Развитие представлений о материи – это непрерывная борьба двух противоположных теорий: концепции непрерывности и концепции прерывности, дискретности. В античной  истории  — это  стихии милетской  натурфилософии и эфир Аристотеля, с одной стороны, и атомы Демокрита и Лукреция Кара, с другой.  В  XVII в. Р. Декарт утверждает, что нет пустого пространства.  Протяжённые тела заполняют всё пространство, нигде не оставляя пустых промежутков; взаимодействие тел происходит путём контакта. Все материальные частицы космоса находятся в постоянном вихреобразном движении. Декартовская ( картезианская) физика объясняла  планетарную  систему существованием эфирных ветров. Всё мировое пространство заполнено эфиром, который находится в  вихреобразном движении. Эфирные ветры увлекают планеты, все планеты вращаются. Но вихри Декарта не объясняли законов Кеплера – связь квадратов радиусов орбит и кубов периодов вращения планет, не позволяли  вычислить период обращения и т.д. Это сделал И.Ньютон.  Он предположил, что падение камня на Землю и падение Луны, а также вращение планет вокруг  Солнца объясняется одной и той же силой.

Сила тяготения между двумя массами обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами масс. Ньютон указывает, что сила тяготения не является физической силой,  это сила математическая, то есть гравитация не является, по  Ньютону, атрибутом материи. Закон всемирного тяготения – закон интегральный. Сила не зависит от времени, она является дальнодействующей, то есть сила притяжения двух масс действует между ними мгновенно, через любое пространство, независимо от среды, заполняющей пространство между телами. Мгновенное  взаимодействие предполагало бесконечно большую скорость передачи силового воздействия.                                    

В 1785г.французский физик Шарль  Кулон (1736 – 1806г.г.) открыл закон электростатики, очень похожий на закон  гравитации, тоже не зависящий от времени Внешне похожая на силу гравитации, сила взаимодействия  двух зарядов оказалась не только силой притяжения, но и силой отталкивания.  Кроме того, вокруг заряженного тела обнаружилось пространство сил – в каждой точке пространства на пробный заряд действовала сила! Появилось пространство сил!

В 1820г. датский физик Ханс Эрстед (1777 –1851г.г.) обнаружил магнитное действие тока – вокруг провода с током в пространстве действовали силы, вращающие магнитную стрелку. Опять пространство  сил!   

В  30-х годах Майкл Фарадей (1791-1867г.г.) ввёл понятие  поля – пространства, заполненного  силами, для описания  которых предложил силовые линии. Силовые линии электрического поля исходят из положительного заряда и входят в отрицательный заряд. Каждая точка электростатического поля характеризуется напряжённостью поля – силовая  характеристика — и потенциалом – энергетическая характеристика. Силовые линии  поля неподвижных зарядов имеют начало и конец, поле является потенциальным. Силовые линии магнитного поля замкнуты,  источников магнитного поля в природе не существует, магнитное поле создаётся движущимися  зарядами  (токами)  или  переменными электрическими полями. Магнитное  поле имеет вихревой характер. Электрические и магнитные взаимодействия  осуществляются посредством полей, от точки к точке непосредственно, с конечной скоростью, которая зависит от  диэлектрической и магнитной проницаемостей промежуточной среды.

В 1855 — 65г.г. английский физик Джеймс Клерк  Максвелл (1831-1879г.г.) создал теорию электромагнитного поля, которую он  сформулировал в виде системы уравнений, связывающих электрические  и магнитные явления.

Из закона Фарадея следует, что любое изменение сцепленного с контуром магнитного потока приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) индукции, и вследствие этого появляется индукционный ток. Следовательно, возникновение ЭДС электромагнитной индукции возможно и в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Однако ЭДС в любой цепи возникает только тогда, когда в ней на носителей тока действуют сторонние силы, т.е. силы неэлектростатического происхождения. Поэтому возникает вопрос о природе сторонних сил. Они не   связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами в контуре; их возникно­вение нельзя также объяснить силами Лоренца, так как они на не­подвижные заряды не действуют. Дж. Максвелл высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Согласно представлению Максвелла, контур, в котором появляется ЭДС, играет второстепенную роль, являясь своего рода лишь "прибором", обнаруживающим это поле. Электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым.

Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения, обладающий способностью создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Ток смещения в вакууме не связан с движением зарядов, а обусловливается только изменением электрического поля во времени и вместе с тем возбуждает магнитное поле — в этом заключается принципиально новое утверждение Максвелла.

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.

В стационарном случае, когда электрическое и магнитное поля не изменяются во времени, источниками электрического поля являются только электрические заряды, а источниками магнитного — только токи проводимости. В данном случае электрическое и магнитное поля не зависимы друг от друга, что и позволяет изучать отдельно постоянные электрические и магнитные поля. Уравнения Максвелла — наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. В учении об электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле связано с порождаемым им магнитным, то есть  электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом — они образуют единое электромагнитное поле.  Максвелл обнаружил новые свойства  электромагнитного поля – поле может отрываться от своего источника и распространяться свободно в пространстве со скоростью, равной  скорости света. Отсюда  его предположение о том, что свет – это один из видов электромагнитного излучения.

Идея  свободно перемещающегося электромагнитного поля, оторвавшегося от своего источника,  казалась абсурдной и понадобились годы и опыты, в которых этот  «абсурд» подтверждался. Это опыты  Генриха Герца (1857-1894г.г.) по исследованию электрических разрядов.

Мгновенное  дальнодействие  теперь заменено  передающимся с конечной скоростью от точки к точке близкодействием. Электромагнитное поле – непрерывная реальность. Эйнштейн по этому поводу писал: « Стало ясно, что в физике произошло нечто весьма важное. Было создано новое понятие – поле…Для современного физика электромагнитное поле столь же реально, как и стул, на котором он сидит». Абсолютная дискретность (атом, заряд) перешла в чистую непрерывность поля. Наука вышла на такой уровень изучения объектов реальности, что уже недостаточно наглядных  образов. Изучаемые  объекты настолько качественно своеобразны,  что их основные свойства не одинаковы со свойствами объектов,  непосредственно воспринимаемых человеком  (человек не видит рентгеновские лучи, не слышит ультразвук и т.д. – это не значит, что они не существуют). Природа новой объективной реальности может быть описана лишь на математическом языке уравнений.          Теория  гравитационного дальнодействия   также  получила объяснение в теории близкодействия — теории   потенциального  гравитационного  поля,  источником которого являются массы тел.  А  в ядерной физике  для  объяснения существования нуклонов в ядрах атомов рассматривается ещё одно физическое поле – ядерное.

Вещество перестало быть единственным представителем материи. Материя существует в трёх фундаментальных видах: атомистичного вещества и непрерывного поля, а также в Виле физического вакуума, которое можно определить как поле с нулевой энергией.

Поле и вещество как виды материи  обладают энергией обязательно, импульсом, массой. Вещество имеет массу покоя, у поля  масса покоя отсутствует. Скорость тела всегда меньше скорости света, а поля распространяются со скоростью, численно равной скорости света.  Вещество дискретно, состоит из атомов, поле непрерывно. Вещество мало проницаемо, электромагнитное  и гравитационное поле очень проницаемы.

На  уровне микромира  стираются границы между веществом и полем : частицы обладают волновыми свойствами, а  непрерывное поле  распадается на кванты.

По современным представлениям любое взаимодействие тел или обмен энергией происходит через одно из четырех фундаментальных полей. Взаимодействие через любое поле происходит за счет  обмена виртуальными  частицами — квантами поля. У каждого поля имеются свои особые кванты поля, переносчики взаимодействий.

Согласно общей теории относительности, источниками гравитационного поля являются масса или энергия, а также импульс и поток массы. Переносчиком гравитационного взаимодействия является частица — гравитон (гравитино), масса покоя которой равна нулю. Скорость распространения частиц этого поля равна скорости света. Радиус действия поля равен бесконечности.

Поле слабых сил. Переносчиком взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны:  W ⁺, W ^- и Z.  Масса покоя этих частиц довольно велика. Радиус действия сил поля имеет порядок   10^{-15 м.}

Поле ядерных сил. Переносчиками взаимодействия являются глюоны. Радиус действия сил поля примерно равен 10^{-13 см.}

Электромагнитное взаимодействие. Переносчиками взаимо­действия является квант электромагнитного поля — фотон. Масса покоя фотона равна нулю. Скорость движения всегда равна скорости света. Радиус действия сил поля — бесконечность.

В повседневной жизни и технике мы чаще всего встречаемся с различными видами электромагнитных взаимодействий: силы упругости, трения, силы наших мышц и мышц различных животных и т.д.

Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас многообразные предметы и тела, так как свет — одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без сил электромагнитной природы. Живые существа и даже чело

век, как показывают полеты космонавтов, способны длительное время находиться в состоянии невесомости, когда силы всемирного тяготения заметно не проявляются. Но если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы (химическая связь) и образование из вещества тел различной формы определяются исключительно электромагнитным взаимодействием.

Теория Максвелла и ее экспериментальное подтверждение приводят к единой теории электрических, магнитных и оптических явлений, базирующейся на представлении об электромагнитном поле.

Согласно электромагнитной теории Максвелла:  _, где c  и  V — соответственно скорости распространения света в вакууме и в среде с диэлектрической проницаемостью e и магнитной проницаемостью m;   n  - показатель преломления.

Данное соотношение связывает оптические, электрические и магнитные постоянные вещества. По Максвеллу  e  и  m — величины, не зависящие от длины волны света, поэтому электромагнитная теория не смогла объяснить явление дисперсии (зависимость показателя преломления от длины волны). Эта трудность была преодолена в конце XIX в. Х.А. Лоренцем (1853 — 1928), предложившим электронную теорию, согласно которой диэлектрическая проницаемость зависит от длины волны света. Теория Лоренца, основанная на предположении о колебаниях электронов внутри атома, позволила объяснить явления испускания и поглощения света  веществом.

Световые волны занимают лишь небольшой интервал шкалы электромагнитных волн.  Они охватывают диапазон от 380 до 770 нм  (1 нм =  10^-9м).

10^{-4 м               10-3 м          8*10-7 м      4*10-7}              10^{-8 м                   10-11}  м               10^{-13 м}    

Шкала электромагнитных волн

Всё окружающее нас пространство пронизано электромагнитным излучением. Солнце, окружающие нас тела, антенны радиостанций и телевизионных передатчиков испускают электромагнитные волны, которые в зависимости от частоты, носят разные названия: радиоволны (РВ), инфракрасное излучение (ИК), видимый свет (В), ультрафиолетовое излучение (УФ),  рентгеновские лучи (РЛ),  гамма-излучение ().

В отличие от механических волн, которые распространяются в веществе (газе, жид- кости или твердом теле), электромагнитные волны могут распространяться и в вакууме.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1)  Что понимается под физическим полем?

2)  Каковы специфические особенности гравитационного поля?

1) Каковы особенности поля слабых сил?

2) Каковы особенности поля ядерных сил?

3) Каковы   характеристики   электромагнитного   взаимодействия   и его роль?

4) Каково содержание гипотезы Максвелла о вихревом поле?

7)  Каковы  источники  электрических  и  магнитных  полей  по   Максвеллу?

8)  Что говорит теория Максвелла об электромагнитной волне?

9)  Каков диапазон электромагнитных волн?

10) Какие волны называются световыми?

11) Чем поле отличается от вещества?

12) В чём смысл дискретности физических полей?

13)  Каковы кванты физических полей?

14)  Почему несостоятельна теория  дальнодействия?