Ett fält i fysik är ett fysiskt objekt som klassiskt beskrivs av ett matematiskt skalär- , vektor- , tensor- , spinorfält (eller någon uppsättning sådana matematiska fält), som lyder dynamiska ekvationer (rörelseekvationer, i detta fall kallade fältekvationer eller fältekvationer - vanligtvis dessa är differentialekvationer i partiella derivator ). Med andra ord, det fysiska fältet representeras av någon dynamisk fysisk storhet [1] (kallad fältvariabel [2] ), definierad vid alla [3] punkter i rymden (och generellt sett tar det olika värden vid olika punkter ) i rymden, och förändras också med tiden [4] ).
I kvantfältteorin kan en fältvariabel betraktas formellt på samma sätt som i vanlig kvantmekanik betraktas en rumslig koordinat, och en kvantoperator med motsvarande namn associeras med en fältvariabel.
Fältparadigmet , som representerar hela den fysiska verkligheten på en grundläggande nivå och reducerar till ett litet antal interagerande (kvantiserade) fält, är inte bara ett av de viktigaste i modern fysik, utan kanske obestridligt dominerande [5] .
Det enklaste sättet är att visualisera fältet (när det till exempel gäller fundamentala fält som inte har en uppenbar direkt mekanisk karaktär [6] ) som en störning (avvikelse från jämvikt, rörelse) hos några (hypotetiska eller helt enkelt imaginära) kontinuerligt medium som fyller hela utrymmet. Till exempel, som en deformation av ett elastiskt medium, vars rörelseekvationer sammanfaller med eller ligger nära fältekvationerna för det mer abstrakta fältet som vi vill visualisera. Historiskt sett kallades ett sådant medium eter, men därefter förföll termen nästan helt och hållet [7] , och dess underförstådda fysiskt meningsfulla del smälte samman med själva begreppet fält. Icke desto mindre, för en grundläggande visuell förståelse av begreppet ett fysiskt fält i allmänna termer, är en sådan representation användbar, med hänsyn till det faktum att inom ramen för modern fysik, ett sådant tillvägagångssätt vanligtvis accepteras i stort sett bara som en illustration [8] .
Det fysiska fältet kan därför karakteriseras som ett distribuerat dynamiskt system med ett oändligt antal frihetsgrader .
Rollen av en fältvariabel för fundamentala fält spelas ofta av en potential (skalär, vektor, tensor), ibland av en kvantitet som kallas fältstyrkan (för kvantiserade fält , i en viss mening, är motsvarande operator också en generalisering av klassiskt koncept för en fältvariabel ).
Ett fält i fysik är också en fysisk storhet som anses vara beroende av platsen: som en komplett uppsättning, generellt sett, av olika värden av denna kvantitet för alla punkter i någon utvidgad kontinuerlig kropp - ett kontinuerligt medium , som beskriver i sin helhet denna förlängda kropps tillstånd eller rörelse [9] . Exempel på sådana fält kan vara:
Dynamiken i sådana fält beskrivs också av partiella differentialekvationer , och historiskt, sedan 1700-talet, var det just sådana fält som övervägdes i fysiken för första gången.
Det moderna konceptet med det fysiska fältet växte fram ur idén om ett elektromagnetiskt fält , först realiserat i en fysiskt konkret och relativt nära modern form av Faraday , matematiskt konsekvent implementerad av Maxwell - initialt med hjälp av en mekanisk modell av ett hypotetiskt kontinuerligt medium - eter , men gick sedan utöver användningen av en mekanisk modell.
Bland fälten inom fysiken urskiljs de så kallade fundamentala. Detta är fält som enligt den moderna fysikens fältparadigm utgör grunden för den fysiska bilden av världen, alla andra fält och interaktioner härrör från dem. De inkluderar två huvudklasser av fält som interagerar med varandra:
Det finns teorier (till exempel strängteori , olika andra föreningsteorier ), där rollen som grundläggande fält upptas av flera andra, ännu mer grundläggande ur synvinkeln av dessa teorier, fält eller objekt (och de nuvarande fundamentala fälten förekommer eller bör förekomma i dessa teorier i någon approximation som en "fenomenologisk" konsekvens). Sådana teorier är dock ännu inte tillräckligt bekräftade eller allmänt accepterade.
Historiskt sett, bland de fundamentala fälten , upptäcktes först de fält som är ansvariga för elektromagnetiska ( elektriska och magnetiska fält, sedan kombinerade till ett elektromagnetiskt fält ) och gravitationsinteraktion (precis som fysiska fält [10] ). Dessa fält upptäcktes och studerades tillräckligt i detalj redan i klassisk fysik. Till en början sökte dessa fält (inom ramen för den newtonska teorin om gravitation, elektrostatik och magnetostatik) de flesta fysiker snarare som formella matematiska objekt som introducerades för formell bekvämlighet, och inte som en fullfjädrad fysisk verklighet, trots försök till en djupare fysisk verklighet förståelse, som dock förblev ganska vag eller inte bär alltför betydande frukt [11] . Men från och med Faraday och Maxwell började förhållningssättet till fältet (i detta fall till det elektromagnetiska fältet) som en fullständigt meningsfull fysisk verklighet tillämpas systematiskt och mycket fruktbart, inklusive ett betydande genombrott i den matematiska formuleringen av dessa idéer.
Fälten som motsvarar den svaga växelverkan och den starka växelverkan (som spelar en viktig roll inom kärnfysik och partikelfysik; de senare - bland annat i förklaringen av kärnkrafter) upptäcktes mycket senare, eftersom de praktiskt taget visar sig endast i atomkärnan och partiklarnas fysik, vid sådana energier och avstånd, som i princip hör till kvantteoriernas område.
Ändå, i princip (trots att det inte är lätt att direkt upptäcka detta för dem alla), manifesterar sig alla fyra nämnda fält som mellanhänder i samspelet mellan laddade (olika typer av laddningar) kroppar (partiklar), som överför denna växelverkan med en ändlig hastighet (ljushastighet), medan intensiteten ( kraft ) av växelverkan bestäms, förutom kropparnas position och rörelse, av deras laddningar: massa (gravitationsladdning) för ett gravitationsfält, elektrisk laddning för en elektromagnetisk sådan osv.
Ett annat avgörande ögonblick i fältkonceptet som fick erkännande av fysiker var den experimentella bekräftelsen av Maxwells teori 1887 av Heinrich Hertz , som fick direkta experimentella bevis på förekomsten av elektromagnetiska vågor som förutspåtts av Maxwell (vilket bland annat så småningom gjorde det möjligt att koppla optik, som tidigare varit ett självständigt fysikområde, till elektromagnetisk teori, och detta var ett mycket betydande framsteg i riktning mot att öka fysikens inre koherens).
Gradvis visade det sig att fältet har nästan alla egenskaper hos en fullfjädrad fysisk verklighet, inklusive förmågan att överföra energi och momentum, och även under vissa förhållanden ha en effektiv massa [12] .
Å andra sidan, allt eftersom kvantmekaniken utvecklades blev det mer och mer tydligt att materia (partiklar) har egenskaper som är teoretiskt inneboende i fält.
Efter skapandet av kvantmekaniken och en ganska djupgående utveckling av kvantbegrepp blev det uppenbart att all materia, inklusive materia, beskrivs av kvantiserade fält : separata fundamentala fält (som en elektron ) eller deras kollektiva excitationer (som en proton , sammansatt av tre kvarkar och ett gluonfält ). Enstaka kvantexcitationer av fundamentala fält är elementarpartiklar . Fotoner , vektorbosoner , gluoner , gravitoner (ännu inte fixerade som individuella partiklar), leptoner och kvarkar är bland sådana kvantexcitationer av olika typer av fundamentala fält. Fältekvationer för fria fält, deras kvantisering, interaktion mellan olika fält upptäcktes och studerades i detalj [13] .
Därmed visade det sig att den fysiska bilden av världen kan reduceras i sin grund till kvantiserade fält och deras interaktion.
Till viss del, främst inom ramen för formalismen av integration längs banor och Feynman-diagram , inträffade också den motsatta rörelsen: fält kan i märkbar utsträckning representeras som nästan klassiska partiklar (närmare bestämt som en överlagring av ett oändligt antal nästan klassiska partiklar som rör sig längs alla tänkbara banor) , och fältens interaktion med varandra - som födelse och absorption av varandra av partiklar (även med en överlagring av alla tänkbara varianter av sådana). Och även om detta tillvägagångssätt är mycket vackert, bekvämt och gör det i många avseenden möjligt att psykologiskt återgå till idén om en partikel som har en väldefinierad bana, kan den ändå inte avbryta fältsynen av saker och är inte ens ett helt symmetriskt alternativ till det (och därför fortfarande närmare ett vackert, psykologiskt och praktiskt bekvämt, men ändå bara en formell anordning, än ett helt oberoende koncept). Det finns två nyckelpunkter här:
Sålunda kan vi dra slutsatsen att vägintegrationsmetoden är, även om den är väldigt psykologiskt bekväm (trots allt, säg, en punktpartikel med tre frihetsgrader är mycket enklare än det oändligt dimensionella fältet som beskriver den) och har visat sig vara praktisk produktivitet, men fortfarande bara en viss omformulering , om än ett ganska radikalt, fältbegrepp, och inte dess alternativ.
Och även om allt i ord i detta språk ser väldigt "korpuskulärt" ut (till exempel: "samspelet mellan laddade partiklar förklaras av utbytet av en annan partikel - bäraren av interaktion" eller "den ömsesidiga avstötningen av två elektroner beror på utbytet av en virtuell foton mellan dem"), men bakom detta ligger en sådan typisk fältverklighet, som utbredning av vågor, om än ganska väl gömda för att skapa ett effektivt beräkningsschema och i många avseenden ger ytterligare möjligheter till kvalitativ förståelse.
För närvarande (2012) anses flera fält associerade med elektrosvaga , starka och gravitationella interaktioner vara grundläggande bosoniska (mätare) fält . De grundläggande fermioniska fälten inkluderar spinorfälten från flera "generationer" av leptoner och kvarkar.
Inom ramen för Standardmodellen är följande områden grundläggande
Fundamentala fermioniska fältVarje grundläggande fermion (varje typ av kvark och varje typ av lepton ) inom ramen för standardmodellen har sitt eget fält, matematiskt representerat av spinorfältet .
Grundläggande bosoniska fält (fält är bärare av grundläggande interaktioner )Dessa fält inom ramen för standardmodellen är mätfält . Följande typer är kända:
Hypotetiska i vid mening kan betraktas som alla teoretiska objekt (till exempel fält) som beskrivs av teorier som inte innehåller inre motsägelser, inte uttryckligen motsäger observationer och som samtidigt kan ge observerbara konsekvenser som gör det möjligt att göra ett val till förmån för dessa teorier jämfört med de som nu är accepterade. Nedan kommer vi att tala (och detta motsvarar i allmänhet den vanliga förståelsen av termen) huvudsakligen om hypotetiskhet i denna snävare och striktare mening, vilket antyder giltigheten och falsifierbarheten av det antagande som vi kallar en hypotes.
Inom teoretisk fysik övervägs många olika hypotetiska fält, som var och en tillhör en mycket specifik teori (när det gäller deras typ och matematiska egenskaper kan dessa fält vara helt eller nästan samma som kända icke-hypotetiska fält, och kan skilja sig åt mer eller mindre starkt; i I båda fallen innebär deras hypotetiska att de ännu inte har observerats i verkligheten, inte har upptäckts experimentellt, i förhållande till vissa hypotetiska fält kan frågan vara om de i princip kan observeras, och t.o.m. om de överhuvudtaget kan existera - till exempel om teorin där de är närvarande plötsligt visar sig vara internt inkonsekvent).
Frågan om vad som ska betraktas som ett kriterium som gör att man kan överföra ett visst fält från kategorin hypotetisk till kategorin verklig är ganska tunn, eftersom bekräftelsen av en viss teori och verkligheten hos vissa objekt som finns i den ofta är mer eller mindre indirekt. I det här fallet handlar det vanligtvis om någon rimlig överenskommelse från vetenskapssamfundet (vars medlemmar är mer eller mindre medvetna om graden av bekräftelse i själva verket).
Även i teorier som anses ganska väl bekräftade finns det en plats för hypotetiska fält (här talar vi om att olika delar av teorin har testats med varierande grad av grundlighet, och några fält som spelar en viktig roll i dem har i princip ännu inte visat sig helt definitivt i experimentet, det vill säga än så länge ser de exakt ut som en hypotes som uppfunnits för ett eller annat teoretiskt syfte, medan andra fält som förekommer i samma teori redan har studerats tillräckligt bra för att tala om dem som en realitet).
Ett exempel på ett sådant hypotetiskt fält är Higgsfältet , som är viktigt i Standardmodellen , vars andra fält inte på något sätt är hypotetiska, och själva modellen, om än med oundvikliga förbehåll, anses beskriva verkligheten (åtminstone till i den mån verkligheten är känd).
Det finns många teorier som innehåller fält som (hittills) aldrig har observerats, och ibland ger dessa teorier i sig sådana uppskattningar att deras hypotetiska fält uppenbarligen (på grund av svagheten i deras manifestation, vilket följer av själva teorin) och i princip inte kan vara upptäckt inom överskådlig framtid (t.ex. torsionsfält ). Sådana teorier (om de inte innehåller, förutom praktiskt okontrollerbara, även ett tillräckligt antal lättare verifierbara konsekvenser) anses inte vara av praktiskt intresse, såvida det inte dyker upp något icke-trivialt nytt sätt att testa dem, som gör det möjligt att kringgå uppenbara begränsningar. Ibland (som till exempel i många alternativa gravitationsteorier - till exempel Dicke-fältet ) introduceras sådana hypotetiska fält, om styrkan hos manifestationen av vilka teorin i sig inte kan säga något alls (till exempel kopplingskonstanten av detta fält med andra är okänt och kan vara ganska stort och godtyckligt litet); de har vanligtvis inte bråttom att kontrollera sådana teorier (eftersom det finns många sådana teorier, och var och en av dem inte har bevisat sin användbarhet på något sätt, och är till och med formellt icke- falsifierbara ), förutom när en av dem inte börjar, av någon anledning, att verka lovande för att lösa vissa aktuella svårigheter (men att sålla bort teorier på basis av icke-falsifierbarhet - särskilt på grund av obestämda konstanter - avvisas ibland här, eftersom en seriös bra teori ibland kan testas i hopp att dess effekt kommer att hittas, även om det inte finns några garantier för detta; detta är särskilt sant när det finns få kandidatteorier alls, eller några av dem ser särskilt fundamentalt intressanta ut; även i de fall där det är möjligt att testa teorier om en bred klass på en gång enligt kända parametrar, utan att spendera särskilda ansträngningar på att testa var och en separat).
Det bör också noteras att det är vanligt att kalla hypotetiska endast de fält som inte har några observerbara manifestationer alls (eller har dem otillräckligt, som i fallet med Higgsfältet). Om existensen av ett fysiskt fält är fast etablerat av dess observerbara manifestationer, och vi talar bara om att förbättra dess teoretiska beskrivning (till exempel om att ersätta det Newtonska gravitationsfältet med fältet för den metriska tensorn i generell relativitetsteori ), så är det vanligtvis inte vanligt att tala om det ena eller det andra som hypotetiskt (även om man för den tidiga situationen i allmän relativitetsteori kunde tala om den hypotetiska karaktären hos gravitationsfältets tensornatur).
Sammanfattningsvis nämner vi sådana fält, vars själva typ är ganska ovanlig, det vill säga teoretiskt sett ganska tänkbar, men inga fält av sådana typer har någonsin observerats i praktiken (och i vissa fall i de tidiga stadierna av utvecklingen av deras teori, tvivel om dess konsistens kan uppstå). Dessa bör först och främst inkludera tachyonfält . Egentligen kan tachyonfält snarare bara kallas potentiellt hypotetiska (det vill säga de når inte status som en utbildad gissning ), eftersom de kända specifika teorierna där de spelar en mer eller mindre betydande roll, till exempel strängteori , har inte själva nått status som tillräckligt bekräftade [14] .
Ännu mer exotiska (till exempel Lorentz-icke-invariant - bryter mot relativitetsprincipen ) fält (trots att de är abstrakt-teoretiskt ganska tänkbara) inom modern fysik kan tillskrivas att de står ganska långt utanför ramarna för ett motiverat antagande , det vill säga strängt taget anses de inte ens vara hypotetiska [15] .