На этом мы закончим обсуждение ньютоновой механики и перейдем к теории относительности, о которой будем говорить в прежнем стиле свободной беседы.
Вам, наверно, известно, что теорию относительности подразделяют на частную и общую. Об общей теории относительности мы подробнее поговорим на следующей лекции, а частная теория относительности тесно связана с равноправностью ияерциальных систем отсчета, о которой мы уже говорили. Обсуждение этой теории мы, может быть, несколько неожиданно начнем с понятия поля.
В макроскопической физике существуют два фундаментальных поля — электромагнитное и гравитационное; остальные ее поля выводятся из этих двух. В теории элементарных частиц добавляется много других фундаментальных полей; о них речь впереди. Электромагнитное и гравитационное поля — типичные представители полей. Но что такое поле вообще? Мнени на этот счет различаются, я изложу обычные представления.
Частицу (материальную точку), занимающую некоторое место в пространстве, можно рассматривать как физическую метку этого места (этой пространственной точки). Частица движется, значит, есть свободные места. Помечены ли они? Нам недостаточно знать имена свободных пространственных точек, нужно пользоваться какими-то физическими метками. Ведь имена мы давали точкам произвольно, ничего о них не зная. И вот возникла идея метить незанятые материальными точками места пространства метками, имеющими физический смысл, т. е. использовать в качестве меток поле.
Понятие поля имеет отношение к обсуждавшейся нами проблеме дальнодействия и близкодействия. Рассмотрим взаимодействие между Солнцем (М) и Землей (рис. 2). Сила тяжести в промежутке между ними от места к месту меняется. По мере приближения к Солнцу она растет, а при удалении уменьшается. Этим можно характеризовать пространственные точки. Скажем, в точке А сила тяжести изображается вектором, направленным к Солнцу. В точке В она немного меньше (убывает обратно пропорционально квадрату расстояния).
Измеряя силу, мы определяем метку в пространстве, потому что векторы силы тяжести в нашем примере различны в разных пространственных точках и однозначно .с ними связаны (абсолютное значение и направление этих векторов определяются расстоянием до Солнца и направлением на него). Вводимая так метка больше, чем имя точки, это — величина, которую можно измерить физически. Она всегда соответствует данной пространственной точке независимо от того, находится там Земля или какая-нибудь другая планета. Итак, силу притяжения Солнца надо понимать как метку точки пространства. Кроме силы, важное значение имеет потенциал тяготения. В данном случае он скаляр и сам по себе не может служить меткой точки. Но так как сила получается дифференцированием потенциала, он с точностью до производных тоже является меткой.
Таков общий смысл понятия поля. Несколько более земные, «человеческие» масштабы имеет электромагнитное поле. В этом случае каждой точке сопоставляют векторы Е и Н, которые тоже в каком-то смысле можно считать метками пространственных точек.
Очень важно, что поле может существовать независимо от присутствия вещества. С точки зрения классической физики поле, например электромагнитное, и вещество— разные физические объекты. Понятие вещества проще и ближе к наивному реализму, чем понятие поля, которое, в конце концов, выводится из идеи о силе.