Речовина і маса, принцип еквівалентності

РЕЧОВИНА І МАСА, ПРИНЦИП ЕКВІВАЛЕНТНОСТІ.

У фізиці під речовиною мають на увазі такий вид матерії, який володіє масою спокою, тобто в стані нерухомості (хоча б і відносної) маса системи не дорівнює нулю. В кінцевому рахунку, речовина складається з атомів (або елементарних частинок). У наступних розділах ми дізнаємося, що існують частинки, що мають нульову або уявну масу спокою; такі частинки можуть існувати тільки в русі.

Речовина завжди локалізовано в обмеженої частини простору. Його положення можна задати за допомогою обмеженого числах параметрів, які прийнято називати ступенями свободи. У найпростішому випадку руху точки, її положення в просторі задається 3-ма незалежними координатами (ступенями свободи). Навіть, коли речовина не можна моделювати точкою (наприклад, тверде тіло), його положення все одно визначається кінцевим числом незалежних координат - ступенів свободи. Якщо речовина складається з N атомів, то ми можемо описати стан кожного атома в окремо. Всього буде потрібно задати 3 N параметрів. Реально атоми утворюють зв'язку; кожна зв'язок перетворює одну з незалежних координат в залежну, і число незалежних параметрів (координат) зменшується. Положення твердого тіла, виявляється, можна задати лише 6 параметрами: трьома координатами - положення центру мас тіла і ще трьома кутами - його орієнтацію (розворот) щодо координатних осей.

У цьому і в попередніх розділах згадувалося поняття маси, яке вимагає додаткового обговорення. На початку нашого курсу говорилося, що маса характеризує кількість матерії. Це формулювання якісна. Вона вимагає уточнення. Правильніше говорити, що маса - одна з основних характеристик матерії, яка визначає її інерційні і гравітаційні властивості. Зупинимося на цьому питанні докладніше. У теорії Ньютона маса розглядалася, як кількість речовини. Поняття маси ввів в механіку І. Ньютон, даючи визначення імпульсу -. Масою він назвав коефіцієнт пропорційності m, постійну для тіла величину. Еквівалентну визначення маси випливає і з другого закону Ньютона: Тут маса - це коефіцієнт пропорційності між результуючої силою і що викликається нею прискоренням. Визначена таким чином маса характеризує інертність тіла. Тобто чим більше маса тіла, тим менше прискорення воно набуває під дією постійної сили. Визначена таким чином маса називається інертною.

У теорії гравітації І. Ньютона маса виступає як джерело поля сил тяжіння. Кожна маса створює навколо себе підлогу сил тяжіння (гравітаційне поле). На будь-яке тіло, поміщене в це поле, діє сила, пропорційна його основній своїй масі, масі джерела і спрямована до джерела. Це означає, що гравітаційні сили завжди є силами тяжіння. Закон всесвітнього тяжіння формулюється в наступному вигляді:, де м3 / (кг × с 2) - гравітаційна стала, m1 і m2 - маси тіл, r - відстань між тілами.

З цієї формули можна отримати зв'язок між масою тіла і його вагою Р в полі тяжіння Землі, якщо вважати, що m1 - маса тіла, m2 = M - маса Землі, а r = Rз - радіус Землі:

тобто . Визначена таким чином маса називається гравітаційної.

В принципі, нізвідки не випливає, що маса, що створює поле тяжіння і маса, яка визначає інерцію тіла - однакові. Однак, спеціальні досліди показали, що інерційна і гравітаційна маси при виборі однакової системи одиниць рівні. Цей фундаментальний закон природи називається принципом еквівалентності мас. Експериментально цей принцип був перевірений в 1971 році з дуже високою точністю - 10-12.

У класичній фізиці вважалося, що маса тіла не змінюється ні в яких процесах. Це твердження формулювалося у вигляді закону збереження маси. Поняття маси придбало глибший сенс в рамках релятивістської механіки або теорії відносності, що розглядає рух тіл з великими швидкостями. Релятивістська механіка показує, що не існує окремо законів збереження маси і енергії. Вони злиті воєдино. Це природно, тому що матерія (кількість якої характеризується масою) неможлива без руху (кількість якої характеризується енергією). Детальніше розглянемо це питання після вивчення законів збереження і спеціальної теорії відносності.

Природа маси - найважливіший, до сих пір не вирішене питання фізики. Прийнято вважати, що маси елементарних частинок визначається полями, з ними пов'язаними. Однак, до теперішнього часу не створена кількісна теорія маси. Не існує теорій, що пояснюють, чому маси елементарних частинок утворюються не безперервний, а дискретний, тобто перериваний спектр значень, і тим більше, що дозволяють розрахувати ці значення.

ВЗАЄМОДІЯ. ПОЛЕ. ПРИНЦИПИ близкодействии І дальнодействием.

Уже кілька разів згадувалося поняття поле. Що ж слід під ним розуміти? У механіці Ньютона взаємодія тел кількісно характеризується силою. Більш загальною характеристикою взаємодії тіл є потенційна енергія. Але не для всіх сил вона може бути введена.

Спочатку в класичній механіці утвердилася концепція, що взаємодія між тілами відбувається через порожній простір, яка не бере участі у взаємодії, передача взаємодії відбувається миттєво. Так, наприклад, вважалося, що переміщення Землі миттєво призводить до зміни сили тяжіння, що діє на Місяць. В цьому і полягала так звана концепція дальнодействия. По суті справи затверджувалася можливість миттєвої передачі будь-якого впливу від одного тіла іншому. При цьому не обговорювався механізм цієї передачі.

Однак, дані уявлення були відкинуті, як не відповідають реальним, після відкриття і дослідження електричних і магнітних полів. Поняття поля в застосуванні до електричного і магнітного полів було введено в 30-х роках 19-го століття М. Фарадеєм. Концепція поля була відродженням теорії блізкодействія, основоположником якої був Р. Декарт. Відповідно до його концепції близкодействия, взаємодіючі тіла створюють в кожній точці навколишнього їх простору особливий стан - поле, яке проявляється в силовому впливі на інші тіла, в ці поля поміщені. Експериментально було показано, що взаємодія електрично заряджених тіл здійснюється не миттєво. Переміщення однієї зарядженої частинки призводить до зміни сил, що діють на іншу заряджену частку не в той же момент, а через деякий час. У розділяє частинки просторі відбувається певний процес, який поширюється з кінцевою, хоча і дуже великою швидкістю. Був зроблений висновок, що є посередник, що здійснює взаємодію між зарядженими частинками. Цей посередник був названий електромагнітним полем. Кожна заряджена частка створює навколо себе електромагнітне поле, що діє на інші заряджені частинки. Швидкість поширення електромагнітних хвиль не перевищує швидкості їх поширення в вакуумі, що дорівнює 3 × 108 м / с. Таким чином, виникла нова концепція - концепція блізкодействія. Відповідно до цієї концепції, взаємодія тілами здійснюється за допомогою тих чи інших полів, безперервно розподілених в просторі. Всесвітнє тяжіння, наприклад, здійснюється за рахунок гравітаційних полів. Взаємодія тел передається не миттєво, а через деякий проміжок часу. Швидкість передачі взаємодії обмежена швидкістю світла у вакуумі.