Корпускулярное и континуальное описание природы

Атомизм древних и классической механики

Сдревнейших времен существовали два противоположных представления о структуре материального мира.

1. континуальная концепция Анаксагора–Аристотеля — непрерывности, внутренней однородности, «сплошности». Материю согласно этой концепции можно делить до бесконечности? и это является

критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя не оставляет пустоты внутри себя.

2. атомистическая (корпускулярная) концепция Левкиппа–Демокрита — было основано на дискретности

пространственно_временного строения материи, «зернистости» реальных объектов и отражало уверенность человека в возможность деления материальных объектов на части лишь до определенного предела — до атомов, которые в своем бесконечном разнообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются

различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира.

При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Таким образом, корпускулярный мир Левкиппа–Демокрита образован двумя фундамен!

тальными началами — атомами и пустотой, а материя при этом обладает атомистической структурой. Атомы, по мнению древних греков, не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из бесконечности времени.

Эти представления о структуре материи сохранялись фактически без существенных изменений до начала XX в.,

оставаясь двумя антиномиями — противоречащими друг другу высказываниями о предмете, допускающими одинаково убедительное обоснование.

В науке долго господствовал корпускулярный подход, чему способствовал триумф ньютоновской механики (объекты состоящими из взаимодействующих материальных точек). Достаточно задать начальное состояние всех этих материальных точек и решить соответствующие уравнения движения, чтобы объяснить наблюдаемые в природе явления и предсказать их эволюцию (детерминизм Лапласа - СРС).

Корпускулярный подход оказался чрезвычайно плодотворным в различных областях естествознания

- ньютоновской механике материальных точек

- молекулярно-кинетическая теория вещества, термодинамика, статистические закономерности

Континуальный подход был успешно применен в механике сплошных сред, которая включает гидродинамику, акустику, теорию упругости и другие области физики. В соответствии с этим подходом среда считается непрерывной, бесструктурной, а каждый элемент ее объема взаимодействует со всеми соседними элементами по законам классической механики. При таком подходе среда считается непрерывной в «макроскопическом» смысле, оставаясь дискретной на микроуровне. Был разработан математический аппарат теории поля, который в дальнейшем оказался востребованным для описания материальных объектов иной, отличной от вещества природы — электромагнитного и гравитационного полей. Среди создателей этой теории в первую очередь следует назвать Л. Эйлера и Д. Бернулли.

В основе теоретико-полевого формализма, применяемого в механике сплошных сред, лежит специфический способ описания состояния вещественных объектов. Вместо того, чтобы, как это делалось в механике материальных точек, указывать состояние (положение и скорость) каждой частицы (атома, молекулы) среды и следить за изменением этих состояний, отмечают скорость v(r), которую имеют в каждой точке rпространства проходящие через нее частицы. Другими словами, состояние рассматриваемой среды в момент времени t при таком способе характеризуется векторной функцией v(r, t), определенной одновременно во всех (!) точках непрерывного пространства. При этом говорят, что задано поле скоростей среды.

В общем случае если некоторая физическая величина имеет определенное значение в каждой точке или части пространства, то таким образом определено поле этой величины. Если данная величина — скаляр (температура, давление, плотность и т. п.), то и соответствующее поле называется скалярным, а если она — вектор (скорость, деформация, напряжение, сила и т. п.), то и поле, ею определяемое, называется векторным. Для наглядного изображения полей часто применяют графические изображения, служащие как бы «портретами» соответствующих функций. Скалярные поля удобно изображать поверхностями (если поле трехмерное) или линиями (в случае двумерного, плоского поля), на которых значение функции одно и то же. Такие рисунки (рис. 4.1) напоминают топографические карты с нанесенными на них замкнутыми линиями одинаковой высоты. Для изображения векторных полей пользуются линиями поля — непрерывными линиями, касательные к которым в каждой точке совпадают по направлению с векторами поля. Иногда их называют линиями тока, если, например, речь идет

о поле скоростей, или силовыми линиями, если с их помощью изображают какие-либо силовые поля.

С корпускулярным подходом была тесно связана концепция дальнодействия, в соответствии с которой взаимодействие между телами (электрическое, магнитное, гравитационное) осуществляется мгновенно и непосредственно через пустое пространство, которое не принимает в этом никакого участия. КАК ЖЕ ПЕРЕДАЕТСЯ ВЗАИОДЕЙСТВИЕ ОТ ОДНОГО ТЕЛА К ДРУГОМУ, БЫЛО НЕПОНЯТНО???

Открытие М.Фарадеем электрического и магнитного полей

В 1830_е гг. великий английский физик М. Фарадей, изучая электрические явления выдвинул новый подход к природе электрических взаимодействий, который стали называть концепцией близкодействия. В соответствии с этой концепцией, тело, имеющее заряд qА, создает в пространстве то, что Фарадей назвал электрическим полем (рис. 4.2). Другое тело, имеющее заряд qВ, «чувствует» это поле в том месте, где оно (тело В) находится. Это проявляется в том, что на тело В действует сила FВ = –(kqАqВ /r2)er, где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения, r — расстояние между телами А и В, er — единичный вектор в направлении от А к В14. То же самое можно сказать и о заряженном теле А, на которое со стороны электрического поля, созданного телом В, воздействует сила FА = –FВ. Таким образом, введенное Фарадеем поле является как бы промежуточным звеном, «переносчиком» электрического взаимодействия.

Термин «поле», который применил Фарадей, не случаен и отражает континуальный подход к этой новой физической реальности. В отличие от полей, описывающих состояние объектов в механике сплошных сред, электрическое поле Фарадея обозначало новую материальную сущность, отличающуюся от вещества.

Состояние такого электрического поля описывается вектором напряженности E(x, y, z), определенным в каждой точке непрерывного пространства и фактически представляющим собой силу, действующую на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку пространства. Электрическое поле, как и любое векторное поле, можно наглядно изобразить силовыми линиями, касательные к которым в каждой точке пространства совпадают с направлением вектора E.

Аналогичный подход привел Фарадея к еще одной физической реальности — магнитному полю, с помощью

которого осуществляется магнитное воздействие между электрическими токами (движущимися зарядами). Очевидно, с точки зрения концепции близкодействия можно рассматривать и тяготение, предполагая существование особого гравитационного поля, являющегося «переносчиком» такого взаимодействия. И все же первоначально материальность гипотетических силовых полей вызвала сомнение, лишала мир пустоты, так как электрическое поле могло существовать и в вакууме. Поэтому, придерживаясь общепринятого в науке принципа «не умножать сущностей без необходимости»15, ученые почти полвека не принимали концепцию Фарадея. Тем более что в начале XIX в. уже пришлось пойти на признание нового материального объекта природы — «светоносного эфира», о чем более подробно будет рассказано в следующем параграфе.

Дата добавления: 2014-03-11; просмотров: 1503; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!