Lähimõju ja kaugmõju

Lähimõju ja kaugmõju tähistavad klassikalise füüsika ajaloos kahte konkureerivat kontseptsiooni jõudude levimise kohta. Kaugmõju puhul eeldatakse, et füüsikaline nähtus avaldab mõju suvalise vahemaa ulatuses ilma vahendava keskkonnata ja Newtoni gravitatsiooniteoorias ka hetkeliselt, ilma ajalise nihketa. Klassikalised füüsikateooriad – Newtoni gravitatsiooniseadus, elektrostaatika ja magnetostaatika – põhinevad kaugmõjudel. See väljendub Newtoni kolmandas, mõju ja vastumõju seaduses: kaks keha mõjutavad teineteist igal hetkel võrdsete ja vastassuunaliste jõududega, olenemata sellest, kui kaugel nad üksteisest on ja kuidas nad liiguvad. Füüsikaliselt ei ole seejuures võimalik täpsemalt selgitada, kuidas sellised jõud edasi kanduvad, ja nende päritolu oli Aristotelesest saadik arvatud keha "okultsete" (varjatud) omaduste hulka. Galileo Galilei (1564–1642) seadis keskaegsetele arusaamadele varjatud omadustest vastu lähimõju kontseptsiooni. René Descartes põhjendas seda filosoofiliselt nii, et keha on juba täielikult määratletud selle ruumilise ulatusega ja mõju teisele kehale saab seetõttu toimuda ainult kokkupuute teel. Sellegipoolest tugevnes klassikalise mehaanika edu tõttu 18. sajandil kaugmõju idee. Kuid 1838. aastal avastas Michael Faraday, et elektrostaatiline jõud kahe keha vahel sõltub nendevahelise aine tüübist. Selle avastuse edasiarendus James Clerk Maxwelli poolt andis lähimõjule uue seletuse: elektrilaeng muudab esmalt ümbritsevat eetrit ja niipea, kui see muutus jõuab teise laengu asukohta, kogeb see teine laeng elektrostaatilist jõudu. Sellega on seletatav ka nähtuse lõplik, piiratud levimiskiirus. Et seletada jõu ülekandmist ruumis, tõi Faraday sisse välja mõiste ja see kehtib ka tänapäeva füüsikas. Isaac Newtoni (1643–1727) gravitatsiooniseadus kirjeldas kaugmõju kui hetkelist, viivituseta levivat mõju. Näiteks kui Päike järsult nihkuks, tunneks Maa muutunud gravitatsiooni kohe ja reageeriks vastava muutusega oma orbiidil. Planeetide vastastikused orbiidihäiringud arvutatakse Newtoni järgi samuti jõudude põhjal, mis on määratud planeetide hetkeasenditega. Seega mõisteti Newtoni teooriat üldiselt nii, et gravitatsioonijõud suudab viivitamata läbida absoluutselt tühja ruumi. Juba Newtoni kaasaegsed, sealhulgas Christiaan Huygens ja Gottfried Wilhelm Leibniz süüdistasid teda taas okultsete jõudude kasutamises, kui ta omistas (tolleaegsete arusaamade järgi) inertsele ja passiivsele mateeriale võime mõjuda kaugelt, ja isegi Leonhard Euler pidas seda absurdseks oletuseks. Vastuseks avaldatud kriitikale selgitas Newton, et ta vaid tuletas loodusvaatlustest ilmsed seaduspärasused ja et okultseks võisid jääda ainult nende põhjused. Lõpuks oli just Newtoni seadustel põhineva klassikalise mehaanika edu see, mis kinnitas kaugmõju aktsepteeritava mudelina pikaks ajaks paljudes loodusteaduste valdkondadesse. Ka filosoof Immanuel Kant mõistis külgetõmmet kui kaugmõju. Ta kirjutab (1786): "Igale mateeriale omane külgetõmme on selle otsene mõju teistele tühja ruumi kaudu." Selle tulemusena ei pööratud Descartes'ist alanud katsetele luua gravitatsiooni mehaaniline seletus eetri pöörisliikumise abil enam eriti tähelepanu. Newtoni kaugmõju teooriast mõjutatuna hakati 18. ja 19. sajandil vastasnimeliste ja samanimeliste elektriliselt laetud kehade omavahelise tõmbe ja tõuke nähtusi esialgu seletama kaugjõudude mõjuga. 19. sajandil aga süvenes veendumus, et kehadevahelisi jõude vahendavad väljad ja seega füüsikalised suurused. Michael Faraday (1791–1867) oli esimene, kes jõudis oma elektri- ja elektromagnetilise induktsiooni alaste katsete kaudu füüsikalise välja ideeni. Tema arvates kutsub üks keha ruumis esile välja, mille kaudu jõud kandub teise kehani selliselt, et teine keha kogeb jõudu. Ta tõi füüsikasse jõu mõiste sõltumatu muutujana. Vastavalt sellele kanduvad jõud edasi välja vahendusel (seejuures esialgse vaate kohaselt kandus mõju ruumis edasi silmapilkselt). Jõud mõjub laetud kehale vastavas kohas valitseva väljatugevusega lähimõjuna. Faraday oli juba 1852. aastal veendunud, et see seisukoht on õige mitte ainult magnet- ja elektriväljade, vaid ka gravitatsioonivälja puhul. 1864. aastal esitas James Clerk Maxwell (1831–1879) elektromagnetismi kompleksse väljateooria. Tema nihkevoolude hüpotees muudab vajalikuks laiendada lähimõju teooriat ka vaakumile. Maxwelli võrrandid näitavad, et ajas muutuvad elektri- ja magnetväljad tekitavad järgemööda teineteist ja seetõttu tuleb need ühendada elektromagnetväljaks, mis levib lõpliku kiirusega. Laetud kehale mõjuvad jõud tulenevad siis selle asukohas valitseva välja tugevusest, mis avaldub Coulomb'i jõuna ja Lorentzi jõuna. Siit järeldub võimalus, et kord genereeritud elektromagnetväli jääb eksisteerima oma allikast sõltumatult ja levib ruumis elektromagnetlainetena. Selleks et välja vaatekohta eristada kaugmõjust, kirjeldati seda kui lähimõju. Selle termini seletus tuleneb ideest, et keha kogeb jõudu läbi teda ümbritseva ruumi. Iga mõju kandub punktist P1 „naaberpunkti“ P2. Pole teada, kes lähimõju mõistet esimesena kasutas. Kuni väljanähtused on staatilised, pole kaug- ja lähimõjudel vahet, küll aga ilmneb erinevus dünaamilistes olukordades. Eksperimentaalne läbimurre saabus lõpuks 1886. aastal, kui Heinrich Hertz tuvastas elektromagnetlained. Elektromagnetlainete levimise seletamisel eelistati mehaanilise levimiskeskkonna eetri, teooriat ja seda veel ka pärast 19. sajandi lõppu. Isegi juhtivad elektrodünaamika teoreetikud Hendrik Antoon Lorentz, Henri Poincaré, Joseph Larmor eeldasid 20. sajandi alguses eetri olemasolu. Koguni eksperimentaalfüüsik Albert A. Michelson, kelle nulltulemus Michelson-Morley katses aitas oluliselt kaasa eetri ideest ülesaamisele, ei olnud kuni oma surmani eetri puudumises veendunud. Kui üldiselt domineerisid välja kontseptsioon ja lähimõju teooria, siis on olemas ka klassikalise elektrodünaamika formuleeringud osakeselt osakesele otsese vastastikmõju kohta (kuigi mitte silmapilkselt, vaid valguse kiirusega määratud viivitusega), mida 1940. aastatel esile toodi absorptsiooniteooriana (ingl absorber theory). See kasutab võrdselt etteruttavaid ja mahajäävaid potentsiaale ning on seetõttu ajasümmeetriline. Lisaks on selle teooria eeliseks see, et saab vältida laetud punktosakeste omavahelist vastastikmõju koos sellega seotud divergentsidega. Fred Hoyle ja Jayant Vishnu Narlikar kasutasid seda teooriat, mis rakendab Machi printsiipi, kosmoloogias. Carl Friedrich Gauss esitas juba 1845. aastal idee piiritletud levimiskiirusega kaugmõju kohta, kuid ta ei suutnud seda tol ajal veel täpselt sõnastada. Samaaegselt elektrodünaamika arenguga (kui Maxwelli järgi oli juba teada, et väljad levivad piiratud kiirusega) püüdsid mitmed füüsikud aastatel 1870–1910 kirjeldada ka gravitatsiooni kui lähimõju. Lõpuks õnnestus Albert Einsteinil oma üldrelatiivsusteooria raames formuleerida selline teooria, milles väljade levimiskiirusena sisaldub valguse kiirus. Ta näitas, et ükski efektiivne mõju, sealhulgas väljad ja jõud, ei saa levida kiiremini kui valgus. Seega on mõju hetkeline levimine mistahes kaugusele võimatu. Hüpoteetilises nihkunud Päikese näites oleks gravitatsiooni mõju muutus Maal tuntav alles umbes 8 minuti pärast, s.t selle aja pärast, mis kulub valguse levimiseks Päikeselt Maale. Seetõttu ei teaks me nihkest midagi enne, kui me seda ka ei näe. Tingituna hilistumisest gravitatsioonivälja levimisel ei anna näiteks Päikese ümber tiirlevate planeetide orbiitide arvutus täpset ellipsit, vaid hoopis spiraali, mis pärast paljusid tiire lõpeb Päikesel. Suurema osa sellest mõjust kompenseerib üldrelatiivsusteooria kohaselt gravitomagnetiline efekt; planeedi energia jääkkadu seletatakse gravitatsioonilainete emissiooniga. Need lained oleksid planeetide puhul siiski liiga nõrgad, kuid piisavalt massiivsete objektide korral peaksid need olema jälgitavad. Russell Hulse'i ja Joseph Taylori kaudsed tõendid gravitatsioonilainete kohta näitavad täpselt seda mõju: kaksikpulsari PSR J1915+1606 pulsarid tiirlevad teineteise ümber spiraalsel orbiidil mõõdetavalt kasvava tiirlemissagedusega. 2016. aastal kontrolliti gravitatsioonilainete olemasolu katseliselt signaaliga, mis tuvastati USAs 14. septembril 2015. Tänapäeval lähtutakse sellest, et kolme neljast fundamentaalsest vastastikmõjust vahendavad vaheosakestena bosonid: elektromagnetilise vastastikmõju korral on need footonid; tugeva vastastikmõju (nt tuumajõu) korral gluuonid; nõrga vastastikmõju korral W- ja Z-bosonid. Kui vaheosakesed on massita (nagu seda on footonid ja gluoonid), siis kandub nende mõju edasi valguse kiirusel, ent massi omavate vaheosakeste puhul sellest väiksema kiirusega. Gravitatsioonijõudu vahendavaid osakesi, gravitone, ei ole suudetud (seni) kindlaks teha. Einsteini üldrelatiivsusteooria sisaldab aga gravitatsioonijõu levimiskiirusena valguse kiirust. Seega ei saa valgusest kiiremini levida ükski efektiivne mõju, s.t ükski väli ega jõud. Hetkeline kaugmõju mis tahes vahemaa taha on võimatu. Füüsikas hoidutakse terminit lähimõju (vastandina jõudude kaugmõjule) kasutamast, sest see on eksitav. Kaugmõju aluseks olev eeldus, et jõud mõjuvad hetkeliselt ja vahetult mis tahes kaugusel, sisaldab lõppkokkuvõttes ka lähimõju. Ühtlasi tundub paradoksaalne, et vaatamata suurtele vahemaadele käsitletakse gravitatsiooni ja elektromagnetlaineid lähimõjudena. Välja vaatepunktist on lähimõju mõiste kasutamine tänapäeval tarbetu, sest vajab lisaselgitust, et see pole muud kui välja termini sünonüüm. Põhimõtteliselt tuleks alati eelistada selgemat ja lühemat terminit. Faraday – lähimõju kontseptsiooni taassünd füüsikas