O variabilă de câmp poate fi considerată formal în același mod în care o coordonată spațială este considerată în mecanica cuantică obișnuită, iar un operator cuantic cu numele adecvat este asociat cu o variabilă de câmp.

Paradigma de câmp, care reprezintă întreaga realitate fizică la nivel fundamental, redusă la un număr mic de câmpuri care interacționează (cuantizate), nu este doar una dintre cele mai importante din fizica modernă, dar, poate, dominantă necondiționat.

Câmpul fizic, prin urmare, poate fi caracterizat ca un sistem dinamic distribuit cu un număr infinit de grade de libertate.

Rolul variabilei de câmp pentru câmpurile fundamentale este adesea jucat de potențial (scalar, vectorial, tensor), uneori de o mărime numită intensitatea câmpului. (Pentru câmpurile cuantificate, într-un sens, operatorul corespunzător este și o generalizare a conceptului clasic de variabilă de câmp).

De asemenea campîn fizică ei numesc o mărime fizică considerată ca fiind dependentă de loc: ca un set complet, în general vorbind, de diferite valori ale acestei mărimi pentru toate punctele unui corp continuu extins - un mediu continuu, descriind în totalitatea sa starea sau mișcarea acestui corp extins. Exemple de astfel de câmpuri ar putea fi:

• temperatura (în general, diferită în puncte diferite, precum și în momente diferite) într-un anumit mediu (de exemplu, într-un cristal, lichid sau gaz) - un câmp de temperatură (scalar),
• viteza tuturor elementelor unui anumit volum de fluid este un câmp vectorial de viteze,
• câmp vectorial al deplasărilor și câmpul tensor al tensiunilor în timpul deformării unui corp elastic.

Dinamica unor astfel de câmpuri este descrisă și de ecuații diferențiale în derivate parțiale, iar din punct de vedere istoric, din secolul al XVIII-lea, astfel de câmpuri au fost primele luate în considerare în fizică.

Conceptul modern al câmpului fizic a luat naștere din ideea unui câmp electromagnetic, realizată mai întâi într-o formă fizică concretă și relativ apropiată de cea modernă de Faraday, implementată matematic în mod consecvent de Maxwell - inițial folosind un model mecanic al unui mediu continuu ipotetic. - eter, dar apoi a depășit utilizarea unui model mecanic.

YouTube enciclopedic

• 1 / 5

  Dintre domeniile din fizică se disting așa-numitele fundamentale. Acestea sunt domeniile care, conform paradigmei de câmp a fizicii moderne, formează baza imaginii fizice a lumii, toate celelalte câmpuri și interacțiuni sunt derivate din ele. Acestea includ două clase principale de câmpuri care interacționează între ele:

  • câmpuri fermionice fundamentale, reprezentând în primul rând baza fizică pentru descrierea materiei,
  • câmpuri bosonice fundamentale (inclusiv gravitaționale, care este un câmp tensor gauge), care sunt o extensie și o dezvoltare a conceptului de câmpuri gravitaționale electromagnetice maxwelliene și newtoniene; teoria se bazează pe ele.

  Există teorii (de exemplu, teoria corzilor, diverse alte teorii de unificare), în care rolul câmpurilor fundamentale este ocupat de alte câteva, chiar mai fundamentale din punctul de vedere al acestor teorii, câmpuri sau obiecte (și al câmpurilor fundamentale actuale). apar sau ar trebui să apară în aceste teorii într-o oarecare aproximare ca o consecință „fenomenologică”. Cu toate acestea, astfel de teorii nu sunt încă suficient confirmate sau general acceptate.

  Poveste

  Din punct de vedere istoric, printre câmpurile fundamentale, au fost descoperite pentru prima dată câmpurile responsabile de interacțiunea electromagnetică (câmpurile electrice și magnetice, apoi combinate într-un câmp electromagnetic) și gravitațională (mai exact ca câmpuri fizice). Aceste domenii au fost descoperite și studiate în detaliu suficient deja în fizica clasică. Inițial, aceste câmpuri (în cadrul teoriei newtoniene a gravitației, electrostatică și magnetostatică) au căutat pentru majoritatea fizicienilor mai degrabă ca obiecte matematice formale introduse pentru comoditate formală, și nu ca o realitate fizică cu drepturi depline, în ciuda încercărilor de a înțelege mai profund fizic. , care însă a rămas destul de vagă sau nu a dat roade foarte semnificative. Însă începând cu Faraday și Maxwell, abordarea câmpului (în acest caz, a câmpului electromagnetic) ca realitate fizică complet semnificativă a început să fie aplicată sistematic și foarte fructuos, incluzând o descoperire semnificativă în formularea matematică a acestor idei.

  Pe de altă parte, pe măsură ce mecanica cuantică s-a dezvoltat, a devenit din ce în ce mai clar că materia (particulele) are proprietăți care sunt teoretic inerente câmpurilor.

  Starea curenta

  Astfel, s-a dovedit că imaginea fizică a lumii poate fi redusă în temelia sa la câmpuri cuantificate și interacțiunea lor.

  Într-o oarecare măsură, în principal în cadrul formalismului integrării de-a lungul traiectoriilor și al diagramelor Feynman, a avut loc și mișcarea opusă: câmpurile pot fi reprezentate într-o măsură vizibilă ca particule aproape clasice (mai precis, ca o suprapunere a unui număr infinit de aproape particulele clasice care se deplasează de-a lungul tuturor traiectoriilor imaginabile) și interacțiunea câmpurilor între ele - ca nașterea și absorbția reciprocă de către particule (de asemenea, cu o suprapunere a tuturor variantelor imaginabile ale acestora). Și, deși această abordare este foarte frumoasă, convenabilă și permite în multe feluri să se revină psihologic la ideea unei particule având o traiectorie bine definită, ea nu poate anula totuși vederea în câmp a lucrurilor și nici măcar nu este o alternativă complet simetrică la ea (și prin urmare încă mai aproape de un frumos, convenabil din punct de vedere psihologic și practic, dar totuși doar un dispozitiv formal, decât de un concept complet independent). Există două puncte cheie aici:

  1. procedura de suprapunere nu este în niciun fel explicabilă „fizic” în termeni de particule cu adevărat clasice, ea adăugat acum la un tablou „corpuscular” aproape clasic, nefiind elementul ei organic; în același timp, din punct de vedere al câmpului, această suprapunere are o interpretare clară și firească;
  2. particula însăși, care se deplasează de-a lungul unei traiectorii separate în formalismul integralei de cale, deși foarte asemănătoare cu cea clasică, nu este încă complet clasică: la mișcarea clasică obișnuită de-a lungul unei anumite traiectorii cu un anumit impuls și coordonată la fiecare moment particular. , chiar și pentru una singura traiectorie - trebuie să adăugați conceptul de fază (adică o proprietate a undei), care este complet străin acestei abordări în forma sa pură și acest moment (deși este într-adevăr redus la minimum și este destul de ușor să nu te gândești la asta) de asemenea, nu are nicio interpretare internă organică; și în cadrul abordării obișnuite de teren, o astfel de interpretare există din nou și este din nou organică.

  Astfel, putem concluziona că abordarea integrării drumului este, deși foarte convenabilă din punct de vedere psihologic (la urma urmei, să zicem, o particulă punctiformă cu trei grade de libertate este mult mai simplă decât câmpul infinit-dimensional care o descrie) și a dovedit productivitate practică, dar încă doar un anumit reformulare, deși un concept de teren destul de radical, și nu alternativa lui.

  Și deși în cuvintele în această limbă totul pare foarte „corpuscular” (de exemplu: „interacțiunea particulelor încărcate se explică prin schimbul unei alte particule - purtătorul de interacțiune” sau „repulsarea reciprocă a doi electroni se datorează schimbului a unui foton virtual între ele”), totuși, în spatele acesteia se află o astfel de realitate tipică de câmp, cum ar fi propagarea undelor, deși destul de bine ascunsă de dragul creării unei scheme de calcul eficiente și, în multe privințe, oferind oportunități suplimentare pentru înțelegere calitativă.

  Lista domeniilor fundamentale

  Câmpuri bosonice fundamentale (câmpurile sunt purtătoare de interacțiuni fundamentale)

  Aceste câmpuri din cadrul modelului standard sunt câmpuri gauge. Sunt cunoscute următoarele tipuri:

  • electroslab
    • Câmp electromagnetic (vezi și Foton)
    • Câmp - purtător al interacțiunii slabe (vezi și bosonii W și Z)
  • Câmp de gluon (vezi și Gluon)

  Câmpuri ipotetice

  Ipotetic în sens larg poate fi considerat orice obiect teoretic (de exemplu, domenii) care sunt descrise de teorii care nu conţin contradicţii interne, nu contrazic în mod explicit observaţiile şi sunt capabile în acelaşi timp să dea consecinţe observabile care să permită faceți o alegere în favoarea acestor teorii în comparație cu cele care sunt acum acceptate. Mai jos vom vorbi (și acest lucru corespunde în general înțelegerii obișnuite a termenului) în principal despre ipoteticitate în acest sens mai restrâns și mai strict, implicând validitatea și falsificabilitatea ipotezei pe care o numim ipoteză.

  În fizica teoretică, sunt luate în considerare multe câmpuri ipotetice diferite, fiecare dintre ele aparținând unei teorii specifice foarte specifice (în ceea ce privește tipul și proprietățile lor matematice, aceste câmpuri pot fi complet sau aproape la fel cu câmpurile neipotetice cunoscute și pot diferi. mai mult sau mai puțin puternic; în ambele cazuri, ipoteticitatea lor înseamnă că nu au fost încă observate în realitate, nu au fost descoperite experimental; în legătură cu unele domenii ipotetice, întrebarea poate fi dacă pot fi observate în principiu și chiar dacă pot exista deloc – de exemplu, dacă teoria în care sunt prezente se dovedește brusc a fi inconsecventă intern).

  Întrebarea a ceea ce ar trebui considerat un criteriu care permite transferul unui anumit domeniu din categoria ipotetic în categoria real este destul de subțire, deoarece confirmarea unei anumite teorii și realitatea anumitor obiecte conținute în ea sunt adesea mai mult sau mai putin indirect. În acest caz, problema se reduce de obicei la un acord rezonabil al comunității științifice (ai cărei membri sunt mai mult sau mai puțin conștienți de gradul de confirmare de fapt).

  Chiar și în teoriile care sunt considerate destul de bine confirmate, există un loc pentru domeniile ipotetice (aici vorbim despre faptul că diferite părți ale teoriei au fost testate cu diferite grade de minuțiozitate și unele domenii care joacă un rol important în ele). în principiu nu s-au manifestat încă în mod clar în experiment, adică deocamdată arată exact ca o ipoteză inventată în anumite scopuri teoretice, în timp ce alte domenii care apar în aceeași teorie au fost deja studiate suficient de bine pentru a vorbi despre ele. ca realitate).

  Un exemplu de astfel de câmp ipotetic este câmpul Higgs, care este important în Modelul Standard, ale cărui alte domenii nu sunt deloc ipotetice, iar modelul în sine, deși cu rezerve inevitabile, este considerat a descrie realitatea (cel puțin pentru măsura în care realitatea este cunoscută).

  Există multe teorii care conțin câmpuri care (până acum) nu au fost niciodată observate, iar uneori aceste teorii în sine dau astfel de estimări încât câmpurile lor ipotetice aparent (datorită slăbiciunii manifestării lor, care decurge din teoria însăși) și nu pot fi în principiu descoperit în viitorul previzibil (de exemplu, un câmp de torsiune). Asemenea teorii (dacă nu conțin, pe lângă cele practic neverificabile, și un număr suficient de consecințe mai ușor verificabile) nu sunt considerate ca de interes practic, cu excepția cazului în care apare o nouă modalitate de testare nebanală, care să permită ocolirea evidentelor. limitări. Uneori (ca, de exemplu, în multe teorii alternative ale gravitației - de exemplu, câmpul Dicke), sunt introduse astfel de câmpuri ipotetice, despre puterea cărora teoria în sine nu poate spune nimic (de exemplu, constanta de cuplare a acestei câmpul cu altele este necunoscut și poate fi la fel de mare ca și arbitrar mic); de obicei, nici ei nu se grăbesc să testeze astfel de teorii (din moment ce există multe astfel de teorii, iar fiecare dintre ele nu și-a dovedit în niciun fel utilitatea și este chiar nefalsificabilă formal), cu excepția cazului în care una dintre ele nu începe să pară. promițătoare din anumite motive, rezolvarea unor dificultăți actuale (totuși, eliminarea teoriilor pe baza nefalsificabilității - în special din cauza constantelor nedefinite - este uneori refuzată aici, deoarece o teorie serioasă bună poate fi uneori testată în speranța că efectul ei vor fi găsite, deși nu există garanții în acest sens; acest lucru este valabil mai ales atunci când există puține teorii candidate, sau unele dintre ele par deosebit de interesante; de ​​asemenea, în cazurile în care este posibil să se testeze teorii dintr-o clasă largă, toate deodată în funcție de parametri cunoscuți, fără a cheltui eforturi deosebite pentru testarea fiecăruia separat).

  De asemenea, trebuie remarcat faptul că se obișnuiește să se numească ipotetice doar acele câmpuri care nu au deloc manifestări observabile (sau le au insuficient, ca în cazul câmpului Higgs). Dacă existența unui câmp fizic este ferm stabilită prin manifestările sale observabile și vorbim doar despre îmbunătățirea descrierii lui teoretice (de exemplu, despre înlocuirea câmpului gravitațional newtonian cu câmpul tensorului metric în relativitatea generală), atunci este de obicei nu se acceptă să se vorbească despre unul sau altul ca fiind ipotetic (deși pentru situația timpurie din relativitatea generală s-ar putea vorbi despre natura ipotetică a naturii tensorice a câmpului gravitațional).

  În concluzie, menționăm astfel de domenii, al căror tip însuși este destul de neobișnuit, adică teoretic destul de imaginabil, dar nu au fost observate vreodată câmpuri de astfel de tipuri în practică (și în unele cazuri, în stadiile incipiente ale dezvoltării teoria lor, ar putea apărea îndoieli cu privire la consistența acesteia). Acestea, în primul rând, ar trebui să includă câmpuri tahionice. De fapt, câmpurile tahionice pot fi numite mai degrabă doar potențial ipotetice (adică nu ating statutul estimare informată), întrucât teoriile concrete cunoscute în care joacă un rol mai mult sau mai puțin semnificativ, de exemplu, teoria corzilor, nu au atins ele însele statutul de suficient de confirmate.

  Câmpurile și mai exotice (de exemplu, Lorentz-non-invariante - încălcarea principiului relativității) (în ciuda faptului că sunt abstracte - teoretic destul de imaginabile) în fizica modernă pot fi atribuite faptului că stau cu mult dincolo de cadrul unei presupuneri motivate. , adică strict vorbind, nu sunt considerate nici măcar ca

  unul din principalele concepte de fizică, care au apărut în a doua jumătate. secolul al 17-lea [deși termenul "P. f." a fost introdus în fizică mult mai târziu decât engleza. fizicianul J.K. Maxwell; în aspectul matematic; termenul „câmp” este asociat cu munca englezilor. matematicianul W. R. Hamilton „On Quaternions” (W. R. Hamilton, Lectures on quarternions, Dublin, 1853)]. Din acel moment, conceptul de P. f. și-a schimbat în mod repetat sensul, păstrând însă, în toate etapele acestei schimbări, o strânsă legătură cu conceptul de spațiu, exprimat în folosirea conceptului de P. f. pentru a caracteriza distribuția spațială continuă a fizicului. cantități. Reprezentări ale modernului fizica despre P. f. se desfășoară pe două linii esențial diferite - clasică și cuantică. Linia clasică de dezvoltare a conceptului de P. f. Această linie începe cu stabilirea de către Newton a legii gravitației universale (1687), care a făcut posibilă calcularea P.f. forțe gravitaționale. Se continuă în hidrodinamică lucrările lui Euler (anii 50 ai secolului al XVIII-lea), care a luat în considerare distribuția vitezelor într-un spațiu plin cu un fluid ideal în mișcare (câmp de viteză). Cele mai mari merite în formarea conceptului de P. f. aparțin englezei. fizicianul M. Faraday (anii 30 ai secolului al XIX-lea), care a dezvoltat în detaliu conceptul de linii de forță a lui P. f. Clasic linia de dezvoltare a conceptului de P. f. se împarte în două. Ramura principală este asociată cu studiul lui P. f. forțele electrice și magnetice (legea lui Coulomb, 1785), secara au fost considerate independente la început, dar datorită lucrărilor de curmale. fizicianul H. Oersted (1821), francez. fizicianul A. Ampere (1826) și Faraday (1831), au început să fie considerate împreună - ca componente ale unui singur P. f. electromagnetic. În această perioadă, sensul conceptului de P. f. depindea de idei despre natura acţiunii forţelor. În conceptul de acțiune pe distanță lungă, datând din Newton, conceptul de P. f. jucat de ajutor. rol, a servit doar ca o denumire prescurtată a regiunii spațiului gol, în care se pot manifesta forțe cu rază lungă de acțiune. Cunoscând potențialul P.F., s-a putut calcula în fiecare punct din spațiu forța care acționează asupra unui corp plasat acolo, fără a se recurge la legea interacțiunii corpurilor. Purtători de atribute fizice. realitatea (masă, energie, impuls, sarcină, forță) în acest concept erau corpuri care interacționau la distanță fără ajutorul lui c.-l. agenţi intermediari. În absența a cel puțin unuia dintre corpurile care interacționează, forțele au fost și ele absente, adică. P. f. nu avea independenta. existenţă. În conceptul de acțiune cu rază scurtă, provenit din Descartes, interacțiunea s-a realizat prin schimbarea stării mediului intermediar - eterul, care umple întregul spațiu. Purtătorii de energie în acest concept nu erau doar interacțiuni. corpuri, dar și eterul care le înconjoară, astfel încât alături de câmpul de forțe s-a putut vorbi despre câmpul de energie. În același timp, ca și în mecanică teorii care explică apariția forțelor mecanice. deplasarea și tensiunea elastică a eterului, iar în teoriile pur electromagnetice, care au lăsat eterul nemișcat și nedeformabil, P. f. era încă lipsit de independenţă. existenţă. Fiind o caracteristică a unei schimbări a stării eterului - o substanță care avea o realitate primară, P. f. avea un ontologic statutul atributului său, adică avea doar o realitate secundară. Această schimbare a fost cauzată de surse discrete de P. f. - prin curenți și sarcini, astfel încât P. f., indisolubil legat de acestea, într-un P. f. fără sursă. difuzarea nu a existat. Următorul pas în dezvoltarea clasicului concepte ale lui P. f. asociat cu realizările teoriei dinamicii libere. electromagnetice P. f. (unde electromagnetice, un caz special al cărora este lumina), care, fiind creată, poate exista indiferent de sursele care au dat naștere acesteia (Maxwell, 1864; Hertz, 1888). Datorită acesteia, a devenit posibilă atribuirea lui P. f. puls. Cu toate acestea, din moment ce eterul a continuat să îndeplinească funcția de purtător de material pentru dinamică. P. f., acesta din urmă era încă lipsit de independență. existenţă, astfel încât impulsul P. f. (precum și energia sa) a fost de fapt o caracteristică nu a P. f., ci a eterului. În consecință, expresia „câmp energetic” nu trebuie înțeleasă în sensul său literal, ci ca „câmp de energie”. Clasic teoria electromagnetică P.f. a fost completată de lucrarea lui A. Einstein pe special. Teoria relativității (1905). Privind eterul de funcția de a fi abs. sistemul de referință a creat posibilitatea atribuirii P. f. independent. existenţă. Deși o astfel de decizie nu a fost dictată de necesitate, ea a fost totuși acceptată de majoritatea fizicienilor. Trecând dintr-o stare de substanță materială (eter) în independentă. substanță materială, electromagnetică P. f. împărtășea cu materie funcțiile purtătorului de energie, impuls și masă. Energia și impulsul continuă să fie caracteristici ale mișcării. [Uneori statutul unei substanțe materiale este atribuit nu lui P. f., ci energiei. Astfel, mișcarea (energia) (vezi F. Engels, Dialectics of Nature, 1964, p. 45, 78, 168) este transformată dintr-un atribut într-o substanță. În acest caz, P. f. inca nu are independenta. existență, dar servește ca o caracteristică a distribuției continue a energiei în spațiu, ceea ce face din nou expresia „câmp energetic” mai corectă decât „energie câmp”. Direcţia care atribuie energiei statutul unei substanţe este identificată uneori cu energismul).] A doua ramură a clasicului. linii de dezvoltare a conceptului de P. f. asociate cu progresele teoriei. cercetarea lui P. f. forțele gravitaționale (gravitaționale P. f.). Începând cu Newton și până la lucrarea lui Einstein privind teoria generală a relativității (secolul al XX-lea), gravitația a fost interpretată pe baza conceptului de forțe cu rază lungă de acțiune și nu a putut fi inclusă în cadrul conceptului de acţiune pe rază scurtă de acţiune. Pe baza egalității masei inerțiale și grele, Einstein a formulat teoria relativistă a gravitației. P. f., în care atât P. f. gravitațional, cât și geometric. Insulele Sfinte ale spațiului sunt descrise cu aceeași valoare. Acest lucru ne permite să facem un nou pas în dezvoltarea conceptului de P. f. comparativ cu ceea ce s-a realizat în clasic. teoria relativistă a electromagnetismului. Specialist. Teoria relativității a relevat pentru prima dată rolul fundamental al electromagneticului P. f. în stabilirea caracteristicilor metrice ale spațiului și timpului, care, după cum sa dovedit, depind de viteza luminii. Dar în ea continuumul spațiu-timp a rămas încă un element independent al fizicului. realitatea, servind doar ca arenă pentru interacțiunea lui P. f. si substante. Ar putea fi considerată ca ceva absolut, deoarece P. f. iar materia a existat în spațiu-timp. În teoria generală a relativității, aspectul spațiu-timp al realității este pe deplin exprimat prin gravitație. P. f., în funcție de patru parametri-coordonate (trei spațiali și unul temporal). „... Este o proprietate a acestui câmp. Dacă ne imaginăm că câmpul este îndepărtat, atunci nu va exista „spațiu”, deoarece spațiul nu are o existență independentă” (Einstein?., Esența teoriei lui relativitatea, M., 1955, p. 147). Același lucru este, evident, valabil și pentru timp. Disponibilitate in clasic fizica a două tipuri de fizică. realități care diferă radical în structura lor spațială (P. f. și substanțe), precum și două tipuri calitativ diferite de P. f. (electromagnetice și gravitaționale) au dat naștere la numeroase. încercări de a construi o teorie unificată consistentă a P. F., în care gravitația și electromagnetismul, pe de o parte, nu ar trebui să fie tipuri disociate logic de P. F., ci aspecte diferite ale unui singur P. F. unificat; pe de altă parte, particulele de materie trebuie tratate în ea ca regiuni speciale ale P. f., astfel încât P. f. iar sursele sale, tratate ca puncte singulare (singularități) ale P. f., ar fi unități. mijloace de descriere a fizicului realitate. Cu toate acestea, lipsa de succes în urmărire si convinge. implementarea unui astfel de program a dat naștere unui puternic scepticism în raport cu acesta, astfel încât în ​​prezent. vremea nu are multi sustinatori. Linia cuantică de dezvoltare a conceptului de P. f. Această linie, continuând în crustă. timp, a apărut în legătură cu necesitatea interpretării rezultatelor experimentelor privind studiul efectului fotoelectric. Până la lucrările lui L. de Broglie (1924), ideea luminii ca un flux de particule (fotoni) discrete spațial, introdusă de Einstein în 1905 pentru a explica aceste experimente, părea incompatibilă cu cea clasică. ideea luminii ca un continuu spațial P. f. De Broglie a sugerat că fiecare particulă (și nu doar fotonul) este asociată cu o funcție parametrică de undă. Dualitatea undă-particulă a devenit, de asemenea, o trăsătură esențială în mecanica cuantică nonrelativista. Cu toate acestea, câmpul ? din el nu este ontologizat atât de simplu ca în de Broglie și E. Schrödinger (1926, 1952) și D. Bohm (1952), care și-au dezvoltat ideile. Conform interpretării de la Copenhaga a mecanicii cuantice, împărtășită în prezent. timp de marea majoritate a oamenilor de știință, câmpul ? este un așa-numit. câmpul probabilității (vezi Microparticule). În teoria cuantică relativistă în modernă. stadiul dezvoltării sale, teoria cuantică a undei P. f. este unitate. mod de a descrie particulele elementare și interacțiunile lor. În cadrul său, conceptul de P. f. este în curs de dezvoltare ulterioară. Datorită proprietăților de undă ale oricăror particule elementare și proprietăților cuantice (corpusculare) ale tuturor P. f., fiecare P. f. (în primul sens, clasic) este în același timp un colectiv de particule, iar fiecare set de particule (în primul sens, clasic) este un P. f. Astfel, teoria cuantică relativistă pe o nouă bază revine la ontologizarea dualismului undelor corpusculare, interpretând câmpul Schrödinger? ca unul clasic. P. f. materie (vezi E. Henley și W. Thirring, Elementary Quantum Field Theory, Moscova, 1963, p. 19). Este important ca ontologicul egalitatea particulelor și P. f. are loc numai ținând cont de așa-numitele. v i r t u a l n y x p a s t și c. Dacă, totuși, numai particulele reale sunt luate în considerare, atunci P. f. se dovedește a fi ontologic mai semnificativ, deoarece are o stare de vid, în care nu există particule reale (dar există un număr variabil nedefinit de particule virtuale, a căror existență se manifestă prin fluctuații ale stării de vid a P.f.) . Destul de des efectuează distincții între P. f. particule-surse de interacțiune și P. f. particule-purtători în interacțiuni. Acest lucru se datorează interpretării interacțiunii dintre particulele sursă ca un schimb de cuante virtuale ale P.f. , servind ca un purtător de interacțiune. Cu o intensitate suficientă a interacțiunii (energia servește ca măsură de intensitate), cuantele virtuale se pot transforma în cele reale, dând naștere existenței așa-numitelor. liber P. f. Funcțiile parametrice libere care descriu starea particulelor înainte și după interacțiune nu sunt observabile, deoarece observația în mecanica cuantică este inseparabilă de interacțiune. Acesta din urmă, cu t. sp. teoria cuantică P. f., nu este altceva decât transformarea unui anumit determinat. starea lui P. f. (colectare de particule) în altul. interacțiunea lui P. f. interpretat de obicei pe baza conceptului de absorbție și emisie de particule. Aceste particule pot fi atât reale, cât și virtuale. Pentru particulele virtuale, energia și impulsul se supun legilor de conservare doar până la indeterminarea relației, prin urmare, la distanțe mici, poate avea loc un schimb al unui număr foarte mare de particule virtuale. Aceasta duce la faptul că, în prezența interacțiunilor, simpla legătură între particule și P. f. menționată mai sus se pierde. Particulele care interacționează (precum o particulă reală care interacționează cu vidul în absența altora, precum și cu propriul PF, din care ea însăși este o sursă) sunt înconjurate de un nor de particule virtuale. Strict vorbind, o particulă reală nu mai poate fi comparată cu o unitate separată. P. f. Dr. Cu alte cuvinte, imaginea ei include, într-o măsură sau alta, P. f. toate celelalte particule elementare. Principal dificultăţile moderne teoria cuantică a lui P. f. constau în absenţa metodelor de rezolvare exactă a ecuaţiilor de interacţiune P. f. În electrodinamica cuantică (teoria interacțiunii electromagnetice și electron-pozitron P. f.), soluția aproximativă a unor astfel de ecuații este facilitată de micimea forței de interacțiune, ceea ce face posibilă utilizarea unui model simplificat de interacțiune (perturbare). teorie). În teoria interacțiunilor puternice, unde teoria cuantică a lui P. f. reprezintă doar o schemă, până acum nici o singură problemă nu a fost rezolvată riguros fără asumarea micimii interacțiuni. Necesitatea de atragere a tuturor P. f. (inclusiv cel gravitațional, căruia i se aplică și abordarea cuantică) pentru o descriere precisă a interacțiunilor particulelor elementare a dat naștere dorinței de a construi o teorie cuantică unificată. P. f., care nu ar lua din experiență întregul spectru de mase și rotații ale particulelor elementare, ci l-ar primi automat. Cea mai cunoscută încercare în această direcție îi aparține lui Heisenberg (teoria unui singur spipor neliniar P. f. - „prelucrat”), care, totuși, nu a adus încă fizic tangibil. rezultate. Dificultăţile menţionate în teoria cuantică a lui P. f. a adus la viață ideea înlocuirii încercărilor de rezolvare a ecuațiilor pentru operatorii lui P. f. construirea unui astfel de sistem de ecuații, care s-ar baza doar pe proprietățile generale ale matricei de împrăștiere (S-matrix), legând direct starea P. f. liberă. înainte și după interacțiune și nu ar pretinde o descriere spațio-temporală detaliată a proceselor de interacțiune. Pe această cale spre prezentare. timp, unii oameni de știință au înaintat cereri radicale de a abandona complet utilizarea conceptului de P. f. Acest lucru se face pe baza presupunerii că conceptul de continuu spațiu-timp nu are fizic. sens în modern microfizica și în statutul său este similar cu conceptul de eter din fizica secolului al XIX-lea. (Vezi G. F. Chew, The dubious role of space-time continuum in microscopic physics, în Science Progress, 1963, v. 51, No 204, p. 529). În același timp, respingerea utilizării conceptelor spațio-temporale (și, odată cu aceasta, a conceptului de P. F.) în microfizică, desigur, nu înseamnă în niciun caz o respingere a utilizării lor în macrofizică (vezi ibid., E. I. Zimmerman, The macroscopio nature of space-time, în „American Journal of Physics”, 1962, v. 30, p. 97). Cu toate acestea, majoritatea oamenilor de știință încă consideră că este necesară utilizarea conceptului de P. f. (și odată cu ea, desigur, reprezentarea spațio-temporală) ca ontologică. baze pentru descrierea interacțiunii particulelor elementare. Pe această cale în teoria lui P. f. în special, apare o idee interesantă despre existența în natură a așa-zisului. compensatoare și x P. f., fiecare dintre acestea fiind responsabil pentru păstrarea unuia sau altuia fizic fundamental. cantități în interacțiuni. Complex metodologic. probleme care decurg din modern idei despre P. f., este extrem de versatil. Ea implică problema interpretării unei matematici extrem de abstracte aparatura moderna. teoriile lui P. f. (în special, aceasta include problema statutului ontologic al particulelor virtuale) și problema metodelor de descriere a interacțiunii (formalismul hamiltonian sau matricea S?). Ultima problemă este similară cu vechea problemă a exprimării mișcării în logica conceptelor, fixată în aporii lui Zenon din Elea: cum se descrie interacțiunea - prin rezultatele ei (matricea S) sau prin fluxul său spațiu-timp (Hamiltonian). formalism). Aceasta include și problema adecvării descrierii interacțiunii pe baza sep. idei despre P. f. și despre sursa ei, plasată de Pauli încă din anii '30. Discuții pe toate acestea și multe alte aspecte metodologice. probleme ale teoriei lui P. f. în curs de desfăşurare şi departe de a fi completă. Lit.: Maxwell D.K., Izbr. op. despre teoria câmpului electromagnetic, trad. [din engleză], M., 1954; Einstein?., Infeld L., Evoluția fizicii, trad. din engleză, ed. a II-a, M., 1956; Ovchinnikov? ?., Conceptul de masă și energie în istoricul lor. dezvoltare și filozofie. sens, M., 1957, p. 177; Markov. ?., Hyperons and K-mesons, Moscova, 1958; al lui, o, modern. formă de atomism, „VF”, 1960, No 3, 4; Shteinman R. Ya., Spațiu și timp, M., 1962, p. 68, 143; Kuznetsov B.G., Dezvoltarea fizică. idei de la Galileo la Einstein în lumina modernului. științe, M., 1963, cap. 2, 3, 4; Whittaker?., Istoria teoriilor eterului și electricității. Teoriile clasice, L.–, 1951.

  Materializarea spiritelor și distribuirea elefanților.
  Bilete de intrare de la 50 k. la 2 p.
  I. Ilf, E Petrov

  Care sunt interacțiunile fundamentale și câmpurile fundamentale? De ce câmpurile fundamentale pot fi considerate unul dintre constituenții materiei?

  Lecție-prelecție

  Faptul că domeniul este un tip special de materie poate fi citit în multe manuale de fizică și chiar în dicționarul enciclopedic. Dar explicațiile pentru această afirmație nu se găsesc întotdeauna. Prin urmare, sensul a ceea ce s-a spus este adesea înțeles greșit. Să încercăm să înțelegem acest lucru și să „materializăm domeniul”. Rețineți că afirmația de mai sus nu se aplică niciunui câmp, ci doar celor fundamentale. Care sunt domeniile fundamentale?

  Interacțiuni fundamentale și domenii fundamentale. În timp ce studiai fizica, te-ai familiarizat cu diverse forțe - forța elasticității, forța de frecare, forța gravitației. Fiecare dintre aceste forțe caracterizează o anumită interacțiune între corpuri. După cum știți, dezvoltarea științei a arătat că toate corpurile macroscopice constau din atomi și molecule (mai precis, din nuclei și electroni). Din modelul atomo-molecular rezultă că unele dintre interacțiunile dintre corpurile macroscopice pot fi reprezentate ca rezultat al interacțiunii dintre atomi și molecule sau, cu o adâncime și mai mare în structura materiei, ca rezultat al interacțiunii dintre nuclei și electroni. care alcătuiesc corpurile macroscopice.

  În special, forțe precum forța de elasticitate și forța de frecare sunt rezultatul forțelor care acționează între electroni și nuclee. Dar nu a fost posibil să se reducă interacțiunile gravitaționale și interacțiunile electromagnetice la alte interacțiuni, deși astfel de încercări au fost făcute.

  Pentru a caracteriza interacțiunile care nu sunt reductibile la alte interacțiuni, au început să folosească conceptul fundamental care înseamnă „de bază”.

  După cum sa menționat în paragraful anterior, interacțiunile fundamentale gravitaționale și electromagnetice pot fi considerate _ pe baza interacțiunii cu câmpul. Câmpurile corespunzătoare interacțiunilor fundamentale au început să fie numite domenii fundamentale.

  Interacțiunile fundamentale sunt interacțiunile gravitaționale și electromagnetice.

  Dezvoltarea științei a arătat că interacțiunile gravitaționale și electromagnetice nu sunt singurele interacțiuni fundamentale. Până acum au fost descoperite patru interacțiuni fundamentale. Învățăm despre alte două interacțiuni fundamentale atunci când studiem microlume.

  Câmpurile electromagnetice și gravitaționale sunt câmpuri fundamentale care nu pot fi reduse la mișcarea niciunei particule.

  Rază lungă și rază apropiată. Știm deja că interacțiunea dintre particule (încărcate și neîncărcate) poate fi descrisă folosind câmpuri, dar este și posibil să nu se introducă conceptul de câmp. Conceptul, conform căruia interacțiunea dintre particule este descrisă direct, fără a introduce conceptul de câmp, se numește conceptul de interacțiune pe distanță lungă. Acest nume înseamnă că particulele interacționează la distanță îndepărtată. Dimpotrivă, al doilea concept, conform căruia interacțiunea se realizează prin mijlocul câmpului (gravitațional și electromagnetic), se numește conceptul de acțiune apropiată. Semnificația conceptului de acțiune cu rază scurtă de acțiune constă în faptul că o particulă interacționează cu un câmp care există în apropierea ei, deși acest câmp în sine poate fi creat de particule care sunt foarte îndepărtate (Fig. 13).

  Orez. 13. Ilustrarea interacțiunii bazată pe conceptul de acțiune pe distanță lungă (a) și pe conceptul de acțiune pe distanță scurtă (b. c)

  În primul caz (vezi Fig. 13, a), sarcina q este afectată de forța F din sarcina Q, situată la distanța r. În al doilea caz, sarcina Q creează un câmp E(x, y, z) în spațiul din jurul său. În special, într-un punct cu coordonatele x 0, y 0, z 0, unde se află sarcina q, este creat un câmp E (x 0, y 0, z 0) (vezi Fig. 13, b). Acest câmp, și nu direct sarcina Q, interacționează cu sarcina q (vezi Fig. 13, c).

  Din punct de vedere istoric, cunoștințele despre natură s-au dezvoltat în așa fel încât conceptul de acțiune cu rază scurtă, propus în anii 30. Secolul al XIX-lea, de către fizicianul englez M. Faraday, a fost perceput doar ca o descriere convenabilă.

  Situația s-a schimbat fundamental după descoperirea undelor electromagnetice care se propagă la o viteză finită - viteza luminii. Din teoria undelor electromagnetice, a rezultat că orice modificare a câmpului electromagnetic se propagă prin spațiu și cu viteza luminii. Referindu-ne la exemplul prezentat în Figura 13, putem spune că dacă sarcina Q începe să se miște la un moment dat, atunci sarcina q va „simți” schimbarea forței care acționează asupra ei nu în același moment de timp, ci după un timp r / s ( c este viteza luminii), adică timpul necesar pentru ca o undă electromagnetică să se deplaseze de la sarcina Q la încărcarea q.

  Finitudinea propagării undelor electromagnetice duce la faptul că descrierea interacțiunii electromagnetice bazată pe conceptul de acțiune pe distanță lungă devine incomodă.

  Pentru a înțelege acest lucru, luați în considerare următorul exemplu. În 1054, pe cer a apărut o stea strălucitoare, a cărei lumină a fost observată chiar și în timpul zilei timp de câteva săptămâni. Apoi steaua s-a stins și, în prezent, în zona sferei cerești în care se afla steaua, se observă o formațiune slab luminoasă, numită Nebuloasa Crabului. În conformitate cu ideile moderne despre evoluția stelelor, a avut loc o izbucnire a unei stele, în timpul căreia puterea sa de radiație a crescut de miliarde de ori, după care steaua s-a dezintegrat. În locul unei stele puternic luminoase, s-au format o stea neutronică practic neradiantă și un nor în expansiune de gaz slab luminos.

  Din punctul de vedere al conceptului de acțiune cu rază scurtă de acțiune, observarea luminii unei stele se reduce la următoarele. Sarcinile de pe stele au creat un câmp care a ajuns pe Pământ sub formă de undă și a afectat electronii din retina ochiului observatorului. În același timp, valul a ajuns pe Pământ timp de sute de ani. Oamenii priveau fulgerul unei stele atunci când steaua în sine nu mai era acolo. Dacă încercăm să descriem această observație pe baza conceptului de acțiune pe distanță lungă, atunci trebuie să presupunem că încărcăturile din retina ochiului nu interacționează cu sarcinile stelei, ci cu cele care au fost cândva steaua, care nu mai există. Rețineți că în procesul de formare a unei stele neutronice, multe sarcini dispar, deoarece neutronii sunt formați din electroni și protoni - particule neutre care practic nu participă la interacțiunea electromagnetică. De acord că o descriere bazată pe interacțiunea cu ceea ce a fost cândva, dar nu există în prezent, este „nu foarte convenabilă”.

  Un alt motiv pentru a recunoaște câmpul ca material este legat de faptul că o undă electromagnetică transferă energie și impuls prin spațiu (pentru mai multe detalii, vezi § 57). Dacă câmpul nu este considerat material, atunci ar trebui să recunoaștem că energia și impulsul nu sunt asociate cu ceva material și sunt ele însele transferate prin spațiu.

  Teoria relativității, formulată în 1905 de Albert Einstein, se bazează pe postulatul că nu există interacțiuni (inclusiv cele fundamentale) care se propagă mai repede decât lumina.

  Am început acest paragraf cu „materializarea spiritelor”. Fizicienii sunt oameni spirituali, iar conceptul de „spirite” este deja folosit în teoria câmpului modern. Se poate spune că aceste spirite nu s-au materializat încă, adică nu sunt observate în experiență. Dar știința domeniilor fundamentale nu a fost încă finalizată.

  Finitudinea propagării câmpurilor fundamentale și legătura lor cu energia și impulsul (transferul de energie și impuls de către aceste câmpuri) conduc la recunoașterea acestor câmpuri ca unul dintre constituenții materiei. Materia, astfel, este reprezentată de particule (substanță) și câmpuri fundamentale.

  • Care este sensul conceptelor de „câmpuri fundamentale” și „interacțiuni fundamentale”?
  • Dați exemple de domenii care nu sunt fundamentale.
  • Gândiți și dați exemple de interacțiuni nefundamentale.