Felt (fysik)

Et felt i fysik  er et fysisk objekt klassisk beskrevet af et matematisk skalar- , vektor- , tensor- , spinorfelt (eller et sæt af sådanne matematiske felter), der adlyder dynamiske ligninger (bevægelsesligninger, i dette tilfælde kaldet feltligninger eller feltligninger  - normalt disse er differentialligninger i partielle afledte ). Med andre ord er det fysiske felt repræsenteret af en eller anden dynamisk fysisk størrelse [1] (kaldet feltvariabelen [2] ) defineret i alle [3]punkter i rummet (og acceptere, generelt set, forskellige værdier på forskellige punkter i rummet, udover at ændre sig over tid [4] ).

I kvantefeltteorien  kan en feltvariabel betragtes formelt på samme måde som i almindelig kvantemekanik betragtes en rumlig koordinat, og en kvanteoperator med det tilsvarende navn er forbundet med en feltvariabel.

Feltparadigmet , som repræsenterer hele den fysiske virkelighed på et grundlæggende niveau og reducerer til et lille antal interagerende (kvantiserede) felter, er ikke kun et af de vigtigste i moderne fysik, men måske ubetinget dominerende [5] .

Den nemmeste måde er at visualisere feltet (når det f.eks. kommer til fundamentale felter, der ikke har en åbenlys direkte mekanisk karakter [6] ) som en forstyrrelse (afvigelse fra ligevægt, bevægelse) af nogle (hypotetiske eller blot imaginære) kontinuerligt medium, der fylder hele rummet. For eksempel som en deformation af et elastisk medium, hvis bevægelsesligninger falder sammen med eller er tæt på feltligningerne for det mere abstrakte felt, som vi ønsker at visualisere. Historisk set hed et sådant medie æter, men efterfølgende gik begrebet næsten helt ud af brug [7] , og dets underforståede fysisk betydningsfulde del smeltede sammen med selve begrebet feltet. Ikke desto mindre, for en grundlæggende visuel forståelse af begrebet et fysisk felt i generelle vendinger, er en sådan repræsentation nyttig, idet der tages højde for det faktum, at en sådan tilgang normalt kun accepteres stort set som en illustration inden for rammerne af moderne fysik. [8] .

Det fysiske felt kan derfor karakteriseres som et distribueret dynamisk system med et uendeligt antal frihedsgrader .

Rollen som en feltvariabel for fundamentale felter spilles ofte af et potentiale (skalar, vektor, tensor), nogle gange af en størrelse kaldet feltstyrken (for kvantiserede felter er den tilsvarende operator i en vis forstand også en generalisering af klassisk begreb om en feltvariabel ).

Et felt i fysik er også en fysisk størrelse, der anses for at være afhængig af stedet: som et komplet sæt, generelt set, af forskellige værdier af denne mængde for alle punkter i et eller andet udvidet kontinuerligt legeme - et kontinuerligt medium , der beskriver i sin helhed tilstanden eller bevægelsen af ​​denne udvidede krop [9] . Eksempler på sådanne felter kan være:

Dynamikken i sådanne felter er også beskrevet af partielle differentialligninger , og historisk set siden det 18. århundrede var det netop sådanne felter, der blev betragtet i fysik for første gang.

Det moderne koncept om det fysiske felt voksede ud af ideen om et elektromagnetisk felt , først realiseret i en fysisk konkret og relativt tæt på moderne form af Faraday , matematisk konsekvent implementeret af Maxwell  - oprindeligt ved hjælp af en mekanisk model af et hypotetisk kontinuerligt medium - ether , men gik så ud over brugen af ​​en mekanisk model.

Grundlæggende felter

Blandt fysikkens felter skelnes de såkaldte fundamentale. Det er felter, der ifølge den moderne fysiks feltparadigme danner grundlaget for det fysiske verdensbillede, alle andre felter og interaktioner er afledt af dem. De omfatter to hovedklasser af felter, der interagerer med hinanden:

Der er teorier (for eksempel strengteori , forskellige andre foreningsteorier ), hvor rollen som fundamentale felter er optaget af flere andre, endnu mere fundamentale set fra disse teorier, felter eller objekters synspunkt (og de nuværende fundamentale felter). optræder eller burde forekomme i disse teorier i en vis tilnærmelse som en "fænomenologisk" konsekvens). Sådanne teorier er dog endnu ikke tilstrækkeligt bekræftede eller generelt accepterede.

Historie

Historisk set, blandt de fundamentale felter , blev felterne, der er ansvarlige for de elektromagnetiske ( elektriske og magnetiske felter, derefter kombineret til et elektromagnetisk felt ) og gravitationsinteraktion først opdaget (præcis som fysiske felter [ 10] ). Disse felter blev opdaget og studeret tilstrækkeligt detaljeret allerede i klassisk fysik. Til at begynde med så disse felter (inden for rammerne af den newtonske teori om gravitation, elektrostatik og magnetostatik) efter de fleste fysikere snarere som formelle matematiske objekter, der blev introduceret for formel bekvemmelighed, og ikke som en fuldgyldig fysisk virkelighed, på trods af forsøg på en dybere fysisk virkelighed forståelse, som dog forblev ret vag eller ikke bar for væsentlig frugt [11] . Men startende med Faraday og Maxwell begyndte tilgangen til feltet (i dette tilfælde til det elektromagnetiske felt) som en fuldstændig meningsfuld fysisk virkelighed at blive anvendt systematisk og meget frugtbart, herunder et betydeligt gennembrud i den matematiske formulering af disse ideer.

De felter, der svarer til den svage vekselvirkning og den stærke vekselvirkning (som spiller en vigtig rolle i kernefysik og partikelfysik; sidstnævnte - bl.a. i forklaringen af ​​kernekræfter) blev opdaget meget senere, da de praktisk talt kun viser sig i atomkernens og partiklernes fysik, ved sådanne energier og afstande, som i princippet tilhører kvanteteoriernes felt.

Ikke desto mindre manifesterer alle fire nævnte felter sig i princippet (på trods af at det ikke er let direkte at opdage dette for dem alle), som mellemled i samspillet mellem ladede (forskellige ladningstyper) legemer (partikler), der overfører denne vekselvirkning med en endelig hastighed (lysets hastighed), mens intensiteten ( kraften ) af vekselvirkningen er bestemt, foruden kroppes position og bevægelse, af deres ladninger: masse (tyngdeladning) for et gravitationsfelt, elektrisk ladning for en elektromagnetisk osv.

Et andet afgørende øjeblik i, at feltkonceptet opnåede anerkendelse af fysikere, var den eksperimentelle bekræftelse af Maxwells teori i 1887 af Heinrich Hertz , som modtog direkte eksperimentelle beviser for eksistensen af ​​elektromagnetiske bølger forudsagt af Maxwell (hvilket bl.a. efterhånden gjorde det muligt at knytte optik, som tidligere havde været et selvstændigt fysikområde, til elektromagnetisk teori, og dette var et meget betydeligt fremskridt i retning af at øge fysikkens indre sammenhæng).

Efterhånden viste det sig, at feltet har næsten alle attributter af en fuldgyldig fysisk virkelighed, herunder evnen til at overføre energi og momentum, og endda under visse forhold at have en effektiv masse [12] .

På den anden side, efterhånden som kvantemekanikken udviklede sig, blev det mere og mere klart, at stof (partikler) har egenskaber, der teoretisk er iboende i felter.

Nuværende tilstand

Efter skabelsen af ​​kvantemekanik og en ret dyb udvikling af kvantebegreber blev det indlysende, at alt stof, inklusive stof, er beskrevet af kvantiserede felter : separate fundamentale felter (som en elektron ) eller deres kollektive excitationer (som en proton , sammensat af tre kvarker og et gluonfelt ). Enkelte kvanteexcitationer af fundamentale felter er elementære partikler . Fotoner , vektorbosoner , gluoner , gravitoner (endnu ikke fikseret som individuelle partikler), leptoner og kvarker er blandt sådanne kvanteexcitationer af forskellige typer fundamentale felter. Feltligninger for frie felter, deres kvantisering, interaktion mellem forskellige felter blev opdaget og undersøgt i detaljer [13] .

Således viste det sig, at det fysiske billede af verden kan reduceres i sit fundament til kvantiserede felter og deres interaktion.

Til en vis grad, hovedsageligt inden for rammerne af formalismen af ​​integration langs baner og Feynman-diagrammer , skete den modsatte bevægelse også: felter kan i mærkbar udstrækning repræsenteres som næsten klassiske partikler (mere præcist, som en superposition af et uendeligt antal næsten klassiske partikler, der bevæger sig langs alle tænkelige baner), og vekselvirkningen af ​​felter med hinanden - som fødsel og absorption af hinanden af ​​partikler (også med en overlejring af alle tænkelige varianter af sådanne). Og selvom denne tilgang er meget smuk, praktisk og i mange henseender tillader at psykologisk vende tilbage til ideen om en partikel, der har en veldefineret bane, kan den ikke desto mindre annullere synsfeltet til tingene og er ikke engang et fuldstændig symmetrisk alternativ til det (og derfor stadig tættere på et smukt, psykologisk og praktisk bekvemt, men stadig bare et formelt apparat, end på et helt selvstændigt koncept). Der er to hovedpunkter her:

  1. superpositionsproceduren er på ingen måde "fysisk" forklarlig inden for rammerne af ægte klassiske partikler, den føjes blot til et næsten klassisk "korpuskulært" billede uden at være dets organiske element; samtidig har denne overlejring fra feltsynspunktet en klar og naturlig fortolkning;
  2. selve partiklen, der bevæger sig langs en separat bane i stiintegralets formalisme, er, selvom meget lig den klassiske, stadig ikke helt klassisk: til den sædvanlige klassiske bevægelse langs en bestemt bane med et vist momentum og koordinat i hvert specifikt øjeblik , selv for en den eneste bane - du skal tilføje begrebet en fase (det vil sige en eller anden bølgeegenskab), som er fuldstændig fremmed for denne tilgang i sin rene form, og dette øjeblik (selv om det virkelig er reduceret til et minimum og det er ret nemt bare ikke at tænke over det) har heller ikke nogen organisk intern fortolkning; og inden for rammerne af den sædvanlige felttilgang eksisterer en sådan fortolkning igen, og den er igen organisk.

Således kan vi konkludere, at vejintegrationstilgangen er, selv om den er meget psykologisk bekvem (f.eks. er en punktpartikel med tre frihedsgrader meget enklere end det uendeligt-dimensionelle felt, der beskriver den) og har bevist praktisk produktivitet, men stadig kun en vis omformulering , om end et ret radikalt, feltbegreb, og ikke dets alternativ.

Og selvom alt i ord i dette sprog ser meget "korpuskulært" ud (for eksempel: "samspillet mellem ladede partikler forklares ved udvekslingen af ​​en anden partikel - bæreren af ​​interaktion" eller "den gensidige frastødning af to elektroner skyldes udvekslingen af en virtuel foton mellem dem"), men bag dette er sådanne typiske feltvirkeligheder, som udbredelsen af ​​bølger, omend ganske godt skjult for at skabe et effektivt beregningsskema og i mange henseender give yderligere muligheder for kvalitativ forståelse.

I øjeblikket (2012) anses adskillige felter forbundet med elektrosvage , stærke og gravitationelle interaktioner for at være fundamentale bosoniske (måle) felter . De grundlæggende fermioniske felter omfatter spinorfelterne fra flere "generationer" af leptoner og kvarker.

Liste over grundlæggende felter

Inden for rammerne af Standardmodellen er følgende felter grundlæggende

Fundamentale fermioniske felter

Hver grundlæggende fermion (hver type kvark og hver type lepton ) inden for rammerne af standardmodellen har sit eget felt, matematisk repræsenteret af spinorfeltet .

Fundamentale bosoniske felter (felter er bærere af fundamentale interaktioner )

Disse felter inden for rammerne af standardmodellen er målefelter . Følgende typer er kendt:

Hypotetiske felter

Hypotetiske i bred forstand kan betragtes som ethvert teoretisk objekt (for eksempel felter), der er beskrevet af teorier, der ikke indeholder interne modsigelser, ikke eksplicit modsiger observationer og samtidig er i stand til at give observerbare konsekvenser, der gør det muligt at træffe et valg til fordel for disse teorier sammenlignet med dem, der nu er accepteret. Nedenfor vil vi tale (og det svarer generelt til den sædvanlige forståelse af begrebet) hovedsageligt om hypotetiskitet i denne snævrere og strengere forstand, hvilket antyder gyldigheden og falsificerbarheden af ​​den antagelse, vi kalder en hypotese.

I teoretisk fysik betragtes mange forskellige hypotetiske felter, som hver især tilhører en meget specifik teori (med hensyn til deres type og matematiske egenskaber kan disse felter være fuldstændigt eller næsten det samme som kendte ikke-hypotetiske felter, og de kan være forskellige mere eller mindre kraftigt; i I begge tilfælde betyder deres hypotetiskhed, at de endnu ikke er observeret i virkeligheden, ikke er blevet opdaget eksperimentelt, i forhold til nogle hypotetiske felter kan spørgsmålet være, om de principielt kan observeres, og evt. om de overhovedet kan eksistere - for eksempel hvis teorien, de er til stede i, pludselig viser sig at være internt inkonsekvent).

Spørgsmålet om, hvad der skal betragtes som et kriterium, der gør det muligt at overføre et bestemt felt fra kategorien hypotetisk til kategorien reel, er ret tyndt, da bekræftelsen af ​​en bestemt teori og virkeligheden af ​​visse objekter indeholdt i den ofte er mere eller mindre indirekte. I dette tilfælde kommer sagen sædvanligvis ned til en rimelig aftale fra det videnskabelige samfund (hvis medlemmer er mere eller mindre klar over graden af ​​bekræftelse i virkeligheden).

Selv i teorier, der anses for ret godt bekræftede, er der plads til hypotetiske felter (her taler vi om, at forskellige dele af teorien er blevet testet med varierende grad af grundighed, og nogle felter, der spiller en vigtig rolle i dem i princippet endnu ikke manifesteret sig helt bestemt i eksperimentet, det vil sige, at de indtil videre ligner en hypotese opfundet til et eller andet teoretisk formål, mens andre felter, der optræder i samme teori, allerede er blevet studeret godt nok til at tale om dem som en realitet).

Et eksempel på et sådant hypotetisk felt er Higgs-feltet , som er vigtigt i Standardmodellen , hvis øvrige felter på ingen måde er hypotetiske, og selve modellen, omend med uundgåelige forbehold, anses for at beskrive virkeligheden (i hvert fald til i det omfang, virkeligheden er kendt).

Der er mange teorier, der indeholder felter, som (indtil videre) aldrig er blevet observeret, og nogle gange giver disse teorier selv sådanne skøn, at deres hypotetiske felter tilsyneladende (på grund af svagheden i deres manifestation, som følger af selve teorien) og i princippet ikke kan opdaget i en overskuelig fremtid (f.eks. torsionsfelt ). Sådanne teorier (hvis de ikke indeholder, udover praktisk talt ikke verificerbare, også et tilstrækkeligt antal lettere verificerbare konsekvenser) anses ikke for at være af praktisk interesse, medmindre der dukker en eller anden ikke-triviel ny måde at teste dem på, som gør det muligt at omgå åbenlyse begrænsninger. Nogle gange (som for eksempel i mange alternative teorier om tyngdekraft  - for eksempel Dicke-feltet ) introduceres sådanne hypotetiske felter, om styrken af ​​manifestationen, som teorien i sig selv ikke kan sige noget som helst (for eksempel koblingskonstanten af dette felt med andre er ukendt og kan være ret stort og vilkårligt lille); de har normalt ikke travlt med at kontrollere sådanne teorier (da der er mange sådanne teorier, og hver af dem ikke har bevist sin anvendelighed på nogen måde, og er endda formelt ikke -falsificerbare ), undtagen når en af ​​dem ikke begynder, af en eller anden grund, at virke lovende for løsning af nogle aktuelle vanskeligheder (dog afvises det her, at man fraskærer teorier på basis af ikke-falsificerbarhed - især på grund af ubestemte konstanter - da en seriøs god teori nogle gange kan afprøves i håbet at dens effekt vil blive fundet, selvom der ikke er nogen garantier for dette; dette gælder især, når der overhovedet er få kandidatteorier, eller nogle af dem ser særligt fundamentalt interessante ud; også i tilfælde, hvor det er muligt at teste teorier om en bred klasse på én gang i henhold til kendte parametre, uden at bruge særlig indsats på at teste hver enkelt separat).

Det skal også bemærkes, at det er sædvanligt kun at kalde hypotetiske felter, der slet ikke har nogen observerbare manifestationer (eller har dem utilstrækkeligt, som i tilfældet med Higgs-feltet). Hvis eksistensen af ​​et fysisk felt er fast etableret af dets observerbare manifestationer, og vi taler kun om at forbedre dets teoretiske beskrivelse (for eksempel om at erstatte det newtonske gravitationsfelt med feltet for den metriske tensor i generel relativitetsteori ), så er det normalt ikke sædvanligt at tale om det ene eller det andet som hypotetisk (selvom man for den tidlige situation i generel relativitetsteori kunne tale om den hypotetiske karakter af gravitationsfeltets tensornatur).

Afslutningsvis nævner vi sådanne felter, hvis selve typen er ret usædvanlig, det vil sige teoretisk ret tænkelig, men ingen felter af sådanne typer er nogensinde blevet observeret i praksis (og i nogle tilfælde i de tidlige stadier af udviklingen af deres teori, kan der opstå tvivl om dens konsistens). Disse bør først og fremmest omfatte tachyonfelter . Faktisk kan tachyonfelter snarere kun kaldes potentielt hypotetiske (det vil sige, at de ikke når status som et veluddannet gæt ), eftersom de kendte specifikke teorier, hvori de spiller en mere eller mindre væsentlig rolle, for eksempel strengteori , har ikke selv nået status som tilstrækkeligt bekræftet [14] .

Endnu mere eksotiske (f.eks. Lorentz-ikke-invariante  - brud på relativitetsprincippet ) felter (på trods af at de er abstrakt-teoretisk ret tænkelige) i moderne fysik kan tilskrives at stå ret langt uden for rammerne af en begrundet antagelse , det vil sige, strengt taget betragtes de ikke engang som hypotetiske [15] .

Se også

Noter

  1. Skalar-, vektor-, tensor- eller spinorkarakter; under alle omstændigheder kan denne mængde som regel reduceres til en repræsentation med et tal eller et sæt tal (som generelt antager forskellige værdier på forskellige punkter i rummet).
  2. Afhængigt af den matematiske form af denne mængde skelnes skalar- , vektor- , tensor- og spinorfelter .
  3. Et felt er defineret i hele rummet, hvis det er et fundamentalt felt. Felter såsom hastighedsfeltet for en væskestrøm eller deformationsfeltet for en krystal er defineret på et område af rummet fyldt med et tilsvarende medium.
  4. I moderne termer ser dette normalt ud som et felt på (i) rum-tid , således betragtes feltvariablens afhængighed af tid næsten lige meget med afhængigheden af ​​rumlige koordinater.
  5. På trods af tilstedeværelsen af ​​alternative begreber eller nyfortolkninger, der er mere eller mindre fjernt fra dens standardversion, som dog endnu ikke kan opnå en afgørende fordel i forhold til den eller ligefrem lighed med den (uden som regel at gå ud over de ret marginale fænomener af forkant med teoretisk fysik), og som regel heller ikke for langt væk fra hende, hvilket efterlader hende som helhed stadig (indtil videre) på et centralt sted.
  6. I modsætning til klassen af ​​fysiske felter fra kontinuumfysikken nævnt nedenfor, som har en ret visuel karakter i sig selv, som nævnes længere i artiklen.
  7. Af forskellige historiske årsager, ikke mindst, at begrebet æter psykologisk indebar en ret specifik implementering, der kunne give eksperimentelt verificerbare konsekvenser, men i virkeligheden blev fysisk observerbare ikke-trivielle konsekvenser af nogle af disse modeller ikke fundet, mens konsekvenserne fra andre var direkte modsagde eksperimenter, så begrebet en fysisk virkelig æter blev efterhånden erkendt som overflødigt, og med det faldt selve udtrykket ud af brug i fysikken. Følgende grund spillede en vigtig rolle i dette: på tidspunktet for toppen af ​​diskussionen om anvendeligheden af ​​ether-konceptet til beskrivelsen af ​​det elektromagnetiske felt "stof", blev "partikler" betragtet som objekter af en fundamentalt anderledes karakter, derfor deres bevægelse gennem det med æter fyldte rum syntes utænkeligt eller tænkeligt med store vanskeligheder; Efterfølgende ophørte denne grund i det væsentlige med at eksistere på grund af det faktum, at stof og partikler begyndte at blive beskrevet også som feltobjekter, men på dette tidspunkt var ordet æter allerede næsten glemt som et egentligt begreb for teoretisk fysik.
  8. Selvom i nogle værker af moderne teoretikere nogle gange er brugen af ​​begrebet æter dybere - se Polyakov A. M. "Målefelter og strenge".
  9. Tilstanden og bevægelsen kan betyde den makroskopiske position og mekaniske bevægelse af kroppens elementære volumener, og den kan også være afhængig af rumlige koordinater og ændringer over tid i mængder af sådan art som elektrisk strøm, temperatur, koncentration af en bestemt stof osv.
  10. Stoffet var naturligvis kendt allerede før, men længe var det slet ikke indlysende, at begrebet felt kunne være relevant for beskrivelsen af ​​stoffet (som hovedsageligt blev beskrevet "korpuskulært"). Således blev selve begrebet det fysiske felt og det tilsvarende matematiske apparat historisk udviklet først i forhold til det elektromagnetiske felt og gravitation.
  11. Bortset fra når selv de mest vage overvejelser førte til alvorlige opdagelser, da de tjente som et incitament til eksperimentel forskning, der førte til fundamentale opdagelser, som i Ørsteds opdagelse af genereringen af ​​et magnetfelt ved hjælp af en elektrisk strøm.
  12. Peter Galison. Einsteins ure, Poincares kort: tidens imperier. - 2004. - S. 389. - ISBN 9780393326048 .
    Se artiklen af ​​Poincaré "Electron Dynamics", afsnit VIII (A. Poincaré. Selected Works, bind 3. M., Nauka, 1974), rapport af M. Planck (M. Planck. Selected Works. M., Nauka, 1975) .) og artiklen af ​​Einstein og Laube "On ponderomotive forces", § 3 "Equality of action and reaction" (A. Einstein. Collection of scientific papers, bind 1. M., Nauka, 1965.) (alle for 1908).
  13. Nogle af egenskaberne ved feltligninger blev afklaret på grundlag af ret generelle principper, såsom Lorentz-invarians og kausalitetsprincippet . Så kausalitetsprincippet og princippet om endelighed af hastigheden af ​​udbredelse af interaktioner kræver, at differentialligningerne, der beskriver de fundamentale felter, tilhører den hyperbolske type .
  14. Disse udsagn er sande for fundamentale felter af tachyon-typen. Makroskopiske systemer, der har egenskaberne som tachyonfelter, er ikke ualmindelige; det samme kan antages om visse typer af excitationer i krystaller af umn (i begge tilfælde er stedet for lysets hastighed optaget af en anden mængde).
  15. Dette er en beskrivelse af den aktuelle situation. De indebærer naturligvis ikke den fundamentale umulighed af fremkomsten af ​​ganske tilstrækkeligt motiverede teorier, der omfatter sådanne eksotiske felter i fremtiden (en sådan mulighed bør dog næppe anses for at være for sandsynlig).

Litteratur