30. Электрический заряд, электрическое поле.
В случае взаимодействия на расстоянии воздействие одной частицы на другую передаётся с помощью полей. Считается, что частицы обмениваются частицами полей - квантами. Но что такое поля и их кванты? Рассмотрим, что можно сказать по этому поводу, на примере наиболее изученного в настоящее время электромагнитного взаимодействия. Это взаимодействие обусловлено наличием у частиц т.н. электрического заряда.
А что такое электрический заряд?
Википедия:«Электри́ческий заря́д - это связанное с телом свойство, позволяющее ему быть источником электрического поля и участвовать в электромагнитных взаимодействиях. Заряд является количественной характеристикой. Единица измерения заряда в СИ - кулон - электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1А за время 1с. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году. Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда (q1 = q2 = 1Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9×109 H.»
Как видно, это определение ничего не говорит о природе электрического заряда. Каковы же его свойства?
Википедия:«Элемента́рный электри́ческий заря́д - минимальная порция электрического заряда. Равен приблизительно -1,602 176 487(40)×10−19 Кл в системе СИ (и 4,803×10−10 ед.СГСЭ в системе СГС). Заряд электрона неделим и равен −1,602176487(40)×10−19 Кл (или −4,80320427(13)×10−10 ед. СГСЭ в системе СГСЭ или −1,602176487(40)×10−20 ед. СГСМ в системе СГСМ).
Электрический заряд любой элементарной частицы - величина релятивистски инвариантная. Он не зависит от системы отсчёта, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится, он присущ этой частице в течение всего времени ее жизни, поэтому элементарные заряженные частицы зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных.
Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется предположением о существовании двух различных видов зарядов. Один вид электрического заряда называют положительным, а другой - отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные - отталкиваются друг от друга.
Электрический заряд замкнутой системы сохраняется во времени и квантуется - изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.»
Дополнение к предыдущему.
Как я говорил ранее, главная цель развития живого - это создание и развитие разума. Главное же назначение разума - это создание модели окружающего мира, воображаемой картинки, всё более и более соответствующей (адекватной) реальному миру по мере развития разума и усвоения им поступающей извне информации. По мере эволюции разума здесь решаются две задачи, стратегическая и тактическая. Стратегическая - это создание и совершенствование глобальной модели мира. Она, подобно мозаичной картине, складывается из индивидуальных моделей мира отдельных особей и служит базой для дальнейшей эволюции живого в целом. Тактическая - это развитие индивидуальных моделей мира, помогающее отдельным особям в борьбе за выживание. Ещё раз подчеркну, что каждое живое существо, независимо от вида и развития, живёт в на 99% воображаемом мире. То, что непосредственно видит или ощущает любой организм, не исключая человека, составляет малую часть окружающего мира. Остальную часть окружающего он мысленно дорисовывает в своём воображении. Присмотритесь к себе и увидите, что это так. Эта картинка воображаемого мира, в котором мы живём, постоянно дополняется и видоизменяется. И без этой воображаемой картины окружающего невозможна жизнь не только человека, но и любого организма. Другое дело, что картинки у каждого разные. И все организмы, и мы с вами, в том числе, живём с верой в соответствие мира этой картинке и его относительную стабильность. Например, я не вижу стоящего сзади меня стола, но я видел его минуту назад и верю, что, стоит мне оглянуться, как я увижу его. И так далее.
Однако остаётся много неясного. Например, неясно, как формируется и, главное, как сохраняется глобальная картина мира. Неясно также, как формируется и сохраняется индивидуальная картинка. Ранее мне казалось, что формирование индивидуальной картины мира у зародыша начинается с чистого листа с появлением первых ощущений - сигналов внещнего мира. Правда, сейчас я понимаю, что этому противоречит существование у организмов врождённых инстинктов. Действительно, как они могут существовать без привязки к некоторой врождённой картине мира? На-днях я прочитал в Интернете следующее:http://www.inauka.ru/news/article105480.html:
«В НЕЙРОНАХ ЗАКОДИРОВАНА ВРОЖДЁННАЯ КАРТИНА МИРА
Уже несколько лет учёные из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) совместно с IBM работают над компьютерным моделированием коры головного мозга. Эта работа, названная Blue brain project, уже привела к ряду важных открытий, связанных с физиологией нервной системы. В новом исследовании, опубликованном в PNAS и коротко описанном на сайте EPFL, учёные идентифицировали в коре головного мозга крыс нейронные кластеры, отвечающие за врождённое знание. Группы, включающие примерно пятьдесят нервных клеток, оказались одинаковыми у всех исследованных животных. Это нетипичная ситуация: как правило, нейроны новой коры связаны друг с другом по-разному у разных животных, потому что на их организацию влияет индивидуальный опыт.»
Не очень ясно, как было показано, что именно эти нейроны отвечают за врождённое знание, но, если это правда, то действительно у животных создаётся воображаемая картина мира. Более того, она передаётся по наследству, что, конечно, облегчает зародышу вхождение в реальный мир. Ясно, что картинка обогащается и совершенствуется по мере дальней шей жизни. Правда, как закрепляется в генах это обогащение остаётся по-прежнему неясным, как, впрочем, и возникновение и закрепление инстинктов.
Однако вернёмся к электрическому заряду.
Итак, считается, что элемента́рный электри́ческий заря́д - минимальная порция электрического заряда, равная заряду электрона. Заряд этот неделим и все частицы и тела имеют заряд, кратный минимальному. Правда, кажется, есть исключение из этого правила: кварки могут иметь дробный электрический заряд, равный 1/2 или 3/2 минимального заряда. Как появляются электрические заряды? Оказывается, парами. Выбивание из вакуума отрицательно заряженного электрона всегда сопровождается появлением равного ему по величине положительно заряженного позитрона. Это, видимо, полная аналогия выбиванию электрона и появлению положительно заряженной «дырки» в кристалле полупроводника, только происходит это в вакууме, который, видимо, также имеет кристаллическую структуру (скорее жидкокристаллическую). Связано ли наличие электрического заряда с наличием массы у частицы? По-видимому, нет. Кажется, он уже существует ещё до взаимодействия выбиваемой из вакуума пары электрон-позитрон с полем Хиггса. Как заряд, например, электрона распределён в электроне? На поверхности электрона, по всему его объёму или в какой-то части объёма? Физики разделили электроны на две квазичастицы: http://science.compulenta.ru/445998/:
«Группа ученых из Кембриджского и Бирмингемского университетов (оба - Великобритания) зафиксировала явление разделения спина и заряда в сверхтонких проводниках.Наблюдать этот эффект можно в квазиодномерных системах, в которых взаимодействие электронов друг с другом приобретает гораздо большее значение, чем в обычных металлах. Попавшие в такие «стесненные условия» электроны рассматриваются как комбинация двух квазичастиц - спинона, переносящего только спин, и холона, переносящего только заряд.»
Эти данные, во-первых, говорят о том, что электрон имеет определённую структуру, не бесструктурен, как полагалось раньше. Во-вторых, о том, что зарядовую часть электрона можно отделить от спиновой, обусловленной вращением частей электрона. Это свидетельствует в пользу того, что заряд электрона (холон) сосредоточен в определённой части объёма электрона. Однако, очевидно, холон участвует во вращении частей электрона (тоже вращается), на что указывает наличие у электрона магнитного момента.
К сожалению, этот обзор свойств электрического заряда на примере электрона никак не проясняет природу заряда. Интересно, однако, посмотреть превращения электрона и его заряда при взаимодействии электрона с протонами и нейтронами - частицами, из которых состоят ядра атомов.
Википедия:
«Считается надёжно установленным, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и двух «нижних» (d) кварков (кварковая структура udd). Близость значений масс протона и нейтрона обусловлена свойством приближённой изотопической инвариантности: в протоне (кварковая структура uud) один d-кварк заменяется на u-кварк, но поскольку массы этих кварков очень близки, такая замена слабо сказывается на массе составной частицы.
Поскольку нейтрон тяжелее протона, то он может распадаться в свободном состоянии. Единственным каналом распада, разрешённым законом сохранения энергии и законами сохранения электрического заряда, барионного и лептонного квантовых чисел, является бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино (а также, возможно, гамма-квант). Поскольку этот распад идёт с образованием лептонов и изменением аромата кварков, то он обязан происходить только за счёт слабого взаимодействия. Однако ввиду специфических свойств слабого взаимодействия, скорость этой реакции аномально мала из-за крайне малого энерговыделения (разности масс начальных и конечных частиц). Именно этим объясняется тот факт, что нейтрон является настоящим долгожителем среди элементарных частиц: его время жизни, приблизительно равно 15 (?) минутам. Кроме того, разница масс между протоном и нейтроном около 1,3 МэВ невелика по меркам ядерной физики. В результате, в ядрах нейтрон может находиться в более глубокой потенциальной яме, чем протон, и потому бета-распад нейтрона оказывается энергетически невыгодным. Это приводит к тому, что в ядрах нейтрон может быть стабильным.»
Итак, протон может превратиться в нейтрон с захватом орбитального электрона и испусканием электронного нейтрино. А так как кварковая структура протона - uud, а нейтрона - udd, то фактически происходит взаимодействие кварка u (эл. заряд = +2/3) c электроном (эл. заряд = -1), в результате которого образуется кварк d (эл. заряд = -1/3) и нейтрино (эл. заряд = 0). В свою очередь, нейтрон может превратиться в протон, электрон и электронное антинейтрино. Фактически обратный процесс: превращение кварка d в кварк u, электрон и антинейтрино. Похоже на то, что электрон образует своего рода комплекс с кварком u, который называют кварком d, неустойчивость которого определяет неустойчивость нейтрона к распаду. Подтверждением того, что кварк d именно комплекс электрона с кварком u, кажется, могут служить данные о распаде мезонов, содержащих кварки d, в продукты которого непременно входят электроны.
А как появляется электрический заряд? Наверное так же, как и образование ионов: посредством диссоциации нейтральных частиц. Электрон отрывается от вакуумного кристалла, оставляя после себя положительно заряженную «дырку» - позитрон. Возникает электрон-позитронная пара, которая тут же взаимодействует с полем Хиггса, приобретая массу. Происходит ли такая диссоциация в вакууме без обретения электроном и позитроном массы? Похоже, что нет. Иначе бы наблюдались случаи появления заряженных безмассовых частиц. Может быть, заряд электрона (позитрона) это неотъемлемое свойство его массы? Опыт с разделением электрона на две квазичастицы: спинон, переносящий только спин, и холон, переносящий только заряд (http://science.compulenta.ru/445998/), - говорит о том, что это не так. Спин электрона определяется его массой. Поэтому, очевидно, масса электрона оказывается локализованной в спиноне, тогда как заряд - в холоне. В общем, что именно представляет собой электрический заряд, остаётся загадкой. Рассмотрим теперь, как проявляется его действие.
Итак, заряд(ы) появляются в результате разделения нейтрального образования (гипотетического вакуумного кристалла, атома, молекулы, тела) на две заряженные части. Как это проявляется? Между разделёнными частями возникает притяжение. Сразу возникает вопрос, как отличить взаимодействие тел (частиц), обусловленное электрическими зарядами, от других видов взаимодействий, например, гравитационного. Вопрос. Оставим пока его в стороне. При удалении друг от друга разделённых заряженных частей притяжение между ними слабеет, но никогда не исчезает полностью. В конечном счёте при достаточном удалении друг от друга влиянием заряженных частей друг на друга можно пренебречь и рассматривать каждую в отдельности. Оказывается, полученное таким образом заряженное тело взаимодействует с любым другим заряженным телом, полученным аналогичным способом. Именно: два заряженных тела либо притягиваются к друг другу, либо отталкиваются друг от друга. Отсюда был сделан вывод, что имеются два вида электрических зарядов, причём заряды одинакового вида отталкиваются друг от друга, а разных видов - притягиваются. А так как не был обнаружен такой заряд, который бы одновременно отталкивался (или притягивался) к двум уже известным, то пришли к выводу что электрические заряды бывают только двух видов. Чисто условно договорились считать один из видов зарядов положительным (или, другое название, катионом), а другой - отрицательным (или анионом). Например, принято говорить, что электрон содержит отрицательный электрический заряд. Были сделаны некоторые выводы. Во-первых, заряд всегда находится на некотором теле (частице). Во-вторых, заряд не действует на не имеющие заряда(ов) тела и частицы. В-третьих, заряд действует не только при непосредственном контакте заряженных частиц но и дистанционно, когда заряженные частицы удалены друг от друга.
Считается, что передача этого взаимодействия осуществляется посредством электрических полей, которые создаются электрическими зарядами. К слову, принято считать, что все дистанционные взаимодействия (например, гравитационное) передаются с помощью полей, создаваемых источниками таких взаимодействий. А что такое поле? Вопрос.
Википедия:
«По́ле в физике - одна из форм материи, характеризующая все точки пространства и времени, и поэтому обладающая бесконечным числом степеней свободы. Среди полей в физике выделяют так называемые фундаментальные. Это поля, которые, согласно с полевой парадигмой современной физики, составляют основу материи, все остальные поля и взаимодействия из них выводятся. Исторически среди фундаментальных полей сначала были открыты поля взаимодействия: электрическое, магнитное, объединившее их электромагнитное, гравитационное (эти поля рассматривались ещё в классической физике), слабое поле, объединившее его с электромагнитным электрослабое и, наконец, сильное (или поле ядерных сил). Проявляются эти поля в виде взаимодействия тел, переносимого с конечной скоростью, при этом сила взаимодействия определяется различными характеристиками тел (зарядами): массой (гравитационным зарядом) для гравитационного поля, электрическим зарядом для электромагнитного и т. д. В квантовой физике взаимодействия объясняются обменом специфичными для каждого типа поля частицами (квантами поля) - фотонами для электромагнитного, бозонами для слабого, гипотетическими гравитонами для гравитационного и т. д.»
Большой энциклопедический словарь: «ПОЛЕ ФИЗИЧЕСКОЕ, особая форма материи, система с бесконечным числом степеней свободы. Источниками поля физического являются частицы (напр., для электромагнитного поля - заряженные частицы). Создаваемые частицами поля физические переносят (с конечной скоростью) взаимодействие между соответствующими частицами (в квантовой теории взаимодействие обусловлено обменом квантами поля между частицами).
БСЭ: http://gatchina3000.ru/great-soviet-encyclopedia/bse/091/280.htm:
Поля физические, особая форма материи; физическая система, обладающая бесконечно большим числом степеней свободы.
http://gatchina3000.ru/great-soviet-encyclopedia/bse/060/306.htm:
БСЭ:
В классической теории, формирование которой в основном завершилось к началу 20 в., физическая картина мира складывается из двух элементов - частиц и полей. Частицы - маленькие комочки материи, движущиеся по законам классической механики Ньютона. Каждая из них имеет 3 степени свободы: её положение задаётся тремя координатами, например х, y, z, если зависимость координат от времени известна, то это даёт исчерпывающую информацию о движении частицы. Описание полей значительно сложнее. Задать, например, электрическое поле - значит задать его напряжённость Е во всех точках пространства. Т. о., для описания поля необходимо знать не 3 (как для материальной точки), а бесконечно большое число величин в каждый из моментов времени; иначе говоря, поле имеет бесконечное число степеней свободы.
Стивен Хокинг и Леонард Млодинов, Кратчайшая история времени, 2005:
«Поле - сущность, распределённая в пространстве и времени, в противоположность частице, которая существует только в одной точке в каждый момент времени.»
Итак, поле это особая форма материи, система с бесконечным числом степеней свободы. Источниками поля являются частицы (напр., для электромагнитного поля - заряженные частицы). Создаваемые частицами поля переносят (с конечной скоростью) взаимодействие между соответствующими частицами (в квантовой теории взаимодействие обусловлено обменом квантами поля между частицами).
БСЭ:
http://gatchina3000.ru/great-soviet-encyclopedia/bse/091/280.htm
«Согласно концепции поля, частицы, участвующие в каком-либо взаимодействии (например, электромагнитном или гравитационном), создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние - поле сил, проявляющееся в силовом воздействии на др. частицы, помещаемые в какую-либо точку этого пространства. Поля. не только осуществляют взаимодействие между частицами; могут существовать и проявляться свободные поля независимо от создавших их частиц (например, электромагнитные волны). Поэтому ясно, что поля следует рассматривать как особую форму материи.»
Ну с тем, что волны (в частности, электромагнитные) - это особая форма материи, можно поспорить. Обычные волны на водной поверхности тоже проявляются свободно и могут существовать довольно долго (даже сколь угодно долго, если нет затухания за счёт трения) и независимо от их источника. Однако можно ли их считать особой формой материи? Интересно, как далеко можно продолжить аналогию между электромагнитными волнами и волнами водной поверхности? И та и другая движутся с конечной скоростью, частота и той и другой определяется источником волны. И та и другая передают дистанционно (на расстоянии) действие одного тела на другое. Допустим, мы находимся в маленькой лодке на некотором расстоянии от большой. Затем мы видим, что большая лодка начала качаться или просто двигаться. Спустя некоторое время мы увидим (или почувствуем), что наша лодочка также начала качаться. В темноте мы не увидим причины, из-за которой наша лодочка пришла в движение. Однако при свете мы увидим, что лодочку раскачали водные волны, пришедшие от большой лодки. Переносчиком действия большой лодки на маленькую оказались колебания водной поверхности. Точно так же действуют и электромагнитные волны. За малым исключением: не видно, что в этом случае колеблется. Может быть, как раньше предполагали, некий эфир? Но идея эфира отвергнута. Вакуум? За неимением, я думаю, лучшего, решили, что электромагнитное поле (и другие поля) само по себе материально и, расширяясь, создаёт материальные электромагнитные волны. С таким же успехом, видя, как вслед за большой лодкой закачалась маленькая, но не видя волн на поверхности, мы могли бы решить, что некая особая материя (назовём её, для простоты, полем), испускаемая волнообразно большой лодкой, дошла до маленькой и начала её раскачивать. Что-то вроде расходящегося облака дыма.
Рассмотрим на примере электрического и магнитного полей, что же такое электромагнитное поле, как оно распространяется и как передаёт взаимодействие заряженных частиц.
Википедия: «Электрическое поле - одна из составляющих электромагнитного поля, особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может наблюдаться благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика - напряжённость электрического поля. Напряжённостью электрического поля называют векторную физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещённый в данную точку пространства, к величине этого заряда. Направление вектора совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.»
Энциклопедический словарь:
«Электрическое поле - частная форма проявления электромагнитного поля; создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем и характеризуется напряженностью электрического поля.»
В общем, что такое электрическое поле - неясно.
А что такое электрический заряд?
Википедия:«Электри́ческий заря́д - это связанное с телом свойство, позволяющее ему быть источником электрического поля и участвовать в электромагнитных взаимодействиях. Заряд является количественной характеристикой. Единица измерения заряда в СИ - кулон - электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1А за время 1с. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году. Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда (q1 = q2 = 1Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9×109 H.»
Как видно, это определение ничего не говорит о природе электрического заряда. Каковы же его свойства?
Википедия:«Элемента́рный электри́ческий заря́д - минимальная порция электрического заряда. Равен приблизительно -1,602 176 487(40)×10−19 Кл в системе СИ (и 4,803×10−10 ед.СГСЭ в системе СГС). Заряд электрона неделим и равен −1,602176487(40)×10−19 Кл (или −4,80320427(13)×10−10 ед. СГСЭ в системе СГСЭ или −1,602176487(40)×10−20 ед. СГСМ в системе СГСМ).
Электрический заряд любой элементарной частицы - величина релятивистски инвариантная. Он не зависит от системы отсчёта, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится, он присущ этой частице в течение всего времени ее жизни, поэтому элементарные заряженные частицы зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных.
Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется предположением о существовании двух различных видов зарядов. Один вид электрического заряда называют положительным, а другой - отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные - отталкиваются друг от друга.
Электрический заряд замкнутой системы сохраняется во времени и квантуется - изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.»
Дополнение к предыдущему.
Как я говорил ранее, главная цель развития живого - это создание и развитие разума. Главное же назначение разума - это создание модели окружающего мира, воображаемой картинки, всё более и более соответствующей (адекватной) реальному миру по мере развития разума и усвоения им поступающей извне информации. По мере эволюции разума здесь решаются две задачи, стратегическая и тактическая. Стратегическая - это создание и совершенствование глобальной модели мира. Она, подобно мозаичной картине, складывается из индивидуальных моделей мира отдельных особей и служит базой для дальнейшей эволюции живого в целом. Тактическая - это развитие индивидуальных моделей мира, помогающее отдельным особям в борьбе за выживание. Ещё раз подчеркну, что каждое живое существо, независимо от вида и развития, живёт в на 99% воображаемом мире. То, что непосредственно видит или ощущает любой организм, не исключая человека, составляет малую часть окружающего мира. Остальную часть окружающего он мысленно дорисовывает в своём воображении. Присмотритесь к себе и увидите, что это так. Эта картинка воображаемого мира, в котором мы живём, постоянно дополняется и видоизменяется. И без этой воображаемой картины окружающего невозможна жизнь не только человека, но и любого организма. Другое дело, что картинки у каждого разные. И все организмы, и мы с вами, в том числе, живём с верой в соответствие мира этой картинке и его относительную стабильность. Например, я не вижу стоящего сзади меня стола, но я видел его минуту назад и верю, что, стоит мне оглянуться, как я увижу его. И так далее.
Однако остаётся много неясного. Например, неясно, как формируется и, главное, как сохраняется глобальная картина мира. Неясно также, как формируется и сохраняется индивидуальная картинка. Ранее мне казалось, что формирование индивидуальной картины мира у зародыша начинается с чистого листа с появлением первых ощущений - сигналов внещнего мира. Правда, сейчас я понимаю, что этому противоречит существование у организмов врождённых инстинктов. Действительно, как они могут существовать без привязки к некоторой врождённой картине мира? На-днях я прочитал в Интернете следующее:http://www.inauka.ru/news/article105480.html:
«В НЕЙРОНАХ ЗАКОДИРОВАНА ВРОЖДЁННАЯ КАРТИНА МИРА
Уже несколько лет учёные из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) совместно с IBM работают над компьютерным моделированием коры головного мозга. Эта работа, названная Blue brain project, уже привела к ряду важных открытий, связанных с физиологией нервной системы. В новом исследовании, опубликованном в PNAS и коротко описанном на сайте EPFL, учёные идентифицировали в коре головного мозга крыс нейронные кластеры, отвечающие за врождённое знание. Группы, включающие примерно пятьдесят нервных клеток, оказались одинаковыми у всех исследованных животных. Это нетипичная ситуация: как правило, нейроны новой коры связаны друг с другом по-разному у разных животных, потому что на их организацию влияет индивидуальный опыт.»
Не очень ясно, как было показано, что именно эти нейроны отвечают за врождённое знание, но, если это правда, то действительно у животных создаётся воображаемая картина мира. Более того, она передаётся по наследству, что, конечно, облегчает зародышу вхождение в реальный мир. Ясно, что картинка обогащается и совершенствуется по мере дальней шей жизни. Правда, как закрепляется в генах это обогащение остаётся по-прежнему неясным, как, впрочем, и возникновение и закрепление инстинктов.
Однако вернёмся к электрическому заряду.
Итак, считается, что элемента́рный электри́ческий заря́д - минимальная порция электрического заряда, равная заряду электрона. Заряд этот неделим и все частицы и тела имеют заряд, кратный минимальному. Правда, кажется, есть исключение из этого правила: кварки могут иметь дробный электрический заряд, равный 1/2 или 3/2 минимального заряда. Как появляются электрические заряды? Оказывается, парами. Выбивание из вакуума отрицательно заряженного электрона всегда сопровождается появлением равного ему по величине положительно заряженного позитрона. Это, видимо, полная аналогия выбиванию электрона и появлению положительно заряженной «дырки» в кристалле полупроводника, только происходит это в вакууме, который, видимо, также имеет кристаллическую структуру (скорее жидкокристаллическую). Связано ли наличие электрического заряда с наличием массы у частицы? По-видимому, нет. Кажется, он уже существует ещё до взаимодействия выбиваемой из вакуума пары электрон-позитрон с полем Хиггса. Как заряд, например, электрона распределён в электроне? На поверхности электрона, по всему его объёму или в какой-то части объёма? Физики разделили электроны на две квазичастицы: http://science.compulenta.ru/445998/:
«Группа ученых из Кембриджского и Бирмингемского университетов (оба - Великобритания) зафиксировала явление разделения спина и заряда в сверхтонких проводниках.Наблюдать этот эффект можно в квазиодномерных системах, в которых взаимодействие электронов друг с другом приобретает гораздо большее значение, чем в обычных металлах. Попавшие в такие «стесненные условия» электроны рассматриваются как комбинация двух квазичастиц - спинона, переносящего только спин, и холона, переносящего только заряд.»
Эти данные, во-первых, говорят о том, что электрон имеет определённую структуру, не бесструктурен, как полагалось раньше. Во-вторых, о том, что зарядовую часть электрона можно отделить от спиновой, обусловленной вращением частей электрона. Это свидетельствует в пользу того, что заряд электрона (холон) сосредоточен в определённой части объёма электрона. Однако, очевидно, холон участвует во вращении частей электрона (тоже вращается), на что указывает наличие у электрона магнитного момента.
К сожалению, этот обзор свойств электрического заряда на примере электрона никак не проясняет природу заряда. Интересно, однако, посмотреть превращения электрона и его заряда при взаимодействии электрона с протонами и нейтронами - частицами, из которых состоят ядра атомов.
Википедия:
«Считается надёжно установленным, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и двух «нижних» (d) кварков (кварковая структура udd). Близость значений масс протона и нейтрона обусловлена свойством приближённой изотопической инвариантности: в протоне (кварковая структура uud) один d-кварк заменяется на u-кварк, но поскольку массы этих кварков очень близки, такая замена слабо сказывается на массе составной частицы.
Поскольку нейтрон тяжелее протона, то он может распадаться в свободном состоянии. Единственным каналом распада, разрешённым законом сохранения энергии и законами сохранения электрического заряда, барионного и лептонного квантовых чисел, является бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино (а также, возможно, гамма-квант). Поскольку этот распад идёт с образованием лептонов и изменением аромата кварков, то он обязан происходить только за счёт слабого взаимодействия. Однако ввиду специфических свойств слабого взаимодействия, скорость этой реакции аномально мала из-за крайне малого энерговыделения (разности масс начальных и конечных частиц). Именно этим объясняется тот факт, что нейтрон является настоящим долгожителем среди элементарных частиц: его время жизни, приблизительно равно 15 (?) минутам. Кроме того, разница масс между протоном и нейтроном около 1,3 МэВ невелика по меркам ядерной физики. В результате, в ядрах нейтрон может находиться в более глубокой потенциальной яме, чем протон, и потому бета-распад нейтрона оказывается энергетически невыгодным. Это приводит к тому, что в ядрах нейтрон может быть стабильным.»
Итак, протон может превратиться в нейтрон с захватом орбитального электрона и испусканием электронного нейтрино. А так как кварковая структура протона - uud, а нейтрона - udd, то фактически происходит взаимодействие кварка u (эл. заряд = +2/3) c электроном (эл. заряд = -1), в результате которого образуется кварк d (эл. заряд = -1/3) и нейтрино (эл. заряд = 0). В свою очередь, нейтрон может превратиться в протон, электрон и электронное антинейтрино. Фактически обратный процесс: превращение кварка d в кварк u, электрон и антинейтрино. Похоже на то, что электрон образует своего рода комплекс с кварком u, который называют кварком d, неустойчивость которого определяет неустойчивость нейтрона к распаду. Подтверждением того, что кварк d именно комплекс электрона с кварком u, кажется, могут служить данные о распаде мезонов, содержащих кварки d, в продукты которого непременно входят электроны.
А как появляется электрический заряд? Наверное так же, как и образование ионов: посредством диссоциации нейтральных частиц. Электрон отрывается от вакуумного кристалла, оставляя после себя положительно заряженную «дырку» - позитрон. Возникает электрон-позитронная пара, которая тут же взаимодействует с полем Хиггса, приобретая массу. Происходит ли такая диссоциация в вакууме без обретения электроном и позитроном массы? Похоже, что нет. Иначе бы наблюдались случаи появления заряженных безмассовых частиц. Может быть, заряд электрона (позитрона) это неотъемлемое свойство его массы? Опыт с разделением электрона на две квазичастицы: спинон, переносящий только спин, и холон, переносящий только заряд (http://science.compulenta.ru/445998/), - говорит о том, что это не так. Спин электрона определяется его массой. Поэтому, очевидно, масса электрона оказывается локализованной в спиноне, тогда как заряд - в холоне. В общем, что именно представляет собой электрический заряд, остаётся загадкой. Рассмотрим теперь, как проявляется его действие.
Итак, заряд(ы) появляются в результате разделения нейтрального образования (гипотетического вакуумного кристалла, атома, молекулы, тела) на две заряженные части. Как это проявляется? Между разделёнными частями возникает притяжение. Сразу возникает вопрос, как отличить взаимодействие тел (частиц), обусловленное электрическими зарядами, от других видов взаимодействий, например, гравитационного. Вопрос. Оставим пока его в стороне. При удалении друг от друга разделённых заряженных частей притяжение между ними слабеет, но никогда не исчезает полностью. В конечном счёте при достаточном удалении друг от друга влиянием заряженных частей друг на друга можно пренебречь и рассматривать каждую в отдельности. Оказывается, полученное таким образом заряженное тело взаимодействует с любым другим заряженным телом, полученным аналогичным способом. Именно: два заряженных тела либо притягиваются к друг другу, либо отталкиваются друг от друга. Отсюда был сделан вывод, что имеются два вида электрических зарядов, причём заряды одинакового вида отталкиваются друг от друга, а разных видов - притягиваются. А так как не был обнаружен такой заряд, который бы одновременно отталкивался (или притягивался) к двум уже известным, то пришли к выводу что электрические заряды бывают только двух видов. Чисто условно договорились считать один из видов зарядов положительным (или, другое название, катионом), а другой - отрицательным (или анионом). Например, принято говорить, что электрон содержит отрицательный электрический заряд. Были сделаны некоторые выводы. Во-первых, заряд всегда находится на некотором теле (частице). Во-вторых, заряд не действует на не имеющие заряда(ов) тела и частицы. В-третьих, заряд действует не только при непосредственном контакте заряженных частиц но и дистанционно, когда заряженные частицы удалены друг от друга.
Считается, что передача этого взаимодействия осуществляется посредством электрических полей, которые создаются электрическими зарядами. К слову, принято считать, что все дистанционные взаимодействия (например, гравитационное) передаются с помощью полей, создаваемых источниками таких взаимодействий. А что такое поле? Вопрос.
Википедия:
«По́ле в физике - одна из форм материи, характеризующая все точки пространства и времени, и поэтому обладающая бесконечным числом степеней свободы. Среди полей в физике выделяют так называемые фундаментальные. Это поля, которые, согласно с полевой парадигмой современной физики, составляют основу материи, все остальные поля и взаимодействия из них выводятся. Исторически среди фундаментальных полей сначала были открыты поля взаимодействия: электрическое, магнитное, объединившее их электромагнитное, гравитационное (эти поля рассматривались ещё в классической физике), слабое поле, объединившее его с электромагнитным электрослабое и, наконец, сильное (или поле ядерных сил). Проявляются эти поля в виде взаимодействия тел, переносимого с конечной скоростью, при этом сила взаимодействия определяется различными характеристиками тел (зарядами): массой (гравитационным зарядом) для гравитационного поля, электрическим зарядом для электромагнитного и т. д. В квантовой физике взаимодействия объясняются обменом специфичными для каждого типа поля частицами (квантами поля) - фотонами для электромагнитного, бозонами для слабого, гипотетическими гравитонами для гравитационного и т. д.»
Большой энциклопедический словарь: «ПОЛЕ ФИЗИЧЕСКОЕ, особая форма материи, система с бесконечным числом степеней свободы. Источниками поля физического являются частицы (напр., для электромагнитного поля - заряженные частицы). Создаваемые частицами поля физические переносят (с конечной скоростью) взаимодействие между соответствующими частицами (в квантовой теории взаимодействие обусловлено обменом квантами поля между частицами).
БСЭ: http://gatchina3000.ru/great-soviet-encyclopedia/bse/091/280.htm:
Поля физические, особая форма материи; физическая система, обладающая бесконечно большим числом степеней свободы.
http://gatchina3000.ru/great-soviet-encyclopedia/bse/060/306.htm:
БСЭ:
В классической теории, формирование которой в основном завершилось к началу 20 в., физическая картина мира складывается из двух элементов - частиц и полей. Частицы - маленькие комочки материи, движущиеся по законам классической механики Ньютона. Каждая из них имеет 3 степени свободы: её положение задаётся тремя координатами, например х, y, z, если зависимость координат от времени известна, то это даёт исчерпывающую информацию о движении частицы. Описание полей значительно сложнее. Задать, например, электрическое поле - значит задать его напряжённость Е во всех точках пространства. Т. о., для описания поля необходимо знать не 3 (как для материальной точки), а бесконечно большое число величин в каждый из моментов времени; иначе говоря, поле имеет бесконечное число степеней свободы.
Стивен Хокинг и Леонард Млодинов, Кратчайшая история времени, 2005:
«Поле - сущность, распределённая в пространстве и времени, в противоположность частице, которая существует только в одной точке в каждый момент времени.»
Итак, поле это особая форма материи, система с бесконечным числом степеней свободы. Источниками поля являются частицы (напр., для электромагнитного поля - заряженные частицы). Создаваемые частицами поля переносят (с конечной скоростью) взаимодействие между соответствующими частицами (в квантовой теории взаимодействие обусловлено обменом квантами поля между частицами).
БСЭ:
http://gatchina3000.ru/great-soviet-encyclopedia/bse/091/280.htm
«Согласно концепции поля, частицы, участвующие в каком-либо взаимодействии (например, электромагнитном или гравитационном), создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние - поле сил, проявляющееся в силовом воздействии на др. частицы, помещаемые в какую-либо точку этого пространства. Поля. не только осуществляют взаимодействие между частицами; могут существовать и проявляться свободные поля независимо от создавших их частиц (например, электромагнитные волны). Поэтому ясно, что поля следует рассматривать как особую форму материи.»
Ну с тем, что волны (в частности, электромагнитные) - это особая форма материи, можно поспорить. Обычные волны на водной поверхности тоже проявляются свободно и могут существовать довольно долго (даже сколь угодно долго, если нет затухания за счёт трения) и независимо от их источника. Однако можно ли их считать особой формой материи? Интересно, как далеко можно продолжить аналогию между электромагнитными волнами и волнами водной поверхности? И та и другая движутся с конечной скоростью, частота и той и другой определяется источником волны. И та и другая передают дистанционно (на расстоянии) действие одного тела на другое. Допустим, мы находимся в маленькой лодке на некотором расстоянии от большой. Затем мы видим, что большая лодка начала качаться или просто двигаться. Спустя некоторое время мы увидим (или почувствуем), что наша лодочка также начала качаться. В темноте мы не увидим причины, из-за которой наша лодочка пришла в движение. Однако при свете мы увидим, что лодочку раскачали водные волны, пришедшие от большой лодки. Переносчиком действия большой лодки на маленькую оказались колебания водной поверхности. Точно так же действуют и электромагнитные волны. За малым исключением: не видно, что в этом случае колеблется. Может быть, как раньше предполагали, некий эфир? Но идея эфира отвергнута. Вакуум? За неимением, я думаю, лучшего, решили, что электромагнитное поле (и другие поля) само по себе материально и, расширяясь, создаёт материальные электромагнитные волны. С таким же успехом, видя, как вслед за большой лодкой закачалась маленькая, но не видя волн на поверхности, мы могли бы решить, что некая особая материя (назовём её, для простоты, полем), испускаемая волнообразно большой лодкой, дошла до маленькой и начала её раскачивать. Что-то вроде расходящегося облака дыма.
Рассмотрим на примере электрического и магнитного полей, что же такое электромагнитное поле, как оно распространяется и как передаёт взаимодействие заряженных частиц.
Википедия: «Электрическое поле - одна из составляющих электромагнитного поля, особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может наблюдаться благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика - напряжённость электрического поля. Напряжённостью электрического поля называют векторную физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещённый в данную точку пространства, к величине этого заряда. Направление вектора совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.»
Энциклопедический словарь:
«Электрическое поле - частная форма проявления электромагнитного поля; создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем и характеризуется напряженностью электрического поля.»
В общем, что такое электрическое поле - неясно.