Воздействие и взаимодействие

До сих пор рассматривались материальные объекты, к которым были применимы либо модель свободной частицы, либо модель изолированной системы частиц. В этих случаях мы ограничивались лишь обсуждением ее фундаментальных характеристик – импульса, полной энергии и полного момента. При этом мы руководствовались идеей сохранения, думая, что для изолированных физических систем не существует факторов, которые бы приводили к изменению их характеристик. Именно для подобных объектов и формулируются законы сохранения фундаментальных физических характеристик, выражающие тот факт, что численные значения физических характеристик свободного объекта, данные ему в некоторый начальный момент, остаются таковыми с течением времени бесконечно долго.

Рассматривая модели свободной частицы и изолированной системы частиц, мы идеализировали ситуацию, считая, что они как бы вынуты из окружения. В реальности, конечно, подобное предположение справедливо только в том случае, если наличие окружения слабо сказывается на поведении объекта, как будто они разнесены друг от друга на большие расстояния. В других ситуациях окружение влияет на поведение объекта, и это определенным образом отражается на его характеристиках – хотя бы некоторые из них перестают быть неизменными. Другими словами, окружение оказывает на рассматриваемый объект некоторое воздействие, которое понимается как одностороннее влияние на него со стороны всех других тел, образующих его «свиту».

Около 60 лет назад считалось, что существует только четыре элементарные частицы – протон, нейтрон, электрон и фотон. Однако с тех пор в течение довольно короткого времени были открыты не только новые элементарные частицы, но и многочисленные процессы их взаимных превращений. Элементарные частицы образуют одно тесное неразделимое сообщество. Существование одной частицы, так или иначе, связано с наличием другой.

Для обозначения всех этих многообразных связей физики используют понятие «взаимодействие». Этот термин достаточно конкретный, но, с другой стороны, весьма широкий. Независимо от того, притягиваются ли частицы между собой, отталкиваются или распадаются на другие частицы, – они «взаимодействуют» друг с другом.

Современная физика знает четыре силы, существующие в природе, и, соответственно, четыре типа взаимодействия. Первая, которая порождает так называемое сильное взаимодействие, действует на крайне коротких расстояниях (около 10^{-15 м) между частицами в атомных ядрах и обеспечивает «склейку» ядер. Другая, более слабая сила (в 1014} раз, чем сильная), вызывающая слабое взаимодействие, также возникает между субатомными частицами (обуславливает бета-распад). Электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз слабее сильного, зато радиус его практически не ограничен. Наконец, гравитация – наиболее слабый вид взаимодействия: его интенсивность составляет всего лишь 10^-43 от интенсивности электромагнитного взаимодействия. Это взаимодействие, по-видимому, не играет никакой роли в мире элементарных частиц. Однако не исключено, что его истинное значение нам просто неизвестно.

Смысловое различие между «воздействием» и «взаимодействием» заключается в следующем: в первом случае подразумевается определенное неравноправие объекта и окружения (например, большое различие в их массах). Во втором же подразумевается равноправие объекта и окружения. Так что воздействие можно интерпретировать как частный случай более общего понятия «взаимодействия».

Наблюдатель может проследить воздействие на объект со стороны окружения. Подобная уверенность, если и не воплощается в реальность в некоторых конкретных ситуациях из-за технических причин, основана на представлениях об однозначной причинной обусловленности всех явлений природы и безграничности познавательных возможностей человека. В этом случае он может как бы вывести окружение из рассмотрения, заместив его мысленно некой определенной характеристикой воздействия. Выбор подобной характеристики связан со спецификой окружения и должен обсуждаться особо при построении модели объекта. Однако при этом во всех случаях исследователь вынужден отказаться от использования моделей свободной частицы (равно как и изолированной системы частиц как целого) и системы частиц со столкновениями, переходя соответственно к моделям несвободной частицы, системы частиц как целого во внешних полях или к системе взаимодействующих частиц. Высказанные здесь мысли составляют суть концепции контролируемого воздействия, на которой построена вся классическая физика.

До сих пор сам механизм взаимодействия (и воздействия) оставался как бы в тени – даже в системе со столкновениями он не рассматривался, считая, что частицы свободно прилетают из бесконечности, вступают в короткие взаимоотношения и затем вновь разлетаются на бесконечность, продолжая снова быть свободными. Между тем, последовательное описание взаимодействия и воздействия – одна из центральных задач всей физики. На протяжении столетий в ней сформировались два принципиально различных взгляда на механизм взаимодействия материальных объектов.

Один из них воплощен в принципе «близкодействия». По концепции близкодействия любое воздействие на материальные объекты может быть передано только между соседними точками пространства за конечный промежуток времени. Оно проявляется в том, что при этом абсолютно твердые объекты передают один другому некоторую долю импульса, энергии и т.п.

Допустим, что два наблюдаемых тела, к которым применима модель частицы, явно не соприкасаются. Тем не менее, все равно можно говорить об их взаимодействии, если их характеристики испытывают определенные согласованные изменения. Они заключаются в частичном обмене импульсом и энергией. Это означает, что в состав изолированной системы входит еще какой-то не учтенный нами явно материальный объект. При окончательном анализе (после того, как он исполнил свои функции) его можно вывести из рассмотрения. Однако на промежуточных стадиях он играет важную роль в качестве «посредника» между явно наблюдаемыми телами.

Итак, взаимодействие всегда происходит локально и с запаздыванием. Поэтому для полного описания системы необходимо знать не только свойства самих объектов, но и свойства «пересыльного агента», например, фотона.

Взаимодействие, т.е. обмен импульсом и энергией между двумя удаленными объектами, можно представить происходящим как бы в один и тот же момент времени. В физике говорят, что в этом случае используется приближение «дальнодействия». Дальнодействие допускает действие на расстоянии с мгновенной скоростью, т.е. фактически вне времени и пространства. После Ньютона эта концепция получает широкое распространение в физике, хотя он сам и понимал, что введенные им силы дальнодействия (например, силы тяготения) являются лишь формальным приближенным приемом, позволяющим дать верное в некоторых пределах описание наблюдаемых явлений. Окончательное утверждение принципа близкодействия пришло с выработкой концепции физического поля как материальной среды.

Таким образом, согласно наиболее общим положениям концепции единого пространства-времени, взаимодействие подчиняется принципу близкодействия, т.е. осуществляется с запаздыванием. Однако во многих задачах с медленно движущимися объектами его с успехом можно описывать приближенно, считая время запаздывания чрезвычайно малым.