Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Поле (фізика)



План:


Введення

Поле в фізики - фізичний об'єкт, класично описуваний математичним скалярним, векторним, тензорним, спінорно полем (або деякою сукупністю таких математичних полів), що підкоряється динамічним рівнянням (рівнянь руху, званим в цьому випадку рівняннями поля або польовими рівняннями - зазвичай це диференціальні рівняння в приватних похідних). Іншими словами, фізичне поле представляється деякою динамічної фізичною величиною [1] (званої польової змінної [2]), визначеної у всіх [3] точках простору (і приймаючої взагалі кажучи різні значення в різних точках простору, до того ж мінливою з часом [4 ]).

В квантової теорії поля - польова змінна може розглядатися формально подібно до того, як у звичайній квантової механіки розглядається просторова координата, і польовий змінної зіставляється квантовий оператор [5] відповідного назви.

Польова парадигма, що представляє всю фізичну реальність на фундаментальному рівні зводиться до невеликої кількості взаємодіючих (квантованих) полів, є не тільки однією з найважливіших у сучасній фізиці, але, мабуть, безумовно чільної [6].

  • Найпростіше наочно уявити собі поле (коли мова йде, наприклад, про фундаментальних полях, які не мають очевидної безпосередній механічної природи [7]) як обурення (відхилення від рівновагу, рух) деякої (гіпотетичної або просто уявної) суцільного середовища, що заповнює весь простір. Наприклад, як деформацію пружного середовища, рівняння руху якої збігаються з або близькі до польових рівнянь того більш абстрактного поля, яке ми хочемо наочно собі уявити. Історично така середу називалася ефіром, однак згодом термін практично повністю вийшов з ужитку [8], а його подразумеваемая фізично змістовна частина злилася з самим поняттям поля. Тим не менш, для принципового наочного розуміння концепції фізичного поля в загальних рисах таке подання корисно, з урахуванням того, що в рамках сучасної фізики такий підхід зазвичай приймається за великим рахунком лише на правах ілюстрації. [9]

Фізичне поле, таким чином, можна характеризувати як розподілену динамічну систему, що володіє нескінченним числом ступенів свободи.

Роль польовий змінної для фундаментальних полів часто грає потенціал (скалярний, векторний, тензорний), іноді - величина, яка називається напруженістю поля. (Для квантованих полів в деякому сенсі узагальненням класичного поняття польовий змінної також є відповідний оператор).


Також полем у фізиці називають фізичну величину, що розглядається як залежну від місця, як повний набір взагалі кажучи різних значень для всіх точок деякого протяжного безперервного тіла - суцільного середовища, що описує у своїй сукупності стан або рух цього протяжного тіла [10]. Прикладом такого поля може бути

  • температура (взагалі кажучи різна в різних точках, а також і в різні моменти часу) в деякому середовищі (наприклад, в кристалі, рідині або газі) - (скалярний) поле температури,
  • швидкість всіх елементів деякого об'єму рідини - векторне поле швидкостей,
  • векторне поле зміщень і тензорне поле напружень при деформації пружного тіла.
Динаміка таких полів також описується диференціальними рівняннями в приватних похідних, і історично першими, починаючи з XVIII століття, у фізиці розглядалися саме такі поля.


Сучасна концепція фізичного поля виросла з ідеї електромагнітного поля, вперше усвідомленої у фізично конкретному і порівняно близькому до сучасного вигляді Фарадеєм, математично само послідовно реалізованої Максвеллом - спочатку з використанням механічної моделі гіпотетичної суцільного середовища - ефіру, але потім вийшла за рамки використання механічної моделі.


1. Фундаментальні поля

Серед полів у фізиці виділяють так звані фундаментальні. Це поля, які, згідно з польової парадигмою сучасної фізики, складають основу фізичної картини світу, всі інші поля і взаємодії з них виводяться. Включають два основні класи взаємодіють один з одним полів:

  • фундаментальні ферміони поля, перш за все представляють фізичну основу опису речовини,
  • фундаментальні бозони поля (включаючи гравітаційне, що представляє собою тензорне каліброване поле), що є розширенням і розвитком концепції максвелловськой електромагнітного та ньютонівського гравітаційного полів; на них будується теорія фундаментальних взаємодій.

Існують теорії (наприклад, теорія струн, різні інші теорії об'єднання), в яких роль фундаментальних полів займають дещо інші, ще більш фундаментальні з точки зору цих теорій, поля або об'єкти (а нинішні фундаментальні поля з'являються або повинні з'являтися в цих теоріях в деякому наближенні, як "феноменологічне" слідство). Однак поки такі теорії не є достатньо підтвердженими або загальноприйнятими.


1.1. Історія

Історично серед фундаментальних полів спочатку були відкриті (саме в якості фізичних полів [11]) поля, відповідальні за електромагнітне ( електричне і магнітне поля, потім об'єднані в електромагнітне поле), і гравітаційне взаємодія. Ці поля були відкриті і досить детально вивчені вже в класичній фізиці. Спочатку ці поля (в рамках ньютонівської теорії тяжіння, електростатики і магнітостатики) виглядали для більшості фізиків скоріше як формальні математичні об'єкти, що вводяться для формального ж зручності, а не як повноцінна фізична реальність, незважаючи на спроби більш глибокого фізичного осмислення, що залишалися однак досить туманними або не приносять надто суттєвих плодів [12]. Але починаючи з Фарадея і Максвелла підхід до поля (в даному випадку - до електромагнітного поля) як до цілком змістовної фізичної реальності став застосовуватися систематично і дуже плідно, зокрема й істотний прорив у математичному оформленні цих ідей.

Поля, відповідні слабкому взаємодії і сильному взаємодії, (які відіграють важливу роль в ядерній фізиці ядерних та фізики частинок; останнє - в числі іншого в поясненні ядерних сил) відкриті набагато пізніше, оскільки практично проявляються лише у фізиці атомного ядра і частинок, при таких енергіях і відстанях, які в принципі ставляться до області квантових теорій.

Тим не менш, в принципі (не дивлячись на те, що не для всіх з них це легко безпосередньо виявити), всі чотири згадані поля проявляють себе як посередники при взаємодії заряджених (різними видами зарядів) тел (часток), переносячи це взаємодія з кінцевою швидкістю (швидкістю світла), при цьому інтенсивність ( сила) взаємодії визначається, крім положення і руху тіл, їх зарядами: масою (гравітаційним зарядом) для гравітаційного поля, електричним зарядом для електромагнітного і т. д.

Ще одним рішучим моментом в завоюванні польовий концепцією визнання фізиків стало експериментальне підтвердження теорії Максвелла в 1887 Генріхом Герцем, що отримав пряме експериментальне доказ існування передбачених Максвеллом електромагнітних хвиль (що, крім іншого, дозволило в підсумку приєднати оптику, що була до цього незалежною областю фізики, до електромагнітної теорії, а це було дуже істотним просуванням у напрямку збільшення внутрішньої зв'язності фізики).

Поступово виявлялося, що поле має практично всіма атрибутами повноцінної фізичної реальності, включаючи здатність переносити енергію і імпульс, і навіть в певних умовах володіти ефективною масою. [13].

З іншого боку, у міру розвитку квантової механіки, ставало все більш ясно, що речовина (частки) має властивості, які теоретично притаманні саме полям.


1.2. Сучасний стан

Після створення квантової механіки і досить глибокого розвитку квантових уявлень, стало очевидно, що вся матерія, в тому числі і речовина, описується квантованими полями : окремими фундаментальними полями (як електрон) або їх колективними збудженнями (як протон, складений з трьох кварків і глюонної поля). Поодинокими квантовими збудженнями фундаментальних полів і є елементарні частинки. Фотони, векторні бозони, глюони, Гравітон (поки не зафіксовані в якості окремих частинок), лептони і кварки відносяться до таких квантовим збудженням фундаментальних полів різного типу [14]. Були відкриті і детально досліджені польові рівняння для вільних полів, їх квантування, взаємодія різних полів. [15]

Таким чином, виявилося, що фізична картина світу може бути зведена в своєму фундаменті до квантованим полях і їх взаємодії.

В якійсь мірі, головним чином у рамках формалізму інтегрування по траєкторіях і діаграм Фейнмана, сталося і протилежний рух: поля стало можна в помітне мірою представити як майже класичні частинки (точніше - як суперпозицію нескінченної кількості рухомих по всіх мислимих траєкторіях майже класичних частинок), а взаємодія полів один з одним - як народження і поглинання частинками один одного (теж з суперпозицією всіх мислимих варіантів такого). І хоча цей підхід дуже красивий, зручний і дозволяє багато в чому психологічно повернутися поданням про частку як про старої доброї класичної частці, яка має цілком певну траєкторію, він, тим не менш, не може скасувати польовий погляд на речі і навіть не є повністю симетричною альтернативою йому (а тому все ж ближче до красивого, психологічно і практично зручному, але все ж всього лише формального прийому, ніж до повністю самомтоятельной концепції). Справа тут в двох ключових моментах:

  1. процедура суперпозиції ніяк "фізично" не зрозуміла в рамках по-справжньому класичних частинок, вона просто додається до майже класичної "корпускулярної" картині, не будучи її органічним елементом; в той же час з польової точки зору ця суперпозиція має ясну і природну інтерпретацію;
  2. сама частинка, що рухається по одній окремій траєкторії в формалізмі інтеграла по траєкторіях, хоча і дуже схожа на класичну, але все-таки класична не до кінця: до звичайного класичного руху по певній траєкторії з певним імпульсом і координатою в кожен конкретний момент навіть для однієї- єдиною траєкторії - доводиться додавати абсолютно чуже для цього підходу в його чистому вигляді поняття фази (тобто деякого хвильового властивості), і цей момент (хоча він дійсно зведений до мінімуму і про нього досить легко просто не думати) також не має якоїсь органічною внутрішньої інтерпретації; а в рамках звичайного польового підходу така інтерпретація знову є, і вона знову органічна.

Таким образом, можно заключить, что подход интегрирования по траекториям есть хотя и очень психологически удобная (ведь, скажем, точечная частица с тремя степенями свободы гораздо проще, чем бесконечномерное поле, которое ее описывает) и доказавшая практическую продуктивность, но всё же лишь некая переформулировка, пусть и довольно радикальная, полевой концепции, а не ее альтернатива.

И хотя на словах на этом языке всё выглядит очень "корпускулярно" (например: "взаимодействие заряженных частиц объясняются обменом другой частицей - переносчиком взаимодействия" или "взаимное отталкивание двух электронов обусловлено обменом между ними виртуальным фотоном"), однако за этим стоят такие типично полевые реальности, как распространение волн, пусть и достаточно хорошо спрятанные ради создания эффективной схемы вычислений, да во многом и давая дополнительные возможностеи качественного понимания.

В настоящее время (2012 год) фундаментальными бозонными (калибровочными) полями считаются несколько полей, связанных с электрослабым, сильным и гравитационным взаимодействиями. К фундаментальным фермионным полям относятся спинорные поля нескольких "поколений" лептонов и кварков.


1.3. Список фундаментальных полей

В рамках Стандартной модели в качестве фундаментальных выступают следующие поля

1.3.1. Фундаментальные фермионные поля

Каждому фундаментальному фермиону (каждому типу кварков и каждому типу лептонов) в рамках Стандартной модели соответствует свое поле, математически представляемое спинорным полем.

1.3.2. Фундаментальные бозонные поля (поля - переносчики фундаментальных взаимодействий)

Эти поля в рамках стандартной модели являются калибровочными полями. Известны такие их типы:


2. Гипотетические поля

Гипотетическими в широком смысле можно считать любые теоретические объекты (например, поля), которые описываются теориями, не содержащими внутренних противоречий, явно не противоречащими наблюдениям и способными в то же время дать наблюдаемые следствия, позволяющие сделать выбор в пользу этих теорий по сравнению с теми, которые приняты сейчас. На практике (чтобы отсечь необозримое количество потенциально возможных, но бесполезных теорий) применяют еще принцип фальсифицируемости. Ниже мы будем говорить (и это в целом соответствует обычному пониманию термина) в основном о гипотетичности в этом более узком и строгом смысле, подразумевающем обоснованность и фальсифицируемость предположения, которое мы называем гипотезой.

В теоретической физике рассматривается множество различных гипотетических полей, каждое из которых является принадлежностью вполне конкретной определенной теории (по своему типу и математическим свойствам эти поля могут быть совсем или почти такими же, как известные негипотетические поля, а могут более или менее сильно отличаться; в том и другом случае под их гипотетичностью имеется в виду то, что они пока не наблюдались в реальности, не были обнаружены экспериментально; в отношении части гипотетических полей может стоять вопрос о том, могут ли они наблюдаться в принципе, и даже могут ли они вообще существовать - например, если теория, в которой они присутствует, вдруг окажется внутренне противоречивой).

Вопрос о том, что следует считать критерием, позволяющим перенести некое конкретное поле из разряда гипотетических в разряд реальных, довольно тонок, поскольку подтверждения той или иной теории и реальности тех или иных объектов, в ней содержащихся, бывают зачастую более или менее косвенными. В этом случае дело сводится обычно к какому-то разумному соглашению научного сообщества (члены которого на более или менее детально сознают, о какой степени подтвержденности на самом деле идет речь).

Даже в теориях, считающихся достаточно хорошо подтвержденными, находится место гипотетическим полям (тут речь идет о том, что разные части теории проверены с разной степенью тщательности, и некоторые поля, играющие в них в принципе важную роль, пока не проявились в эксперименте достаточно определенно, то есть пока выглядят именно как гипотеза, придуманная для тех или иных теоретических целей, в то время как другие поля, фигурирующие в той же теории, изучены уже достаточно хорошо, чтобы говорить о них как о реальности).

Примером такого гипотетического поля является поле Хиггса, являющееся важным в Стандартной модели, остальные поля которой отнюдь не являются гипотетическими, а сама модель, пусть и с неизбежными оговорками, считается описывающей реальность (по крайней мере, до той степени, как реальность известна).

Существует множество теорий, содержащих поля, которые (пока) никогда не наблюдались, а иногда сами же эти теории дают такие оценки, что их гипотетические поля по-видимому (из-за слабости их проявления, следующей из самой теории) и не могут в принципе быть обнаружены в обозримом будущем (например, торсионное поле). Такие теории (если не содержат, кроме практически непроверяемых, еще и достаточного количества легче проверяемых следствий) не рассматриваются как представляющие практический интерес, если только не всплывет какой-то нетривиальный новый способ их проверки, позволяющий обойти очевидные ограничения. Иногда же (как, например, во многих альтернативных теориях гравитации - например, поле Дикке) вводятся такие гипотетические поля, о силе проявления которых сама теория вообще не может ничего сказать (например, константа связи этого поля с другими неизвестна и может быть как довольно большой, так и сколь угодно малой); с проверкой таких теорий обычно также не торопятся (поскольку таких теорий много, а своей полезности каждая из них ничем не доказала, и даже формально нефальсифицируема), за исключением случаев, когда какая-то из них не начинает по каким-то причинам казаться перспективной для разрешения каких-то текущих затруднений (впрочем, от отсеивания теорий на основании нефальсифицируемости - особенно из-за неопределенных констант - тут иногда отказываются, т.к. серьезная добротная теория иногда может быть проверена в надежде, что ее эффект обнаружится, хотя гарантий этого и нет; особенно это верно, когда теорий-кандидатов вообще немного или некоторые из них выглядят особенно фундаментально интересными; также - в случаях, когда можно проверять теории широкого класса все сразу по известным параметрам, не тратя специальных усилий на проверку каждой в отдельности).

Следует также заметить, что принято называть гипотетическими лишь такие поля, которые совсем не имеют наблюдаемых проявлений (или имеют их недостаточно, как в случае с полем Хиггса). Если же существование физического поля твердо установлено по его наблюдаемым проявлениям, и речь идет лишь об улучшении его теоретического описания (например, о замене ньютоновского гравитационного поля на поле метрического тензора в ОТО), то говорить о том или другом как о гипотетических обычно не принято (хотя для ранней ситуации в ОТО можно было говорить о гипотетическом характере тензорной природы гравитационного поля).

В заключение упомянем о таких полях, сам тип которых достаточно необычен, т.е. теоретически вполне мыслим, но никакие поля подобных типов никогда не наблюдался на практике (а в некоторых случаях на ранних этапах развития их теории могли возникали и сомнения в ее непротиворечивости). К таким, прежде всего, следует отнести тахионные поля. Собственно, тахионные поля можно назвать скорее лишь потенциально гипотетическими (то есть не достигающими статуса обоснованного предположения), т.к. известные конкретные теории, в которых они играют более или менее существенную роль, например, теория струн,

Еще более экзотические (например, лоренц-неинвариантные - нарушающие принцип относительности) поля (при том, что абстрактно-теоретически вполне мыслимы) в современной физике можно отнести к стоящим уже достаточно далеко за рамками аргументированного предположения, то есть, строго говоря, их не рассматривают даже в качестве гипотетичевсих. [16]


3. Традиционные варианты употребления термина поле

Література



Примітки

  1. Скалярного, векторного, тензорного або спінорного характеру; в будь-якому випадку ця величина як правило може бути зведена до подання числом або деяким набором чисел (приймаючих взагалі кажучи різні значення в різних точках простору).
  2. Залежно від математичного вигляду цієї величини розрізняють скалярні, векторні, тензорні і спінорное поля.
  3. Поле визначено у всьому просторі, якщо це фундаментальне поле. Такі поля, як поле швидкості течії рідини або поле деформації кристала, визначені на області простору, заповненої відповідної середовищем.
  4. У сучасному викладі це зазвичай виглядає як поле на (в) просторі-часі, таким чином залежність польовий змінної від часу розглядається майже рівноправно з залежністю від просторових координат.
  5. В принципі аналогічно тому, як координата частинки як фізична спостерігається в звичайній квантової механіки представлена ​​оператором координати, який дозволяє обчислити середнє значення координати ітд (аналогічно польовий оператор дозволяє обчислити середнє значення поля ітд).
  6. Незважаючи на наявність більш-менш віддалених від її стандартного варіанту альтернативних концепцій чи переінтерпретації, які однак не можуть поки ні отримати рішучого перед нею переваги або навіть рівності з нею (не виходячи, як правило, за межі досить маргінальних явищ переднього краю теорфізікі), ні , як правило, занадто далеко від неї вийти, залишаючи їй в цілому все ж (поки що) центральне місце.
  7. На відміну від згаданого трохи нижче класу фізичних полів з фізики суцільних середовищ, що мають досить нагляжную природу самі по собі, що згадуються в статті далі.
  8. За різними історичних причин, не останньою з яких була та, що концепція ефіру психологічно увазі досить конкретну реалізацію, яка могла б дати експериментально перевіряються слідства, проте в реальності фізично спостережуваних нетривіальних наслідків деяких з подібних моделей не було виявлено, слідства же з інших прямо суперечили експерименту, тому концепція фізично реального ефіру поступово була визнана зайвою, а разом з нею вийшов з ужитку в фізиці і сам термін.
  9. Тобто за ним не визнається зазвичай якогось великого самостійного теоретичного значення на сучасному етапі. Це означає, що про подібну гіпотетичної середовищі нічого конкретного і достовірно проявляється в експерименті чи спостереженні не відомо, крім власне польових рівнянь, чому стандартно останні і прийнято розглядати абстрактно, без прив'язки до конкретної механічної ітп моделі (хіба що в якихось суто допоміжних цілях , список яких чи не вичерпується цілями наочності). Це посилюється тим, що для одних і тих же польових рівнянь може існувати багато різних механічних ітп моделей (з яких не представляється можливим зробити обгрунтований вибір), і навпаки, для деяких фізичних полів важко придумати хоча б обну адекватну механічну модель (до чого, втім , зазвичай і не прагнуть).
  10. Під станом і рухом може матися на увазі макроскопічне становище і механічний рух елементарних об'ємів тіла, а також це можуть бути залежно від просторових координат і зміни з часом величин такого характеру, як електричний струм, температура, концентрація того чи іншого речовини ітд.
  11. Речовина була, звичайно, відомо навіть раніше, але довгий час було зовсім не очевидно, що концепція поля може мати відношення до опису речовини (яке описувалося переважно "корпускулярно"). Таким чином, сама концепція фізичного поля і відповідний математичний апарат був історично розвинений спочатку стосовно до електромагнітного поля і гравітації.
  12. За винятком випадків, коли і самі туманні міркування приводили до серйозних відкриттів, тому що служили стимулом до експериментальних досліджень, призводить до фундаментальних відкриттів, як при відкритті Ерстед породження магнітного поля електричним струмом.
  13. Peter Galison Einstein's clocks, Poincar's maps: empires of time. - 2004. - P. 389.
    Див статтю Пуанкаре "Динаміка електрона", розділ VIII (А. Пуанкаре. Вибрані праці, т. 3. М., Наука, 1974.), Доповідь М. Планка (М. Планк. Вибрані праці. М., Наука, 1975 .) і статтю Ейнштейна і Лаубе "Про пондемоторних силах", 3 "Рівність дії і протидії" (А. Ейнштейн. Збори наукових праць, т. 1. М., Наука, 1965.) (все за 1908 рік).
  14. Тим не менш, мають дуже багато спільного.
  15. Частина властивостей польових рівнянь вдалося прояснити виходячи з досить загальних принципів, таких як Лоренц-інваріантність і принцип причинності. Так принцип причинності і принцип кінцівки швидкості поширення взаємодій вимагають, щоб диференціальні рівняння, що описують фундаментальні поля, належали до гіперболічного типу.
  16. Цей опис того становища, яке існує на даний момент. Звичайно ж, вони не означає принципової неможливості появи цілком достатньо мотивованих теорій, які включають такого роду екзотичні поля в майбутньому (втім, навряд чи слід вважати таку можливість і занадто імовірною).
Перегляд цього шаблону Матерія
Фізика
Якісна
характеристика

Речовина

Поле

Квантові поля
Матерія неясною фізичної природи

Кількісна
характеристика
Довжина Маса
Див також Випромінювання Антиречовину Дзеркальне речовина Агрегатні стани Фундаментальні взаємодії Фізична величина Час Секунда Метр Система відліку
Наука

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Силове поле (фізика)
Поле
Електромагнітне поле
Футбольне поле
Вулканічна поле
Просте поле
Поле напрямків
Дівоче поле
Світлове поле
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru