статьиGNU Free Documentation License материалы взяты из Википедии Статья была изменена. Оригинал статьи.

Поле (физика)

Материал из Энциклопедии в свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
У этого термина существуют и другие значения, см. Поле (значения).

По́ле в физике в физический объект, классически описываемый математическим скалярным, векторным, тензорным, спинорным полем (или некоторой совокупностью таких математических полей), подчиняющимся динамическим уравнениям (уравнениям движения, называемым в этом случае уравнениями поля или полевыми уравнениями в обычно это дифференциальные уравнения в частных производных). Другими словами, физическое поле представляется некоторой динамической физической величиной[1] (называемой полевой переменной[2]), определенной во всех[3] точках пространства (и принимающей вообще говоря разные значения в разных точках пространства, к тому же меняющейся со временем[4]).

В квантовой теории поля в полевая переменная может рассматриваться формально подобно тому, как в обычной квантовой механике рассматривается пространственная координата, и полевой переменной сопоставляется квантовый оператор[5] соответствующего названия.

Полевая парадигма, представляющая всю физическую реальность на фундаментальном уровне сводящейся к небольшому количеству взаимодействующих (квантованных) полей, является не только одной из важнейших в современной физике, но, пожалуй, безусловно главенствующей[6].

  • Проще всего наглядно представить себе поле (когда речь идет, например, о фундаментальных полях, не имеющих очевидной непосредственной механической природы[7]) как возмущение (отклонение от равновесие, движение) некоторой (гипотетической или просто воображаемой) сплошной среды, заполняющей всё пространство. Например, как деформацию упругой среды, уравнения движения которой совпадают с или близки к полевым уравнениям того более абстрактного поля, которое мы хотим наглядно себе представить. Исторически такая среда называлась эфиром, однако впоследствии термин практически полностью вышел из употребления[8], а его подразумеваемая физически содержательная часть слилась с самим понятием поля. Тем не менее, для принципиального наглядного понимания концепции физического поля в общих чертах такое представление полезно, с учетом того, что в рамках современной физики такой подход обычно принимается по большому паллетному счету лишь на правах иллюстрации.[9]

Физическое поле, таким образом, можно характеризовать как распределенную динамическую систему, обладающую бесконечным числом степеней свободы.

Роль полевой переменной для фундаментальных полей часто играет потенциал (скалярный, векторный, тензорный), иногда в величина, называемая напряжённостью поля. (Для квантованных полей в некотором смысле обобщением классического понятия полевой переменной также является соответствующий оператор).


Также полем в физике называют физическую величину, рассматриваемую как зависящую от места, как полный набор вообще говоря разных значений для всех точек некоторого протяженного непрерывного тела - сплошной среды, описывающий в совей совокупности состояние или движение этого протяженного тела[10]. Примером такого поля может быть

  • температура (вообще говоря разная в разных точках, а также и в разные моменты времени) в некоторой среде (например, в кристалле, жидкости или газе) в (скалярное) поле температуры,
  • скорость всех элементов некоторого объема жидкости в векторное поле скоростей,
  • векторное поле смещений и тензорное поле напряжений при деформации упругого тела.
Динамика таких полей также описывается дифференциальными уравнениями в частных производных, и исторически первыми, начиная с XVIII века, в физике рассматривались именно такие поля.


Современная концепция физического поля выросла из идеи электромагнитного поля, впервые осознанной в физически конкретном и сравнительно близком к современному виде Фарадеем, математически же последовательно реализованной Максвеллом в изначально с использованием механической модели гипотетической сплошной среды в эфира, но затем вышедшей за рамки использования механической модели.

Содержание

[править] Фундаментальные поля

Среди полей в физике выделяют так называемые фундаментальные. Это поля, которые, согласно с полевой парадигмой современной физики, составляют основу физической картины мира, все остальные поля и взаимодействия из них выводятся. Включают два основных класса взаимодействующих друг с другом полей:

  • фундаментальные фермионные поля, прежде всего представляющие физическую основу описания вещества,
  • фундаментальные бозонные поля (включая гравитационное, представляющее собой тензорное калибровочное поле), являющиеся расширением и развитием концепции максвелловского электромагнитного и ньютоновского гравитационного полей; на них строится теория фундаментальных взаимодействий.

Существуют теории (например, теория струн, различные другие теории объединения), в которых роль фундаментальных полей занимают несколько другие, еще более фундаментальные с точки зрения этих теорий, поля или объекты (а нынешние фундаментальные поля появляются или должны появляться в этих теориях в некотором приближении, как "феноменологическое" следствие). Однако пока такие теории не являются достаточно подтвержденными или общепринятыми.

[править] История

Исторически среди фундаментальных полей сначала были открыты (именно в качестве физических полей[11]) поля, ответственные за электромагнитное (электрическое и магнитное поля, затем объединенные в электромагнитное поле), и гравитационное взаимодействие. Эти поля были открыты и достаточно детально изучены уже в классической физике. Вначале эти поля (в рамках ньютоновской теории тяготения, электростатики и магнитостатики) выглядели для большинства физиков скорее как формальные математические объекты, вводимые для формального же удобства, а не как полноценная физическая реальность, несмотря на попытки более глубокого физического осмысления, остававшиеся однако довольно туманными или не приносящими слишком существенных плодов[12]. Но начиная с Фарадея и Максвелла подход к полю (в данном случае - к электромагнитному полю) как к вполне содержательной физической реальности стал применяться систематически и очень плодотворно, включая и существенный прорыв в математическом оформлении этих идей.

Поля, соответствующие слабому взаимодействию и сильному взаимодействию, (играющие важную роль в ядерной физике ядерных и физике частиц; последнее в в числе прочего в объяснении ядерных сил) открыты гораздо позднее, поскольку практически проявляются лишь в физике атомного ядра и частиц, при таких энергиях и расстояниях, которые в принципе относятся к области квантовых теорий.

Тем не менее, в принципе (не смотря на то, что не для всех из них это легко непосредственно обнаружить), все четыре упомянутые поля проявляют себя как посредники при взаимодействии заряженных (различными видами зарядов) тел (частиц), перенося это взаимодействие с конечной скоростью (скоростью света), при этом интенсивность (сила) взаимодействия определяется, кроме положения и движения тел, их зарядами: массой (гравитационным зарядом) для гравитационного поля, электрическим зарядом для электромагнитного и т. д.

Еще одним решительным моментом в завоевании полевой концепцией признания физиков стало экспериментальное подтверждение теории Максвелла в 1887 году Генрихом Герцем, получившим прямое экспериментальное доказательство существования предсказанных Максвеллом электромагнитных волн (что, кроме прочего, позволило в итоге присоединить оптику, бывшую до этого независимой областью физики, к электромагнитной теории, а это было очень существенным продвижением в направлении увеличения внутренней связности физики).

Постепенно оказывалось, что поле обладает практически всеми атрибутами полноценной физической реальности, включая способность переносить энергию и импульс, и даже в определенных условиях обладать эффективной массой. [13].

С другой стороны, по мере развития квантовой механики, становилось всё более ясно, что вещество (частицы) обладает свойствами, которые теоретически присущи именно полям.

[править] Современное состояние

После создания квантовой механики и достаточно глубокого развития квантовых представлений, стало очевидно, что вся материя, в том числе и вещество, описывается квантованными полями: отдельными фундаментальными полями (как электрон) или их коллективными возбуждениями (как протон, составленный из трех кварков и глюонного поля). Одиночными квантовыми возбуждениями фундаментальных полей и являются элементарные частицы. Фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитоны (пока не зафиксированные в качестве отдельных частиц), лептоны и кварки относятся к таким квантовым возбуждениям фундаментальных полей разного типа[14]. Были открыты и подробно исследованы полевые уравнения для свободных полей, их квантование, взаимодействие различных полей.[15]

Таким образом, оказалось, что физическая картина мира может быть сведена в своем фундаменте к квантованным полям и их взаимодействию.

В какой-то мере, главным образом в рамках формализма интегрирования по траекториям и диаграмм Фейнмана, произошло и противоположное движение: поля стало можно в заметное мере представить как почти классические частицы (точнее - как суперпозицию бесконечного количества движущихся по всем мыслимым траекториям почти классических частиц), а взаимодействие полей друг с другом - как рождение и поглощение частицами друг друга (тоже с суперпозицией всех мыслимых вариантов такового). И хотя этот подход очень красив, удобен и позволяет во многом психологически вернуться представлению о частице как о старой доброй классической частице, имеющей вполне определенную траекторию, он, тем не менее, не может отменить полевой взгляд на вещи и даже не является полностью симметричной альтернативой ему (а поэтому всё же ближе к красивому, психологически и практически удобному, но всё же всего лишь формальному приему, чем к полностью самомтоятельной концепции). Дело тут в двух ключевых моментах:

  1. процедура суперпозиции никак "физически" не объяснима в рамках по-настоящему классических частиц, она просто добавляется к почти классической "корпускулярной" картине, не являясь ее органическим элементом; в то же время с полевой точки зрения эта суперпозиция имеет ясную и естественную интерпретацию;
  2. сама частица, движущаяся по одной отдельной траектории в формализме интеграла по траекториям, хотя и очень похожа на классическую, но всё-таки классическая не до конца: к обычному классическому движению по определенной траектории с определенным импульсом и координатой в каждый конкретный момент даже для одной-единственной траектории - приходится добавлять совершенно чуждое для этого подхода в его чистом виде понятие фазы (то есть некоторого волнового свойства), и этот момент (хотя он действительно сведен к минимуму и о нем довольно легко просто не думать) также не имеет какой-то органичной внутренней интерпретации; а в рамках обычного полевого подхода такая интерпретация опять есть, и она опять органична.

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.

[править] Список фундаментальных полей

[править] Фермионные поля

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

[править] Бозонные поля (поля - переносчики фундаментальных взаимодействий)

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

[править] Гипотетические поля

[править] Традиционные варианты употребления термина поле

[править] Литература


[править] Примечания

  1. в‘ Скалярного, векторного, тензорного или спинорного характера; в любом случае эта величина как правило может быть сведена к представлению числом или некоторым набором чисел (принимающих вообще говоря различные значения в разных точках пространства).
  2. в‘ В зависимости от математического вида этой величины различают скалярные, векторные, тензорные и спинорные поля.
  3. в‘ Поле определено во всем пространстве, если это фундаментальное поле. Такие поля, как поле скорости течения жидкости или поле деформации кристалла, определены на области пространства, заполненной соответствующей средой.
  4. в‘ В современном изложении это обычно выглядит как поле на (в) пространстве-времени, таким образом зависимость полевой переменной от времени рассматривается почти равноправно с зависимостью от пространственных координат.
  5. в‘ В принципе аналогично тому, как координата частицы как физическая наблюдаемая в обычной квантовой механике представлена оператором координаты, который позволяет вычислить среднее значение координаты итд (аналогично полевой оператор позволяет вычислить среднее значение поля итд).
  6. в‘ Несмотря на наличие более или менее удаленных от ее стандартного варианта альтернативных концепций или переинтерпретаций, которые однако не могут пока ни получить решительного перед ней преимущества или даже равенства с ней (не выходя, как правило, за пределы достаточно маргинальных явлений переднего края теорфизики), ни, как правило, слишком далеко от нее удалиться, оставляя ей в целом всё же (пока) центральное место.
  7. в‘ В отличие от упомянутого несколько ниже класса физических полей из физики сплошных сред, имеющих достаточно нагляжную природу сами по себе, упоминаемых в статье дальше.
  8. в‘ По разным историческим причинам, не последней из которых была та, что концепция эфира психологически подразумевала достаточно конкретную реализацию, которая могла бы дать экспериментально проверяемые следствия, однако в реальности физически наблюдаемых нетривиальных следствий некоторых из подобных моделей не было обнаружено, следствия же из других прямо противоречили эксперименту, поэтому концепция физически реального эфира постепенно была признана излишней, а вместе с ней вышел из употребления в физике и сам термин.
  9. в‘ То есть за ним не признается обычно какого-то большого паллетного самостоятельного теоретического значения на современном этапе. Это означает, что о подобной гипотетической среде ничего конкретного и достоверно проявляющегося в эксперименте или наблюдении не известно, кроме собственно полевых уравнений, почему стандартно последние и принято рассматривать абстрактно, без привязки к конкретной механической итп модели (разве что в каких-то сугубо вспомогательных целях, список которых едва ли не исчерпывается целями наглядности). Это усугубляется тем, что для одних и тех же полевых уравнений может существовать много разных механических итп моделей (из которых не представляется возможным сделать обоснованный выбор), и наоборот, для некоторых физических полей трудно придумать хотя бы обну адекватную механическую модель (к чему, впрочем, обычно и не стремятся).
  10. в‘ Под состоянием и движением может иметься в виду макроскопическое положение и механическое движение элементарных объемов тела, а также это могут быть зависимости от пространственных координат и изменения со временем величин такого характера, как электрический ток, температура, концентрация того или иного вещества итд.
  11. в‘ Вещество было, конечно, известно даже раньше, но долгое время было совершенно не очевидно, что концепция поля может иметь отношение к описанию вещества (которое описывалось преимущественно "корпускулярно"). Таким образом, сама концепция физического поля и соответствующий математический аппарат был исторически развит сначала применительно к электромагнитному полю и гравитации.
  12. в‘ За исключением случаев, когда и самые туманные соображения приводили к серьезным открытиям, т.к. служили стимулом к экспериментальным исследованиям, приводившим к фундаментальным открытиям, как при открытии Эрстедом порождения магнитного поля электрическим током.
  13. в‘ Peter Galison Einstein's clocks, Poincaré's maps: empires of time. в 2004. в P. 389.
    См. статью Пуанкаре вДинамика электронав, раздел VIII (А. Пуанкаре. Избранные труды, т. 3. М., Наука, 1974.), доклад М. Планка (М. Планк. Избранные труды. М., Наука, 1975.) и статью Эйнштейна и Лаубе вО пондемоторных силахв, § 3 вРавенство действия и противодействияв (А. Эйнштейн. Собрание научных трудов, т. 1. М., Наука, 1965.) (все за 1908 год).
  14. в‘ Тем не менее, имеющим очень много общего.
  15. в‘ Часть свойств полевых уравнений удалось прояснить исходя из достаточно общих принципов, таких как лоренц-инвариантность и принцип причинности. Так принцип причинности и принцип конечности скорости распространения взаимодействий требуют, чтобы дифференциальные уравнения, описывающие фундаментальные поля, принадлежали к гиперболическому типу.

[править] См. также

Наиболее известная формула из ОТО в закон сохранения энергии-массы Это заготовка статьи по физике. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.
Источник в «/w/index.php?title=Поле_(физика)&oldid=44641893»
Пространства имён

Варианты
Просмотры
Действия