Про поняття поля

На цьому ми закінчимо обговорення ньютонової механіки та перейдемо до теорії відносності, про яку говоритимемо у колишньому стилі вільної бесіди.

Вам, напевно, відомо, що теорію відносності поділяють на приватну та загальну. Про загальну теорію відносності ми докладніше поговоримо на наступній лекції, а приватна теорія відносності тісно пов'язана з рівноправністю ієрціальних систем відліку, про яку ми вже говорили. Обговорення цієї теорії ми, можливо, дещо несподівано почнемо з поняття поля.

У макроскопічній фізиці існують два фундаментальні поля — електромагнітне та гравітаційне; інші її поля виводяться із двох. Теоретично елементарних частинок додається багато інших фундаментальних полів; про них йдеться попереду. Електромагнітне та гравітаційне поля – типові представники полів. Але що таке поле загалом? Думки з цього приводу різняться, я викладу звичні уявлення.

Частинку (матеріальну точку), що займає деяке місце у просторі, можна як фізичну мітку цього місця (цієї просторової точки). Частка рухається, отже є вільні місця. Чи позначені вони? Нам недостатньо знати імена вільних просторових точок, потрібно скористатися якимись фізичними мітками. Адже імена ми давали крапкам довільно, нічого про них не знаючи. І ось виникла ідея мітити незайняті матеріальними точками місця простору мітками, що мають фізичний зміст, тобто використовувати як позначки поле.

Поняття поля має відношення до обговорюваної нами проблеми далекодії та близькодії. Розглянемо взаємодію між Сонцем (М) та Землею (рис. 2). Сила тяжіння у проміжку між ними від місця до місця змінюється. У міру наближення до Сонця вона зростає, а при видаленнізменшується. Цим можна характеризувати просторові точки. Скажімо, у точці А сила тяжіння зображується вектором, спрямованим до Сонця. У точці вона трохи менше (зменшується назад пропорційно квадрату відстані).

Вимірюючи силу, ми визначаємо мітку в просторі, тому що вектори сили тяжіння в нашому прикладі різні в різних просторових точках і однозначно з ними пов'язані (абсолютне значення і напрям цих векторів визначаються відстанню до Сонця і направленням на нього). Введена так мітка більше, ніж ім'я точки, це величина, яку можна виміряти фізично. Вона завжди відповідає цій просторовій точці незалежно від того, знаходиться там Земля або якась інша планета. Отже, силу тяжіння Сонця треба розуміти як позначку точки простору. Крім сили, важливе значення має потенціал тяжіння. В даному випадку він скаляр і сам по собі не може бути міткою точки. Але оскільки сила виходить диференціюванням потенціалу, він із точністю до похідних теж є міткою.

Такий загальний зміст поняття поля. Дещо більш земні, «людські» масштаби має електромагнітне поле. У цьому випадку кожній точці зіставляють векториЕіН, які теж у певному сенсі вважатимуться мітками просторових точок.

Дуже важливо, що поле може бути незалежно від присутності речовини. З погляду класичної фізики поле, наприклад електромагнітне, і речовина - різні фізичні об'єкти. Поняття речовини простіше і ближче до наївного реалізму, ніж поняття поля, яке, зрештою, виводиться з ідеї про силу.