Дальнодействие и близкодействие – две противоречащие друг другу теории классической физики, появившиеся в начале её зарождения.

Дальнодействие можно представит как мгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустое абсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную цель благодаря божественному провидению.

Концепция близкодействия, основоположниками, которой были Декарт, Френель и Фарадей опиралась на понимание пространства как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространялся с конечной скоростью в виде волн.

Имена данная концепция в последующем определила понятие поля, от точки к точке которого и передавалось взаимодействие. Данное представление взаимодействия и пространства, в физике, было развито далее в XX веке, в постулатах теории относительности и квантовой механики. Пространство и время вновь стали пониматься как атрибуты материи, определяющиеся ее связями и взаимодействиями.

Современное представление о времени и пространстве было сформулировано в теории относительности Эйнштейна.

Согласно теории дальнодействия, тела действуют друг на друга без посредников, через пустоту, на любом расстоянии, и такое взаимодействие осуществляется с бесконечно большой скоростью. Примером дальнодействия можно считать силу всемирного тяготения в классической теории гравитации Ньютона.

Согласно концепции близкодействия, тело может действовать только на своё непосредственное окружение, а всякое действие на расстоянии должно осуществляться при помощи тех или иных посредников.

Принципиальное отличие двух концепций можно рассмотреть на примере – взаимодействии двух точечных частиц.
Концепция близкодействия постулирует, что в процессе этого взаимодействия частица А испускает другую частицу – С, при этом ее скорость и импульс меняются, согласно законам сохранения. Частица С поглощается частицей В, что, в свою очередь, приводит к изменению импульса и скорости последней. В результате создается иллюзия непосредственного влияния частиц друг на друга.

В физике нашего времени существует явное разграничение материи на источники взаимодействий, которые называются веществом и частицы-переносчики взаимодействий, которые называются поле.

Значительным отличием концепции близкодействия от концепции дальнодействия служит существование максимальной скорости распространения взаимодействий то есть скорости света.

Динамические законы представляют собой физические законы, отображающие объективную закономерность в форме однозначной связи определённых физических величин количественно выраженных.

Первым динамическим законом является динамическая механика Ньютона. Позже Лаплас абсолютизировал динамические закономерности и вывел принцип, согласно которому все явления в мире детерминированы, т.е. предопределены необходимостью, случайных же явлений и событий не существует.

Вместе с динамическими законами существуют законы вероятностные, то есть вероятностное прогнозирование объективных закономерностей на основе вероятностных законов. Они называются статистическими законами. Данные законы гласят, что предсказать событие можно не однозначно, а с определенной степенью вероятности.

Вероятностными эти законы называются потому, что заключения, основанные на них, не могут быть однозначными, по причине того, что сама информация носит статистический характер, эти законы называют статистическими. Основоположником их можно считать Максвелла. Вероятность имеет объективный характер, то есть из определённого множества событий можно выявить некую закономерность и выразить её определённым числом.

Взаимодействие между частицами (заряженными и незаряженными) можно описывать при помощи полей, но можно и не вводить понятие поля. Концепцию, в соответствии с которой взаимодействие между частицами описывают напрямую, без введения понятия поля, называют концепцией дальнодействия . Название это означает, что частицы взаимодействуют на далеком расстоянии. Наоборот, вторую концепцию, в соответствии с которой взаимодействие осуществляется через посредство поля (гравитационного и электромагнитного), называют концепцией близкодействия . Смысл понятия близкодействия заключается в том, что частица взаимодействует с полем, которое имеется вблизи нее, хотя само это поле может создаваться частицами, находящимися очень далеко.

В первом случае на заряд \(q\) действует сила \(F\) со стороны заряда \(Q\), находящегося на расстоянии \(r\). Во втором случае заряд \(Q\) создает в пространстве вокруг себя поле \(\vec{Е}(x, y, z)\). В частности, в точке с координатами \(x_{0}\), \(y_{0}\), \(z_{0}\), где находится заряд \(q\), создается поле \(\vec{Е}(x_{0}, y_{0}, z_{0})\). Это поле, а не непосредственно заряд \(Q\) взаимодействует с зарядом \(q\).

Исторически знания о природе развивались таким образом, что концепция близкодействия, предложенная в 30-е гг. XIX в. английским физиком М. Фарадеем, воспринималась лишь как удобное описание.

Положение принципиально изменилось после открытия электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью - скоростью света. Из теории электромагнитных волн следовало, что любое изменение электромагнитного поля распространяется через пространство также со скоростью света. Можно сказать, что если заряд \(Q\) в какой-то момент времени начнет движение, то заряд \(q\) «ощутит» изменение действующей на него силы не в тот же момент времени, а спустя время \(r/c\) (\(c\) - скорость света), т. е. время, необходимое для того, чтобы электромагнитная волна дошла от заряда \(Q\) до заряда \(q\).

Конечность распространения электромагнитных волн приводит к тому, что описание электромагнитного взаимодействия на основе концепции дальнодействия становится неудобным.

Чтобы понять это, рассмотрим следующий пример. В 1054 г. на небосводе появилась яркая звезда, свет которой наблюдался даже днем в течение нескольких недель. Затем звезда угасла, и в настоящее время в районе небесной сферы, где находилась звезда, отмечается слабо светящееся образование, которое получило название Крабовидной туманности. В соответствии с современными представлениями об эволюции звезд произошла вспышка звезды, во время которой ее мощность излучения увеличилась в миллиарды раз, после чего звезда распалась. На месте ярко светящейся звезды образовались практически не излучающая нейтронная звезда и расширяющееся облако слабо светящегося газа.

С точки зрения концепции близкодействия наблюдение света звезды сводится к следующему. Заряды, находящиеся на звезде, создали поле, которое в виде волны дошло до Земли и оказало воздействие на электроны в сетчатке глаза наблюдателя. При этом волна достигла Земли за сотни лет. Люди наблюдали вспышку звезды, когда самой звезды уже не было. Если попробовать описать это наблюдение на основе концепции дальнодействия, то приходится считать, что заряды в сетчатке глаза взаимодействуют не с зарядами звезды, а с теми, которые когда-то были на звезде, которой уже нет. Заметим, что в процессе образования нейтронной звезды многие заряды исчезают, поскольку из электронов и протонов образуются нейтроны - нейтральные частицы, практически не участвующие в электромагнитном взаимодействии. Согласитесь, что описание на основе взаимодействия с тем, что когда-то было, но не существует в настоящий момент времени, «не очень удобное».

Другая причина признать поле материальным связана с тем, что электромагнитная волна переносит через пространство энергию и импульс . Если поле не считать материальным, то следует признать, что энергия и импульс не связаны с чем-то материальным и сами по себе переносятся через пространство.

Сформулированная в 1905 г. Альбертом Эйнштейном теория относительности базируется на постулате, в соответствии с которым не существует взаимодействий (в том числе и фундаментальных), распространяющихся быстрее света.

Мы начали с «материализации духов». Так вот... Физики - народ остроумный, и понятие «духи» уже используется в современной теории поля. Можно сказать, что пока еще эти духи не материализованы, т. е. не наблюдаются на опыте. Но и наука о фундаментальных полях пока еще не завершена.

Конечность распространения фундаменталь­ных полей и их связь с энергией и импуль­сом (перенос энергии и импульса этими по­лями) приводят к признанию этих полей в качестве одной из составляющих материи. Материя, таким образом, представлена час­тицами (веществом) и фундаментальными полями.

Понятие взаимодействия. Концепция дальнодействия и близкодействия

Под взаимодействием в более узком смысле понимают такие процессы, в ходе которых между взаимодействующими структурами и системами происходит обмен квантами определенных полей, энергией, а иногда и информацией.

В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу четырех основных видов фундаментальных взаимодействий: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному . Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью так называемой константы взаимодействия, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия. Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий.

Концепции дальнодействия и близкодействия

Близкодействие и дальнодействие --это взаимно противоположные взгляды для объяснения взаимодействия материальных структур. По концепции близкодействия любое взаимодействие на материальные объекты может быть передано только между соседними точками пространства за конечный промежуток времени. Дальнодействие допускает действие на расстоянии мгновенно с бесконечной скоростью, т. е. фактически вне времени и пространства. После Ньютона эта концепция получает широкое распространение в физике, хотя он сам понимал, что введенные им силы дальнодействия (например, силы тяготения) являются лишь формальным приближенным приемом, позволяющим дать верное в некоторых пределах описание наблюдаемых явлений. Окончательное утверждение принципа близкодействия пришло с выработкой концепции физического поля как материальной среды. Уравнения поля описывают состояние системы в данной точке в данный момент времени как зависящее от состояния в ближайший предшествующий момент в ближайшей соседней точке. Если электромагнитное поле может существовать независимо от материального носителя, то электрическое взаимодействие нельзя объяснить мгновенным действием на расстоянии. Поэтому дальнодействие Ньютона уступило место близкодействию, полям, распространяющимся в пространстве с конечной скоростью. Таким образом, согласно современной науке, взаимодействия между структурами передаются посредством соответствующего поля с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

Характеристика основных видов взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое)

1. Гравитационное взаимодействие является универсальным, однако в микромире не учитывается, так как из всех взаимодействий является самым слабым и проявляется только при наличии достаточно больших масс. Его радиус действия не ограничен, время также не ограничено. Обменный характер гравитационного взаимодействия до сих пор остается под вопросом, так как гипотетическая фундаментальная частица- гравитон- пока не обнаружена.

(И. Ньютон) - самое слабое взаимодействие.

2. Электромагнитное взаимодействие: константа порядка 10 -2 , радиус взаимодействия не ограничен, время взаимодействия t ~ 10 -20 с. Оно реализуется между всеми заряженными частицами. Частица-переносчик - фотон (г-квант).

3. Слабое взаимодействие связано со всеми видами в-распада, им обусловлены многие распады элементарных частиц и взаимодействие нейтрино с веществом. Константа взаимодействия порядка 10 -13 , t ~ 10 -10 с. Это взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим: радиус взаимодействия r~10 -18 м. Частицы-переносчики - промежуточный векторный бозон: W + , W - , Z 0 . (Ферми).

4. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа взаимодействия принимается равной1, радиус действия порядка 10 -15 м, время протекания t ~10 -23 с. Сильное взаимодействие осуществляется между кварками - частицами, из которых состоят протоны и нейтроны - c помощью т.н. глюонов. (Юкава).

Близкоде́йствие - представление, согласно которому взаимодействие между удаленными друг от друга телами осуществляется с помощью промежуточной среды (поля) и осуществляется с конечной скоростью. В начале 18 века одновременно с теорией близкодействия зародилась противоположная ей теория дальнодействия , согласно которой тела действуют друг на друга без посредников, через пустоту, на любом расстоянии, и такое взаимодействие осуществляется с бесконечно большой скоростью (но подчиняется определенным законам). Примером дальнодействия можно считать силу всемирного тяготения в классической теории гравитации И. Ньютона .

Одним из родоначальников теории близкодействия считается М. В. Ломоносов . Ломоносов был противником теории дальнодействия, считая, что тело не может воздействовать на другие тела мгновенно. Он полагал, что электрическое взаимодействие передается от тела к телу через особую среду «эфир», заполняющую все пустое пространство, в частности и пространство между частицами, из которых состоит «весомая материя», т. е. вещество. Электрические явления, по Ломоносову, следует рассматривать как определенные микроскопические движения, происходящие в эфире. То же самое относится и к магнитным явлениям.

Однако теоретические представления Ломоносова и Л. Эйлера в то время не могли получить развития. После открытия закона Кулона , который по своей форме был таким же, как и закон всемирного тяготения, теория дальнодействия совсем вытесняет теорию близкодействия. И только в начале 19 века М. Фарадей возрождает теорию близкодействия. Согласно Фарадею, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое и магнитное (если он движется) поля. Поля одного заряда действуют на другой и наоборот. Всеобщее признание теории близкодействия начинается со второй половины 19 века, после экспериментального доказательства теории Дж. Максвелла , сумевшего придать идеям Фарадея точную количественную форму, столь необходимую в физике - систему уравнений электромагнитного поля.

Важным отличием теории близкодействия от теории дальнодействия является наличие максимальной скорости распространения взаимодействий (полей, частиц) - скорости света. В современной физике проводится четкое разделение материи на частицы-участники (или источники) взаимодействий (называемые веществом) и частицы-переносчики взаимодействий (называемые полем). Из четырех видов фундаментальных взаимодействий надежную экспериментальную проверку существования частиц-переносчиков получили три: сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. В настоящее время предпринимаются попытки по обнаружению переносчиков гравитационного взаимодействия - так называемого

Действие на расстоянии представляет собой взаимодействие объектов между собой, не используя при этом никаких посредников. Согласно этой теории между взаимодействующими объектами находится пустота. То есть отрицается наличие, какого либо агента передающего воздействие от одного тела к другому.

Рисунок 1 — дальнодействие на примере двух зарядов

Также считается, что это самое воздействие передается бесконечно быстро. Ну, или, по крайней мере, со скоростью света. Расстояние также может быть любым, действие тел друг на друга всё равно будет происходить.

В качестве примера теории действия на расстоянии приводится сила всемирного тяготения. Которая описана в классической теории гравитации Ньютона. Но, тем не менее, хотя сам Ньютон и открыл гравитацию он так и не смог объяснит механизм ее работы. То бишь луна притягивается к земле без постороннего физического агента, как и земля к солнцу, но вот каков механизм этого взаимодействия он так и не объяснил.

Рисунок 2 — притяжение луны к земле

Ученые того времени не сразу приняли теорию дальнодействия. Они всё-таки пытались адаптировать законы механики к явлениям, которые объяснялись с помощью теории действия на расстоянии. При этом использовали теорию близкодействия. Которая сводилась к тому, что тела находящиеся на расстоянии не могут взаимодействовать между собой непосредственно. То есть, чтобы сила передавалась от одного тела к другому, нужен какой либо физический посредник.

В результате адаптации возникло такое понятие как эфир. Да-да тот самый эфир, который вспоминают при теле или радиовещании. Суть эфира заключается в том, что он и взял на себя функции той физической среды, которая должна являться посредником для передачи силы между телами. То есть, используя понятия эфира, можно применить теорию близкодействия к явлению скажем гравитации. Одно тело давит на эфир, который, сжимаясь, передает воздействие на другое тело.

Рисунок 3 — эфирная частица заполняющая вакуум

К слову считалось, что эфир заполняет пространство внутри атома между ядром и электронами. Он та и являлся связующим звеном между ними, так как выходила, что внутри твердых физических тел на самом деле находилась пустота. Электромагнитная волна, испускаемая все при том же радиовещании, так же распространялась благодаря эфиру.

Но в итоге от понятия эфира пришлось отказаться. Хотя оно конечно и давало объяснение каким образом взаимодействуют тела находящиеся на расстоянии но математически доказать это не удалось. Не противоречивую теорию, включающую в себя близкодействие и понятие эфира, так и не сформировали.

Современная физика проводи четкую границу в материальных частицах. Одни из них являются источниками вызывающими взаимодействие, к примеру, носители заряда. То есть это непосредственно вещество скажем металл. А другие только переносят это взаимодействие, их называют полем.