Un câmp în fizică este un obiect fizic descris în mod clasic de un câmp matematic scalar , vectorial , tensor , spinor (sau un set de astfel de câmpuri matematice), supunând ecuațiilor dinamice (ecuații de mișcare, în acest caz numite ecuații de câmp sau ecuații de câmp - de obicei acestea sunt ecuații diferențiale în derivate parțiale ). Cu alte cuvinte, câmpul fizic este reprezentat de o cantitate fizică dinamică [1] (numită variabilă de câmp [2] ) definită în toate [3]puncte ale spațiului (și acceptând, în general, valori diferite în diferite puncte ale spațiului, pe lângă schimbarea în timp [4] ).
În teoria cuantică a câmpului , o variabilă de câmp poate fi considerată formal în același mod ca în mecanica cuantică obișnuită este considerată o coordonată spațială, iar un operator cuantic cu numele corespunzător este asociat cu o variabilă de câmp.
Paradigma câmpului , care reprezintă întreaga realitate fizică la nivel fundamental și se reduce la un număr mic de câmpuri care interacționează (cuantizate), nu este doar una dintre cele mai importante din fizica modernă, dar, poate, indiscutabil dominantă [5] .
Cea mai ușoară modalitate este de a vizualiza câmpul (când este vorba, de exemplu, de câmpuri fundamentale care nu au o natură mecanică directă evidentă [6] ) ca o perturbare (abatere de la echilibru, mișcare) a unora (ipotetice sau pur și simplu imaginare) mediu continuu care umple intregul spatiu. De exemplu, ca o deformare a unui mediu elastic, ale cărui ecuații de mișcare coincid sau sunt apropiate de ecuațiile de câmp ale acelui câmp mai abstract pe care dorim să-l vizualizăm. Din punct de vedere istoric, un astfel de mediu a fost numit eter, dar ulterior termenul a căzut aproape complet în neutilizare [7] , iar partea sa implicată semnificativă din punct de vedere fizic a fuzionat cu însuși conceptul de câmp. Cu toate acestea, pentru o înțelegere vizuală fundamentală a conceptului de câmp fizic în termeni generali, o astfel de reprezentare este utilă, ținând cont de faptul că, în cadrul fizicii moderne, o astfel de abordare este de obicei acceptată în general doar ca o ilustrare. [8] .
Câmpul fizic, prin urmare, poate fi caracterizat ca un sistem dinamic distribuit cu un număr infinit de grade de libertate .
Rolul unei variabile de câmp pentru câmpuri fundamentale este adesea jucat de un potențial (scalar, vector, tensor), uneori de o mărime numită intensitatea câmpului (pentru câmpurile cuantificate , într-un anumit sens, operatorul corespunzător este și o generalizare a câmpului). conceptul clasic de variabilă de câmp ).
De asemenea , un domeniu în fizică este 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 [9] . Exemple de astfel de câmpuri ar putea fi:
Dinamica unor astfel de câmpuri este descrisă și prin ecuații cu diferențe parțiale , iar din punct de vedere istoric, din secolul al XVIII-lea, tocmai astfel de câmpuri au fost luate în considerare pentru prima dată 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 către Faraday , implementată matematic consecvent de Maxwell - inițial folosind un model mecanic al unui mediu continuu ipotetic. - eter , dar apoi a mers dincolo de utilizarea unui model mecanic.
Dintre domeniile din fizică se disting așa-numitele fundamentale. Acestea sunt domenii 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:
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.
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 [10] ). Aceste domenii au fost descoperite și studiate suficient de detaliu deja în fizica clasică. Inițial, aceste câmpuri (în cadrul teoriei newtoniene a gravitației, electrostaticii și magnetostaticii) 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 fi mai profundă. înțelegere, care însă a rămas destul de vagă sau nu a dat roade prea semnificative [11] . 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.
Câmpurile corespunzătoare interacțiunii slabe și interacțiunii puternice (care joacă un rol important în fizica nucleară și în fizica particulelor; aceasta din urmă - printre altele în explicarea forțelor nucleare) au fost descoperite mult mai târziu, deoarece ele se manifestă practic doar în fizica nucleului atomic și a particulelor, la astfel de energii și distanțe, care în principiu aparțin domeniului teoriilor cuantice.
Cu toate acestea, în principiu (în ciuda faptului că nu este ușor de detectat în mod direct acest lucru pentru toate), toate cele patru câmpuri menționate se manifestă ca intermediari în interacțiunea corpurilor (particule) încărcate (diferite tipuri de sarcini), transferând această interacțiune cu o viteză finită (viteza luminii), în timp ce intensitatea ( forța ) interacțiunii este determinată, pe lângă poziția și mișcarea corpurilor, de sarcinile acestora: masa (sarcina gravitațională) pentru un câmp gravitațional, sarcina electrică pentru unul electromagnetic etc.
Un alt moment decisiv în care conceptul de câmp a câștigat recunoașterea fizicienilor a fost confirmarea experimentală a teoriei lui Maxwell în 1887 de către Heinrich Hertz , care a primit dovezi experimentale directe ale existenței undelor electromagnetice prezise de Maxwell (care, printre altele, a făcut posibilă în cele din urmă atașați optica, care anterior fusese un domeniu independent al fizicii, la teoria electromagnetică, iar acesta a fost un progres foarte semnificativ în direcția creșterii coerenței interne a fizicii).
Treptat, s-a dovedit că câmpul are aproape toate atributele unei realități fizice cu drepturi depline, inclusiv capacitatea de a transfera energie și impuls, și chiar în anumite condiții de a avea o masă efectivă [12] .
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.
După crearea mecanicii cuantice și o dezvoltare destul de profundă a conceptelor cuantice, a devenit evident că toată materia, inclusiv materia, este descrisă prin câmpuri cuantificate : câmpuri fundamentale separate (precum un electron ) sau excitațiile lor colective (precum un proton , compus din trei quarci și un câmp de gluoni ). Excitațiile cuantice simple ale câmpurilor fundamentale sunt particule elementare . Fotonii , bosonii vectoriali , gluonii , gravitonii (nu sunt încă fixați ca particule individuale), leptonii și quarcii se numără printre astfel de excitații cuantice ale diferitelor tipuri de câmpuri fundamentale. Au fost descoperite și studiate în detaliu ecuațiile de câmp pentru câmpuri libere, cuantizarea lor, interacțiunea diferitelor câmpuri [13] .
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 privințe să se revină psihologic la ideea unei particule care are 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:
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 o anumită reformulare , deși un concept destul de radical, de domeniu, 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.
În prezent (2012), mai multe câmpuri asociate cu interacțiunile electroslabe , puternice și gravitaționale sunt considerate a fi câmpuri bosonice fundamentale (gauge) . Câmpurile fermionice fundamentale includ câmpurile spinoare ale mai multor „generații” de leptoni și quarci.
În cadrul Modelului Standard , următoarele domenii sunt fundamentale
Câmpuri fermionice fundamentaleFiecare fermion fundamental (fiecare tip de quarc și fiecare tip de lepton ) din cadrul Modelului Standard are propriul câmp, reprezentat matematic de câmpul spinor .
Câmpuri bosonice fundamentale (câmpurile sunt purtătoare de interacțiuni fundamentale )Aceste câmpuri din cadrul modelului standard sunt câmpuri gauge . Sunt cunoscute următoarele tipuri:
Ipotetice în sens larg pot fi considerate 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 facă posibilă 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 ipoteticului în categoria realului este destul de subțire, deoarece confirmarea unei anumite teorii și a realității 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 până acum arată exact ca o ipoteză inventată într-unul sau altul scop teoretic, 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 câmpuri nu sunt deloc ipotetice, iar modelul în sine, deși cu avertismente 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 , câmp de torsiune ). Asemenea teorii (dacă nu conțin, în afară de 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 manifestării a cărei teoria în sine nu poate spune nimic (de exemplu, constanta de cuplare). a acestui câmp cu altele este necunoscut și poate fi destul de mare și arbitrar mic); de obicei, nu se grăbesc să verifice astfel de teorii (din moment ce există multe astfel de teorii și fiecare dintre ele nu și-a dovedit utilitatea în niciun fel și chiar este formal nefalsificabilă ), cu excepția cazului în care una dintre ele nu începe, din anumite motive, a părea promițător pentru rezolvarea unor dificultăți actuale (cu toate acestea, excluderea 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 său va fi găsit, 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 teoriile unui clasă largă dintr-o dată 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 sale teoretice (de exemplu, despre înlocuirea câmpului gravitațional newtonian cu câmpul tensorului metric în relativitatea generală ), atunci este de obicei, nu se obișnuiește să se vorbească despre unul sau altul ca fiind ipotetic (deși pentru situația timpurie din relativitatea generală s-ar putea vorbi de 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 ajung la statutul de presupunere educată ), deoarece teoriile specifice cunoscute în care joacă un rol mai mult sau mai puțin semnificativ, de exemplu, teoria corzilor , au nu au ajuns ei înșiși la statutul de suficient de confirmat [14] .
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 ipoteze argumentate. , adică strict vorbind, nu sunt considerate nici măcar ca ipotetice [15] .