В физике действие на расстоянии — это концепция, согласно которой на движение объекта может влиять другой объект, не находясь с ним в физическом контакте (см. механический контакт ); 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 гравитации и электричества и продолжает быть полезной во многих практических случаях. В XIX и XX веках возникли полевые модели, позволяющие более точно объяснить эти явления. Открытие электронов и специальной теории относительности привело к появлению новых моделей действия на расстоянии, альтернативных теориям поля. В нашем современном понимании 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 трёх фундаментальных воздействий на материю, вызывающих движение. Два других — 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 со временем перемещались между этими тремя категориями по мере разработки новых моделей.
Действие на расстоянии и действие в сплошной среде можно легко отличить, когда видна динамика среды, например, 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, очевидное накопление энергии или даже возможность правдоподобной механической модели передачи действия, были приняты в качестве доказательства 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 «эфиром». [1] : 338
Прямое воздействие макроскопических объектов визуально отличается от действия на расстоянии. Однако если объекты состоят из атомов , объем этих атомов не определен и атомы взаимодействуют с помощью электрических и магнитных сил, различие менее четкое. [2]
Концепция действия на расстоянии играет в физике множество ролей и может сосуществовать с другими моделями в соответствии с потребностями каждой физической проблемы.
Одна роль — это обобщение физических явлений, независимое от какого-либо понимания причины такого действия. [1] Например, астрономические таблицы положений планет можно компактно резюмировать, используя закон всемирного тяготения Ньютона , который предполагает, что планеты взаимодействуют без контакта или промежуточной среды. Если суммировать данные, концепцию не нужно оценивать как правдоподобную физическую модель.
Действие на расстоянии также выступает моделью, объясняющей 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 на многие десятилетия опередили альтернативную, более точную модель гравитации, основанную на общей теории относительности.
Во вводных учебниках по физике центральные силы , такие как гравитация, обсуждаются с помощью моделей, основанных на действии на расстоянии, без обсуждения причин таких сил или проблем с ними до тех пор, пока не будут обсуждены темы относительности и полей . Например, см. «Лекции Фейнмана по физике» о гравитации. [4]
Действие на расстоянии как физическая концепция требует идентификации объектов, расстояний и их движения. В древности представления о мире природы не были организованы таким образом. Движущиеся объекты моделировались как живые существа. [1] Около 1600 года научный метод начал укореняться. Рене Декарт придерживался более фундаментальных взглядов, развивая идеи материи и действия независимо от теологии. Галилео Галилей писал об экспериментальных измерениях падающих и катящихся предметов. Законы движения планет Иоганна Кеплера обобщили астрономические наблюдения Тихо Браге . [2] : 132 Многие эксперименты с электрическими и магнитными материалами привели к новым представлениям о силах. Эти усилия подготовили почву для работы Ньютона о силах и гравитации.
В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал свои «Начала» , в которых его законы движения объединились 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, исходя из предположения о том, что силы действуют на больших расстояниях.
Это математическое выражение силы не подразумевало причину. Ньютон считал действие на расстоянии неадекватной моделью гравитации. [6] Ньютон, по его словам, рассматривал действие на расстоянии как:
Это настолько великий абсурд, что я считаю, что ни один человек, обладающий в философских вопросах компетентным мышлением, никогда не сможет в него впасть. [7]
- Исаак Ньютон, Письма к Бентли, 1692/3.
Ученые-метафизики начала 1700-х годов решительно возражали против необъяснимого действия на расстоянии в теории Ньютона. Готфрид Вильгельм Лейбниц жаловался, что механизм гравитации «невидим, неосязаем и немеханичен». [1] : 339 Более того, первоначальные сравнения с астрономическими данными оказались неблагоприятными. По мере совершенствования математических методов на протяжении 1700-х годов теория демонстрировала возрастающий успех, предсказывая дату возвращения кометы Галлея [8] и способствуя открытию планеты Нептун в 1846 году. [9] Эти успехи и все более эмпирический фокус науки на XIX век привел к принятию теории гравитации Ньютона, несмотря на отвращение к действию на расстоянии. [1]
Электрические и магнитные явления также начали систематически исследоваться в начале 1600-х годов. В ранней теории «электрических испарений» Уильяма Гилберта , разновидности электрической атмосферы, он исключает действие на расстоянии на том основании, что «материя не может совершить никакое действие, кроме как посредством контакта». [11] Однако последующие эксперименты, особенно эксперименты Стивена Грея, показали электрические эффекты на расстоянии. Грей разработал впечатляющий эксперимент под названием «электрический мальчик», демонстрирующий передачу электрического тока без прямого контакта. [10] Франц Эпин был первым, кто в 1759 году показал, что теория действия электричества на расстоянии обеспечивает более простую замену теории электрических испарений. [5] : 42 Несмотря на этот успех, сам Эпин считал природу сил необъяснимой: он «не одобрял учение, предполагающее возможность действия на расстоянии», подготавливая почву для перехода к теориям, основанным на эфир. [11] : 549
К 1785 году Шарль-Огюстен де Кулон показал, что на два покоящихся электрических заряда действует сила, обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Этот результат теперь называется законом Кулона . Поразительное сходство с гравитацией усилило аргументы в пользу действия на расстоянии, по крайней мере, в качестве математической модели. [12]
По мере совершенствования математических методов, особенно благодаря работам Пьера-Симона Лапласа , Жозефа-Луи Лагранжа и Симеона Дени Пуассона , более сложные математические методы начали влиять на мышление ученых. Концепция потенциальной энергии, примененная к маленьким 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
Именно Майкл Фарадей первым предположил, что действие на расстоянии, даже в форме (математического) потенциального поля, недостаточно для объяснения электрических и магнитных сил. [1] : 341 Фарадей, экспериментатор-эмпирик, привел три причины в пользу существования некоторой среды, передающей электрическую силу: 1) электростатическая индукция через изолятор зависит от природы изолятора, 2) разрезание заряженного изолятора приводит к появлению на нем противоположных зарядов. каждая половина и 3) искры электрического разряда изогнуты у изолятора. По этим причинам он пришел к выводу, что частицы изолятора должны быть поляризованы , причем каждая частица вносит вклад в непрерывное действие. Он также экспериментировал с магнитами, демонстрируя силовые линии, видимые с помощью железных опилок. Однако в обоих случаях его полевая модель зависит от частиц, которые взаимодействуют посредством действия на расстоянии: его механическая полевая модель не имеет более фундаментальной физической причины, чем модель дальнего действия центрального поля. [1] : 348
Наблюдения Фарадея, как и другие, привели Джеймса Клерка Максвелла к революционной формулировке в 1865 году — набору уравнений , объединяющих электричество и магнетизм, как статический, так и динамический, и включающий электромагнитное излучение — свет. [5] : 253 Максвелл начал с сложных механических моделей, но в конечном итоге разработал чисто математическую трактовку с использованием динамических векторных полей . Ощущение, что эти поля должны быть настроены на вибрацию, чтобы распространять свет, побудило к поиску среды распространения; среду называли светоносным эфиром или эфиром . [5] : 279
В 1873 году Максвелл открыто обратился к действию на расстоянии. [13] Он рассматривает силовые линии Фарадея, тщательно отмечая, что сам Фарадей не представил механическую модель этих линий с точки зрения среды. Тем не менее, многие свойства этих силовых линий подразумевают, что эти «линии не следует рассматривать как простые математические абстракции». Сам Фарадей рассматривал эти силовые линии как модель, «ценную помощь» экспериментатору, средство предложить дальнейшие эксперименты.
Проводя различие между различными видами 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? Что касается электричества, Фарадей знал, что для электрического действия выполняются все три критерия, но считалось, что гравитация соответствует только третьему критерию. После времен Максвелла был добавлен четвертый критерий — передача энергии, который, как считалось, применим также к электричеству, но не к гравитации. С появлением новых теорий гравитации современная теория предоставит гравитации все критерии, кроме зависимости от дополнительных объектов.
Успех уравнений поля Максвелла привел к многочисленным попыткам в последние десятилетия XIX века представить электрические, магнитные и гравитационные поля, в первую очередь с помощью механических моделей. [5] : 279 Не возникло модели, объясняющей существующие явления. В частности, нет хорошей модели звездной аберрации , изменения положения звезд в зависимости от относительной скорости Земли. Лучшие модели требовали, чтобы эфир был неподвижен, пока Земля движется, но экспериментальные попытки измерить эффект движения Земли через эфир не нашли никакого эффекта.
В 1892 году Хендрик Лоренц предложил модифицированный эфир, основанный на возникшей микроскопической молекулярной модели, а не на строго макроскопической непрерывной теории Максвелла. [14] : 326 Лоренц исследовал взаимное взаимодействие движущихся одиночных электронов внутри неподвижного эфира. [5] : 393 Таким способом он перевел уравнения Максвелла, но, что особенно важно, в процессе он изменил представление волны в координатах, движущихся электронами. Он показал, что волновые уравнения имели ту же форму, если их преобразовать с использованием определенного масштабного коэффициента :
В 1899 году Анри Пуанкаре поставил под сомнение существование 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 специальная теория относительности быстро стала современной концепцией пространства-времени .
Таким образом, модель эфира, изначально сильно отличавшаяся от действия на расстоянии, постепенно изменилась и стала напоминать простое пустое пространство. [5] : 393
В 1905 году Пуанкаре предположил, что гравитационные волны , исходящие от тела и распространяющиеся со скоростью света, требуются преобразованиями Лоренца [15] и предположил, что по аналогии с ускоряющимся электрическим зарядом , создающим электромагнитные волны , ускоряются массы в релятивистской теории. полевая теория гравитации должна порождать гравитационные волны. [16] Однако до 1915 года гравитация стояла особняком как сила, все еще описываемая действием на расстоянии. В том же году Эйнштейн показал, что полевая теория пространства-времени, общая теория относительности , согласующаяся с теорией относительности, может объяснить гравитацию. Новые эффекты, возникшие в результате этой теории, были драматичными для космологии , но незначительными 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 разработали немгновенные модели действия на расстоянии, соответствующие специальной теории относительности. В 1949 году Джон Арчибальд Уиллер и Ричард Фейнман на основе этих моделей разработали новую безполевою теорию электромагнетизма. Хотя 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 Поглотительная теория электромагнетизма Уилера -Фейнмана позволяет избежать проблемы собственной энергии. [21] : 213 Они интерпретируют силу Абрагама-Лоренца , кажущуюся силу, противодействующую ускорению электронов, как реальную силу, возвращающуюся от всех других существующих зарядов во Вселенной.
Теория Уилера-Фейнмана вдохновила на новое мышление о стреле времени и о природе квантовой нелокальности . [22] Эта теория имеет значение для космологии; оно было распространено на квантовую механику . [23] Подобный подход был применен для разработки альтернативной теории гравитации, совместимой с общей теорией относительности. [24] Джон Г. Крамер расширил идеи Уилера-Фейнмана, создав транзакционную интерпретацию квантовой механики.
Эйнштейн писал Максу Борну о проблемах квантовой механики в 1947 году и использовал фразу, переведенную как «жуткое действие на расстоянии». Эта фраза была подхвачена и использована для описания причины небольших неклассических корреляций между физически разделенными измерениями запутанных квантовых состояний . Корреляции предсказаны квантовой механикой и проверены экспериментами . Вместо постулата, такого как гравитационная сила Ньютона, такое использование «действия на расстоянии» касается наблюдаемых корреляций, которые нелегко объяснить в рамках простых интерпретаций квантовой механики . [25] [26] [27]
Квантовая теория поля не требует действий на расстоянии. На самом фундаментальном уровне необходимы только четыре силы, каждая из которых описывается как результат обмена определенными бозонами . Два из них являются короткодействующими: сильное взаимодействие, опосредованное мезонами , и слабое взаимодействие, опосредованное слабым бозоном ; два из них являются дальнодействующими: электромагнетизм , опосредованный фотоном, и гравитация , предположительно опосредованная гравитоном . [28] : 132 Однако вся концепция силы имеет второстепенное значение в современной физике элементарных частиц. Энергия составляет основу физических моделей, и слово « действие» перешло от обозначения силы к конкретному техническому значению, интегралу по разнице между потенциальной энергией и кинетической энергией . [28] : 173
В эту статью включен текст из бесплатного контента . Лицензия CC-BY-SA. Текст взят из действия Ньютона на расстоянии – Разные взгляды, Николае Сфетку, .
