Физическое взаимодействие, близкодействие, дальнодействие, суперпозиция, объединение и суперобъединение

Физическое взаимодействие, близкодействие, дальнодействие, суперпозиция, объединение и суперобъединение.

Статьи по теме
Искать по теме

По существу, эти понятия совпадают, хотя часто употребляются в разных контекстах. Когда мы говорим о движении, то имеем в виду не столько внутренние изменения, основанные на структурных взаимодействиях, составляющих систему элементов материи, сколько внешнее пространственное перемещение тел, где взаимодействия как будто не видно. Но если взглянуть глубже, то и при пространственном перемещении тел обязательно есть их взаимодействие с окружающей средой и материальными полями, в результате чего изменяются свойства тел. Не существует такого движения, в содержании которого не было бы взаимодействия элементов материи, так же, как и всякое взаимодействие выступает как определенное изменение и движение.

Взаимодействие и движение являются формой существования материи. Для всякого объекта существовать – значит взаимодействовать, как-то проявлять себя по отношению к другим телам, находиться с ними в объективных отношениях. Именно взаимодействие и движение являются объективными критериями существования тел.

Следуя объективной логике развития природы, можно выделить несколько форм движения: в неживой природе, в живой природе и в обществе. Физика занимается исследованием процессов, происходящих в неживой природе и являющихся фундаментом гораздо более сложных процессов, происходящих на более высоких уровнях организации материи.

Несомненные успехи физических наук за последнее столетие привели к необычайному углублению наших знаний в этой области бытия и особенно в теории взаимодействия и движения материи. Долгое время физика понимала движение как простое механическое движение, но затем было осознано, что оно является лишь частным случаем пространственного перемещения -любого изменения положения тела и его элементов в пространстве, связанного и с изменением во времени. Так, механическим является движение по определенной траектории, но существует бестраекторное пространственное перемещение типа сферического распространения фронта электромагнитных волн в полях, а также гравитационных волн в поле тяготения. Движению элементарных частиц тоже нельзя приписать определенную траекторию, как у материальной точки.

Но любые формы движения, изучаемые физикой, есть проявление глубинных свойств материи – так называемых фундаментальных взаимодействий. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

В основе каждого фундаментального взаимодействия лежит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удастся выяснить лишь в ходе дальнейших, все более глубоких исследований природы вещества и вакуума. Носителем способности частиц к взаимодействиям, а также количественной мерой самого взаимодействия служит понятие заряда. Каждая частица изначально обладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только однотипные заряды, а заряды разных типов друг друга "не замечают". Наименьшее дискретное значение заряда (квант) называют единичным зарядом. Сила взаимодействия во всех случаях пропорциональна произведению зарядов двух взаимодействующих частиц, более сложно она зависит от расстояния между частицами.

По современным представлениям взаимодействие любого вида должно иметь своего физического агента, без посредника оно не протекает. В основе такого требования лежит тот факт, что скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом – скоростью света. Поэтому притяжение или отталкивание частиц передается через среду, их разделяющую. Такой средой является вакуум. При создании теории взаимодействия используют определенную модель процесса: зарядфермион создает вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны; по своей природе это поле близко к тому состоянию, которое физики приписывают вакууму. Иначе говоря, заряд частицы возмущает вакуум, и это возмущение с затуханием передается на определенное расстояние; частицы поля являются виртуальными – существуют очень короткое время и в эксперименте не могут быть обнаружены; оказавшись в радиусе действия своих однотипных зарядов, две реальные частицы начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный частицей-партнером, и наоборот; обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания частиц-хозяев.

Таким образом, каждой частице, участвующей в одном из фундаментальных взаимодействий, соответствует своя бозонная частица – переносчик взаимодействия. Очень важным фактором является наличие массы у частиц, в том числе и у некоторых переносчиков взаимодействия (вопрос о происхождении массы у частиц до сих пор не решен, предполагается, что она появляется в результате особой формы взаимодействия частиц со структурой вакуума) – от этого зависит радиус действия соответствующих сил.

2. Теории близкодействия и дальнодействия

Родоначальником одной из них является французский мыслитель Рене Декарт. Декарт и его последователи (картезианцы) пытались объяснить тяготение, не прибегая к понятию силы, и представить его как чисто кинематический эффект, обусловленный движением любого вещества, заполняющего все пространство, невесомого флюида – эфира. Некоторое представление о таком объяснении может дать хотя бы следующая мысль в духе Декарта. В жидкости, которая вращается в сосуде, легкие тела устремляются (как бы тяготеют) к оси вращения и подобно этому в вихре среды, заполняющей мировое пространство, вызванном вращением Солнца, планеты испытывают тяготение к Солнцу. И свет, по Декарту, рассматривался как давление, передающееся частицами Среды от источника к глазу. Электрические и магнитные явления объяснялись вихрями тонкой материи, которая выходит, например, из одного полюса магнита и входит в другой, действуя при этом на железные тела, находящиеся вблизи магнита.

Все объяснения такого рода совершенно искусственны и не вытекают из опытных фактов. Но объяснения Декарта получили широкое распространение, потому что были просты и наглядны. Для нас важны не сами эти объяснения, а лежащая в их основе идея: тяготение, электрическое и магнитное действия передаются от тела к телу через среду.

Принцип, согласно которому действие передается через среду в течение некоторого времени, получил название принципа близкодействия. Этот принцип берет свое начало от Декарта, хотя попытки объяснить передачу действия за счет существования особой среды – эфира можно найти и у древних мыслителей, справедливо полагающих, что "тело не может действовать там, где его нет". В том же духе объяснял электрические явления и английский ученый Вильям Гильберт.

Однако при всей внешней простоте кинематические представления о тяготении были абсолютно бесплодны – из них не вытекало ничего нового. Поэтому картезианские идеи не смогли долгое время выдерживать конкуренцию с теорией тяготения, выдвинутой Ньютоном.

Из закона тяготения Ньютона вытекало множество следствий и объяснений различных земных и небесных явлений. Так, например, закон объяснял, почему движение планет подчиняется законам Кеплера. Ньютоновское объяснение тяготения сводилось к утверждению о том, что на каждое тело со стороны других действует сила, вычисляемая по установленному им закону. Почему эта сила действует, как передается тяготение на огромные расстояния, т.е. каков механизм тяготения, Ньютон объяснить не смог, так как не было необходимых фактов, на базе которых можно было бы построить обоснованную гипотезу, а надуманных гипотез он не признавал. Последователи Ньютона (ньютонианцы), восхищенные успехами построенной им теории, довели до абсурда его тезис "Гипотез я не измышляю"– стали вообще отрицать необходимость отыскания причин явлений, считая, что для объяснения всех явлений надо просто вводить соответствующие силы, не задумываясь об их происхождении.

К XVIII в. оформляются две точки зрения на проблему взаимодействия. Одна основана на принципе дальнодействия, другая – на принципе близкодействия. Влияние взглядов Ньютона на последующее развитие физики было столь велико, что и учение об электричестве и магнетизме строилось в духе ньютоновской концепции дальнодействия, требующей установления математических законов взаимодействия электрических и магнитных сил без выяснения их природы. Так было вплоть до эпохи Фарадея – Максвелла.

Но помимо вопроса о том, как взаимодействуют магнитные и наэлектризованные тела, требовали решения другие вопросы: что такое электричество и магнетизм? Чем магнитные и наэлектризованные тела отличаются от "обычных" тел и друг от друга? И теория электромагнитного поля не могла быть создана до установления взаимосвязи электричества и магнетизма. Обращусь теперь к рассмотрению развития взглядов на природу электричества и магнетизма.

Представления о природе электричества и магнетизма в "эпоху невесомых"; период господства концепции дальнодействия.

Первоначально электрические и магнитные явления отождествлялись, так как было известно, что наэлектризованные тела, как и магнитные, лишь притягивают другие тела. Первая серьезная работа в области электричества и магнетизма принадлежит В. Гильберту (1600 г.), который, изучая магнитные явления, резко отграничивает их от электрических (магнитные свойства "вечны", электрические же можно возбудить и уничтожить, в отличие от электрических взаимодействий магнитные проявляются и как притяжения и как отталкивания; электрические слабее магнитных). Исследование электрических явлений пошло значительно быстрее после создания первого генератора электричества – электрической машины Отто фон Герике, бургомистра немецкого города Магдебурга, человека изобретательного ума, общественного деятеля, инженера и тонкого экспериментатора, который на шестом десятке лет после своих знаменитых опытов с "магдебургскими полушариями" занялся электричеством. Вращающийся шар из серы при трении о ладонь руки позволил Герике получать большие электрические заряды. Он обнаружил притяжение и отталкивание зарядов, электрическую искру, а также проводимость льняных ниток.

Спустя семь десятков лет голландским ученым Мушенбруком был получен новый источник больших электрических зарядов – первый конденсатор – лейденская банка. Желая зарядить воду в стеклянной банке, Мушенбрук опустил цепочку от генератора в сосуд с водой, а потом вынул ее. О том, что он при этом испытал, говорят слова из его сообщения: "Я думал, что пришел конец" и "не согласился бы подвергнуться еще раз такому испытанию даже за королевский трон Франции". Опыты с лейденской банкой,

вызывающие физиологическое действие электричества и сопровождающееся искровым разрядом, стали повторять очень многие и не только в лабораториях, но и при дворе, в аристократических гостиных. 700 взявшихся за руки парижских монахов, а в другой раз 180 солдат при дворе Людовика XV, содрогающихся от электрического разряда конденсатора, – таковы были первые цепи электрического тока, первые колебательные (в прямом смысле!) контуры.

Бенджамин Франклин (1706-1790), сын ремесленника, выдающийся американский борец за независимость Америки и равноправие негров, популярный писатель, обаятельный человек, занимался физикой всего семь лет, но сделал очень многое – с него начинается теоретическое осмысление электричества. Впервые в его работах появляются современные термины: "положительный" и "отрицательный" заряд, "разряд", "конденсатор" и т.д. По Франклину, электричество – это особая невесомая субстанция (флюид), состоящая из мельчайших отталкивающихся частиц и содержащаяся во всех телах. Избыток ее означает положительную электризацию, недостаток – отрицательную. Это представление оказалось очень плодотворным, так как многое объясняло: одновременную электризацию трущихся тел – переходом флюида от одного тела другому; проводимость – движением субстанции в проводниках; конденсацию в лейденской банке – накоплением флюида и т.д.

Вместе с этим возникают теории, в которых фигурируют два рода флюидов – положительный и отрицательный. Франц Эпинус, долгое время работавший в России, считал электричество и магнетизм разнородными явлениями (ведь магнит не притягивает электризованное тело) и ввел в физику понятие об особом магнитном флюиде. Соответствующие уровню науки того времени теории, основанные на представлениях об электричестве и магнетизме как особых жидкостях, господствовали много десятков лет, и в рамках их сформировались многие современные понятия: "количество электричества", "сохранение заряда", "электроемкость" и т.д.

Лишь М.В. Ломоносов настаивал на единстве электричества, магнетизма и света, считая, что все эти явления есть процессы, происходящие в эфире. Если Эпинус развивал ньютоновское представление о дальнодействии, то Ломоносов стоял на принципах, примыкающих к близкодействию, предвосхищая в своих догадках на 100 лет идеи Максвелла. Высказывания Ломоносова не получили широкой известности, и даже на родине они не были поняты и оценены.

Позиции дальнодействия укрепляются еще больше после открытия закона взаимодействия зарядов. Изучая проблемы кручения нитей, французский ученый Шарль Кулон (1736-1806) обнаруживает, что угол закручивания нити пропорционален моменту приложенных сил, и это наталкивает его на создание точнейших крутильных весов (с чувствительностью 10-7 г/град) для измерения сил по углу закручивания. С помощью этих весов он устанавливает закон взаимодействия зарядов и магнитных полюсов, характеризуемых так называемыми "магнитными массами" m. Открытые им законы поражали тем, что повторяли "по форме" закон тяготения Ньютона:

q1q2 m1m2

FЭЛ. = k и FМ = k`

r2 r2

(Как было не увериться еще раз в справедливости дальнодействия Ньютона!)

Начался XIX в., а понятия поля в физике еще не существовало и не только из-за господства дальнодействия, но и из-за незнания связи электричества и магнетизма. О связи между этими явлениями не знали потому, что изучали фактически области электро- и магнитостатики, а ведь электромагнетизм является динамическим эффектом, связанным с движением зарядов, т.е. с током. Но электрического тока как объекта изучения в физике еще не было, так как не существовало источника постоянного длительного тока – конденсатор же давал лишь кратковременный разряд. Начало изучения постоянного электрического тока связано с именами двух итальянских ученых – Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта.

Установление связи электричества и магнетизма как важнейший этап, подготовивший выдвижение идеи поля.

Луиджи Гальвани (1737-1798) – анатом по профессии. Случилось так, что при препарировании лягушек в его лаборатории кто-то привел в действие электрическую машину. В момент проскакивания электрической искры мышцы препарированной лягушки, к которой в это время прикасались скальпелем, стали сокращаться. Как было не заинтересоваться этим – может быть электричество оживляет организм? Гальвани вывешивал препарированные лапки лягушки на открытом воздухе, чтобы проверить, будет ли возникать эффект под действием атмосферного электричества во время грозы. Мышцы во время грозового разряда сокращались. Но к удивлению ученого, они сокращались и при ясной погоде. Причина была в том, что лапки подвешивались на медных крючках к железной ограде и при контакте разнородных металлов возникала разность потенциалов, вызывающая раздражение нервов и потому сокращение мышц.

Гальвани же сделал вывод о существовании "животного электричества", считая, что мышца и нерв есть своеобразная лейденская банка, источник электричества, замыкаемый проводником. Открытие Гальвани вызвало бурю страстей, сравнимую, по свидетельству современников, лишь с бурей, вызванной французской революцией. И не мудрено: если "оживают" ткани лягушек, так, может быть, можно воскрешать электричеством мертвых?

От искушения повторить опыты Гальвани не устоял и сорока шестилетний профессор А. Вольта (1745-1827), известный к этому времени ученый, изобретатель электрофора, талантливейший лектор, в аудиторию которого собирались не только со всей Италии, но и из других европейских стран. Он обратил внимание на то, что содрогание лапок лягушки наблюдается лишь тогда, когда нерв и мышцы соединяются разнородными материалами.

Первые опыты Вольта очень просты. Он брал две монеты из разных металлов и одну из них клал на язык, а другую – под него; при соединении их проволокой ощущался такой же вкус, как и при "пробовании на язык" проводов от известных в то время источников электричества. В результате ряда опытов Вольта убедился в том, что ткани организма не источник, а индикатор электричества, возникающего при контакте разнородных металлов. Так была открыта контактная разность потенциалов. Открыв контактное электричество, Вольта создает к 1800 г. первый источник постоянного тока – "вольтов столб", состоящий из стопы чередующихся цинковых и серебряных кружков, разделенных картонками, смоченными соленой водой. По его предложению получаемое таким образом, электричество называют гальваническим (в дань уважения к тому, чьи опыты натолкнули Вольта на открытия).

Создание длительно действующего источника электричества позволило начать изучение действий постоянного электрического тока. Прежде всего устанавливается химическое действие (сначала разложение воды на кислород и водород, а затем выделение из щелочи новых элементов Na и K – Дэви, 1808 г.). Обнаруживается и тепловое действие (нагревание проводников током, электрическая дуга, полученная в 1803 г. петербургским профессором В.В. Петровым, который построил самую большую в то время батарею из 2100 элементов). А с 1820 г. начинается целая цепь открытий, знаменующих появление новой области – электромагнетизма, и вплотную подводящих физику к понятию поля

1808 г. к причалу одного из французских портов едва добрался своим ходом полуразрушенный молнией военный корабль. На борт его поднялась комиссия, в состав которой входил Франсуа Араго, блестящий ученый, ставший в 23 года академиком, человек необычайного темперамента. Араго обратил внимание, что стрелки всех компасов были перемагничены в результате удара молнии. Подобных фактов к этому времени у Араго накопилось изрядное количество. Казалось бы, вывод о связи электричества и магнетизма напрашивается сам собой, но Араго не сумел его сделать: ведь электрическая природа молнии была не так давно доказана Франклином и это еще требовало осмысления.

Честь установления связи электричества с магнетизмом принадлежит датскому ученому Гансу Христиану Эрстеду (1777-1851). Диалектическая идея о взаимосвязи явлений, воспринятая Эрстедом из философии Гегеля, заставляла его целенаправленно искать связь между электричеством и магнетизмом. За несколько лет до своего открытия он пишет: "Следует испробовать, не производит ли электричество каких-либо действий на магнит". Но, видимо, он долго не смог понять, как проверить свою догадку.

15 февраля 1820 г. Эрстед на лекции демонстрировал нагревание проводника током. Вблизи установки находилась магнитная стрелка, и кто-то из наблюдательных студентов обратил внимание, что при прохождение тока стрелка поворачивалась (правда, это не единственная версия по поводу данного открытия). Эрстед тщательно изучил обнаруженный эффект и опубликовал о нем сообщение (21 июля 1820г.).

Ампер смело выступает против освященных десятилетиями традиционных взглядов. Эта смелость идет не только от оригинальности и широты мышления гения, но и в значительной мере от мировоззрения Ампера. Он – сторонник ньютоновского метода принципов, согласно которому незачем выдумывать излишних гипотез. Руководствуясь идеей общности в явлениях природы и принципом "природа не излишествует в причинах", он был против введения множества невесомых: "Разве надо для каждой новой группы. явлений придумывать специальный флюид!" Ампер видит задачу физики в том, чтобы "свести к минимуму число принципов, объясняющих физические явления". Его исходная идея о том, что все многообразие явлений взаимодействия магнитов, магнитов и токов можно свести к взаимодействию токов, означала устранение излишних гипотез и сведение многообразия к единой основе.

Явление электромагнитной индукции обнаружил раньше Фарадея Джозеф Генри, американский физик, который одним из первых начал изолировать не магнит от голого провода, а сам провод, обматывая его полосками шелка. Но Генри не сообщил о своем открытии, увлекшись опытами по созданию электромагнитов, и к тому же у него была и другая причина – его высокая требовательность: "хотелось свести полученные результаты в какую-то систему".

Фарадей же идет не на ощупь, он сознательно ищет эффект, подсказанный ему его общими взглядами на мир. Он варьирует ЭДС батареи, магниты, габариты и формы проводников, число витков в катушке. Очень общая первоначально идея постепенно конкретизируется. Уже в 1825 г. он высказывает мысль: если ток действует на магнит, то и сам ток должен испытывать противодействие со стороны магнита, но изменения тока в катушке при введении в нее магнита не обнаружилось (слабой была, конечно, возникшая в этом опыте ЭДС индукции),

Тогда Фарадей выдвигает другую мысль. Ток есть движение электрической жидкости, которая, перемещаясь по виткам соленоида, вызывает, по гипотезе Ампера, круговые токи в железном сердечнике, обусловливая его намагничивание. Тогда движущаяся жидкость в одном проводнике должна заставить двигаться электрическую жидкость в расположенном рядом проводнике, т.е. вызвать индукционный ток. Опыт с прямыми проводниками неудачен.

Фарадей узнает об открытом Генри усилении магнетизма при использовании многослойной обмотки и берет уже не прямые проводники, а катушки.

29 августа 1831 г. при замыкании цепи тока в одной из катушек стрелка гальванометра, включенного в цепь другой катушки, отклонилась, а затем вновь вернулась в исходное положение, хотя по первой катушке ток продолжал идти. Фарадей размыкает цепь первой катушки и опять наблюдает отклонение стрелки. Долгожданный эффект получился, но он кратковременный и связан не с прохождением тока, а с его изменением. Опыты продолжаются и в следующие дни. А может быть, чтобы возбудить длительный ток в катушке за счет тока в другой, рядом расположенной катушке, надо сблизить эти катушки? Фарадей перемещает их относительно друг друга и обнаруживает, что ток возникает, если катушки движутся. Около месяца идут дальнейшие поиски условий возникновения тока. А 24 сентября Фарадей возбуждает ток в катушке, манипулируя постоянным магнитом. 17 октября подобные опыты приводят к выводу: "Электрическая волна (ток) возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое". 28 октября Фарадей получает индукционный ток, снимаемый с оси и обода медного диска, вращаемого между полюсами подковообразного магнита. Эта установка представляет собой первый генератор электрического тока.

Такова очень приблизительная и упрощенная реставрация процесса установления Фарадеем явления электромагнитной индукции.

Теория Максвелла вводит в физику фундаментальнейшее понятие единого электромагнитного поля. "Теория, которую я предлагаю,– пишет Максвелл,– может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные тела; она может быть также названа динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электромагнитные явления". И далее: "Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит и окружает тела, находящиеся в наэлектризованном или намагниченном состоянии". Правда, здесь с современной точки зрения есть неточность: поле – это не часть пространства, а материальный объект, существующий в пространстве и времени. Есть и еще одно несоответствие идей Максвелла современным взглядам: поле у Максвелла – не самостоятельный объект, а процесс, происходящий в эфире, проявление эфира.

Лишь в дальнейшем в связи с созданием теории относительности, когда стало возможным устранение гипотезы эфира, поле было признано самостоятельно существующим видом материи, не нуждающимся в особом материальном носителе. Введение понятия поля как основного объекта, обеспечивающего все электромагнитные взаимодействия, акцент не на заряды и токи, а на "порожденное" ими поле означают окончательное утверждение в физике идеи близкодействия.

Принципиально новой чертой теории Максвелла, выражающей последовательное проведение идеи близкодействия, является то, что теория Максвелла исходит из признания конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Из этого вытекает то, что сигнал, испущенный источником, но не принятый еще приемником, живет самостоятельной жизнью как реальное образование, обладающее энергией, которая по Максвеллу, сосредоточена в поле. Энергия электромагнитного взаимодействия у Максвелла зависит от параметров поля (E и B). Это есть энергия поля, а не энергия зарядов и токов. Но энергия не может быть без материального носителя. Следовательно, поле является объективной реальностью.

Теория Максвелла по-новому поставила вопрос о взаимосвязи электричества и магнетизма. Их единство проявляется в том, что изменяющееся электрическое поле порождает магнитное, а изменяющееся магнитное порождает электрическое, т.е. электрическое и магнитное поля не есть некие самостоятельные сущности, а есть частные проявления единого электромагнитного поля, определяемые выбранной системой отсчета.

Теория Максвелла на основе понятия поля свела в единую систему все знания по электричеству и магнетизму. Она дала возможность, зная компоненты поля (E и B) в данной точке в данный момент времени, найти их значения в любой другой точке в любой другой момент времени, а зная характеристики поля, найти и силы, действующие на заряды и токи. Все законы электрических и магнитных взаимодействий, все законы тока, выведенные раньше, получаются из уравнений Максвелла как следствия.

Но значение теории не только в обобщении уже известного, из нее вытекает чрезвычайно много нового (кроме ранее сказанного).

Из решения уравнений вытекает, что электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде волн и скорость электромагнитных волн равна скорости света. Тем самым устанавливается не только существование нового объекта, но и выдвигается идея об электромагнитной природе света, а значит, устанавливаются единство оптики и электромагнетизма.

Открытие А.С. Попова вместе с опытами Герца явилось убедительнейшим доказательством того, что предсказанное в работах Фарадея и Максвелла электромагнитное поле есть субъективная реальность, а не гипотетический объект. Как же можно не верить в существование того, что человек не только воспроизвел в эксперименте, но и поставил себе на службу.

3. Принцип суперпозиции

Принцип суперпозиции – один из самых общих законов во многих разделах физики. В самой простой формулировке принцип суперпозиции гласит:

результат воздействия на частицу нескольких внешних сил есть просто сумма результатов воздействия каждой из сил.

Наиболее известен принцип суперпозиции в электростатике, в которой он утверждает, что электростатический потенциал, создаваемый в данной точке системой зарядов, есть сумма потенциалов отдельных зарядов.

Принцип суперпозиции может принимать и иные формулировки, которые, подчеркнём, полностью эквивалентны приведённой выше:

Взаимодействие между двумя частицами не изменяется при внесении третьей частицы, также взаимодействующей с первыми двумя;

Энергия взаимодействия всех частиц в многочастичной системе есть просто сумма энергий парных взаимодействий между всеми возможными парами частиц. В системе нет многочастичных взаимодействий.

Уравнения, описывающие поведение многочастичной системы, являются линейными по количеству частиц.

Именно линейность фундаментальной теории в рассматриваемой области физики есть причина возникновения в ней принципа суперпозиции.

Принцип суперпозиции является следствием, прямо вытекающим из рассматриваемой теории, а вовсе не постулатом, вносимым в теорию априори. Так, например, в электростатике принцип суперпозиции есть следствие того факта, что уравнения Максвелла в вакууме линейны. Именно из этого следует, что потенциальную энергию электростатического взаимодействия системы зарядов можно легко сосчитать, вычислив потенциальную энергию каждой пары зарядов (см. Рис.1).

Другим следствием линейности уравнений Максвелла является тот факт, что лучи света не рассеиваются и вообще никак не взаимодействуют друг с другом. Этот закон можно условно назвать принципом суперпозиции в оптике.

Подчеркнём, что электродинамический принцип суперпозиции не есть незыблемый закон Природы, а является всего лишь следствием линейности уравнений Максвелла, т. е. уравнений классической электродинамики. Поэтому, когда мы выходим за пределы применимости классической электродинамики, вполне стоит ожидать нарушение принципа суперпозиции.

Примеры нарушения электродинамического принципа суперпозиции

Если рассматривается электродинамика не в вакууме, а в какой-либо среде, то принцип суперпозиции может нарушаться. Так, например, если поляризуемость или намагниченность среды нелинейно зависят от приложенного поля, это приводит к нелинейным поправкам в уравнениях Максвелла. Прямым и неизбежным следствием этого является нарушение принципа суперпозиции в такой нелинейной среде.

В некоторых случаях эти нелинейности невелики, и принцип суперпозиции с некоторой степенью приближения может выполняться. В других случаях нарушение принципа суперпозиции велико и может приводить к принципиально новым явлениям. Так, например, два луча света, распространяющиеся в нелинейной среде, могут изменять траекторию друг друга. Более того, даже один луч света в нелинейной среде может воздействовать сам на себя и изменять свои характеристики. Многочисленные эффекты такого типа изучает нелинейная оптика.

Принцип суперпозиции нарушается также в вакууме при учёте квантовых явлений. В квантовой электродинамике фотон может на некоторое время превратиться в электрон-позитронную пару, которая уже может взаимодействовать с другими фотонами. Эффективно это приводит к тому, что фотоны могут взаимодействовать друг с другом. Такого типа процессы (рассеяние света на свете и другие процессы нелинейной электродинамики) наблюдались в эксперименте.

Отсутствие принципа суперпозиции в нелинейных теориях

Тот факт, что уравнения классической электродинамики линейны, является скорее исключением, чем правилом. Многие фундаментальные теории современной физики являются нелинейными. Например, квантовая хромодинамика – фундаментальная теория сильных взаимодействий – является разновидностью теории Янга – Миллса, которая нелинейна по построению. Это приводит к сильнейшему нарушению принципа суперпозиции даже в классических (неквантованных) решениях уравнений Янга – Миллса.

Другим известным примером нелинейной теории является общая теория относительности. В ней также не выполняется принцип суперпозиции. Например, Солнце притягивает не только Землю и Луну, но также и само взаимодействие между Землёй и Луной. Впрочем, в слабых гравитационных полях эффекты нелинейности слабы, и для повседневных задач приближённый принцип суперпозиции выполняется с высокой точностью.

Наконец, принцип суперпозиции не выполняется, когда речь идёт о взаимодействии атомов и молекул. Это можно пояснить следующим образом Рассмотрим два атома, связанных общим электронным облаком. Поднесем теперь точно такой же третий атом. Он как бы оттянет на себя часть связывающего атомы электронного облака, и в результате связь между первоначальными атомами ослабнет. То есть, присутствие третьего атома изменяет энергию взаимодействия пары атомов. Причина этого проста: третий атом взаимодействует не только с первыми двумя, но и с той "субстанцией", которая обеспечивает связь первых двух атомов.

Нарушение принципа суперпозиции во взаимодействиях атомов в немалой степени приводит к тому удивительному разнообразию физических и химических свойств веществ и материалов, которое так трудно предсказать из общих принципов молекулярной динамики.

4. Теория большого объединения и суперобъединения

Заветная мечта всех физиков – выявить универсальность всех фундаментальных сил, объединить все физические взаимодействия в одной теории. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие стало первым обнадеживающим успехом на этом пути. Есть попытки создать теорию Большого объединения (так называется теория объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий). Еще более грандиозна идея объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию. Соответствующие теоретические построения называют суперобъединением.

Сегодня физики считают, что они смогут создать эту теорию на основе появившейся недавно теории суперструн. Пионерами в создании этой теории явились М. Грин (Великобритания) и Дж. Шварц (США). Эта теория должна объединить все фундаментальные взаимодействия при сверхвысоких энергиях.

Эта новая теория описывает некие протяженные объекты – струны. Это – пространственно одномерные отрезки с характерным размером планковской длины 10-33см. Предполагается, что на таких малых расстояниях должны проявляться 6 дополнительных пространственных измерений, которые в отличие от обычных четырех измерений компактифицированы, то есть свернуты в точки, замкнуты, ограничены в определенных областях и не распространяются в область макромира.

Эта теория является следствием объединения квантовой теории поля с общей теорией относительности. Понятие струны в ней становится синонимом понятия микрочастицы или вообще локализованного в пространстве объекта. Все частицы, которые мы знаем и, может быть, откроем в будущем, представляют собой определенное возбужденное состояние струны. Такие возбужденные состояния струн можно сравнить с набором звуков, вызываемых колебанием струны, например, скрипки. Более высокие звуки можно сопоставить с новыми частицами, с массой, большей массы предыдущих частиц. Введение понятия струны полностью исключает точечные представления из структуры микромира, и по сути эта теория сводит физику к геометрии очень сложных пространств.

Теория суперструн тесно связана с новыми представлениями о симметрии – с концепцией суперсимметрии, открытой в 60 – 70-х гг., которая связала между собой бозоны и фермионы. Преобразования суперсимметрии переводят их друг в друга, а также связывают физику с геометрией.

Согласно этой теории, фундаментальным объектом современной физики является квантованное супершрунное поле, возбуждениями которого являются суперструны, взаимодействующие друг с другом и с вакуумом (возникающие и поглощающиеся в нем). Струны же в свою очередь порождают элементарные частицы.

Теория суперструн ведет к некоторым нетривиальным следствиям. Так, среди порожденных струнами элементарных частиц должны быть по расчетам гипотетические частицы тахионы – движущиеся со скоростью, большей скорости света. Как следствие этой теории возникает и представление о "теневом" мире – объяснение открытого астрономами факта, что галактики и скопления галактик содержат большую массу невидимого вещества, в десятки раз превосходящую массу самих галактик.

Литература

1. Дягилев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов: Кн. Для учащихся. – М.: Просвещение, 1986

2. Кабардин О.Ф. Физика: Справ. Материалы: Учеб. Пособие для учащихся. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 1991

3. Симанов А.Л. Методологические и теоретические проблемы неклассической физики // Гуманитарные науки в Сибири. – 1994. – № 1. – С. 9-14.

4. Симанов А.Л. Космомикрофизика: теория и реальность (методологические аспекты) // История, филология и философия. – 1991. – №. 2. – С. 39-43

5. Готт В.С. Философия и прогресс в физике М.: Просвящение 1990