ТЕМА 2.3. УЧЕНИЕ О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ И ДВИЖЕНИИ В СОВРЕМЕННОЙ

ФИЗИКЕ

2.3.1.Взаимодействие и движение как атрибуты физической материи.

Взаимодействие и движение представляют собой важнейшие атрибуты (свойства)

материи, без которых невозможно ее существование. Взаимодействие обусловливает

объединение различных материальных элементов в системы, т.е. системную организацию

материи. Все свойства тел производны от их взаимодействий и являются результатом их

структурных связей и внешних взаимодействий между собой.

Наше познание материального мира осуществляется через раскрытие различных

форм взаимодействия и движения тел. Ф. Энгельс писал, что «взаимодействие является

истиной конечной причиной вещей. Мы не можем пойти дальше познания этого

взаимодействия именно потому, что позади него нечего познавать. Раз мы познали формы

движения … то мы познали … материю, и этим исчерпывается познание» (М., Э., изд. 2,

т.20, с. 546). Но этот процесс познания никогда не закончится.

Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве

процесс воздействия одних объектов или тел на другие путем обмена материей и движением.

Взаимодействие выступает как движение материи, а любое движение включает в

себя различные виды взаимодействия. По существу эти понятия совпадают, но части

употребляются в разных контекстах.

Когда мы говорим о движении, то имеем в виду не только внутренние изменения,

основанные на структурных взаимодействиях составляющих системы элементов, но также и

внешнее пространственное перемещение тел, где взаимодействия как будто не видно.

Однако если взглянуть глубже, то и при пространственном перемещении тел

обязательно есть их взаимодействие с окружающей средой и материальными полями, в

результате чего изменяются свойства тел.

Не существует такого движения, в содержании которого не было бы взаимодействия

элементов материи, так же как и всякое взаимодействие выступает как определенное

изменение и движение.

Первоначально в физике утвердилось представление о том, что взаимодействие

между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое

не принимает участия в передаче взаимодействия; передача его происходит мгновенно

благодаря силам тяготения или гравитации. В этом заключалась суть концепции

дальнодействия.

Но затем было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел

осуществляется не мгновенно, и перемещение одной заряженной частицы приводит к

изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя

конечное время. Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле,

действующее на другие частицы. Т.е., взаимодействие передается через «посредника» —

электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости

света в пустоте – 300 000 км / сек.

Так появилась новая концепция — концепция близкодействия. Ее суть сводится к

тому, что взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей,

непрерывно распределяющихся в пространстве.

Т.о., все взаимодействия и движения являются формой существования материи. Для

всякого объекта существовать, значит взаимодействовать, т.е. проявлять себя по отношению

к другим объектам или телам. Во взаимодействии и движении тел можно видеть

объективный «критерий» их существования, точнее, в этом выражается их существование.

2.3.2.Краткая характеристика форм движения и взаимодействия

В начале XX столетия Ф. Энгельс классифицировал все формы движения на пять:

механическое, физическое, химическое, биологическое и социальное (или общественное).

При этом к физическому движению он относил теплоту, электромагнетизм, тяготение,

изменение агрегатных состояний и др.

В настоящее время представляется более правильным не ограничивать пятью

видами количество основных форм движения, а выделить три различные группы форм

движения: в неживой природе, в живой природе и в обществе.

В каждой из этих групп необходимо дифференцировать формы движения,

несводимые друг к другу. Критериями для их разделения могут быть следующие признаки:

1.Тип материальных систем, целостные изменения которых выражает данная форма

движения;

2.Наличие общих законов объединяющих совокупность процессов в данную форму

движения;

3.Учет исторического развития материи от неорганических форм к биологическим и

социальным, позволяющий расположить формы движения в их эволюционной

последовательности.

Рассмотрим группу форм движения, характерную для неживой природы.

Необходимо отметить, что в неживой природе принято выделять универсально

распространенные формы движения, проявляющиеся на всех известных структурных

уровнях материи и локальные, обнаруживающиеся лишь на определенных структурных

уровнях.

В группу универсальных форм движения входят: пространственные перемещения,

гравитационные и электромагнитные взаимодействия. В группу локальных форм движения:

сильные и слабые взаимодействия; взаимодействия в вакууме; физическая форма движения,

проявляющаяся в виде теплоты, звука, изменений агрегатных состояний; термоядерные

реакции в звездах; геологическая форма движения. Кратко охарактеризуем перечисленные

формы движения и взаимодействия.

Пространственное перемещение — это всякое изменение положения тела и его

элементов в пространстве, связанное и с изменением во времени. Сюда относится

макромеханическое и квантово – механическое движения. Макромеханическое движение

осуществляется обычно по определенной траектории; квантово - механическое является

бестраекторным (т.к. движению элементарных частиц или распространению полей нельзя

сопоставить какую – либо траекторию).

С современной точки зрения любое механическое движение обусловливается

глубинными процессами взаимопревращения элементарных частиц, сложными

переплетениями сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных взаимодействий.

Механическое движение не связано с каким-то отдельно взятым структурным уровнем

организации материи.

Универсальная распространенность присуща гравитационному взаимодействию,

которое проявляется всегда как притяжение между всеми известными видами материи. В

классической физике оно описывается известным законом тяготения Ньютона, в общей

теории относительности - это гравитационное поле, создаваемое массами, вызывающими

кривизну пространственно-временного континуума.

Гравитационные взаимодействия обусловливают образование всех космических

систем, а также концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд и галактик материи и

включение ее в новые циклы развития. Скорость распространения гравитационных волн

считается равной скорости света в вакууме, но достоверно гравитационные волны еще не

зарегистрированы измерительными устройствами. Переносчиками гравитационного

взаимодействия считаются гравитоны (гипотетические, пока еще не открытые частицы).

Для гравитации не существует противоположной эквивалентной силы отталкивания

(антигравитации), все античастицы обладают положительными значениями массы и энергии.

Гравитационные взаимодействия могут играть определяющую роль не только в

космосе, но и в микромире. В квантовой теории гравитации допускается, что в

субмикроскопических масштабах порядка 10-33 см энергия гравитационных взаимодействий

намного превышает энергию сильных взаимодействий, что все другие взаимодействия

производны от гравитации. На основе этой гипотезы разрабатываются некоторые варианты

единой теории материи, а также делаются попытки сближения физики элементарных частиц

и космологии.

Универсальным характером обладает также электромагнитное взаимодействие. Оно

существует между любыми заряженными телами. Но, в отличие от гравитационного,

которое всегда выступает в виде притяжения, электромагнитное взаимодействие может

проявляться и как притяжение (между разноименными зарядами), и как отталкивание (между

одноименными зарядами).

Электромагнитные взаимодействия ответственны за связь атомных электронов с

ядрами и связь атомов в молекулах. Все химические реакции представляют собой

проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатом перераспределения

связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а

также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. Оптические, тепловые,

механические (не связанные с гравитацией) явления сводятся к электромагнитным

взаимодействиям. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны.

Перейдем к характеристике локальных взаимодействий.

К ним относится сильное взаимодействие. Сильные взаимодействия представляют

собой формы движения в структуре атомных ядер и адронов, характеризующихся большой

энергией связи.

Сильные взаимодействия обусловливают связь протонов и нейтронов в ядрах атомов

и обеспечивают исключительную прочность этих образований, лежащую в основе

стабильности вещества в земных условиях.

Сильным взаимодействиям подвержены не все частицы. Например, в эти

взаимодействия не вступают фотон и электрон. Поэтому говорят, что сильные

взаимодействия не универсальны. Они короткоживущие: если расстояние между частицами

становится больше, чем 10-13 см, то сильное взаимодействие прекращается. Поэтому

сильные взаимодействия не способны создавать структуры макроскопических размеров.

Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны.

Еще одним видом локальной формы движения выступают слабые взаимодействия.

Они представляют собой микропроцессы, идущие с излучением нейтрино и антинейтрино

(электронных и мезонных).

Слабое взаимодействие присуще всем адронам и лептонам, но не свойственно

фотонам. Это взаимодействие имеет очень малый радиус действия порядка 10-15 см.

Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны.

Слабые взаимодействия являются необходимой стороной термоядерных реакций в

звездах. Возникающие при этих реакциях нейтрино уносят значительную часть энергии

излучения звезд (до 7%). Обладая огромной проникающей способностью, они слабо

поглощаются веществом, постоянно накапливаются в космосе и через создаваемые ими поля

тяготения, оказывают весьма существенное влияние на пространственно-временные

отношения в космических масштабах. Но предстоит еще выяснить, как излученные

нейтрино вновь возвращаются в циклические процессы развития материи во Вселенной.

В микромире следует особо отметить процессы в вакуумных состояниях полей,

представляющие модификации фундаментальных взаимодействий. Вакуум постоянно

взаимодействует с элементарными частицами. В результате взаимодействия электронов с

электромагнитным вакуумом происходит некоторый сдвиг энергетических уровней

электронов в атомах, а сами электроны совершают колебательные движения с малой

амплитудой.

Из физических форм движения, проявляющихся в макроскопических телах и

космических системах, можно назвать теплоту, звук, изменения агрегатных состояний,

процессы кристаллизации, процессы в сверхсильных полях тяготения, расширение

Метагалактики и др. В основе всех этих процессов лежат также фундаментальные

взаимодействия.

Теплота — макроскопическая форма движения, выступающая в виде движения и

столкновения атомов и молекул в плазме, газах, жидкости, твердых телах, а также

взаимодействия излучения и вещества. Мерой интенсивности теплового движения является

температура, пропорциональная кинетической энергии частиц, либо энергии поглощаемого

излучения. Нижний предел температуры – абсолютный нуль (-273,15 0); верхнего предела,

по-видимому, точно нельзя установить. Предполагается, что в начале образования

Метагалактики температура была 10 31 К. К отдельным элементарным частицам и атомным

ядрам понятие температуры и теплоты неприменимы.

Что касается других макроскопических форм движения — изменения агрегатных

состояний вещества, процессов кристаллизации, звука, всевозможных видов движения в

жидкостях и газах, то они производны от характера и энергии электромагнитных

взаимодействий, тепловых процессов, кинетической энергии частиц.

За последнее время в литературе получило распространение понятие геологической

формы движения. Такая форма движения объективно существует как тип целостного

изменения геологических систем (земной коры и мантии) и включает в себя процессы

образования руд, минералов, магматических масс в условиях больших давлений и высокой

температуры, достигающей в центре Земли 6 000 0

Внешними проявлениями геологической формы движения выступают извержения

вулканов, поднятие и опускание земной коры, движение континентальных плит и др. Но

было бы неправильно противопоставлять эту форму движения физико-химическим формам,

ибо в основе ее лежат гравитационные и электромагнитные взаимодействия, тепловые

процессы, химические реакции, а на поверхности земной коры на нее влияют и

биологические процессы.

В звездах существуют формы движения в виде термоядерных реакций, в которых

протоны и нейтроны синтезируются в ядра гелия при участии других легких элементов в

качестве катализаторов. После выгорания основной массы водорода звезда сжимается под

действием тяготения, ее внутренняя температура повышается до миллиарда градусов и

становятся возможными термоядерные реакции на основе легких элементов с образованием

ядер группы железа. При этом последняя стадия сопровождается превращением звезды в

красный гигант и рядом вспышек. Если же звезда имеет массу более 10 солнечных масс, то

сильное сжатие после выгорания водорода может сопровождаться термоядерной детонацией

по всему объекту внутренней сферы и превращением звезды в сверхновую. Такие стадии

эволюции проходят все звезды, в том числе и наше Солнце.

2.3.3. Необходимость создания единой теории взаимодействий.

Итак, наряду с общими формами движения, на каждом структурном уровне материи

проявляются специфические формы, которые характеризуют целостные изменения больших

классов материальных систем.

Выведение из относительно простых более сложных форм движения и

взаимодействия помогает в построении единой теории материальных процессов в сложных

системах. Это служит определенным шагом в познании локальных проявлений

материального единства мира, а также форм исторического развития материи,

происходившего в виде последнего усложнения форм движения.

Разработка единой теории электромагнитного поля в 60-е гг. XIX в. Д. Максвеллом

позволила объяснить огромное количество электрических, магнитных и оптических явлений,

причем не только в неживой природе, но и во всевозможных технических устройствах.

Крупным шагом в познании микропроцессов явилось создание единой теории

электромагнитных и слабых взаимодействий в 70-е гг. XX в. С. Вайнбергом и А. Саламом.

Перед физикой стоит важная задача создания единой теории взаимодействий,

включающей в себя также сильные, а в перспективе и гравитационные взаимодействия. По-

видимому, такое «великое объединение» потребует синтеза теории элементарных частиц,

квантовой хромодинамики, научной космологии, релятивистской астрофизики.

Только в сверхплотных состояниях вещества, в процессах гравитационного коллапса

или, напротив, взрывного расширения черных дыр, в недрах квазаров и ядер галактик могут

проявляться те физические условия, в которых возможны синтез и взаимное превращение 4

фундаментальных типов взаимодействий.

Разработка единой теории всех известных фундаментальных взаимодействий

позволит обеспечить концептуальную интеграцию современных данных о природе, хотя на

этом физика не закончится, ибо материя неисчерпаема и бесконечна в своей структуре, как

практически необозримы пути технического применения физики и развитие прикладных

физических дисциплин.

Познание законов физических законов форм движения и взаимодействия дает

возможность для структурного объяснения процессов в сложных системах, для подведения

теоретического фундамента под комплекс технических, химических и биологических наук,

т.е. всего естествознания. Такое обоснование будет одной из важных форм интеграции всего

научного знания.

Контрольные вопросы

1.Как связаны между собой понятия «материя», «движение», «взаимодействие»?

2.Что такое взаимодействие?

3.Что такое движение?

4.В чем смысл концепций дальнодействия и близкодействия?

5.Какие формы движения были выделены в начале XX столетия?

6.Какова классификация форм движения и взаимодействия в современной науке?

7.В чем суть универсальных форм движения?

8.В чем суть локальных форм движения?

9.Для чего необходима единая теория взаимодействий?

10.Какие этапы можно проследить в физике, ведущие к созданию такой теории?

Литература

1.Гудков Н.Я. Идея «великого синтеза» в физике. — Киев, 1990.

2.Земдович Я., Хлопов М. Драма идей в познании природы. — М., 1988.

3.Философские проблемы естествознания /Учеб. пос. под ред. Мелюхина С.Т. — М.,

1985.

4.Физическая энциклопедия. — М., 1988.

Контрольные задания по теме 2.3.

№1. Дайте определение взаимодействия.

№ 2. Перечислите группы видов движений и взаимодействий, которые встречаются

на Земле.

№ 3. Укажите, в чем заключается смысл концепции а) дальнодействия; б)

близкодействия.

№ 4. Закончите предложение: «Макроскопическое движение осуществляется по …».

№ 5. Выберите правильный ответ.

Гравитационное взаимодействие проявляется всегда как … а) отталкивание; б)

притяжение и отталкивание; в) притяжение.

№ 6. Переносчиками слабых взаимодействий являются … а) заряженные

векторные бозоны; б) нейтрино; в) гравитоны.

№ 7. Приведите примеры геологической формы движения.

№ 8. Выберите правильный ответ.

Электромагнитные взаимодействия осуществляются между любыми … а)

макротелами; б) микрообъектами; в) заряженными телами.

№ 9. Укажите, какие формы движения относятся к физическим.

№ 10. Самостоятельно подготовьте вопрос «Идея «великого синтеза» в физике»,

используя дополнительную литературу:

1.Гудков Н.А. Идея «великого синтеза» в физике. — Киев, 1990.

2.Девис П. Суперсила. — М., 1989.

3.Единство физики. — Новосибирск, 1995.

4.Чолпан П.Ф. Курс физики: методологические и философские вопросы. — Киев,

1990.