, физически определяет поле. В связи с этим различают поле температур, поле скоростей, силовое поле и т. д.

В философском плане разделение мира на тела и частицы, с одной стороны, и сплошную среду, поле и пустое пространство – с другой, соответствует выделению двух крайних свойств мира – его дискретности и непрерывности.

Дискретность означает – «зернистость», конечную делимость пространственно-временного строения и состояния предмета или объекта, его свойств и форм движения (скачки), тогда как непрерывность выражает единство, целостность и неделимость объекта, сам факт его устойчивого существования. Для непрерывного нет границ делимого.

В математике этим философским категориям соответствуют дискретное множество натуральных чисел и непрерывное множество (континуум) действительных чисел. Для точного пространственно-временного описания свойств сплошной среды (и поля) был разработан специальный раздел математики.

Дискретные и непрерывные свойства мира в рамках классической физики первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые друг от друга, хотя в целом и дополняющие общее представление о мире. И только развитие концепции поля, главным образом для описания электромагнитных явлений, позволило понять их диалектическое единство. В современной квантовой теории это единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

После появления квантовой теории поля представление о взаимодействии существенно изменилось. Согласно данной теории, любое поле не является непрерывным, а имеет дискретную структуру. Например, электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами – квантами электромагнитного поля, т. е. фотоны – переносчики этого поля. Аналогично другие виды взаимодействия возникают в результате обмена частиц квантами соответствующих полей. Например, в гравитационном взаимодействии, как предполагается, принимают участие гравитоны (их существование пока экспериментально не подтверждено).

Согласно полевой концепции, участвующие во взаимодействии частицы создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние – поле сил, проявляющееся в силовом воздействии на другие, частицы, помещенные в какую-либо точку данного пространства. Первоначально выдвигалась механическая интерпретация поля как упругих напряжений гипотетической среды «эфира». Теория относительности, отвергнув «эфир» как особую упругую среду, вместе с тем придала фундаментальный смысл понятию поля как первичной физической реальности.

В современной квантовой физике на роль «эфира» может претендовать новый возможный вид материи – физический вакуум . Первые представления о нем дал один из создателей квантовой теории поля английский физик П. Дирак (так называемое «море Дирака»). Хотя вакуум мы непосредственно не видим (он прозрачен для электромагнитных излучений и не оказывает никакого сопротивления движению материальных частиц и тел), но все же он может проявляться при взаимодействии с ним тех же частиц или электромагнитных волн (гамма-квантов), обладающих достаточной энергией. Если эта энергия превышает удвоенную энергию покоя, например, электрона, то гамма-квант при наличии еще одной частицы (атомного ядра) может, сам исчезнув, породить пару электрон–позитрон, как бы «вырванную» из вакуума. Есть и другие свидетельства в пользу физического вакуума.

В истории физики за последние 300 лет предложены по крайней мере четыре разные концепции «эфира»: абсолютное пространство Ньютона, светоносный эфир Гюйгенса, гравитационный эфир Эйнштейна и физический вакуум Дирака. Насколько оправдается интуиция физиков о существовании в природе особой среды – физического вакуума, покажет только будущее.

С древнейших времен существовали два противоположных представления о структуре материального мира. Одно из них: континуальная концепция Анаксагора - Аристотеля - базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности, "сплошности" и, по-видимому, было связано с непосредственными чувственными впечатлениями, которые производят вода, воздух, свет и т.п. Материю, согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя не оставляет пустоты внутри себя.

Другое представление: атомистическая (корпускулярная) концепция Левкиппа - Демокрита - было основано на дискретности пространственно-временного строения материи, "зернистости" реальных объектов и отражало уверенность человека в возможность деления материальных объектов на части лишь до определенного предела - до атомов, которые в своем бесконечном разнообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Надо признать, что корпускулярный подход оказался чрезвычайно плодотворным в различных областях естествознания. Прежде всего, это, конечно, относится к ньютоновской механике материальных точек. Очень эффективной оказалась и основанная на корпускулярных представлениях молекулярно-кинетическая теория вещества, в рамках которой были интерпретированы законы термодинамики. Правда, механистический подход в чистом виде оказался здесь неприменимым, так как проследить за движением 1023 материальных точек, находящихся в одном моле вещества, не под силу даже современному компьютеру. Однако если интересоваться только усредненным вкладом хаотически движущихся материальных точек в непосредственно измеряемые макроскопические величины (например, давление газа на стенку сосуда), то получалось прекрасное согласие теоретических и экспериментальных результатов. Законы К. м. составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение ядер атомных, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы К. м. лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. К.м. позволила, напр., объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоёмкости газов и твёрдых тел, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников). Только на основе К. м. удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звёзды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звёздах.

В квантовой механике довольно распространенной является ситуация, когда некоторая наблюдаемая имеет парную наблюдаемую. Например, импульс – координата, энергия – время. Такие наблюдаемые называются дополнительными или сопряженными. Ко всем им применим принцип неопределенности Гейзенберга.

Существует несколько различных эквивалентных математических описаний квантовой механики:

При помощи уравнения Шрёдингера;

При помощи операторных уравнений фон Неймана и уравнений Линдблада;

При помощи операторных уравнений Гейзенберга;

При помощи метода вторичного квантования;

При помощи интеграла по траекториям;

При помощи операторных алгебр, так называемая алгебраическая формулировка;

При помощи квантовой логики.

Что же такое физическое поле? Можно ли представить его наглядно с помощью простых, доступных нашему пониманию образов? Как оно соотносится с представлениями о частицах вещества?

Самое простое представление о поле дает сплошная среда, например вода, заполняющая некоторую область пространства (или же вообще все пространство) . Эта среда может иметь в разных точках, например, различную плотность или температуру, по-разному двигаться. Именно конкретное физическое свойство среды, разное в разных точках и доступное для измерений, физически определяет поле. В связи с этим различают поле температур, поле скоростей, силовое поле и т. д.

В философском плане разделение мира на тела и частицы, с одной стороны, и сплошную среду, поле и пустое пространство – с другой, соответствует выделению двух крайних свойств мира – его дискретности и непрерывности.

Дискретность (или прерывность) означает – «зернистость», конечную делимость пространственно-временного строения и состояния предмета или объекта, его свойств и форм движения (скачки), тогда как непрерывность выражает единство, целостность и неделимость объекта, сам факт его устойчивого существования. Для непрерывного нет границ делимого.

В математике этим философским категориям соответствуют дискретное множество натуральных чисел и непрерывное множество (континуум) действительных чисел. Для точного пространственно-временного описания свойств сплошной среды (и поля) был разработан специальный раздел математики.

Дискретные и непрерывные свойства мира в рамках классической физики первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые друг от друга, хотя в целом и дополняющие общее представление о мире. И только развитие концепции поля, главным образом для описания электромагнитных явлений, позволило понять их диалектическое единство. В современной квантовой теории это единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

После появления квантовой теории поля представление о взаимодействии существенно изменилось. Согласно данной теории, любое поле не является непрерывным, а имеет дискретную структуру. Например, электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами – квантами электромагнитного поля, т. е. фотоны – переносчики этого поля. Аналогично другие виды взаимодействия возникают в результате обмена частиц квантами соответствующих полей. Например, в гравитационном взаимодействии, как предполагается, принимают участие гравитоны (их существование пока экспериментально не подтверждено).

Согласно полевой концепции, участвующие во взаимодействии частицы создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние – поле сил, проявляющееся в силовом воздействии на другие, частицы, помещенные в какую-либо точку данного пространства. Первоначально выдвигалась механическая интерпретация поля как упругих напряжений гипотетической среды «эфира». Теория относительности, отвергнув «эфир» как особую упругую среду, вместе с тем придала фундаментальный смысл понятию поля как первичной физической реальности.

В современной квантовой физике на роль «эфира» может претендовать новый возможный вид материи – физический вакуум . Первые представления о нем дал один из создателей квантовой теории поля английский физик П. Дирак (так называемое «море Дирака»). Хотя вакуум мы непосредственно не видим (он прозрачен для электромагнитных излучений и не оказывает никакого сопротивления движению материальных частиц и тел), но все же он может проявляться при взаимодействии с ним тех же частиц или электромагнитных волн (гамма-квантов), обладающих достаточной энергией. Если эта энергия превышает удвоенную энергию покоя, например, электрона, то гамма-квант при наличии еще одной частицы (атомного ядра) может, сам исчезнув, породить пару электрон–позитрон, как бы «вырванную» из вакуума. Есть и другие свидетельства в пользу физического вакуума.

В истории физики за последние 300 лет предложены по крайней мере четыре разные концепции «эфира»: абсолютное пространство Ньютона, светоносный эфир Гюйгенса, гравитационный эфир Эйнштейна и физический вакуум Дирака. Насколько оправдается интуиция физиков о существовании в природе особой среды – физического вакуума, покажет только будущее.

Когда исследователь достигает стадии,
на которой он перестает видеть за
деревьями лес, он слишком охотно
склоняется к разрешению этой трудности
путем перехода к изучению отдельных листьев.
Ланцет

Что такое корпускулярный и континуальный подходы к описанию различных объектов природы? Что такое поле в широком смысле слова? Для описания каких объектов применяют понятие поля? Как наглядно можно изобразить поле?

Урок-лекция

Корпускулярное и континуальное описание объектов природы . С древнейших времен существовало два противоположных представления о структуре материального мира. Одно из них - континуальная концепция Анаксагора-Аристотеля - базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности. Материю, согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя «не оставляет пустоты внутри себя».

Другое представление - атомистическая, или корпускулярная, концепция Левкиппа-Демокрита - было основано на дискретности пространственно-временнбго строения материи. Оно отражало уверенность человека в возможности деления материальных объектов на части до определенного предела - до атомов, которые в своем бесконечном многообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Таким образом, корпускулярный мир Левкиппа - Демокрита образован двумя фундаментальными началами - атомами и пустотой, и материя при этом обладает атомистической структурой.

Смотрю на него и не вижу, а потому называю его невидимым. Слушаю его и не слышу, а потому называю его неслышимым. Пытаюсь схватить его и не достигаю, поэтому называю его мельчайшим. Не надо стремиться узнать об источнике этого, потому что это едино.

Что, на ваш взгляд, является связующим звеном между изображением на картине, цитатой и названием параграфа?

Поль Синьяк. Сосна. Сан-Тропе

Современные представления о природе микромира сочетают в себе обе концепции.

Система как совокупность частиц (корпускулярное описание) . Каким образом можно описать мир дискретных частиц на основе классических представлений?

Разберем в качестве примера Солнечную систему. В простейшей модели, когда планеты рассматривают как материальные точки, для описания достаточно задать координаты всех планет. Совокупность координат в некоторой системе отсчета обозначают следующим образом: {х 1 (t), у 1 (t), z 1 (t)}; здесь индекс i нумерует планеты, а параметр t обозначает зависимость этих координат от времени. Задание всех координат в зависимости от времени полностью определяет конфигурацию планет Солнечной системы в любой момент времени.

Если мы хотим уточнить наше описание, необходимо задать дополнительные параметры, например радиусы планет, их массы и т. д. Чем точнее мы хотим описать Солнечную систему, тем больше различных параметров для каждой планеты мы должны рассматривать.

При дискретном (корпускулярном) описании некоторой системы необходимо задать различные параметры, характеризующие каждую из составляющих системы. Если эти параметры зависят от времени, необходимо учесть эту зависимость.

Система как непрерывный объект (континуальное описание) . Обращаясь к эпиграфу в начале параграфа, рассмотрим теперь такую систему, как лес. Однако, чтобы дать характеристику лесу, довольно бессмысленно перечислять всех представителей растительного и животного мира данного леса. И не только потому, что это слишком утомительная, если вообще возможная, задача. Заготовителей древесины, грибников, военных, экологов интересуют разные сведения. Как построить адекватную модель описания данной системы?

Например, интересы лесозаготовителей можно учесть, рассмотрев среднее количество (в м 3) деловой древесины на квадратный километр леса в данном районе. Обозначим эту величину через М. Поскольку она зависит от района, который рассматривается, введем координаты х и у, характеризующие район, и обозначим зависимость М от координат как функцию М(х,у). Наконец, величина М зависит от времени (одни деревья растут, другие гниют, происходят пожары и т.д.). Поэтому для полного описания необходимо знать зависимость этой величины и от времени М(х,у,t). Тогда величины можно реально, хотя и приближенно, оценить, исходя из наблюдения за лесом.

Приведем другой пример. Течение воды представляет собой механическое перемещение частичек воды и примесей. Однако описать течение при помощи корпускулярного метода просто невозможно: в одном литре воды содержится более 10 25 молекул. Для того чтобы охарактеризовать течение воды в различных точках акватории, необходимо знать скорость, с которой перемещаются частички воды в данной точке, т. е. функцию v(х, у, z, t) (Переменная t означает, что скорость может зависеть от времени, например при повышении уровня воды во время наводнения.)

Рис. 11. Фрагмент топографической карты, на которой приведены: линии равных высот (а); изображение холмов и впадин (б)

Наглядное изображение векторного поля можно также найти на географической карте - это линии течений, которые соответствуют полю скоростей жидкости. Скорость частички воды всегда направлена по касательной к такой линии. Аналогичными линиями изображают и другие поля.

Подобное описание называют полевым, а функцию, определяющую некоторую характеристику протяженного объекта в зависимости от координат и времени, называют полем. В приведенных выше примерах функция М(х,у,t) представляет собой скалярное поле, характеризующее плотность деловой древесины в лесу, а функция v(х, у, z, t) - векторное поле, характеризующее скорость течения жидкости. Различных полей существует великое множество. Фактически, описывая любой протяженный объект как нечто непрерывное, можно ввести свое поле, и не одно.

При непрерывном (континуальном) описании некоторого протяженного объекта используют понятие поля. Поле - это некоторая характеристика объекта, выраженная как функция от координат и времени.

Наглядное изображение поля . При дискретном описании некоторой системы наглядное изображение не вызывает затруднений. Примером может быть знакомая вам схема Солнечной системы. Но как можно изобразить поле? Обратимся к топографической карте местности (рис. 11, а).

На этой карте, помимо всего прочего, приведены линии равных высот для холмов и впадин (рис 11,6).

Это и есть одно из стандартных наглядных изображений скалярного поля, в данном случае поля высоты над уровнем моря. Линии равных высот, т. е. линии в пространстве, на которых поле принимает одинаковое значение, проводятся через некоторый интервал.

Поле можно наглядно изобразить в виде линий в пространстве. Для скалярного поля линии проводят через точки, в которых значение переменной поля постоянно (линии постоянного значения поля). Для векторного поля направленные линии проводят так, что в каждой точке линии вектор, соответствующий полю в данной точке, будет касательным к этой линии.

• На метеорологических картах проводят линии, называемые изотермами и изобарами. Каким полям соответствуют эти линии?
• Представьте реальное поле - поле пшеницы. Под действием ветра колоски наклоняются, причем в каждой точке пшеничного поля наклон колосков разный. Придумайте поле. т. е. укажите величину, которая могла бы описать наклон колосков на пшеничном поле. Какое это поле: скалярное или векторное?
• Планета Сатурн имеет кольца, которые при наблюдении с Земли кажутся сплошными, но на самом деле представляют собой множество мельчайших спутников, движущихся по круговым траекториям. В каких случаях целесообразно для колец Сатурна применять дискретное описание, а в каких - непрерывное?

Строение материи интересует естествоиспытателей еще с античных времен. В Древней Греции обсуждались две противоположные гипотезы строения материальных тел. Одну из них предложил древнегреческий мыслитель Аристотель. Она заключается в том, что вещество делится на более мелкие частицы и нет предела его делимости. По существу, эта гипотеза означает непрерывность вещества. Другая гипотеза выдвинута древнегреческим философом Левкиппом (V в. до н. э) и развита его учеником Демокритом, а затем его последователем философом-материалистом Эпикуром (ок.341-270 до н. э). В ней предполагалось, что вещество состоит из мельчайших частиц - атомов. Это и есть концепция атомизма - концепция дискретного квантового строения материи. По Демокриту, в природе существуют только атомы и пустота. Атомы - неделимые, вечные, неразрушимые элементы материи.

Дискретные и непрерывные свойства мира в рамках классической физики первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые друг от друга, хотя в целом и дополняющие общее представление о мире. И только развитие концепции поля, главным образом для описания электромагнитных явлений, позволило понять их диалектическое единство. В современной квантовой теории это единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

После появления квантовой теории поля представление о взаимодействии существенно изменилось. Согласно данной теории, любое поле не является непрерывным, а имеет дискретную структуру. Например, электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами – квантами электромагнитного поля, т. е. фотоны – переносчики этого поля. Аналогично другие виды взаимодействия возникают в результате обмена частиц квантами соответствующих полей.

Дискретность (и непрерывность)- свойства объектов природы, общества и мышления, обобщаемые в специальных научных, общенаучных и философских понятиях, отражающих их строение, структуру и происходящие процессы. Д. означает «прерывистый», состоящий из отдельных частей, раздельный. Но Н. - близка по смыслу к цельности и целостности, единству, неразрывности и др. Д. и Н. суть противоположности, которые отображают как делимость объектов любого рода, а также единство целого.

4. естествознание как единая наука о природе
Естествознание – это совокупность наук о природе, которые изучают мир в его естественном состоянии. Это обширная область человеческих знаний о природе: разнообразных природных объектах, явлениях и закономерностях их существования и развития. Целью естествознания является познание законов природы и поиск путей разумного практического использования. Естествознание исследует бесконечное множество объектов, начиная с микромира,и кончая галактикой,макромиром и вселенной.Одни науки естествознания, таки е какфизика, химия, астрономия и др. исследуют неорганическую природу. Современная биология является самой разветвленной наукой; к ней относятся ботаника, зоология, морфология, цитология, гистология, анатомия и физиология, микробиология, эмбриология, экология, генетика и др. Многообразие биологических наук объясняется сложностью самой живой природы. Естествознание представляет собой одну из основных форм человеческого знания, а именно о природе. Таких форм знаний – три: о природе, обществе и человеческом мышлении. Естествознание представляет теоретическую основу промышленной и сельскохозяйственной техники и медицины. Объектом и предметом изучения являются различные виды материи (механическая, физическая, химическая, биологическая, космологическая, термодинамическая, геофизическая, кибернетическая и т.д.). В центре современного естествознания до середины 20 века стояла физика, искавшая способы использования атомной энергии и проникавшая в область микромира, вглубь атома, атомного ядра и элементарных частиц.Науки разделены, а природа едина именно поэтому главной задачей естествознания является изучить мир (природу) в целом единство и взаимосвязь, потому что природный объект целостная система, а отдельная наука изучая его отбрасывает его некоторые свойства и изучает то, что является предметом ее исследования. «+» позволяет наиболее полно изучить объект с этой точки зрения; «-» негативно, т.к. мы теряем взаимосвязь между фрагментами объекта.