Взаимодействие

Взаимодействие - это философская категория, отражающая процессы воздействия различных объектов друг на друга, их взаимную обусловленность, изменение состояния, взаимопереход, а также порождение одним объектом другого. Свойства объекта могут проявляться и быть познанными только во взаимодействии с другими объектами.

Взаимодействие носит объективный и универсальный характер. Так как любой объект в мире можно рассматривать как физический (необходимо учитывать, что во многих случаях такого рассмотрения недостаточно), то представляет интерес с точки зрения естественнонаучной культуры анализ подхода физики к взаимодействию.

Физика взаимодействия основана на представлении о поле как материальном носителе взаимодействия. Примерами физических полей являются электромагнитное и гравитационное поля, поля ядерных сил, волновые квантованные поля элементарных частиц.

Понятие физического поля введено в физику М. Фарадеем и Дж. Максвеллом (30-60 гг. ХIХ века) для описания механизма действия электрических и магнитных сил.

Концепция силового поля как посредника при передаче взаимодействия возникла в качестве альтернативы идее дальнодействия, т.е. прямого, без какого-либо промежуточного агента, взаимодействия частиц (тел) на расстоянии. Согласно идее дальнодействия, сила, например, между двумя заряженными частицами возникает только при наличии обеих частиц. Пространству около частиц не отводится при этом никакой роли в передаче взаимодействия. Напротив, концепция поля подразумевает, что само наличие заряженной частицы меняет свойства пространства: частица создает вокруг себя силовое электрическое поле. Каждая точка измененного пространства обладает потенциальной способностью проявить действие силы. Для этого достаточно поместить в эту точку второй, пробный заряд. Пробный заряд взаимодействует не непосредственно с зарядом - создателем поля, а с полем в точке, где этот пробный заряд находится. Поле выполняет роль посредника: оно от точки к точке передает действие одного заряда на другой. Такой механизм взаимодействия называется близкодействием.

При движении, например, заряженной частицы сила, действующая со стороны второго заряда, меняется. Поэтому будет изменяться и его энергия. Будет меняться и сила со стороны первого заряда на второй. Согласно теории относительности, ни один сигнал не может распространяться быстрее света. Поэтому между началом перемен в состоянии первого заряда и началом перемен в состоянии второго должен пройти конечный промежуток времени. Посредничество поля объясняет это запаздывание.

Действительно, сместившись, первый заряд передает полю как сигнал о смещении ту долю энергии, которой он лишился. Следовательно, меняется и само поле. Это изменение начнет волной распространяться по полю от точки к точке. Дойдя через определенное время до второго заряда, волна передает ему энергию от первого. С этого момента начнет меняться сила, действующая на второй заряд.

В таком механизме передачи взаимодействия поле само является физической реальностью. В течение всего времени запаздывания именно полю принадлежит доля энергии, уже отданная первым зарядом и еще не полученная вторым.

Как всякую физическую систему, поле описывают характеризующими его состояние физическими величинами. Методы описания поля существенно отличаются от методов описания частиц, так как энергия, импульс и другие характеристики поля “размазаны”, распределены по всей области пространства, где имеется поле. В каждый момент времени их следует задавать в каждой точке этой области. Однако нет необходимости знать все физические величины, относящиеся к полю: можно выбрать одну или несколько величин, а все остальные могут быть выражены через них. Например, для электрического поля достаточно задать в каждой точке пространства вектор напряженности поля. Такого рода величину, по которой определяются все физические проявления поля, называют полевой функцией. Уравнения, которым подчиняется полевая функция, описывают эволюцию, т.е. изменение во времени, поля и его взаимодействие с другими физическими объектами - частицами и полями.

Поле существенно, принципиально отличается от классической частицы: физические характеристики поля не локализованы на отдельных материальных телах, а распределены по некоторой области пространства. Поле от вещества отличается числом степеней свободы. У вещества оно конечно, а у поля – бесконечно. Число степеней свободы физического объекта определяется числом его координат в фазовом пространстве. Фазовое пространство - это многомерное пространство всех обобщенных координат и обобщенных импульсов физической системы.

Различие между полем и частицей особенно ярко проявляется в их механическом поведении. Движение частицы в пространстве - это ее механическое перемещение. Оно может быть, в частности, наложением нескольких движений. Если, например, складываются два противоположных (равных по величине) движения, частица оказывается в состоянии покоя. Сама частица при этом никуда не исчезает. Движение же поля в пространстве – это распространяющиеся колебания полевой функции, т.е. волны. Наложение двух волн может привести к усилению, ослаблению, а иногда и к полному гашению поля в некоторой области пространства. Другими словами, для поля возможна интерференция. Присущие полю эффекты интерференции и дифракции в рамках классической физики невозможны для частиц.

Классической физике вообще было свойственно, как мы уже подчеркивали, противопоставление непрерывных и дискретных объектов - полей и частиц. Такое противопоставление препятствовало общему стремлению физики к единому описанию природы.

Важный шаг на пути к ликвидации этого препятствия сделала квантовая механика. Эксперименты показали, что и непрерывные, и дискретные физические объекты реально обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

В квантовой теории поля реальному физическому полю соответствуют дискретные кванты. В терминах этого нового физического объекта - квантового поля - удается описать и частицы.

Квантованные поля сохранили основную роль физического поля - роль переносчиков взаимодействия. Взаимодействие в квантовой теории поля выглядит как обмен квантами поля. Так, фотоны переносят электромагнитные взаимодействия между заряженными частицами, например, электронами. П-мезоны (кванты П-мезонного поля) осуществляют ядерные взаимодействия между нуклонами и т.д.

Еще раз подчеркнем, что квантованное поле - это совершенно новый физический объект. Ему присуща совокупность и волновых, и корпускулярных свойств.

Физика взаимодействия делится на четыре отдела, которые соответствуют известным видам взаимодействия - сильному, электромагнитному, слабому, гравитационному.