Физика в технике - Г. Покровский

Опыты Герца, в результате которых были открыты электромагнитные волны, явились блестящим подтверждением наличия электромагнитного поля Фарадея — Максвелла.

Однако существование в окружающем пространстве мировой среды (эфира) должно каким-то образом проявляться при движении в нем материальных тел. Для этого в начале XX века был проведен ряд экспериментов по обнаружению «эфирного ветра».

Опыты Физо и Майкельсона — Морли были попыткой обнаружить «эфирный ветер» при движении Земли вокруг Солнца, однако они дали отрицательные результаты, что послужило основанием для отказа от гипотезы о существовании эфира. Таким образом, представление об электромагнитном поле как об особом состоянии эфира было заменено новым представлением: электромагнитное поле стало рассматриваться как особая форма существования материи.

В настоящее время теоретическая физика изучает различные типы физических полей: электромагнитное, гравитационное (или поле тяготения), мезонное, электронно-позитронное и др.

В современном представлении физические поля и «элементарные» частицы — электроны, протоны, нейтроны, различные типы мезонов — и другие частицы имеют много общего.

«Элементарные» частицы, по квантовой теории поля, суть кванты, т. е. «возбужденные» состояния соответствующего поля.

Любое состояние поля характеризуется его энергией, и в зависимости от величины этой энергии можно говорить о том или ином состоянии поля. Следует заметить, что возможны не любые состояния поля, а только вполне определенные, дискретные состояния, причем «возбужденные» состояния поля есть состояния с большей энергией.

Как говорилось выше, «элементарные» частицы являются квантами того или иного физического поля. Так, например, электроны являются квантами электронно-позитронного поля, фотоны — квантами электромагнитного поля и т. д.

Проявление квантовых особенностей различно для различных типов полей. Если кванты электромагнитного поля могут возникать в каком угодно количестве, причем их может возникнуть как четное, так и нечетное число, то кванты электронно-позитронного поля возникают только парами: одновременно с возникновением электрона возникает и позитрон, электрический заряд которого противоположен заряду электрона.

Скорости распространения взаимодействий для различных типов полей также различны. В то время как кванты электромагнитного поля (фотоны) распространяются со скоростью света (300 000 км/сек) и имеют массу покоя, равную нулю, кванты мезонных полей, обладая отличной от нуля массой покоя, распространяются с гораздо меньшей скоростью.

Поле, в котором отсутствуют кванты (т. е. поле, имеющее некоторую минимально возможную «наинизшую» энергию), называют «нулевым» полем или вакуумом. Таким образом, вакуум представляет собой вполне определенное состояние поля и вовсе не является абсолютно пустым пространством.

Построить полную и законченную теорию взаимодействующих полей очень трудно, и эта задача в настоящее время еще не завершена.

Над созданием единой теории поля работали такие выдающиеся (физики, как А. Эйнштейн и В. Паули.

В настоящее время в теоретической физике возникло и с успехом развивается новое направление, ставящее целью построить единую теорию поля, основываясь па так называемых «самодействиях», т. е. взаимодействиях некоторой «праматерии», как ее условно называют физики, самое с собой. Это направление получило название нелинейной теории материи. В разработке и построении такой теории принимают участие известный физик, один из основоположников ква, нто, вой механики В. Гейзенберг, советские физики Д. Д. Иваненко, А. М. Бродский и другие.

Успехи, достигнутые за короткое время при разработке и построении этой теории (были теоретически получены массы почти всех «элементарных» частиц; показана необходимость введения некоторой минимально возможной «элементарной» длины, характеризующей структуру любого типа поля и в том числе вакуума и являющейся по существу границей тех закономерностей в микромире, которые еще могут описываться современной квантовой физикой), позволяют надеяться, что рано или поздно будет создана единая «нелинейная» теория материи и тем самым будет сделан еще один шаг на пути познания бесконечно разнообразного в качественном и количественном отношениях окружающего нас мира.

Теория относительности и ускорители частиц

Теория относительности, которая изучает законы движения материальных тел в пространстве и во времени, и квантовая механика, описывающая микромир с его особенностями, взаимно дополняют друг друга и являются теми инструментами, при помощи которых наука открывает новые законы и глубже познает природу.

В повседневной жизни мы встречаемся с чрезвычайно разнообразными процессами и явлениями, скорость протекания которых различна. Известно, что развитие животных и растений происходит в течение месяцев, лет и десятков лет. Но в природе существуют процессы, длительность которых измеряется миллионными и даже миллиардными долями секунды.

Так, электрическая искра, возникающая при разряде конденсатора, «живет» от долей микросекунды до нескольких сотен микросекунд, а время «жизни» некоторых «элементарных» частиц может составлять 10−14—10−15 секунды.

До появления приборов, с помощью которых можно было измерять такие малые промежутки времени, люди пользовались законами, справедливыми для небольших (по сравнению со скоростью света) скоростей. Вся классическая физика, и в частности механика, строилась на предположении о независимости хода процессов в материальной системе от скорости этой системы относительно других систем.

Принцип относительности Галилея, заключающийся в том, что никакими механическими опытами нельзя обнаружить равномерное и прямолинейное движение системы, в которой находится наблюдатель, утверждал, что при сложении двух одинаково направленных скоростей v1 и v2 результирующая скорость равна v1 + v2. Однако, как выяснилось впоследствии, дело обстоит гораздо сложнее: при скорости v, соизмеримой со скоростью света с, действует иной закон сложения скоростей, а именно:

Подсчитаем результирующую скорость, гели v1 =v2=с. В этом случае

т. е. результирующая скорость также равна скорости света с. Но не противоречит ли полученный результат здравому смыслу? Почему же в действительности справедлив новый закон, а не старый?

Чтобы ответить на этот вопрос, следует вспомнить опыты Майкельсона, в результате которых удалось сделать поистине парадоксальный вывод: скорость света является абсолютно постоянной в любых движущихся материальных системах. Опыт Майкельсона иллюстрируется рис. 5.

Луч света от источника падает на полупрозрачное зеркало 3, где делится на два луча.

Луч, отраженный от зеркала, дойдя до отражателя О1 возвращается по тому же пути обратно и попадает на экран. Луч, прошедший через зеркало, дойдя до отражателя O2, возвращается к зеркалу, отражается от него и попадает на экран.

Таким образом, на экран падают одновременно два луча, колебания в которых имеют одну и ту же частоту и одинаковый сдвиг фаз. На экране можно наблюдать сложение (интерференцию) этих двух лучей в виде чередующихся светлых и темных полос.

Если бы существовал абсолютно неподвижный и неувлекаемый мировой эфир, то при движении Земли вокруг Солнца существовал бы «эфирный ветер».

В этом случае луч света, движущийся по направлению движения Земли, имел бы меньшую скорость, чем луч света, движущийся в противоположную сторону. Это должно было бы привести к изменению (смещению) интерференционных полос на экране при повороте всей системы относительно направления движения Земли.

Опыт показал, что никакого смещения интерференционных полос при вращении всей установки (при этом плечи I и II менялись местами) не произошло. Таким образом было доказано, что скорость света в движущейся системе постоянна и не зависит от скорости самой движущейся системы.

Наблюдение Де Ситтера за движением двойных звезд также доказало тот факт, что скорость света всегда постоянна.

Из этого сделали вывод, что постоянство скорости света — закон природы, его следует принимать во внимание и строить на нем теорию объективно существующего физического мира.