65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Однако есть и другие взаимодействия, которые происходят без непосредственного контакта между телами, когда взаимодействующие тела расположены на некотором (иногда даже очень большом) расстоянии друг от друга. Такие силы называются бесконтактными. Например, уже знакомая нам гравитация. Ведь когда книга падает на пол под действием гравитации, никакого контакта между книгой и полом нет (во всяком случае, пока книга не упадет). Пол или планета Земля ни за какую веревку не притягивает эту книгу к себе. Но тем не менее существует какая-то сила, вынуждающая книгу двигаться по направлению к Земле. Та же самая сила гравитации удерживает Луну на орбите Земли, не давая ей улететь в космос. Да и сама Земля вращается вокруг Солнца тоже под действием гравитации, несмотря на то что их разделяют миллионы километров пустого пространства. Еще одним примером бесконтактной силы является электростатическая сила, возникающая между заряженными телами. Она также действует на расстоянии, без контакта между телами.

Так вот, для описания такого рода взаимодействий физикам пришлось изобрести концепцию поля. Ее впервые предложил выдающийся английский физик Майкл Фарадей (1791–1867) в своей работе 1845 года, и с тех пор различные поля стали одним из основных инструментов описания всевозможных процессов и явлений. Для обыденного сознания это довольно абстрактная идея, поэтому вокруг полей существует множество мистификаций, на эту тему очень любят поспекулировать совсем далекие от науки «специалисты». На самом же деле идея поля довольно проста. Полем называется физическая величина, заданная в каждой точке пространства. Звучит пока очень абстрактно, правда? Но давайте разберем это на нескольких примерах.

1) Рассмотрим пространство вашей комнаты. Измерим температуру в каждой ее точке. И если у нас будет достаточно точный термометр, то мы увидим, что в разных точках пространства значения температуры немного отличаются: где-то чуть холоднее, где-то чуть теплее. Составив таким образом полную карту температур вашей комнаты, мы получим температурное поле или поле температур. Подобным образом поступают синоптики, когда составляют карты средних температуры или количества осадков в каждой точке земного шара или какой-то его области.

Такие поля называются скалярными, потому что температура – это скалярная величина: мы каждой точке пространства приписываем некоторое число (значение температуры в этой точке).

Рис. Средняя месячная температура воздуха в январе 2015 г. (в °C). Источник: ФИПИ, Открытый банк заданий ЕГЭ, URL: https://ege.fipi.ru/bank/index.php?proj=20E79180061DB32845C11FC7BD87C7C8

2) Для следующего примера давайте поставим в вашей комнате вентилятор. И будем теперь в каждой точке комнаты измерять не температуру, а скорость ветра. Мы увидим, что в разных точках скорость ветра тоже отличается: где-то ветер дует чуть сильнее, где-то – чуть слабее; в каких-то точках ветер дует вверх, а в каких-то дует вниз, а в каких-то (например, за шкафом) вообще не дует. Составив таким образом полную карту скорости ветра вашей комнаты, мы получим поле ветра.

Такие поля называются векторными, потому что скорость – это вектор (т. к. у скорости есть две характеристики: величина и направление), и мы каждой точке пространства приписываем уже не одно число, а вектор: например, «3 м/с вверх» или «10 м/с право».

3) Давайте теперь поместим в ту же самую комнату какой-нибудь электрический заряд. Например, возьмем пластиковую расческу и хорошенько почешем ей вашего кота (или кого-то из ваших домочадцев, кого не жалко). Расческа получит отрицательный электрический заряд, т. к. электроны с вашего кота «перебегут» на расческу, а кот, потерявший часть своих электронов, соответственно, получит положительный заряд. Теперь, когда у вас в руках останется расческа, а кот убежит от вас в противоположный угол комнаты (невозможно же вечно терпеть все эти ваши эксперименты), мы будем перемещаться по комнате и измерять силу, с которой отрицательно заряженная расческа притягивается к положительно заряженному коту[15]. Ведь мы помним, что разноименные заряды притягиваются, а величина этой силы зависит от расстояния между ними. В итоге мы увидим, что в разных точках комнаты значения силы электрического притяжения отличаются: где-то она будет чуть сильнее (вблизи кота), где-то – чуть слабее (вдали от него); в каких-то точках будет направлена влево, а в каких-то – вниз. Составив таким образом полную карту электрических сил вашей комнаты, мы получим электрическое поле.