2. Физические характеристики идеальных объектов и представление о способах их описания ( масса; заряды и их действие на расстоянии; заряды как источники полей; «свободные» поля, суперпозиция полей)
Важнейшей физической характеристикой реальных тел является масса. Современное естествознание различает инертную и гравитационную массы. Различие этих масс на современном уровне развития науки компенсируются принципом эквивалентности. Галилей в опытах с использованием наклонной плоскости открыл явление падения всех тел на Земле с одинаковым ускорением. Масса связана с весом тела, но вес зависит от массы того тела, к которому притягивается масса данного тела. Вес не может служить коэффициентом пропорциональности между силой и ускорением, поэтому ввели понятие инертной массы М, характеризующей «нежелание» тела сдвинуться с места. Масса не зависит от направления движения (это многократно проверялось экспериментально) и с погрешностью до 10-9 является скалярной величиной.
Ньютон связал понятия массы и веса тела. Он предположил, что Луна падает на Землю так же, как камень или яблоко, но с ускорением во столько раз меньшим, во сколько квадрат земного радиуса меньше квадрата расстояния между центрами Земли и Луны. Гипотеза зависимости притяжения между точечными массами от квадрата расстояний возникла из геометрической аналогии. Поскольку Луна находится на расстоянии r от Земли в 60 земных радиусов R, а период ее обращения Т = 27,3 сут = 2,36 • 106 с, Ньютон оценил отношение ускорений Луны Wc и камня g как 1/3600. Так как g = 9,8 м/с2, центростремительное ускорение Луны
т.е. g примерно в 602 раз больше ускорения Луны. Итак, сила тяготения, действующая со стороны Земли на яблоко или камень, находящийся на орбите Луны, уменьшится в 3600 раз, что и соответствует отношению квадратов расстояний. Значит, сила тяготения между двумя телами должна убывать обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. В расчетах принято, что небесные тела взаимодействуют так, как будто вся их масса сосредоточена в центре масс. Доказать это строго Ньютон сумел лишь через 20 лет с помощью созданного им интегрального исчисления. Ньютон провел серию опытов с маятниками разной массы для повторения опытов X. Рена и Э. Мариотта по удару и убедился, что свинцовый и деревянный шары падают с одинаковыми ускорениями. Земля одинаково действует на оба шара. Но если действие измерять не ускорением, а силой, удерживающей шары в равновесии на весах, то ее влияние на свинцовый шар будет больше, чем на деревянный. Такое влияние Земли на каждое тело можно выражать тяжестью, измеренной на весах, путем сравнения с тяжестью тела, принятой за единицу. И он ввел понятие силы F = m a, как меры действия одного тела на другое, отождествляя вес с силой действия, оказываемого на него Землей. Далее Ньютон указал, что, если бы вокруг Земли вращалось несколько лун, то все они двигались бы под действием аналогичной силы и их движение определялось бы законами Кеплера. Затем Ньютон перешел к изучению других планет и планетных систем (это определение он ввел после открытия спутников у Юпитера и Сатурна), считая, что силы тяготения должны иметь одну природу и у поверхности Земли, и в космосе.
Инертная масса определена динамически: прикладывается известная сила, измеряется ускорение и из формулы F = m a выводится масса m. В законе тяготения гравитационную массу определяют статически: измеряют силу взаимодействия между двумя телами, расположенными на определенном расстоянии. У Ньютона масса — единственная причина гравитационного взаимодействия. Галилей пришел к выводу о пропорциональности гравитационной и инертной масс, история науки говорит, что будто бы сбрасывая тела с высоты.
Ньютон не объяснил причину этой пропорциональности; она следует из опытов Галилея: все тела на Земле падают с одинаковым ускорением. Тот факт, что никогда не было обнаружено различия инертной и гравитационной масс, наводит на мысль, что тяготение может быть эквивалентно ускорению. Эйнштейн истолковал этот эффект как истинную природу тяготения и положил его в основу ОТО, возведя равенство масс в принцип эквивалентности. В соответствии с ним, для наблюдателя в свободно падающем лифте законы физики такие же, как и в инерциальных системах отсчета СТО — действия ускоренного движения и силы тяжести полностью взаимно уничтожаются. «Невесомость» человека в спутнике — проявление принципа эквивалентности. А поиски следствий из этого принципа приводят к ОТО.
Масса является мерой инертности тел и позволяет осуществить описание ·гравитационных взаимодействий. Но в природе существуют также поля других типов. Например, электромагнитное поле, которое обуславливает широкий ряд явлений в природе и создает условия для практического использования их человеком в своих интересах.
Если вычислить силу гравитационного притяжения между электроном и протоном, находящимися на расстоянии, равном радиусу атома водорода, то получается следующий результат:
F= Gmp ·mn /R2 = 3,61 · 10 -47 Н.
Но между электроном и протоном действует еще одна сила притяжения равная 8,19 · 10 -8 Н, которая намного больше гравитационной силы, но также подчиняется закону обратных квадратов. Эту силу называют электрической или электростатической. Учитывая, что обычные тела состоят из большого числа электронов, протонов и нейтронов, возникает компенсация сил электрического взаимодействия, а в реальности макромира проявляется гравитационное взаимодействие тел.
Источником гравитационного взаимодействия является гравитационная масса. Аналогично источником электрического взаимодействия является электрический заряд. Электрический заряд – это мера электрического взаимодействия между заряженными телами. Заряд может быть как положительным, так и отрицательным. Заряды противоположных знаков притягиваются, а одноименные заряды отталкиваются.
Эксперименты показывают, что ни у одной из заряженных частиц не может быть заряда меньше заряда протона или электрона. Этот .элементарный заряд равен 1,6 · 10 -19 кулона (К). Заряженные тела могут иметь лишь заряд равный кратному целому элементарному заряду. Это означает, что в отличие от массы заряд является квантованной величиной.
В 1747 г. Франклином был сформулирован закон сохранения заряда, который утверждал, что в замкнутой системе полный заряд остается постоянным. Этот закон не нарушается и в процессе аннигиляции заряженных частиц.
Электрические взаимодействия описываются законом Кулона, если рассматриваются точечные заряды на расстоянии r. Он гласит: сила, действующая между двумя точечными зарядами (частицами), пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна расстоянию между ними:
F = k0 · q1 · q2 /r 2 , где k0 - коэффициент пропорциональности. В системе СИ обычно записывают, что k0 = 1/ 4 π ε0 (k0=9 · 10 9 Н · м2/ Кл2.
Понятие электрического заряда введено для характеристики свойства тел притягивать или отталкивать другие тела. При этом материальной основой такого типа взаимодействия является электрическое поле, создаваемое свободными электрическими зарядами, т.е. заряженными элементарными частицами или наэлектризованными телами. Явление суперпозиции полей обусловлено их взаимным усилением или ослаблением в отдельных участках пространства.
Если рассматривать несколько заряженных тел, то возникает вопрос о том, какое значение будет иметь сила электрического взаимодействия? Решить эту проблему можно путем сложения сил электрической природы, действующих на исследуемый заряд со стороны других заряженных тел. Такой подход получил название принципа суперпозиции. Пока не найдено более фундаментальных соображений для его объяснения, но существуют достоверные экспериментальные подтверждения достоверности этого принципа.
Принцип суперпозиции полей позволяет дать графическое представление об их расположении в пространстве и результатах их взаимодействия. Современная физика основывается на теории близкодействия, согласно которой электромагнитные и другие поля распространяются в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света. Представление о конечности скорости распространения полей лежит в основе специальной теории относительности.
Рассматривая случай электростатического поля, которое создается покоящимися электрическими зарядами, вводят понятие напряженности поля E =F / q, где F- сила, действующая на положительный заряд q в данную точку поля. Напряженность электрического поля в некоторой точке совпадает по направлению с силой, действующей на единичный положительный точечный заряд (пробный заряд). При этом считается, что пробный заряд не искажает того поля, которое с его помощью изучается, и пренебрегают собственным его электрическим полем.
Для графического описания электрического поля используют силовые линии, которые представляют собой воображаемые линии, касательные в каждой точке к которым совпадают с направлением вектора напряженности Е в этой точке поля. Силовые линии электростатического поля нигде не пресекаются, являются не замкнутыми и имеют начало на положительных зарядах, а окончание на отрицательных.
Рис.4. Силовые линии поля
Каждый электрический заряд независимо от других зарядов создает собственное электрическое поле. В каждой точке пространства происходит наложение полей, которое называют суперпозицией. Принцип суперпозиции полей гласит: напряженность электрического поля системы зарядов N равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из них в отдельности: Е=Е1 +Е2 + Е3 +…..+ ЕN = ∑Ni=1 Еi , где N – произвольное положительное целое число. Если данная система электрических зарядов создает поле в среде с определенной диэлектрической проницаемостью, то напряженность поля меньше в ε раз, где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды. В вакууме ε=1.
Естествознание не только выделяет типы материальных объектов во Вселенной, но и раскрывает связи между ними. Связь между объектами в целостной системе более упорядочена, более устойчива, чем связь каждого из элементов с элементами из внешней среды. Чтобы разрушить систему, выделить из системы тот или иной элемент, нужно приложить к ней определенную энергию. Эта энергия имеет разную величину и зависит от типа взаимодействия между элементами системы. В мегамире эти взаимодействия обеспечиваются гравитацией, в макромире к гравитации добавляется электромагнитное взаимодействие, и оно становится основным, как более сильное. В микромире на размерах атома проявляется еще более сильное ядерное взаимодействие, обеспечивающее целостность атомных ядер. При переходе к элементарным частицам энергия внутренних связей становится сравнимой с собственной энергией частиц — слабое ядерное взаимодействие обеспечивает их целостность. Так что чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой элементы.
История науки знает множество попыток представить сложные процессы во Вселенной в виде определенных схем. Успешное познание окружающего мира и приведение наблюдаемых явлений к простейшим понятиям возможны лишь в том случае, если бы мы сумели описать мир в терминах ограниченного числа фундаментальных частиц и нескольких типов фундаментальных взаимодействий, в которые они могут вступать. В настоящее время все взаимодействия в природе сводят к четырем типам: гравитационные, электромагнитные, сильные ядерные и слабые ядерные.