Воздействие и взаимодействие

Концепция контролируемого воздействия. Воздействие и взаимодействие. Характеристики контролируемого воздействия на частицу. Фундаментальные силы. Механическая энергия и динамика частицы. Энергия взаимодействия в системе частиц.

Лекция №7.

Концепция контролируемого воздействия:

Рассматривая модели свободной частицы и изолированной системы частиц, мы идеализировали ситуацию, считая, что они как бы вынуты из окружения. В реальности, конечно, подобное предположение справедливо только в том случае, если наличие окружения слабо сказывается на поведении объекта, как будто они разнесены друг от друга на большие расстояния. В других ситуациях окружение влияет на поведение объекта, и это определенным образом отражается на его характеристиках – хотя бы некоторые из них перестают быть неизменными. Другими словами, окружение оказывает на рассматриваемый объект некоторое воздействие, которое понимается как одностороннее влияние на него со стороны всех других тел, образующих его «свиту».

Сила вообще не является единственной и универсальной характеристикой воздействия на частицу. Если это воздействие осуществляется более массивным материальным объектом, который мы можем считать неподвижным, и имеет гравитационный, электрический или упругий характер, то в нашем распоряжении оказывается еще одна новая характеристика. В этих условиях она приписывается объекту (более легкой частице), потому что формально зависит только от ее координат, хотя на самом деле она принадлежит всей системе в целом. Эта характеристика называется потенциальной энергией U(r), и поэтому даже соответствующие силы называют потенциальными. Конкретный вид зависимости U(r) определяется соответствующим законом силы. Так, для силы тяжести вблизи поверхности Земли на высоте h она равна mgh. Как оказалось, это действительно энергетическая характеристика, потому что она увеличивает способность тела производить работу. Достоинство потенциальной энергии состоит в том, что совместно с кинетической энергией она образует новую физическую величину – механическую энергию е_мех, которая, несмотря на внешнее воздействие, обладает свойством сохранения.

Около 60 лет назад считалось, что существует только четыре элементарные частицы – протон, нейтрон, электрон и фотон. Однако с тех пор в течение довольно короткого времени были открыты не только новые элементарные частицы, но и многочисленные процессы их взаимных превращений. Элементарные частицы образуют одно тесное неразделимое сообщество. Существование одной частицы, так или иначе, связано с наличием другой.

Для обозначения всех этих многообразных связей физики используют понятие «взаимодействие». Этот термин достаточно конкретный, но, с другой стороны, весьма широкий. Независимо от того, притягиваются ли частицы между собой, отталкиваются или распадаются на другие частицы, – они «взаимодействуют» друг с другом.

Современная физика знает четыре силы, существующие в природе, и, соответственно, четыре типа взаимодействия. Первая, которая порождает так называемое сильное взаимодействие, действует на крайне коротких расстояниях (около 10^{-15 м) между частицами в атомных ядрах и обеспечивает «склейку» ядер. Другая, более слабая сила (в 1014} раз, чем сильная), вызывающая слабое взаимодействие, также возникает между субатомными частицами (обуславливает бета-распад). Электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз слабее сильного, зато радиус его практически не ограничен. Наконец, гравитация – наиболее слабый вид взаимодействия: его интенсивность составляет всего лишь 10^-43 от интенсивности электромагнитного взаимодействия. Это взаимодействие, по-видимому, не играет никакой роли в мире элементарных частиц. Однако не исключено, что его истинное значение нам просто неизвестно.

Смысловое различие между «воздействием» и «взаимодействием» заключается в следующем: в первом случае подразумевается определенное неравноправие объекта и окружения (например, большое различие в их массах). Во втором же подразумевается равноправие объекта и окружения. Так что воздействие можно интерпретировать как частный случай более общего понятия «взаимодействия».

До сих пор сам механизм взаимодействия (и воздействия) оставался как бы в тени – даже в системе со столкновениями он не рассматривался, считая, что частицы свободно прилетают из бесконечности, вступают в короткие взаимоотношения и затем вновь разлетаются на бесконечность, продолжая снова быть свободными. Между тем, последовательное описание взаимодействия и воздействия – одна из центральных задач всей физики. На протяжении столетий в ней сформировались два принципиально различных взгляда на механизм взаимодействия материальных объектов.

Один из них воплощен в принципе «близкодействия». По концепции близкодействия любое воздействие на материальные объекты может быть передано только между соседними точками пространства за конечный промежуток времени. Оно проявляется в том, что при этом абсолютно твердые объекты передают один другому некоторую долю импульса, энергии и т.п.

Таким образом, согласно наиболее общим положениям концепции единого пространства-времени, взаимодействие подчиняется принципу близкодействия, т.е. осуществляется с запаздыванием. Однако во многих задачах с медленно движущимися объектами его с успехом можно описывать приближенно, считая время запаздывания чрезвычайно малым.