Головна

   Велика Радянська Енциклопедія



Поля фізичні

   
 

Поля фізичні , особлива форма матерії; фізична система, що володіє нескінченно великим числом ступенів свободи. Прикладами П. ф. можуть служити електромагнітне і гравітаційне поля, поле ядерних сил, а також хвильові (квантовані) поля, відповідні різним часткам.

Вперше (30-і рр.. 19 в.) поняття поля (електричного і магнітного) було введено М. Фарадеєм . Концепція поля була прийнята ним як альтернатива теорії дальнодії, тобто взаємодії часток на відстані без будь-якого проміжного агента (так інтерпретувалося, наприклад, електростатичне взаємодія заряджених частинок за законом Кулона або гравітаційна взаємодія тіл за законом всесвітнього тяжіння Ньютона). Концепція поля з'явилася відродженням теорії блізкодействія, основоположником якої був Р. Декарт (1-я половина 17 ст.). У 60-х рр.. 19 в. Дж. К. Максвелл розвинув ідею Фарадея про електромагнітному полі і сформулював математично його закони (див. Максвелла рівняння ).

Згідно концепції поля, частки, що у якому-небудь взаємодії (наприклад, електромагнітному або гравітаційному), створюють в кожній точці навколишнього їх простору особливий стан - поле сил, що виявляється в силовому впливі на ін частинки, що поміщаються в яку-небудь точку цього простору. Спочатку висувалася механістична інтерпретація поля як пружних напружень гіпотетичної середовища - «ефіру». Однак наділення "ефіру" властивостями пружного середовища виявилося в різкому протиріччі з результатами проведених пізніше дослідів. З точки зору сучасних уявлень, така механістична інтерпретація поля взагалі безглузда, оскільки самі пружні властивості макроскопічних тіл повністю пояснюються електромагнітними взаємодіями частинок, з яких складаються ці тіла. Теорія відносності, відкинувши концепцію «ефіру» як особливої пружного середовища, разом з тим надала фундаментальний сенс поняттю П. ф. як первинної фізичної реальності. Дійсно, відповідно до теорії відносності, швидкість поширення будь-якої взаємодії не може перевищувати швидкості світла у вакуумі. Тому в системі взаємодіючих частинок сила, що діє в даний момент часу на -яку частинку системи, не визначається розташуванням ін частинок в цей же момент часу, тобто зміна положення однієї частки позначається на ін частці не відразу, а через певний проміжок часу. Т. о., взаємодія частинок, відносна швидкість яких порівнянна зі швидкістю світла, можна описувати тільки через створювані ними поля. Зміна стану (або положення) однієї з частинок призводить до зміни створюваного нею поля, яке відбивається на ін частці лише через кінцевий проміжок часу, необхідний для поширення цієї зміни до частки.

П. ф. не тільки здійснюють взаємодію між частинками; можуть існувати і проявлятися вільні П. ф. незалежно від створили їх часток (наприклад, електромагнітні хвилі ). Тому ясно, що П. ф. слід розглядати як особливу форму матерії.

Кожному типу взаємодій в природі відповідають певні П. ф. Опис П. ф. у класичній ( НЕ квантової) теорії поля проводиться за допомогою однієї або декількох (безперервних) функцій поля, залежних від координати точки ( х, у, z ), в якій розглядається поле, і від часу (t). Так, електромагнітне поле може бути повністю описано за допомогою чотирьох функцій: скалярного потенціалу j ( х, у, z, t ) і вектор-потенціалу А ( х, у, z, t ), які разом складають єдиний чотиривимірний вектор в просторі-часі. напруженості електричного і магнітного полів виражаються через похідні цих функцій. У загальному випадку число незалежних польових функцій визначається числом внутрішніх ступенів свободи частинок, відповідних даному полю (див. нижче), наприклад їх спіном , ізотопічним спіном і т.д. Виходячи із загальних принципів - вимог релятивістської інваріантності і деяких більш приватних припущень (наприклад, для електромагнітного поля - суперпозиції принципу і т. н. градиентной інваріантності), можна з функцій поля скласти вираз для дії і за допомогою найменшої дії принципу (див. також Варіаційні принципи механіки ) отримати диференціальні рівняння, що визначають поле. Значення функцій поля в кожній окремій точці можна розглядати як узагальнені координати П. ф. Отже, П. ф. представляється як фізична система з нескінченним числом ступенів свободи. За загальними правилами механіки можна отримати вираз для узагальнених імпульсів П. ф. і знайти щільності енергії, імпульсу і моменту кількості руху поля.

Досвід показав (спочатку для електромагнітного поля), що енергія і імпульс поля змінюються дискретним чином, тобто П. ф. можна поставити у відповідність певні частки (наприклад, електромагнітному полю - фотони , гравітаційному - Гравітон ). Це означає, що опис П. ф. за допомогою польових функцій є лише наближенням, що мають певну область застосовності. Щоб врахувати дискретні властивості П. ф. (тобто побудувати квантову теорію поля), необхідно вважати узагальнені координати і імпульси П. ф. не числом, а операторами , для яких виконуються певні перестановочне співвідношення . (Аналогічно здійснюється перехід від класичної механіки до квантовій механіці .)

У квантовій механіці доводиться, що систему взаємодіючих частинок можна описати за допомогою деякого квантового поля (див. Квантування вторинне ). Т. о., не тільки кожному П. ф. відповідають певні частинки, а й, навпаки, всім відомим часткам відповідають квантовані поля. Цей факт є одним із проявів корпускулярно-хвильового дуалізму матерії. Квантовані поля описують знищення (або народження) часток і одночасно народження ( знищення) античастинок . Таким полем є, наприклад, електрон-позитронне поле в квантової електродинаміки.

Вид з перестановки співвідношень для операторів поля залежить від сорту часток, відповідних даному полю. Як показав В. Паулі (1940), для часток з цілим спіном оператори поля комутують і вказані частки підкоряються Бозе-Ейнштейна статистиці , в той час як для частинок з напівцілим спіном вони антікоммутіруют і відповідні частки підкоряються Фермі-Дірака статистикою . Якщо частки підкоряються статистиці Бозе-Ейнштейна (наприклад, фотони і Гравітон), то в одному і тому ж квантовому стані може знаходитися багато (в межі - нескінченно багато) часток. У зазначеному межі середні величини квантованих полів переходять в звичайні класичні поля (наприклад, в класичні електромагнітне і гравітаційне поля, описувані безперервними функціями координат і часу). Для полів, що відповідають часткам з напівцілим спіном, не існує відповідних класичних полів.

Сучасна теорія елементарних частинок будується як теорія взаємодіючих квантових П. ф. (електрон-позитронного, фотонного, мезонного та ін.)


Літ.: Ландау Л. Д ., Ліфшиц Е. М., Теорія поля. 6 вид., М., 1973 (Теоретична фізика, т, 2); Боголюбов Н. Н., Ширков Д. Ст, Введення в теорію квантованих полів, 2 изд., М., 1974.

© С. С. Герштейн.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я