История теории поля
В истории физики концепция полей зародилась в 18 веке в математической формулировке закона всемирного тяготения Ньютона , но она считалась неполноценной, поскольку подразумевала действие на расстоянии . В 1852 году Майкл Фарадей рассматривал магнитное поле как физический объект, рассуждая о силовых линиях. Джеймс Клерк Максвелл использовал концептуализацию Фарадея, чтобы сформулировать объединение электричества и магнетизма в своей теории электромагнетизма .
Благодаря Альберта Эйнштейна и специальной теории относительности эксперименту Майкельсона-Морли стало ясно, что электромагнитные волны могут распространяться в вакууме без необходимости использования среды или светоносного эфира . Эйнштейн также разработал общую теорию относительности , в которой пространство-время рассматривалось как поле, а его кривизна была источником гравитационных взаимодействий, положивших конец действию на расстоянии.
В квантовой теории поля фундаментальными объектами изучения становятся поля, а частицы — возбуждениями этих полей.
Законы обратных квадратов
[ редактировать ]
Формальное определение гравитационной силы было введено законом всемирного тяготения Ньютона . Успех ньютоновской физики со времени публикации Исаака Ньютона в « Начал» 1687 году обеспечил основу для исследования движения и сил, связанных с электричеством и магнетизмом . Шарль-Огюстен де Кулон отталкивания в 1785 году показал, что сила между двумя электрически заряженными сферами подчиняется тому же (с точностью до знака) силовому закону, что и закон всемирного тяготения Ньютона: сила между двумя телами направлена вдоль линии, разделяющей тела и их тела. Величина пропорциональна произведению их зарядов (для гравитации — их масс), деленного на квадрат расстояния между ними. Андре-Мари Ампер показал в 1823 году, что сила между бесконечно малыми длинами проводов с током аналогичным образом подчиняется закону обратных квадратов, так что сила направлена вдоль линии разделения между элементами провода. [1]
Несмотря на успех этих теорий в точном численном предсказании широкого круга явлений, эти законы обычно считались столь же несовершенными, как и естественная философия механики, поскольку все они, по сути, представляли собой механизмы действия на расстоянии . В контексте развития теории поля тот факт, что можно было написать функцию, определяющую силу на единицу массы , заряда или тока для каждой точки пространства, был всего лишь математической конструкцией. Это считалось несостоятельным по метафизическим соображениям . [2] [3] что сила распространяется на пустое пространство, и, следовательно, эти законы силы считались просто описательными, а не объяснительными.
Введение полей в электричество и магнетизм.
[ редактировать ]
Майкл Фарадей ввел термин « магнитное поле » в своих исследованиях , когда после открытия того, что все составляющие человека материалы являются диамагнитными , постулировал, что если бы человек был помещен в достаточно сильное магнитное поле, то он тоже выровнялся бы с ним. Фарадей не рассматривал это поле как простую математическую конструкцию для расчета сил между частицами — имея лишь элементарную математическую подготовку, он не имел смысла абстрагировать реальность для количественных предсказаний. [1] Вместо этого он предположил, что существует сила, заполняющая пространство, где электромагнитные поля генерируются , и качественно рассуждал об этих силах с помощью силовых линий:
«Важным для определения этих линий является то, что они представляют определенную и неизменную величину силы. Хотя, следовательно, их формы, поскольку они существуют между двумя или более центрами или источниками силы, могут сильно различаться, как и пространство, через которое их можно проследить, однако сумма мощностей, содержащихся в любом участке данной части линий, в точности равна сумме мощностей в любом другом участке тех же линий, как бы ни изменялась форма, как бы сближались или расходились они ни были. быть на втором месте». [4]
Понимание Фарадея поведения магнитных полей окажется неоценимым для развития электромагнетизма с точки зрения отношений между магнитными и электрическими полями . В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл составил все известные уравнения электромагнетизма . Уравнения Максвелла вместе привели к волновому уравнению, распространяющемуся со скоростью света . Таким образом, объясняя электромагнитное излучение одними и теми же электрическими и магнитными полями. Чтобы объяснить это волновое явление, Максвелл рассматривал светоносный эфир — среду, пронизывающую все пространство и позволяющую свету распространяться. Он написал
«Другая теория электричества, которую я предпочитаю, отрицает действие на расстоянии и приписывает электрическое действие напряжениям и давлениям во всепроникающей среде, причем эти напряжения того же типа, что и те, которые известны инженерам, а среда идентична той, в которой свет должен распространяться». [5]
относительность
[ редактировать ]Эксперимент Майкельсона-Морли пытался доказать, что электромагнитное излучение представляет собой колебания светоносного эфира , однако результат был отрицательным, указывая на то, что излучение может распространяться в вакууме. Чтобы объяснить это явление, Альберт Эйнштейн разработал свою специальную теорию относительности (1905 г.), которая разрешила конфликты между классической механикой и электромагнетизмом.
Эйнштейн также разработал общую теорию относительности в 1915 году, которая согласовывалась со специальной теорией относительности и могла объяснить гравитацию с точки зрения полевой теории пространства-времени .
Квантовые поля
[ редактировать ]Поля становятся фундаментальным объектом изучения квантовой теории поля . Математически квантовые поля формализуются как операторнозначные распределения. [6] Хотя прямого метода измерения самих полей не существует, теория утверждает, что все частицы являются «возбуждениями» этих полей. Например: в то время как теория классического электромагнетизма Максвелла описывает свет как самораспространяющуюся волну в электромагнитном поле, в квантовой электродинамике свет — это безмассовая калибровочная бозонная частица, называемая фотоном . Более того, количество частиц в изолированной системе не обязательно должно сохраняться; Примером такого процесса является тормозное излучение . Более детальное понимание этой структуры достигается путем изучения лагранжевой плотности теории поля, которая кодирует информацию о разрешенных взаимодействиях частиц. [7]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Форбс, Нэнси (2014). Фарадей, Максвелл и электромагнитное поле: как двое мужчин произвели революцию в физике . Амхерст, Нью-Йорк: Прометей Пресс. ISBN 978-1616149420 .
- ^ Макмаллин, Эрнан. «Истоки концепции поля в физике».
- ^ Уильямс, Лесли Пирс (1966). Истоки теории поля . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Рэндом Хаус.
- ^ Фарадей, Майкл. «Экспериментальные исследования в области электричества. — Двадцать восьмая серия». Философские труды Лондонского королевского общества 142 (1852): 25–56. JSTOR 108532 .
- ^ Дайсон, Фриман. «Почему теорию Максвелла так трудно понять?» (PDF) . Проверено 6 мая 2017 г.
- ^ Уолд, Роберт М. (3 августа 2006 г.). «История и современный статус квантовой теории поля в искривленном пространстве-времени». arXiv : gr-qc/0608018 .
- ^ В., Шредер, Дэниел (1995). Введение в квантовую теорию поля . Аддисон-Уэсли. ISBN 9780201503975 . ОСЛК 20393204 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
