Теория поля

    Существует  два понятия - вещество и поле. Чем же для нас различаются эти понятия? В принципе, когда мы пытаемся рассмотреть само понятие вещества, возникает образ множества каких-то частиц, объединённых в определённые структуры. И когда мы пытаемся представить себе, что же такое поле, то в нашем воображении возникает что-то такое неопределённое, которое существует везде и влияет на всё.

    С первых шагов человека в попытке  исследовать окружающий мир, основной физической величиной, которая характеризует  количественные параметры вещества, была принята масса. Такая мера измерения величины этого определения стала универсальным и базовым понятием в физике, на основе которого развилось много научных направлений. Далее, исследуя физические реальности, человечество пришло к выводу о существовании неких неуловимых сил, которые взаимодействуют с веществом, способом, неизвестным на тот момент научной мысли. Для объяснения наблюдаемых эффектов было введено понятие - поле. И одной из основных характеристик этого понятия была принята энергия. В этом смысле были введены понятия, что, вещество имеет массу, а поле обладает энергией взаимодействия.

    Но  дальнейшее развитие человеческой мысли  изменило такие упрощенные представления  об окружающем нас мире. Новые открытия, полученные благодаря Теории Относительности, позволили взглянуть на эту проблему несколько с другой точки зрения. Оказалось, что провести между этими понятиями чёткую границу невозможно. Вещество, как и поле, имеет запасы внутренней энергии, причём в гораздо больших концентрациях. И вот сейчас мы пришли к выводу, что и первое, и второе понятие суть одно и то же. Вся эта реальность порождается определенным набором частиц, находящихся в непрерывном взаимодействии. И, с определённой долей справедливости, можно утверждать, что одно состоит из другого.

    Чтобы дальше выяснить эти физические понятия, продолжим наши мысленные путешествия  в глубины окружающего нас  мира.

    До  сих пор мы рассматривали взаимодействие частиц между собой, сейчас проанализируем процесс образования частицы и её взаимодействие с полем.

    

    Выше мы ввели 
некоторое представление 
о пространственном 
образовании из множества однородных частиц и назвали его - газом. 
 

     

Рис. 1 Действие импульса на облако m-газа. -

 Предположим,на т-газ воздействует возмущение <F> и некоторое количество m-частиц пришло в движение.

    Способы воздействия на газ в данном случае мы не рассматриваем, это совершенно не принципиально, для данного вопроса.

    В таком облаке m-газа возникает возмущение и при некоторых, достаточно больших, значениях импульса <F> возникает вихрь. Этот момент будет зависеть от внутренних свойств предполагаемого газа, его вязкости, плотности и т.д. Но при любом состоянии внутренних параметров этого объекта возможно возникновение вихревых структур. Некоторое минимальное значение импульса, при котором возможно образование вихря в газе, будем называть критическим - F . Тогда, воздействуя на облако нашего газа импульсом, по величине равным F , сможем наблюдать возникновение вихря и частиц этого газа.

    

 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 2 Начало вихреобразования в облаке m-газа. 
 
 

Но из предыдущего  нам известно, что все частицы  взаимодействуют между собой  непрерывно и постоянно. И при  попытке сдвинуть со своего положения  одну из них, мы приводим в движение целую цепочку таких структур. Поэтому такой вихрь, образованный из частиц, взаимодействующих между собой, долго существовать не сможет.

      Импульс, которым мы пытаемся создать вихрь, просто рассеется на придание движения другим частицам и образованная  структура неизбежно распадётся. Но если каким-то образом замкнуть внутри вихря определённое количество момента вращения, допустим равное F_кр, который смог бы поддерживать вращение этого образования, то этот вихрь существовал бы как самостоятельная структура.

    Сейчас  нельзя забывать, что мы пытаемся проследить зарождение вихря из таких же образований меньшего размера. Поэтому, как это было показано выше, при достаточно мощном воздействии, захваченные частицы газа достигнут необходимой плотности для образования новой частицы. То есть, если F=2F_кр, то можем предполагать, что время существования вновь образованной частицы будет вполне достаточным, чтобы мы смогли зафиксировать факт её образования. Безусловно, это идеальный случай и множество сопутствующих этому процессу факторов мы не учитываем, но для понимания сути всего построения, примем такое допущение.

    Так как частица, из которой мы пытаемся создать вихрь, находится в облаке себе подобных взаимодействующих между  собой объектов, то для каждой m-частицы существует сила взаимодействия - F_m. Но такие частицы, в свою очередь, состоят из меньших и тогда, соответственно, для этих меньших µ-частиц сила взаимодействия будет - F_µ. Имеется в виду взаимодействие двух одинаковых частиц между собой, например, m-частицы, или меньшие µ-частицы. Очевидно, что для образования устойчивого вихря необходимо чтобы величина нашего условного импульса превышала силу взаимодействия двух частиц. И уровень воздействия на частицы большего размера мог превысить силу взаимодействия двух частиц меньшего уровня. То есть:

 

 
или:

      где: К - количество частиц меньшего уровня. В нашем примере µ-частиц, необходимое для образования m-частицы.

    Попытаемся  проанализировать влияние всасываемых  частиц на состояние образованного  вихря. Для этого рассмотрим отдельно стоящую частицу, например А_т. Мы уже выяснили, что для существования атома, ему необходимо непрерывно всасывать  µ-частицы. Поэтому попытаемся определить зависимость состояния атома от количества всасываемых им меньших частиц.

    Для этого рассмотрим одиночную частицу, существующую достаточно длительное время, то есть предполагаем стабильность процесса всасывания. Представим вокруг Ат некую сферу, радиусом R, через которую непрерывным потоком движутся µ-частицы. 

Рис.3 Схематическое

изображение процесса

поглoщения  атомом µ-частиц.

 

 

    Во  избежание путаницы необходимо небольшое уточнение. Как мы ранее разобрали, внутреннее строение атома состоит из меньших частиц, которые названы адроны. Но такое определение необходимо рассматривать только в том случае, когда эта меньшая частица будет существовать самостоятельно. То есть отдельно от атома. Как только она вошла в состав атома, сразу же этот вихрь разворачивается и её составляющие вливаются в структуры атома. Поэтому, в реально существующем атоме, частиц, которые мы называем адроны, - нет. Но как только мы попытаемся отделить от атома часть его структуры, сразу же будет образована частица адрон. Вот поэтому я рассматриваю сейчас атом, в оболочке которого находятся m-частицы, а для поддержания своего существования, им необходимо всасывать еще более мелкие - µ-частицы.

    Через единицу площади воображаемой сферы, за время Dt, пролетает k частиц, со скоростью - V. За этот отрезок времени µ-частицы пролетают расстояние - DR, тогда:

K = Sk∆tV 
 

или путём  несложных преобразований, будем  иметь:

K=LkR³

где: LR³ это объём W, занимаемый частицей, тогда:

K=kW.

    Но  теперь вспомним, что µ-частицы точно также представляют собой вихрь и, в свою очередь, захватывают ещё более мелкие частицы. Получается, что если мы сдвигаем одну частицу, за ней тянутся более мелкие, за теми ещё более мелкие и так далее.

    Таким образом, при попытке сдвинуть со своего места или изменить траекторию движения любой из частиц, мы неизбежно  вовлекаем в этот процесс огромное количество взаимодействующих с  ней меньших частиц. Но тогда внешне, мы сможем наблюдать всё это как сопротивление среды или то, что физика определяет как инертность. Но такое понятие нам давно известно - величина этой инертности и является мерой МАССЫ. И тогда можно сделать вывод что:

M~K

    Или масса исследуемой частицы пропорциональна произведению количества более мелких частиц, захватываемых в вихревой процесс, помноженному на занимаемый объем.

M=bkW,

где: b коэф. пропорциональности.

    Весьма  показателен в этом плане вопрос о взаимоотношении масс гравитационной и инертной. В физике давно известен неординарный случай совпадения величин так называемой массы инертной, которая входит в некоторые соотношения, например E=mc², и массы тяжелой, которая играет роль гравитационного заряда, например в законе тяготения Ньютона. Чтобы разобраться в смысле этого утверждения и в чём его необычность, попробуем мысленно представить эту ситуацию.

    В разделе физики, который называется механика, движение тел  в слабом поле тяготения описывается уравнениями:

m_ia = m_gg,

где:

m_i — масса инертная,

а — ускорение,

m_g — масса гравитационная,

g — напряжённость гравитационного поля.

    Основным  и необычным выводом из проводимых экспериментов является равенство  ускорений (а) тел различной массы  в поле данной напряженности (g), при их свободном падении. Этот реальный эксперимент сейчас проверен с очень большой точностью, приблизительно 10^-12. И всегда результат был один и тот же:

m_i = m_g

    Необычность этого вывода в том, что масса, как показатель тяжести любого тела, измеренная на поверхности земли  будет равна массе, как показателю инертности, измеренной в межзвездном пространстве.

    Но  ничего необычного в этом утверждении  нет. Дело в том, что в данном случае необходимо рассматривать систему - тело и его поле, взаимодействующую  в первом случае с другой системой - телом большего размера и его полем. Теперь представим, что первое тело располагается неподвижно вблизи поверхности земли. Тогда его поле, состоящее из всасываемых им частиц, будет увлечено полем большего тела и, как бы, «отдираться» от него. То есть, измеряя массу этого тела, мы будем измерять уровень взаимодействий между телом и собственным полем, которое «отдирается» полем большего тела.

    Во  втором случае, вдали от тел намного  большего размера, наше тело будет находиться в режиме свободного зависания. При  попытке придать ему движение в любом направлении, мы, опять же, будем его «отдирать» от собственного поля.

    Поэтому, в данном случае, необходимо рассматривать  систему «частица и её поле», образованное поглощаемыми ею меньшими частицами. И  только в таком тандеме проявляется такое понятие как масса.

    Теперь  обратим внимание на сам процесс  движения частицы. Рассматривая его  протекание как непрерывное взаимодействие движущегося объекта с окружающими  его частицами, которые он всасывает, можем выделить два принципиально  различных случая.

    Первый - это движение образовавшегося вихря  вместе с частицами, из которых он образован. В этом случае всё условное облако нашего газа движется относительно наблюдателя и мы не сможем заметить его влияния на гипотетическую частицу.

    Второй  случай, когда мы попытаемся внешним усилием изменить траекторию движущейся мимо нас частицы. В этом случае мы вынуждены будем изменить и траектории движения составляющих газа, которые в свою очередь потянут за собой ещё более мелкие частицы.

    В этом случае мы также будем наблюдать противодействие нашей попытке изменить первоначальное движение. Из курса физики нам известно, что мерой движения, равно как и сопротивления этому движению является - ЭНЕРГИЯ.

    Или по-другому, энергия - это показатель работоспособности нашей физической системы. Если представить это понятие как взаимодействие системы физических объектов, то это есть накопленная возможность выполнить работу.

    И если мы можем определить энергию  взаимодействия условного газа, в  котором движется частица (в нашем случае m-частица), как меру сопротивления, тогда можно обозначить энергию взаимодействия одной частицы - å. Следовательно, полная энергия атома будет равна:

E=ebkW

или из предыдущего

E=eM.

Что можно  представить по аналогии с массой:

EfK

    То  есть, количество энергии, которой обладает частица, пропорционально количеству поглощаемых меньших частиц.

    Раннее  мы рассмотрели понятие поля, где было показано, что совокупность взаимодействующих между собой частиц одного уровня, представляет собой поле. Тогда, исходя из вышесказанного, энергия взаимодействия одной структурной единицы такого поля и будет являться энергией этого поля. Это можно представить себе на одном очень показательном примере. Допустим, из некоторого реально существующего поля мы пытаемся извлечь единичную частицу. Естественно, что для этого необходимо преодолеть сопротивление всех взаимодействующих с ней частиц. Это как из густого клея вытащить кисточку. Так вот, наши усилия, которые мы затратим на это действие, и будут той мерой энергии поля.