Понятия взаимодействия, поля и физического вакуума

Согласно рациональному мировоззрению любое событие или явление имеет свою причину. Причина всякого события или явления, происходящего с каким-либо телом, может быть понята как результат воздействия со стороны других тел. Поэтому рациональное объяснение окружающего мира включает в себя вопрос о механизмах взаимодействия материальных объектов. В истории науки можно выделить два подхода к описанию взаимодействия между телами: концепции дальнодействия и близкодействия.

Согласно концепции близкодействия взаимодействие между удаленными друг от друга телами осуществляется с помощью промежуточных звеньев (или среды), передающих взаимодействие от точки к точке с конечной скоростью.

Согласно же концепции дальнодействия действие тел друг на друга передается мгновенно через пустоту на сколь угодно большие расстояния.

Большинство сил, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, представляют собой силы контактного типа, возникающие при соприкосновении. Мы тянем или толкаем тела, либо же один предмет сталкивается с другим. В древности для людей реальными были только контактные силы. Аристотель, например, был убежден в отсутствии пустоты в мире: движение и взаимодействие возможны потому, что между любыми двумя предметами найдется цепочка тесно прилегающих друг к другу тел, которые передают воздействие друг другу при непосредственном контакте. Аристотель жил в IV в. до н. э. Но и через две тысячи лет, в XVII в., Р. Декарт также полагал, что взаимодействие может происходить только путем давления или удара, т. е. при соприкосновении тел. Таким образом, Аристотель и Декарт были сторонниками концепции близкодействия.
Проблема взаимодействия стала актуальной в физике в XVII-XVIII вв., когда возник вопрос о механизме взаимодействия между удаленными телами. В XVII в. И. Ньютоном был открыт закон всемирного тяготения, согласно которому любые тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной массе каждого из них и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Этот закон количественно описывал величину взаимодействия и ее зависимость от массы и расстояния, но ничего не говорил о причинах, из-за которых взаимодействие возникает. Сам Ньютон так высказывался о возможном механизме взаимодействия: «Причину... свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю... Довольно того, что тяготение на самом деле существует, действует согласно изложенным нами законам и вполне достаточно для объяснения движения всех... тел».

Несмотря на осторожность самого Ньютона, многие ученые в XVIII в. стали истолковывать всемирное тяготение в духе концепции дальнодействия. Действительно, согласно закону всемирного тяготения Земля, Луна, Солнце и вообще все планеты действуют друг на друга определенными силами, несмотря на то что они не соприкасаются друг с другом и между ними нельзя обнаружить какую- либо материальную среду, которая может передавать действие этих сил.

Еще во времена Ньютона гравитационное взаимодействие стали пытаться объяснять с помощью теории эфира. Под эфиром понималась некая особая субстанция, которая передает гравитационную силу на расстояние. Эфир часто представляли невидимым и невесомым желе, в которое погружены все тела. Считалось, что движение тела в эфире вызывает его напряжение и деформацию и благодаря этому осуществляется передача сил другим телам, которые также находятся в эфире. Теория эфира вписывалась в концепцию близкодействия. Ее существенным недостатком было то, что гипотетический эфир никогда никем не наблюдался. В 1880 г. был поставлен знаменитый эксперимент Майкельсона-Морли, по результатам которого был сделан вывод, что эфира не существует.

Приблизительно с середины XIX в. действие сил на расстоянии стали объяснять с помощью концепции поля. В конце XVIII в. Ш. Кулон установил закон для электростатического взаимодействия. Согласно этому закону, сила, действующая между двумя точечными покоящимися зарядами, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей эти частицы.

Таким образом, закон Кулона устанавливал, что заряженные частицы взаимодействуют друг с другом на расстоянии в пустом пространстве. Однако также встает вопрос о механизме возникновения действующих между ними сил.

Согласно полевой концепции каждый заряд создает вокруг себя нечто, называемое электрическим полем, а действующая на другой заряд сила возникает вследствие его взаимодействия с полем в той точке пространства, где он находится. Таким образом, поле выступает в роли переносчика взаимодействия между заряженными частицами. Это значит, что в современной науке принята концепция близкодействия. В пользу объективного существования поля свидетельствуют следующие факты:

• конечность скорости распространения изменения поля, вызванного изменением его источника;
• наличие энергии в пустом пространстве, заполненном полем, которое может быть зарегистрировано;
• возможность существования поля после исчезновения его источника.

Первоначально концепция поля применялась только для объяснения электромагнитных взаимодействий, в настоящее время концепция поля используется для описания всех типов фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого ядерных.

В частности, согласно современным представлениям, гравитационное взаимодействие объясняют существованием особого поля, которое является переносчиком гравитонов — частиц, ответственных за соответствующее взаимодействие.

Развитие концепции поля привело к переосмыслению понятия вакуум. Ранее вакуум понимали как абсолютную пустоту, как пространство без материи. В настоящее время принято считать, что вакуум — это сложный физический объект, представляющий собой особое состояние поля. В частности, согласно квантовомеханическим представлениям, кванты, являющиеся переносчиками электромагнитных взаимодействий, представляют собой особые виртуальные частицы с нулевой массой покоя, которые могут спонтанно возникать и исчезать в вакууме. В связи с этим вакуум следует понимать как особое состояние электромагнитного поля, характеризующееся низшим (но не нулевым) уровнем напряжения.