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.
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.
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.
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:
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.
Inden for rammerne af Standardmodellen er følgende felter grundlæggende
Fundamentale fermioniske felterHver 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 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] .