Концепции взаимодействия: близкодействие и дальнодействие

Любой объект находится в постоянном взаимодействии с окружением. Существуют четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. А различные формы движения, которые изучаются в физике, есть следствия этих фундаментальных взаимодействий.

Сегодня мы понимаем, что любые взаимодействия могут происходить лишь с помощью неких физических посредников. Это происходит из-за того, что скорость передачи взаимодействия не может быть больше, чем скорость света. Таким образом, если частица участвует в каком-то фундаментальном взаимодействии, то существует и некая частица, которая переносит это взаимодействие.

Дальнодействие. После открытия закона всемирного тяготения И. Ньютоном, а затем закона взаимодействия зарядов Ш. Кулоном появилось непонимание, как физическим телам, обладающим массами, удается воздействовать друг на друга в пустом пространстве на больших расстояниях и как удается заряженным телам взаимодействовать друг с другом через электрически нейтральную среду.

Ответ появился только тогда, когда в физику вошло понятие «поле». До этого считалось, что взаимодействие между телами происходит в пустом пространстве, которое не принимает участия в передаче взаимодействий, и передача взаимодействий имеет бесконечно большую скорость. Авторство такого представления о взаимодействии принадлежит Р. Декарту, оно получило название дальнодействия. Это представление продержалось почти до конца XIX в.

Что касается гравитационного взаимодействия, то причина, по которой принцип дальнодействия так долго оставался актуальным, заключалась в том, что макроскопические тела слишком слабо взаимодействуют друг с другом (величину этого взаимодействия можно оценить с помощью закона всемирного тяготения И. Ньютона). Его слишком сложно было обнаружить. Экспериментальных данных не было до того, как британский физик и химик Генри Кавендиш (1731 — 1810) сумел провести наблюдения над гравитационным взаимодействием в лабораторных условиях.

Близкодействие. А вот взаимодействиям между заряженными телами можно было довольно просто измерить и проверить закон Кулона. Очень скоро выяснилось, что электрические заряды взаимодействуют друг с другом не мгновенно. А в дальнейшем было выяснено, что это взаимодействие передается с помощью электромагнитного поля и равно скорости света в среде, в которой находятся взаимодействующие заряды.

Взаимодействия, которые происходят не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью, называются близкодействующими.

Иными словами, взаимодействие передается через посредника — электромагнитное поле, а скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света. Это составляет суть концепции близкодействия.

Физическое поле

Как уже отмечалось ранее, сначала ученые считали, что перенос взаимодействия обеспечивается эфиром. Затем, благодаря развитию теории электромагнетизма, возникла концепция физических полей, одним из которых было электромагнитное поле. Какое-то время идея эфира и поля существовали совместно, но наступил момент, когда они разошлись полностью. Понятие «эфир» стало неактуальным, так как физически содержательная часть эфира перешла к полю.

Физические поля трактуются как распределенные динамические структуры, обладающие бесконечным числом степеней свободы.

При переходе в микромир появилась квантовая теория поля. Сегодня всю физическую реальность на фундаментальном уровне представляют сводящейся к небольшому количеству взаимодействующих (квантованных) полей. Если для классических нолей роль нолевых переменных играют потенциалы (скалярный, векторный, тензорный), то для квантованных полей эту роль выполняют соответствующие операторы.