В физике действие на расстоянии — это концепция, согласно которой на движение объекта может влиять другой объект, не находясь с ним в физическом контакте ; то есть нелокальное взаимодействие объектов, разделенных в пространстве. Закон Кулона и закон всемирного тяготения Ньютона основаны на действии на расстоянии.
Исторически действие на расстоянии было самой ранней научной моделью для гравитации и электричества , и оно продолжает быть полезным во многих практических случаях. В 19 и 20 веках появились полевые модели, чтобы объяснить эти явления с большей точностью. Открытие электронов и специальной теории относительности привело к появлению новых моделей действия на расстоянии, предоставляющих альтернативу полевым теориям. Согласно нашему современному пониманию, четыре фундаментальных взаимодействия (гравитация, электромагнетизм , сильное взаимодействие и слабое взаимодействие ) во всей физике не описываются действием на расстоянии.
В изучении механики действие на расстоянии является одним из трех основных действий на материю, которые вызывают движение. Два других — это прямое воздействие ( упругие или неупругие столкновения ) и действия в сплошной среде, как в механике жидкости или механике твердого тела . [1] : 338 Исторически физические объяснения конкретных явлений перемещались между этими тремя категориями с течением времени по мере разработки новых моделей.
Действие на расстоянии и действия в непрерывной среде можно легко различить, когда динамика среды видна, как волны в воде или в упругом твердом теле. В случае электричества или гравитации среда не требуется. В девятнадцатом веке такие критерии, как влияние действий на промежуточную материю, наблюдение задержки во времени, кажущееся хранение энергии или даже возможность правдоподобной механической модели для передачи действия, были приняты в качестве доказательств против действия на расстоянии. [2] : 198 Теории эфира были альтернативными предложениями по замене кажущегося действия на расстоянии в гравитации и электромагнетизме с точки зрения непрерывного действия внутри (невидимой) среды, называемой «эфир». [1] : 338
Прямое воздействие макроскопических объектов визуально кажется отличимым от действия на расстоянии. Однако, если объекты состоят из атомов , а объем этих атомов не определен, а атомы взаимодействуют посредством электрических и магнитных сил, то различие менее очевидно. [2]
Концепция дальнодействия играет в физике множество ролей и может сосуществовать с другими моделями в соответствии с потребностями каждой физической проблемы.
Одна из ролей — это резюме физических явлений, независимо от понимания причины такого действия. [1] Например, астрономические таблицы планетарных положений можно компактно суммировать с помощью закона всемирного тяготения Ньютона , который предполагает, что планеты взаимодействуют без контакта или промежуточной среды. Как резюме данных, эта концепция не нуждается в оценке как правдоподобная физическая модель.
Действие на расстоянии также действует как модель, объясняющая физические явления даже при наличии других моделей. Опять же в случае гравитации, гипотеза о мгновенной силе между массами позволяет предсказать время возвращения комет , а также предсказать существование ранее неизвестных планет, таких как Нептун . [3] : 210 Эти триумфы физики опередили альтернативную более точную модель гравитации, основанную на общей теории относительности, на много десятилетий.
Вводные учебники по физике обсуждают центральные силы , такие как гравитация, с помощью моделей, основанных на действии на расстоянии, не обсуждая причину таких сил или проблемы с ними, пока не будут рассмотрены темы относительности и полей . Например, см. Фейнмановские лекции по физике о гравитации. [4]
Действие на расстоянии как физическая концепция требует идентификации объектов, расстояний и их движения. В античности представления о естественном мире не были организованы в этих терминах. Движущиеся объекты моделировались как живые существа. [1] Около 1600 года начал укореняться научный метод. Рене Декарт придерживался более фундаментальных взглядов, развивая идеи материи и действия независимо от теологии. Галилео Галилей писал об экспериментальных измерениях падающих и катящихся объектов. Законы движения планет Иоганна Кеплера обобщили астрономические наблюдения Тихо Браге . [2] : 132 Многие эксперименты с электрическими и магнитными материалами привели к новым идеям о силах. Эти усилия подготовили почву для работы Ньютона о силах и гравитации.
В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал свои «Начала» , в которых объединил свои законы движения с новым математическим анализом, способным воспроизвести эмпирические результаты Кеплера. [2] : 134 Его объяснение было в форме закона всемирного тяготения : любые два тела притягиваются силой, пропорциональной их массе и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. [5] : 28 Таким образом, движения планет были предсказаны путем предположения о силах, действующих на больших расстояниях.
Это математическое выражение силы не подразумевало причину. Ньютон считал, что действие на расстоянии является неадекватной моделью для гравитации. [6] Ньютон, по его словам, считал, что действие на расстоянии:
Абсурд настолько велик, что я не верю, что ни один человек, обладающий способностью мыслить в философских вопросах, когда-либо сможет в него впасть. [7]
— Исаак Ньютон, Письма Бентли, 1692/3
Метафизические ученые начала 1700-х годов решительно возражали против необъяснимого действия на расстоянии в теории Ньютона. Готфрид Вильгельм Лейбниц жаловался, что механизм гравитации был «невидимым, неосязаемым и не механическим». [1] : 339 Более того, первоначальные сравнения с астрономическими данными были неблагоприятными. По мере совершенствования математических методов в течение 1700-х годов теория демонстрировала все больший успех, предсказав дату возвращения кометы Галлея [8] и помогая открыть планету Нептун в 1846 году. [9] Эти успехи и все более эмпирический фокус науки к 19 веку привели к принятию теории гравитации Ньютона, несмотря на неприязнь к действию на расстоянии. [1]
Электрические и магнитные явления также начали систематически изучаться в начале 1600-х годов. В ранней теории Уильяма Гилберта об «электрических эманациях», своего рода электрической атмосфере, он исключает действие на расстоянии на том основании, что «никакое действие не может быть выполнено материей, кроме как через контакт». [11] Однако последующие эксперименты, особенно проведенные Стивеном Греем, показали электрические эффекты на расстоянии. Грей разработал эксперимент под названием «электрический мальчик», демонстрирующий передачу электричества без прямого контакта. [10] Франц Эпинус был первым, кто в 1759 году показал, что теория действия на расстоянии для электричества обеспечивает более простую замену теории электрических эманаций. [5] : 42 Несмотря на этот успех, сам Эпинус считал природу сил необъяснимой: он «не одобрял доктрину, которая предполагает возможность действия на расстоянии», подготавливая почву для перехода к теориям, основанным на эфире. [11] : 549
К 1785 году Шарль-Огюстен де Кулон показал, что два электрических заряда в состоянии покоя испытывают силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния между ними, результат, который теперь называется законом Кулона . Поразительное сходство с гравитацией усилило аргумент в пользу действия на расстоянии, по крайней мере, как математической модели. [12]
По мере совершенствования математических методов, особенно благодаря работам Пьера-Симона Лапласа , Жозефа-Луи Лагранжа и Симеона Дени Пуассона , на мышление ученых стали оказывать влияние более сложные математические методы. Концепция потенциальной энергии, применяемая к малым пробным частицам, привела к концепции скалярного поля , математической модели, представляющей силы во всем пространстве. Хотя эта математическая модель не является механической средой, мысленная картина такого поля напоминает среду. [2] : 197
Майкл Фарадей первым предположил , что действие на расстоянии, даже в форме (математического) потенциального поля, неадекватно для описания электрических и магнитных сил. [1] : 341 Фарадей, эмпирический экспериментатор, привел три причины в поддержку некоторой среды, передающей электрическую силу: 1) электростатическая индукция через изолятор зависит от природы изолятора, 2) разрезание заряженного изолятора приводит к появлению противоположных зарядов на каждой половине, и 3) искры электрического разряда искривляются на изоляторе. Из этих причин он пришел к выводу, что частицы изолятора должны быть поляризованы , причем каждая частица вносит свой вклад в непрерывное действие. Он также экспериментировал с магнитами, демонстрируя силовые линии, которые стали видимыми с помощью железных опилок. Однако в обоих случаях его модель поля зависит от частиц, которые взаимодействуют посредством действия на расстоянии: его модель механического поля не имеет более фундаментальной физической причины, чем модель центрального поля дальнего действия. [1] : 348
Наблюдения Фарадея, как и другие, привели Джеймса Клерка Максвелла к прорывной формулировке в 1865 году, набору уравнений , которые объединяли электричество и магнетизм, как статические, так и динамические, и которые включали электромагнитное излучение – свет. [5] : 253 Максвелл начал с сложных механических моделей, но в конечном итоге создал чисто математическую трактовку с использованием динамических векторных полей . Ощущение того, что эти поля должны быть настроены на вибрацию, чтобы распространять свет, положило начало поиску среды распространения; среда была названа светоносным эфиром или эфиром . [5] : 279
В 1873 году Максвелл подробно рассмотрел действие на расстоянии. [13] Он рассматривает силовые линии Фарадея, тщательно указывая на то, что сам Фарадей не предоставил механическую модель этих линий в терминах среды. Тем не менее, многочисленные свойства этих силовых линий подразумевают, что эти «линии не должны рассматриваться как простые математические абстракции». Сам Фарадей рассматривал эти силовые линии как модель, «ценную помощь» экспериментатору, средство для предложения дальнейших экспериментов.
При различении различных видов действия Фарадей предлагает три критерия: 1) изменяют ли действие дополнительные материальные объекты?, 2) требует ли действие времени и 3) зависит ли оно от принимающей стороны? Для электричества Фарадей знал, что все три критерия выполняются для электрического действия, но считалось, что гравитация соответствует только третьему. После времен Максвелла был добавлен четвертый критерий, передача энергии, который, как считалось, также применим к электричеству, но не к гравитации. С появлением новых теорий гравитации современный отчет придал бы гравитации все критерии, за исключением зависимости от дополнительных объектов.
Успех уравнений поля Максвелла привел к многочисленным попыткам в последние десятилетия 19-го века представить электрические, магнитные и гравитационные поля, в первую очередь с помощью механических моделей. [5] : 279 Не было создано ни одной модели, которая объясняла бы существующие явления. В частности, не было хорошей модели для звездной аберрации , смещения положения звезд с относительной скоростью Земли. Лучшие модели требовали, чтобы эфир был неподвижен, в то время как Земля двигалась, но экспериментальные попытки измерить эффект движения Земли через эфир не обнаружили никакого эффекта.
В 1892 году Хендрик Лоренц предложил модифицированный эфир, основанный на появляющейся микроскопической молекулярной модели, а не на строго макроскопической непрерывной теории Максвелла. [14] : 326 Лоренц исследовал взаимное взаимодействие движущихся уединенных электронов в неподвижном эфире. [5] : 393 Он перевывел уравнения Максвелла таким образом, но, что критически важно, в процессе он изменил их, чтобы представить волну в координатах движущихся электронов. Он показал, что волновые уравнения имели ту же форму, если их преобразовать с использованием определенного масштабного коэффициента , где — скорость движущихся электронов, а — скорость света. Лоренц отметил, что если бы этот коэффициент был применен как сокращение длины к движущейся материи в неподвижном эфире, это устранило бы любой эффект движения через эфир, в соответствии с экспериментом.
В 1899 году Анри Пуанкаре усомнился в существовании эфира, показав, что принцип относительности запрещает абсолютное движение, предполагаемое сторонниками модели эфира. Он назвал преобразование, использованное Лоренцем, преобразованием Лоренца , но интерпретировал его как преобразование между двумя инерциальными системами отсчета с относительной скоростью . Это преобразование делает электромагнитные уравнения одинаковыми в каждой равномерно движущейся инерциальной системе отсчета. Затем, в 1905 году, Альберт Эйнштейн продемонстрировал, что принцип относительности, примененный к одновременности времени и постоянной скорости света, точно предсказывает преобразование Лоренца. Эта теория специальной теории относительности быстро стала современной концепцией пространства-времени .
Таким образом, модель эфира, изначально столь сильно отличавшаяся от действия на расстоянии, постепенно изменилась и стала напоминать просто пустое пространство. [5] : 393
В 1905 году Пуанкаре предложил гравитационные волны , исходящие от тела и распространяющиеся со скоростью света, как того требуют преобразования Лоренца [15] и предположил, что по аналогии с ускоряющимся электрическим зарядом, создающим электромагнитные волны , ускоренные массы в релятивистской полевой теории гравитации должны создавать гравитационные волны. [16] Однако до 1915 года гравитация стояла особняком как сила, все еще описываемая действием на расстоянии. В том году Эйнштейн показал, что полевая теория пространства-времени, общая теория относительности , согласующаяся с теорией относительности, может объяснить гравитацию. Новые эффекты, вытекающие из этой теории, были драматичны для космологии , но незначительны для движения планет и физики на Земле. Сам Эйнштейн отметил «огромный практический успех» Ньютона. [17]
В первые десятилетия 20-го века Карл Шварцшильд [18] , Хьюго Тетрод [19] и Адриан Фоккер [20] независимо друг от друга разработали немгновенные модели для действия на расстоянии, соответствующие специальной теории относительности. В 1949 году Джон Арчибальд Уиллер и Ричард Фейнман построили на этих моделях новую теорию электромагнетизма без поля. В то время как уравнения поля Максвелла в целом успешны, модель Лоренца движущегося электрона, взаимодействующего с полем, сталкивается с математическими трудностями: собственная энергия движущегося точечного заряда внутри поля бесконечна. [21] : 187 Теория поглощения электромагнетизма Уиллера-Фейнмана избегает проблемы собственной энергии. [21] : 213 Они интерпретируют силу Абрахама-Лоренца , кажущуюся силу, сопротивляющуюся ускорению электрона, как реальную силу, возвращающуюся от всех других существующих зарядов во Вселенной.
Теория Уиллера-Фейнмана вдохновила на новые размышления о стреле времени и о природе квантовой нелокальности . [22] Теория имеет значение для космологии; она была распространена на квантовую механику . [23] Похожий подход был применен для разработки альтернативной теории гравитации, согласующейся с общей теорией относительности. [24] Джон Г. Крамер расширил идеи Уиллера-Фейнмана, чтобы создать транзакционную интерпретацию квантовой механики.
Альберт Эйнштейн писал Максу Борну о проблемах квантовой механики в 1947 году и использовал фразу, переведенную как «жуткое действие на расстоянии», а в 1964 году Джон Стюарт Белл доказал, что квантовая механика предсказывает более сильные статистические корреляции в результатах определенных далеко разнесенных измерений, чем любая локальная теория могла бы. [25] Фраза была подхвачена и использована в качестве описания причины малых неклассических корреляций между физически разделенными измерениями запутанных квантовых состояний . Корреляции предсказываются квантовой механикой ( теорема Белла ) и проверяются экспериментами ( тест Белла ). Вместо постулата, подобного гравитационной силе Ньютона, это использование «действия на расстоянии» касается наблюдаемых корреляций, которые не могут быть объяснены с помощью моделей, основанных на локализованных частицах. [26] [27] Описание этих корреляций как «действия на расстоянии» требует предположения, что частицы стали запутанными и затем переместились в отдаленные места, предположение, которое не требуется квантовой механикой. [28]
Квантовая теория поля не нуждается в действии на расстоянии. На самом фундаментальном уровне необходимы только четыре силы, и каждая описывается как результат обмена определенными бозонами . Две из них имеют короткий радиус действия: сильное взаимодействие, опосредованное мезонами , и слабое взаимодействие, опосредованное слабым бозоном ; две из них имеют большой радиус действия: электромагнетизм, опосредованный фотоном , и гравитация, предположительно опосредованная гравитоном . [ 29] : 132 Однако вся концепция силы имеет второстепенное значение в современной продвинутой физике элементарных частиц. Энергия составляет основу физических моделей, и слово действие перешло от подразумевания силы к определенному техническому значению, интегралу по разнице между потенциальной энергией и кинетической энергией . [29] : 173
В этой статье использован текст из свободного контента . Лицензия CC-BY-SA. Текст взят из книги «Действие Ньютона на расстоянии – Разные взгляды», Николае Сфетку.
