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A maneira mais fácil é visualizar o campo (quando se trata, por exemplo, de campos fundamentais que não têm uma natureza mecânica direta óbvia) como uma perturbação (desvio do equilíbrio, movimento) de algum meio contínuo (hipotético ou simplesmente imaginário) que preenche todo o espaço. Por exemplo, como uma deformação de um meio elástico, cujas equações de movimento coincidem ou se aproximam das equações de campo desse campo mais abstrato que queremos visualizar. Historicamente, esse meio foi chamado de éter, mas posteriormente o termo quase caiu completamente em desuso, e sua parte fisicamente significativa implícita se fundiu com o próprio conceito de campo. No entanto, para uma compreensão visual fundamental do conceito de um campo físico em termos gerais, tal representação é útil, dado que no quadro da física moderna, tal abordagem é geralmente aceita apenas como uma ilustração.
O campo físico, portanto, pode ser caracterizado como um sistema dinâmico distribuído com um número infinito de graus de liberdade.
O papel da variável de campo para campos fundamentais é frequentemente desempenhado pelo potencial (escalar, vetorial, tensor), às vezes por uma quantidade chamada de intensidade de campo. (Para campos quantizados, em certo sentido, o operador correspondente também é uma generalização do conceito clássico de uma variável de campo).
Também campo na física eles chamam de quantidade física, considerada dependente do lugar: como um conjunto completo, de um modo geral, de diferentes valores dessa quantidade para todos os pontos de algum corpo contínuo estendido - um meio contínuo, descrevendo em sua totalidade o estado ou movimento desse corpo estendido. Exemplos de tais campos podem ser:
- temperatura (em geral, diferente em pontos diferentes, bem como em momentos diferentes) em algum meio (por exemplo, em um cristal, líquido ou gás) - um campo de temperatura (escalar),
- a velocidade de todos os elementos de um certo volume de fluido é um campo vetorial de velocidades,
- campo vetorial de deslocamentos e campo tensorial de tensões durante a deformação de um corpo elástico.
A dinâmica de tais campos também é descrita por equações diferenciais parciais e, historicamente, desde o século 18, foram precisamente esses campos que foram considerados pela primeira vez na física.
O conceito moderno de campo físico surgiu da ideia de um campo eletromagnético, realizado pela primeira vez de forma fisicamente concreta e relativamente próxima da forma moderna por Faraday, implementado matematicamente de forma consistente por Maxwell - inicialmente usando um modelo mecânico de um meio contínuo hipotético - éter, mas depois foi além do uso de um modelo mecânico.
Campos fundamentais
Entre os campos da física, destacam-se os chamados fundamentais. Estes são campos que, de acordo com o paradigma de campo da física moderna, formam a base da imagem física do mundo, todos os outros campos e interações são derivados deles. Eles incluem duas classes principais de campos que interagem entre si:
- campos de férmions fundamentais, representando principalmente a base física para a descrição da matéria,
- campos bosônicos fundamentais (incluindo o gravitacional, que é um campo tensométrico), que são uma extensão e desenvolvimento do conceito de campos eletromagnéticos maxwellianos e campos gravitacionais newtonianos; a teoria é baseada neles.
Existem teorias (por exemplo, a teoria das cordas, várias outras teorias da unificação), em que o papel dos campos fundamentais é ocupado por várias outras, ainda mais fundamentais do ponto de vista dessas teorias, campos ou objetos (e os atuais campos fundamentais aparecer ou deveria aparecer nessas teorias em alguma aproximação como uma consequência "fenomenológica"). No entanto, tais teorias ainda não são suficientemente confirmadas ou geralmente aceitas.
História
Historicamente, entre os campos fundamentais, foram descobertos pela primeira vez os campos responsáveis pela interação eletromagnética (campos elétricos e magnéticos, depois combinados em um campo eletromagnético) e gravitacional (exatamente como campos físicos). Esses campos foram descobertos e estudados com detalhes suficientes já na física clássica. Inicialmente, esses campos (dentro da estrutura da teoria newtoniana da gravitação, eletrostática e magnetostática) pareciam para a maioria dos físicos objetos matemáticos formais introduzidos por conveniência formal, e não como uma realidade física completa, apesar das tentativas de uma física mais profunda. entendimento, que, no entanto, permaneceu bastante vago ou não rendeu frutos muito significativos. Mas começando com Faraday e Maxwell, a abordagem do campo (neste caso, do campo eletromagnético) como uma realidade física completamente significativa começou a ser aplicada de forma sistemática e muito frutífera, incluindo um avanço significativo na formulação matemática dessas ideias.
Por outro lado, com o desenvolvimento da mecânica quântica, tornou-se cada vez mais claro que a matéria (partículas) possui propriedades teoricamente inerentes aos campos.
Estado atual
Assim, descobriu-se que a imagem física do mundo pode ser reduzida em sua fundação a campos quantizados e sua interação.
Em certa medida, principalmente no quadro do formalismo de integração ao longo de trajetórias e diagramas de Feynman, o movimento oposto também ocorreu: os campos podem ser representados em uma extensão perceptível como partículas quase clássicas (mais precisamente, como uma superposição de um número infinito de quase partículas clássicas movendo-se ao longo de todas as trajetórias concebíveis) e a interação dos campos uns com os outros - como o nascimento e a absorção uns dos outros pelas partículas (também com uma superposição de todas as variantes concebíveis de tais). E embora essa abordagem seja muito bonita, conveniente e permita, em muitos aspectos, retornar psicologicamente à ideia de uma partícula com uma trajetória bem definida, ela não pode cancelar a visão de campo das coisas e nem mesmo é uma alternativa completamente simétrica para (e, portanto, ainda mais próximo de um belo, psicologicamente e praticamente conveniente, mas ainda apenas um dispositivo formal, do que de um conceito completamente independente). Há dois pontos-chave aqui:
- o procedimento de superposição não é de forma alguma "fisicamente" explicável em termos de partículas verdadeiramente clássicas, ele acabei de adicionar a um quadro quase clássico "corpuscular", não sendo seu elemento orgânico; ao mesmo tempo, do ponto de vista do campo, essa superposição tem uma interpretação clara e natural;
- a própria partícula, movendo-se ao longo de uma trajetória separada no formalismo da integral de caminho, embora muito semelhante à clássica, ainda não é completamente clássica: ao movimento clássico usual ao longo de uma certa trajetória com um certo momento e coordenada em cada momento específico , mesmo para uma única trajetória - você tem que adicionar o conceito de fase (ou seja, alguma propriedade de onda), que é completamente estranho a essa abordagem em sua forma pura, e esse momento (embora seja realmente minimizado e seja muito fácil não pensar nisso) também não tem nenhuma interpretação interna orgânica; e dentro da estrutura da abordagem de campo usual, tal interpretação existe novamente, e é novamente orgânica.
Assim, podemos concluir que a abordagem de integração de caminho é, embora muito psicologicamente conveniente (afinal, digamos, uma partícula pontual com três graus de liberdade é muito mais simples do que o campo de dimensão infinita que a descreve) e provou produtividade prática, mas ainda apenas um certo reformulação, embora um conceito de campo bastante radical, e não sua alternativa.
E embora em palavras nesta linguagem tudo pareça muito “corpuscular” (por exemplo: “a interação de partículas carregadas é explicada pela troca de outra partícula - o portador da interação” ou “a repulsão mútua de dois elétrons se deve à troca de um fóton virtual entre eles”), no entanto, por trás disso estão realidades de campo típicas, como a propagação de ondas, embora bem escondidas para criar um esquema de cálculo eficaz e, em muitos aspectos, fornecer oportunidades adicionais para compreensão qualitativa.
Lista de campos fundamentais
Campos bosônicos fundamentais (campos - portadores de interações fundamentais)
Esses campos dentro da estrutura do modelo padrão são campos de calibre. Os seguintes tipos são conhecidos:
- eletrofraco
- Campo eletromagnético (ver também Fóton)
- Campo - portador de interação fraca (ver também bósons W e Z)
- campo gluon (ver também Gluon)
Campos hipotéticos
Hipotéticos em sentido amplo podem ser considerados quaisquer objetos teóricos (por exemplo, campos) que são descritos por teorias que não contêm contradições internas, não contradizem explicitamente as observações e são capazes ao mesmo tempo de dar consequências observáveis que tornam possível fazer uma escolha em favor dessas teorias em comparação com aquelas que são agora aceitas. A seguir falaremos (e isso geralmente corresponde ao entendimento usual do termo) principalmente sobre hipoteticidade nesse sentido mais restrito e estrito, implicando a validade e falsificabilidade da suposição que chamamos de hipótese.
Na física teórica, muitos campos hipotéticos diferentes são considerados, cada um dos quais pertence a uma teoria específica muito específica (em termos de tipo e propriedades matemáticas, esses campos podem ser completamente ou quase iguais aos campos não hipotéticos conhecidos e podem diferir mais ou menos fortemente; em ambos os casos, sua hipoteticidade significa que eles ainda não foram observados na realidade, não foram descobertos experimentalmente; em relação a alguns campos hipotéticos, a questão pode ser se eles podem ser observados em princípio e até mesmo se eles podem existir - por exemplo, se a teoria na qual eles estão presentes de repente se torna internamente inconsistente).
A questão sobre o que deve ser considerado um critério que permite transferir um determinado campo da categoria de hipotético para a categoria de real é bastante tênue, pois a confirmação de uma determinada teoria e a realidade de certos objetos nela contidos são muitas vezes mais ou menos indireta. Nesse caso, a questão geralmente se resume a algum acordo razoável da comunidade científica (cujos membros estão mais ou menos cientes do grau de confirmação de fato).
Mesmo em teorias consideradas razoavelmente bem confirmadas, há lugar para campos hipotéticos (aqui estamos falando sobre o fato de que diferentes partes da teoria foram testadas com graus variados de minuciosidade, e alguns campos que desempenham um papel importante neles em princípio ainda não se manifestaram de forma bastante definitiva no experimento, isto é, até agora parecem exatamente uma hipótese inventada para um ou outro propósito teórico, enquanto outros campos que aparecem na mesma teoria já foram estudados o suficiente para falar deles como realidade).
Um exemplo de tal campo hipotético é o campo de Higgs, que é importante no Modelo Padrão, os outros campos dos quais não são de forma alguma hipotéticos, e o próprio modelo, embora com ressalvas inevitáveis, é considerado para descrever a realidade (pelo menos para na medida em que a realidade é conhecida).
Existem muitas teorias contendo campos que (até agora) nunca foram observados, e às vezes essas próprias teorias dão tais estimativas que seus campos hipotéticos aparentemente (devido à fraqueza de sua manifestação, que decorre da própria teoria) e não podem, em princípio, ser descoberto em um futuro previsível (por exemplo, um campo de torção). Tais teorias (se não contêm, além de praticamente inverificáveis, também um número suficiente de consequências mais facilmente verificáveis) não são consideradas de interesse prático, a menos que surja alguma nova maneira não trivial de testá-las, que permita contornar o óbvio limitações. Às vezes (como, por exemplo, em muitas teorias alternativas da gravidade - por exemplo, o campo de Dicke), esses campos hipotéticos são introduzidos, sobre cuja força a própria teoria não pode dizer nada (por exemplo, a constante de acoplamento desse campo com outros é desconhecido e pode ser tão grande quanto , e arbitrariamente pequeno); eles geralmente também não têm pressa em testar tais teorias (uma vez que existem muitas dessas teorias, e cada uma delas não provou sua utilidade de forma alguma, e é até formalmente infalsificável), exceto quando uma delas não começa a parecer prometendo, por algum motivo, resolução de algumas dificuldades atuais (no entanto, filtrar teorias com base na não-falsificabilidade - especialmente por causa de constantes indefinidas - às vezes é recusado aqui, uma vez que uma boa teoria séria às vezes pode ser testada na esperança de que seu efeito serão encontradas, embora não haja garantias disso; isso é especialmente verdadeiro quando há poucas teorias candidatas, ou algumas delas parecem fundamentalmente interessantes; também, nos casos em que é possível testar teorias de uma ampla classe, todas de uma só vez de acordo com parâmetros conhecidos, sem gastar esforços especiais em testar cada um separadamente).
Também deve ser notado que é comum chamar de hipotéticos apenas aqueles campos que não têm nenhuma manifestação observável (ou os têm insuficientemente, como no caso do campo de Higgs). Se a existência de um campo físico está firmemente estabelecida por suas manifestações observáveis, e estamos falando apenas em melhorar sua descrição teórica (por exemplo, em substituir o campo gravitacional newtoniano pelo campo do tensor métrico na relatividade geral), então é geralmente não é aceito falar de um ou outro como hipotético (embora para a situação inicial na relatividade geral se pudesse falar da natureza hipotética da natureza tensorial do campo gravitacional).
Em conclusão, mencionamos esses campos, cujo tipo é bastante incomum, isto é, teoricamente concebível, mas nunca campos de tais tipos foram observados na prática (e em alguns casos, nos estágios iniciais do desenvolvimento de sua teoria, podem surgir dúvidas sobre sua consistência). Estes, em primeiro lugar, devem incluir campos de táquions. Na verdade, os campos de táquions podem ser chamados apenas potencialmente hipotéticos (ou seja, não atingindo o status palpite educado), uma vez que são conhecidas teorias específicas nas quais eles desempenham um papel mais ou menos significativo, por exemplo, e campos de spinor.
Ver o artigo de Poincaré "Electron Dynamics", seção VIII (A. Poincaré. Selected Works, vol. 3. M., Nauka, 1974), relatório de M. Planck (M. Planck. Selected Works. M., Nauka, 1975) .) e o artigo de Einstein e Laube “Sobre forças ponderomotrizes”, § 3 “Igualdade de ação e reação” (A. Einstein. Coleção de artigos científicos, vol. 1. M., Nauka, 1965.) (todos para 1908).
parâmetros de seu movimento (velocidade, momento, momento angular), mudam sua energia, realizam trabalho, etc. E foi geralmente claro e compreensível. No entanto, com o estudo da natureza da eletricidade e do magnetismo, surgiu o entendimento de que as cargas elétricas podem interagir umas com as outras sem contato direto. Nesse caso, parece que estamos saindo do conceito de ação de curto alcance para ação de longo alcance sem contato. Isso levou ao conceito de um campo.
A definição formal desse conceito soa assim: uma forma especial de matéria é chamada de campo físico, conectando partículas (objetos) de matéria em sistemas únicos e transmitindo a ação de algumas partículas para outras com uma velocidade finita. É verdade que, como já observamos, tais definições são muito gerais e nem sempre determinam a essência prática profunda e concreta do conceito. Os físicos dificilmente abandonaram a ideia da interação de contato físico dos corpos e introduziram modelos como "fluidos" elétricos e magnéticos para explicar vários fenômenos, para a propagação de vibrações eles usaram a ideia de vibrações mecânicas de partículas do meio - modelos de éter, fluidos ópticos, calóricos, flogisto em fenômenos térmicos, descrevendo-os também do ponto de vista mecânico, e até biólogos introduziram "força vital" para explicar os processos nos organismos vivos. Tudo isso nada mais é do que tentativas de descrever a transmissão da ação através de um meio material ("mecânico").
No entanto, os trabalhos de Faraday (experimentalmente), Maxwell (teoricamente) e muitos outros cientistas mostraram que existem campos eletromagnéticos (inclusive no vácuo) e que eles transmitem oscilações eletromagnéticas. Descobriu-se que a luz visível é as mesmas oscilações eletromagnéticas em uma certa faixa de frequências de oscilação. Verificou-se que as ondas eletromagnéticas são divididas em vários tipos na escala de oscilação: ondas de rádio (10 3 - 10 -4), ondas de luz (10 -4 - 10 -9 m), infravermelho (5 × 10 -4 - 8 × 10 -7 m), UV (4 × 10 -7 - 10 -9 m), raios X (2 × 10 -9 - 6 × 10 -12 m), radiação γ (< 6 ×10 -12 м).
Acredita-se que os campos gravitacional e elétrico atuem de forma independente e possam coexistir em qualquer ponto do espaço simultaneamente sem afetar um ao outro. A força total atuando em uma partícula de teste com carga q e massa m pode ser expressa como uma soma vetorial e . Não faz sentido somar os vetores porque eles têm dimensões diferentes. A introdução na eletrodinâmica clássica do conceito de campo eletromagnético com a transferência de interação e energia através da propagação de ondas no espaço, possibilitou o afastamento da representação mecânica do éter. Na visão antiga, o conceito do éter como uma espécie de meio explicando a transferência da ação de contato das forças foi refutado tanto experimentalmente pelos experimentos de Michelson sobre a medição da velocidade da luz, quanto, principalmente, pela teoria da relatividade de Einstein. Através dos campos, tornou-se possível descrever interações físicas, para as quais, de fato, foram formuladas as características comuns a diferentes tipos de campos, de que falamos aqui. É verdade que deve-se notar que agora a ideia do éter é parcialmente revivida por alguns cientistas com base no conceito de vácuo físico.
Então, depois da imagem mecânica, uma nova imagem eletromagnética do mundo foi formada naquela época. Pode ser considerado intermediário em relação às ciências naturais modernas. Notamos algumas características gerais desse paradigma. Uma vez que inclui não apenas ideias sobre campos, mas também novos dados que surgiram na época sobre elétrons, fótons, o modelo nuclear do átomo, as leis da estrutura química das substâncias e o arranjo dos elementos no sistema periódico de Mendeleev , e uma série de outros resultados ao longo do caminho da compreensão da natureza, então, é claro, esse conceito também incluía as ideias da mecânica quântica e da teoria da relatividade, que serão discutidas mais adiante.
O principal nessa representação é a capacidade de descrever um grande número de fenômenos com base no conceito de campo. Foi estabelecido, em contraste com a imagem mecânica, que a matéria existe não apenas na forma de matéria, mas também na forma de um campo. A interação eletromagnética com base em representações de ondas descreve com bastante confiança não apenas campos elétricos e magnéticos, mas também fenômenos ópticos, químicos, térmicos e mecânicos. A metodologia da representação de campo da matéria também pode ser usada para entender campos de natureza diferente. Tentativas têm sido feitas para vincular a natureza corpuscular dos microobjetos com a natureza ondulatória dos processos. Verificou-se que o “portador” da interação do campo eletromagnético é um fóton, que já obedece às leis da mecânica quântica. Tentativas estão sendo feitas para encontrar o gráviton como portador do campo gravitacional.
No entanto, apesar do progresso significativo no conhecimento do mundo que nos rodeia, a imagem eletromagnética não está isenta de deficiências. Assim, não considera abordagens probabilísticas, em essência, as regularidades probabilísticas não são reconhecidas como fundamentais, a abordagem determinística de Newton para a descrição de partículas individuais e a rígida não ambigüidade das relações de causa e efeito (que agora é contestada pela sinergética) são preservadas , as interações nucleares e seus campos são explicados não apenas por interações eletromagnéticas entre partículas carregadas. Em geral, essa situação é compreensível e compreensível, pois cada penetração na natureza das coisas aprofunda nossas ideias e exige a criação de novos modelos físicos adequados.
M. Faraday ingressou na ciência exclusivamente graças ao seu talento e diligência na autoeducação. Vindo de família pobre, trabalhou em uma oficina de encadernação, onde conheceu as obras de cientistas e filósofos. O famoso físico inglês G. Davy (1778-1829), que contribuiu para a entrada de M. Faraday na comunidade científica, disse certa vez que sua maior conquista na ciência foi a "descoberta" de M. Faraday. M. Faraday inventou um motor elétrico e um gerador elétrico, ou seja, máquinas para a produção de eletricidade. Ele é dono da ideia de que a eletricidade tem uma única natureza física, ou seja, independentemente da forma como ela é obtida: pelo movimento de um ímã ou pela passagem de partículas eletricamente carregadas em um condutor. Para explicar a interação entre cargas elétricas à distância, M. Faraday introduziu o conceito de campo físico. campo físico ele o imaginou como uma propriedade do próprio espaço em torno de um corpo eletricamente carregado para ter um efeito físico em outro corpo carregado colocado nesse espaço. Com a ajuda de partículas de metal, ele mostrou a localização e a presença de forças que atuam no espaço em torno de um ímã (forças magnéticas) e de um corpo com carga elétrica (elétrica). M. Faraday delineou suas idéias sobre o campo físico em uma carta testamentária, que foi aberta apenas em 1938 na presença de membros da Royal Society de Londres. Nesta carta, descobriu-se que M. Faraday possuía um método para estudar as propriedades do campo e, em sua teoria, as ondas eletromagnéticas se propagam a uma velocidade finita. As razões pelas quais ele colocou suas idéias sobre o campo físico na forma de uma carta testamentária podem ser as seguintes. Representantes da escola física francesa exigiram dele uma prova teórica da conexão entre forças elétricas e magnéticas. Além disso, o conceito de campo físico, segundo M. Faraday, significava que a propagação de forças elétricas e magnéticas é realizada continuamente de um ponto a outro do campo e, portanto, essas forças têm o caráter de curto alcance forças, e não de longo alcance, como acreditava S. Coulomb. M. Faraday tem outra ideia frutífera. Ao estudar as propriedades dos eletrólitos, descobriu que a carga elétrica das partículas que formam a eletricidade não é fracionária. Esta ideia foi confirmada
determinação da carga do elétron já no final do século XIX.
Teoria das forças eletromagnéticas D. Maxwell
Como I. Newton, D. Maxwell deu uma forma teórica a todos os resultados do estudo das forças elétricas e magnéticas. Aconteceu na década de 70 do século XIX. Ele formulou sua teoria com base nas leis de conexão entre a interação das forças elétricas e magnéticas, cujo conteúdo pode ser representado da seguinte forma:
1. Qualquer corrente elétrica induz ou cria um campo magnético no espaço ao seu redor. Uma corrente elétrica constante cria um campo magnético constante. Mas um campo magnético constante (ímã fixo) não pode criar um campo elétrico (nem constante nem variável).
2. O campo magnético alternado resultante cria um campo elétrico alternado, que, por sua vez, cria um campo magnético alternado,
3. As linhas de força do campo elétrico são fechadas em cargas elétricas.
4. As linhas de força do campo magnético são fechadas sobre si mesmas e nunca terminam, ou seja, cargas magnéticas não existem na natureza.
Nas equações de D. Maxwell, havia algum valor constante C, que indicava que a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas em um campo físico é finita e coincide com a velocidade de propagação da luz no vácuo, igual a 300 mil km / s.
Conceitos básicos e princípios do eletromagnetismo.
A teoria de D. Maxwell foi percebida por alguns cientistas com grande dúvida. Por exemplo, G. Helmholtz (1821-1894) aderiu ao ponto de vista segundo o qual a eletricidade é um "fluido sem peso" que se propaga a uma velocidade infinita. A seu pedido, G. Hertz (1857-
1894) engajou-se em um experimento provando a natureza fluida da eletricidade.
Nessa época, O. Fresnel (1788-1827) mostrou que a luz não se propaga como ondas longitudinais, mas como ondas transversais. Em 1887, G. Hertz conseguiu construir um experimento. A luz no espaço entre as cargas elétricas se propagou em ondas transversais a uma velocidade de 300.000 km/s. Isso lhe permitiu dizer que seu experimento elimina dúvidas sobre a identidade da luz, da radiação térmica e do movimento eletromagnético das ondas.
Esse experimento se tornou a base para a criação de uma imagem física eletromagnética do mundo, um de cujos adeptos foi G. Helmholtz. Ele acreditava que todas as forças físicas que dominam a natureza devem ser explicadas com base na atração e repulsão. No entanto, a criação de uma imagem eletromagnética do mundo enfrentou dificuldades.
1. O conceito principal da mecânica de Galileu - Newton era o conceito de matéria,
tendo massa, mas descobriu-se que a substância pode ter uma carga.
Uma carga é uma propriedade física de uma substância para criar um campo físico em torno de si, que tem um efeito físico em outros corpos carregados, substâncias (atração, repulsão).
2. A carga e a massa de uma substância podem ter valores diferentes, ou seja, são quantidades discretas. Ao mesmo tempo, o conceito de campo físico implica a transferência de interação física continuamente de um de seus pontos para outro. Isso significa que as forças elétricas e magnéticas são forças de curto alcance, pois não há espaço vazio no campo físico que não seja preenchido por ondas eletromagnéticas.
3. Na mecânica de Galileu - Newton, uma velocidade infinitamente alta é possível
interação física, também é afirmado aqui que eletromagnético
As ondas se propagam a uma velocidade alta, mas finita.
4. Por que a força da gravidade e a força de interação eletromagnética atuam independentemente uma da outra? À medida que você se afasta da Terra, a força da gravidade diminui, enfraquece e os sinais eletromagnéticos agem na espaçonave exatamente da mesma maneira que na Terra. No século 19 um exemplo igualmente convincente poderia ser dado sem uma nave espacial.
5. Abertura em 1902 P. Lebedev (1866-1912) - professor da Universidade de Moscou - da pressão da luz aguçou a questão da natureza física da luz: é um fluxo de partículas ou apenas ondas eletromagnéticas de um certo comprimento? A pressão, como fenômeno físico, está associada ao conceito de matéria, à distinção - mais precisamente. Assim, a pressão da luz testemunhou a natureza discreta da luz como um fluxo de partículas.
6. A semelhança da diminuição das forças gravitacional e eletromagnética - de acordo com a lei
"inversamente proporcional ao quadrado da distância" - levantou uma questão legítima: por que o quadrado da distância e, por exemplo, não um cubo? Alguns cientistas começaram a falar sobre o campo eletromagnético como um dos estados do "éter" que preenche o espaço entre planetas e estrelas.
Todas essas dificuldades se deviam ao desconhecimento da estrutura do átomo naquela época, mas M. Faraday estava certo quando disse que sem saber como o átomo está disposto, podemos estudar os fenômenos nos quais sua natureza física se expressa. . De fato, as ondas eletromagnéticas carregam informações significativas sobre os processos que ocorrem dentro dos átomos de elementos químicos e moléculas da matéria. Eles fornecem informações sobre o passado distante e o presente do Universo: sobre a temperatura dos corpos cósmicos, sua composição química, distância até eles, etc.
7. A seguinte escala de ondas eletromagnéticas é usada atualmente:
ondas de rádio com comprimento de onda de 104 a 10 -3 m;
ondas infravermelhas - de 10-3 a 810-7 m;
luz visível - de 8 10-7 a 4 10-7 m;
ondas ultravioletas - de 4 10-7 a 10-8 m;
ondas de raios x (feixes) - de 10-8 a 10-11 m;
radiação gama - de 10-11 a 10-13 m.
8. Quanto aos aspectos práticos do estudo das forças elétricas e magnéticas, foi realizado no século XIX. em ritmo acelerado: a primeira linha telegráfica entre cidades (1844), a instalação do primeiro cabo transatlântico (1866), o telefone (1876), a lâmpada incandescente (1879), o receptor de rádio (1895).
A porção mínima de energia eletromagnética é fóton. Esta é a menor quantidade indivisível de radiação eletromagnética.
A sensação do início do século XXI. é a criação por cientistas russos da cidade de Troitsk (região de Moscou) de um polímero a partir de átomos de carbono, que possui as propriedades de um ímã. Acreditava-se geralmente que a presença de metais em uma substância é responsável pelas propriedades magnéticas. O teste de metalicidade desse polímero mostrou que ele não contém a presença de metais.
campo físico
Região espaço , onde as forças físicas, registradas de forma confiável e medidas com precisão se manifestam, é chamado de campo físico. Dentro da estrutura da física moderna, quatro tipos deles são considerados: gravitacional(Veja aqui); interações fortes(veja aqui) - nuclear; interações fracas(veja aqui) e eletromagnético(veja aqui) - magnético e elétrico. Do ponto de vista quântico teorias a interação de objetos materiais à distância é assegurada por sua troca mútua quanta campos característicos de cada uma das interações listadas. As propriedades de qualquer um dos campos físicos são descritas por expressões matemáticas estritas.
Nas últimas décadas, os físicos não pararam de tentar criar uma teoria de campo unificada e geral. Espera-se que ela descreva todos esses campos como diferentes manifestações de um - "campo físico único".
Não há fundamentos teóricos ou experimentais para assumir a existência de quaisquer outros campos de força além dos listados acima.
gravitacional
O campo gravitacional se manifesta como uma influência de força sobre o outro de quaisquer objetos físicos. A força da interação gravitacional é diretamente proporcional às suas massas e inversamente proporcional à distância entre eles elevada à segunda potência. é quantificado lei de newton . As forças gravitacionais aparecem a qualquer distância entre os objetos.
quanta campos de interação gravitacional são grávitons. Suas massas de repouso são zero. Apesar de ainda não terem sido descobertos em estado livre, a necessidade da existência de grávitons decorre das premissas teóricas mais gerais e está fora de dúvida.
O campo gravitacional desempenha um papel enorme na maioria dos processos durante Universo .
Sobre a natureza do campo gravitacional, veja também Teoria da relatividade, geral .
interações fortes (nucleares)
O campo de interações fortes se manifesta como uma influência de força nos núcleons - partículas elementares que compõem os núcleos atômicos. É capaz de combinar prótons com as mesmas cargas elétricas, ou seja, superar as forças elétricas de sua repulsão.
A força de atração associada a este campo é inversamente proporcional à distância entre os núcleons elevada à quarta potência, ou seja, é eficaz apenas em distâncias curtas. A distâncias inferiores a 10 -15 metros entre as partículas, o campo de interações fortes é dez vezes mais poderoso que o campo elétrico.
quanta campos de forte interação são partículas elementares - glúons. O tempo de vida típico de um glúon é de cerca de 10 a 23 segundos.
A ação do campo de interações fortes também é importante para macroprocessos durante universo, até porque sem esse campo, os núcleos dos átomos e, portanto, os próprios átomos simplesmente não poderiam existir.
interações fracas
O campo de interações fracas - a interação de correntes fracas - se manifesta durante as interações de partículas elementares a distâncias de 10 a 18 metros entre elas.
quanta campos de interação fraca são partículas elementares - bósons intermediários. O tempo de vida típico de um bóson intermediário é de cerca de 10 a 25 segundos.
Como parte de tenta construir uma unidade teorias Campos Agora está provado que o campo de interações fracas e eletromagnético(veja aqui) o campo pode ser descrito em conjunto e, portanto, ter uma natureza relacionada.
A influência do campo de interações fracas desempenha seu papel no nível dos processos de decaimentos e nascimentos de partículas elementares, sem o qual Universo não poderia existir em sua forma atual. Este campo físico desempenhou um papel especial no período inicial Big Bang .
eletromagnético
O campo eletromagnético se manifesta na interação de cargas elétricas, em repouso - um campo elétrico - ou em movimento - um campo magnético. É encontrado em qualquer distância entre corpos carregados. quanta campos de interação eletromagnética são fótons. Suas massas de repouso são zero.
O campo elétrico se manifesta como uma influência de força sobre o outro de objetos que possuem uma certa propriedade chamada carga elétrica. A natureza das cargas elétricas é desconhecida, mas seus valores são parâmetros da medida de interação com a propriedade especificada, ou seja, formações carregadas.
Os portadores dos valores mínimos de carga são elétrons - eles têm uma carga negativa, prótons - eles têm uma carga positiva - e algumas outras partículas elementares de vida muito curta. Os objetos físicos adquirem uma carga elétrica positiva quando o número de prótons contidos neles excede os elétrons, ou - no caso oposto - uma carga negativa.
A força de interação de objetos físicos carregados, incluindo partículas elementares, é diretamente proporcional às suas cargas elétricas e inversamente proporcional à distância entre eles elevada à segunda potência. É quantitativamente descrito pela lei de Coulomb. Objetos com a mesma carga se repelem e objetos com cargas opostas se atraem.
O campo magnético se manifesta como uma influência de força entre corpos ou formações, por exemplo, plasma, com propriedades magnéticas. Essas propriedades são geradas por correntes elétricas que fluem nelas - o movimento ordenado de portadores de carga elétrica. Os parâmetros da medida de interação são as intensidades das correntes elétricas atuais, que são determinadas pelo número de cargas elétricas movidas por unidade Tempo através das seções transversais dos condutores. Os ímãs permanentes também devem seu efeito às correntes moleculares do anel interno que surgem neles. Assim, as forças magnéticas são de natureza elétrica. A intensidade da interação magnética dos objetos - indução magnética - é diretamente proporcional às intensidades das correntes elétricas que fluem neles e inversamente proporcional à distância entre eles elevada à segunda potência. É descrito pela lei de Biot-Savart-Laplace.
O campo eletromagnético desempenha um papel importante em todos os processos que ocorrem durante Universo com plasma .
Campo (física)
O campo físico, portanto, pode ser caracterizado como um sistema dinâmico distribuído com um número infinito de graus de liberdade.
O papel da variável de campo para campos fundamentais é frequentemente desempenhado pelo potencial (escalar, vetorial, tensor), às vezes por uma quantidade chamada de intensidade de campo. (Para campos quantizados, em certo sentido, o operador correspondente também é uma generalização do conceito clássico de uma variável de campo).
Também campo na física eles chamam uma quantidade física, considerada como dependendo do lugar, como um conjunto completo de valores geralmente diferentes para todos os pontos de algum corpo contínuo estendido - um meio contínuo, descrevendo em sua totalidade o estado ou movimento desse corpo estendido corpo. Um exemplo desse campo seria
- temperatura (em geral, diferente em pontos diferentes, bem como em momentos diferentes) em algum meio (por exemplo, em um cristal, líquido ou gás) - um campo de temperatura (escalar),
- a velocidade de todos os elementos de um certo volume de fluido é um campo vetorial de velocidades,
- campo vetorial de deslocamentos e campo tensorial de tensões durante a deformação de um corpo elástico.
O conceito moderno de campo físico surgiu da ideia de um campo eletromagnético, realizado pela primeira vez de forma fisicamente concreta e relativamente próxima da forma moderna por Faraday, implementado matematicamente de forma consistente por Maxwell - inicialmente usando um modelo mecânico de um meio contínuo hipotético - éter, mas depois foi além do uso de um modelo mecânico.
Campos fundamentais
Entre os campos da física, destacam-se os chamados fundamentais. Estes são campos que, de acordo com o paradigma de campo da física moderna, formam a base da imagem física do mundo, todos os outros campos e interações são derivados deles. Eles incluem duas classes principais de campos que interagem entre si:
- campos de férmions fundamentais, representando principalmente a base física para a descrição da matéria,
- campos bosônicos fundamentais (incluindo o gravitacional, que é um campo tensométrico), que são uma extensão e desenvolvimento do conceito de campos eletromagnéticos maxwellianos e campos gravitacionais newtonianos; a teoria das interações fundamentais é construída sobre eles.
Existem teorias (por exemplo, teoria das cordas, várias outras teorias da unificação) em que o papel dos campos fundamentais é ocupado por várias outras, ainda mais fundamentais do ponto de vista dessas teorias, campos ou objetos (e os atuais campos fundamentais aparecem ou deveria aparecer nessas teorias em alguma aproximação como uma consequência "fenomenológica"). No entanto, tais teorias ainda não são suficientemente confirmadas ou geralmente aceitas.
História
Historicamente, entre os campos fundamentais, foram descobertos pela primeira vez os campos responsáveis pela interação eletromagnética (campos elétricos e magnéticos, depois combinados em um campo eletromagnético) e gravitacional (exatamente como campos físicos). Esses campos foram descobertos e estudados com detalhes suficientes já na física clássica. Inicialmente, esses campos (dentro da estrutura da teoria newtoniana da gravitação, eletrostática e magnetostática) pareciam para a maioria dos físicos objetos matemáticos formais introduzidos por conveniência formal, e não como uma realidade física completa, apesar das tentativas de uma física mais profunda. entendimento, que, no entanto, permaneceu bastante vago ou não rendeu frutos muito significativos. Mas começando com Faraday e Maxwell, a abordagem do campo (neste caso, do campo eletromagnético) como uma realidade física completamente significativa começou a ser aplicada de forma sistemática e muito frutífera, incluindo um avanço significativo na formulação matemática dessas ideias.
Por outro lado, com o desenvolvimento da mecânica quântica, ficou cada vez mais claro que a matéria (partículas) possui propriedades teoricamente inerentes aos campos.
Estado atual
Assim, descobriu-se que a imagem física do mundo pode ser reduzida em sua fundação a campos quantizados e sua interação.
Em certa medida, principalmente no quadro do formalismo de integração ao longo de trajetórias e diagramas de Feynman, o movimento oposto também ocorreu: os campos podem ser representados em uma extensão perceptível como partículas quase clássicas (mais precisamente, como uma superposição de um número infinito de quase partículas clássicas movendo-se ao longo de todas as trajetórias concebíveis) e a interação dos campos uns com os outros - como o nascimento e a absorção uns dos outros pelas partículas (também com uma superposição de todas as variantes concebíveis de tais). E embora essa abordagem seja muito bonita, conveniente e permita, de várias maneiras, retornar psicologicamente à ideia de uma partícula como uma boa e velha partícula clássica com uma trajetória bem definida, ela não pode cancelar a visão de campo das coisas e não é até mesmo uma alternativa completamente simétrica a ele (e, portanto, ainda está mais próximo de um belo, psicologicamente e praticamente conveniente, mas ainda apenas um dispositivo formal, do que de um conceito completamente independente). Há dois pontos-chave aqui:
- o procedimento de superposição não é de forma alguma "fisicamente" explicável em termos de partículas verdadeiramente clássicas, ele acabei de adicionar a um quadro quase clássico "corpuscular", não sendo seu elemento orgânico; ao mesmo tempo, do ponto de vista do campo, essa superposição tem uma interpretação clara e natural;
- a própria partícula, movendo-se ao longo de uma trajetória separada no formalismo da integral do caminho, embora muito semelhante à clássica, ainda não é completamente clássica: ao movimento clássico usual ao longo de uma certa trajetória com um certo momento e coordenada em cada momento particular , mesmo para uma única trajetória - é preciso acrescentar o conceito de fase (ou seja, alguma propriedade de onda), que é completamente estranho a essa abordagem em sua forma pura, e esse momento (embora seja realmente reduzido ao mínimo e é muito fácil não pensar nisso) também não tem nenhuma interpretação interna orgânica; e dentro da estrutura da abordagem de campo usual, tal interpretação existe novamente, e é novamente orgânica.
Assim, podemos concluir que a abordagem de integração de caminho é, embora muito psicologicamente conveniente (afinal, digamos, uma partícula pontual com três graus de liberdade é muito mais simples do que o campo de dimensão infinita que a descreve) e provou produtividade prática, mas ainda apenas um certo reformulação, embora um conceito de campo bastante radical, e não sua alternativa.
E embora em palavras nesta linguagem tudo pareça muito “corpuscular” (por exemplo: “a interação de partículas carregadas é explicada pela troca de outra partícula - o portador da interação” ou “a repulsão mútua de dois elétrons se deve à troca de um fóton virtual entre eles”), no entanto, por trás disso estão realidades de campo típicas, como a propagação de ondas, embora bem escondidas para criar um esquema de cálculo eficaz e, em muitos aspectos, fornecer oportunidades adicionais para compreensão qualitativa.
Lista de campos fundamentais
Campos ainda mais exóticos (por exemplo, Lorentz-não-invariante - violando o princípio da relatividade) (apesar do fato de serem abstratos-teoricamente bastante concebíveis) na física moderna podem ser atribuídos a estarem muito além da estrutura de uma suposição racional , ou seja, a rigor, não são consideradas nem mesmo como hipotéticas.
Usos tradicionais do termo campo
Veja também
Notas
- Hádron (matéria de hádron)
- Bárion + elétron (matéria bariônica)
- Átomo, elemento (Químico)
- Bárion + elétron (matéria bariônica)
- Antimatéria
- substância de nêutrons
Campo
- Campo de forças nucleares
campos quânticos
Matéria de natureza física obscura
