Jump to content

Классическая теория поля

(Перенаправлено из уравнений поля )

Классическая теория поля — это физическая теория , которая предсказывает, как одно или несколько полей в физике взаимодействуют с материей посредством уравнений поля , без учета эффектов квантования ; Теории, включающие в себя квантовую механику, называются квантовыми теориями поля . В большинстве случаев «классическая теория поля» специально предназначена для описания электромагнетизма и гравитации , двух фундаментальных сил природы.

Физическое поле можно рассматривать как задание физической величины в каждой точке пространства и времени . Например, в прогнозе погоды скорость ветра над страной в течение дня описывается путем присвоения вектора каждой точке пространства. Каждый вектор представляет направление движения воздуха в этой точке, поэтому набор всех векторов ветра на территории в данный момент времени представляет собой векторное поле . В течение дня направления векторов меняются по мере изменения направления ветра.

Первые теории поля, ньютоновская гравитация и уравнения электромагнитных полей Максвелла были разработаны в классической физике до появления теории относительности в 1905 году, и их пришлось пересмотреть, чтобы они соответствовали этой теории. Следовательно, классические теории поля обычно делятся на нерелятивистские и релятивистские . Современные теории поля обычно выражаются с использованием математики тензорного исчисления . Более поздний альтернативный математический формализм описывает классические поля как части математических объектов, называемых расслоениями .

Нерелятивистские теории поля

[ редактировать ]

Некоторые из простейших физических полей являются векторными силовыми полями. Исторически впервые поля были восприняты всерьез при описании Фарадея силовых линий при описании электрического поля . Затем аналогичным образом было описано гравитационное поле .

Ньютоновская гравитация

[ редактировать ]

Первой полевой теорией гравитации была теория гравитации Ньютона , в которой взаимное взаимодействие двух масс подчиняется закону обратных квадратов . Это было очень полезно для предсказания движения планет вокруг Солнца.

Любое массивное тело М имеет гравитационное поле g , описывающее его влияние на другие массивные тела. Гравитационное поле M в точке r в пространстве находится путем определения силы F , которую M оказывает на небольшую пробную массу m, расположенную в точке r , и последующего деления ее на m : [1] Условие, что m намного меньше, чем M, гарантирует, что присутствие m оказывает незначительное влияние на поведение M .

Согласно закону всемирного тяготения Ньютона , F ( r ) определяется выражением [1] где единичный вектор , указывающий вдоль линии от M до m , а G Ньютона — гравитационная постоянная . Следовательно, гравитационное поле M равно [1]

Экспериментальное наблюдение того, что инертная масса и гравитационная масса равны с беспрецедентным уровнем точности, приводит к идентификации напряженности гравитационного поля как идентичной ускорению, испытываемому частицей. Это отправная точка принципа эквивалентности , который ведет к общей теории относительности .

Для дискретного набора масс Mi равно , расположенных в точках r i , гравитационное поле в точке r, обусловленное массами,

Если вместо этого у нас есть непрерывное распределение массы ρ , сумма заменяется интегралом:

Обратите внимание, что направление поля указывает от положения r к положению масс r i ; это обеспечивается знаком минус. Короче говоря, это означает, что все массы притягиваются.

В интегральной форме закон гравитации Гаусса имеет вид в то время как в дифференциальной форме это

Следовательно, гравитационное поле g можно записать через градиент гравитационного потенциала φ ( r ) : следствие силы F. консервативности гравитационной Это

Электромагнетизм

[ редактировать ]

Электростатика

[ редактировать ]

На заряженную пробную частицу с зарядом q действует сила F, основанная исключительно на ее заряде. Мы можем аналогичным образом описать электрическое поле E, создаваемое зарядом источника Q, что F = qE так :

Используя этот закон и закон Кулона, электрическое поле, создаваемое одной заряженной частицей, равно

Электрическое поле консервативно и, следовательно, определяется градиентом скалярного потенциала V ( r )

Закон Гаусса для электричества имеет интегральную форму. в дифференциальной форме

Магнитостатика

[ редактировать ]

Постоянный ток I, текущий по пути ℓ, будет оказывать на близлежащие заряженные частицы силу, количественно отличающуюся от силы электрического поля, описанной выше. Сила, действующая со стороны I на близлежащий заряд q со скоростью v , равна где B ( r ) — магнитное поле , которое определяется из I по закону Био–Савара :

Магнитное поле вообще не консервативно и, следовательно, обычно не может быть записано в терминах скалярного потенциала. Однако его можно записать через потенциал векторный A ( r ):

Закон Гаусса для магнетизма в интегральной форме: в то время как в дифференциальной форме это

не существует Физическая интерпретация состоит в том, что магнитных монополей .

Электродинамика

[ редактировать ]

В общем, при наличии как плотности заряда ρ ( r , t ), так и плотности тока J ( r , t ), будет существовать как электрическое, так и магнитное поле, и оба будут меняться во времени. Они определяются уравнениями Максвелла , набором дифференциальных уравнений, которые напрямую связывают E и B с плотностью электрического заряда (заряд на единицу объема) ρ и плотностью тока (электрический ток на единицу площади J. ) [2]

Альтернативно можно описать систему через ее скалярный и векторный V и A. потенциалы Набор интегральных уравнений, известных как запаздывающие потенциалы, позволяет рассчитать V и A по ρ и J , [примечание 1] и оттуда электрические и магнитные поля определяются соотношениями [3]

Механика сплошных сред

[ редактировать ]

Гидродинамика

[ редактировать ]

В гидродинамике есть поля давления, плотности и скорости потока, которые связаны законами сохранения энергии и импульса. Уравнение неразрывности массы — это уравнение неразрывности, представляющее сохранение массы. а уравнения Навье – Стокса представляют сохранение импульса в жидкости, найденное на основе законов Ньютона, примененных к жидкости: плотность ρ , давление p , тензор девиаторных напряжений τ жидкости, а также внешние объемные силы b если заданы . Поле скорости u — это векторное поле, которое необходимо найти.

Другие примеры

[ редактировать ]

В 1839 году Джеймс МакКаллах представил уравнения поля для описания отражения и преломления в «Очерке динамической теории кристаллического отражения и преломления». [4]

Потенциальная теория

[ редактировать ]

Термин « теория потенциала » возник из-за того, что в физике XIX века считалось, что фундаментальные силы природы возникают из скалярных потенциалов , которые удовлетворяют уравнению Лапласа . Пуассон обратился к вопросу устойчивости планетных орбит , который уже был решен Лагранжем в первой степени приближения от сил возмущения, и вывел уравнение Пуассона , названное его именем. Общий вид этого уравнения:

где σ — функция источника (как плотность, количество на единицу объема), а ø — скалярный потенциал, который необходимо найти.

В ньютоновской гравитации; массы являются источниками поля, поэтому силовые линии заканчиваются на объектах, имеющих массу. Точно так же заряды являются источниками и стоками электростатических полей: положительные заряды испускают линии электрического поля, а силовые линии оканчиваются отрицательными зарядами. Эти концепции поля также проиллюстрированы в общей теореме о дивергенции , в частности, в законе Гаусса для гравитации и электричества. В случаях не зависящей от времени гравитации и электромагнетизма поля представляют собой градиенты соответствующих потенциалов. поэтому подстановка их в закон Гаусса для каждого случая дает

где ρ g плотность массы , ρ e — , плотность заряда G гравитационная постоянная и k e = 1/4πε 0 — электрическая силовая константа.

Между прочим, это сходство возникает из-за сходства закона тяготения Ньютона и закона Кулона .

В случае, когда нет исходного члена (например, вакуума или парных зарядов), эти потенциалы подчиняются уравнению Лапласа :

Для распределения массы (или заряда) потенциал можно разложить в ряд сферических гармоник , причем n- й член ряда можно рассматривать как потенциал, возникающий из-за 2 н -моменты (см. мультипольное разложение ). Для многих целей в расчетах необходимы только монопольные, дипольные и квадрупольные члены.

Релятивистская теория поля

[ редактировать ]

Современные формулировки классических теорий поля обычно требуют лоренц-ковариации, поскольку теперь она признана фундаментальным аспектом природы. Теория поля имеет тенденцию выражаться математически с использованием лагранжианов . Это функция, которая, будучи подчинена принципу действия , приводит к уравнениям поля и закону сохранения теории. Действие представляет собой скаляр Лоренца, из которого можно легко вывести уравнения поля и симметрии.

Всюду мы используем такие единицы измерения, что скорость света в вакууме равна 1, т. е. c = 1. [примечание 2]

Лагранжева динамика

[ редактировать ]

Учитывая тензор поля , скаляр, называемый плотностью Лагранжа может быть построен из и его производные.Из этой плотности можно построить функционал действия путем интегрирования по пространству-времени:

Где — это форма объема в искривленном пространстве-времени.

Следовательно, сам лагранжиан равен интегралу от плотности лагранжиана по всему пространству.

Тогда, применяя принцип действия , получаются уравнения Эйлера – Лагранжа

Релятивистские поля

[ редактировать ]

Ниже описаны две наиболее известные лоренц-ковариантные классические теории поля.

Электромагнетизм

[ редактировать ]

Исторически первыми (классическими) теориями поля были теории, описывающие электрическое и магнитное поля (отдельно). После многочисленных экспериментов было установлено, что эти два поля связаны между собой, или, по сути, являются двумя аспектами одного и того же поля: электромагнитного поля . Максвелла Теория электромагнетизма описывает взаимодействие заряженной материи с электромагнитным полем. Первая формулировка этой теории поля использовала векторные поля для описания электрических и магнитных полей. С появлением специальной теории относительности была найдена более полная формулировка с использованием тензорных полей. Вместо использования двух векторных полей, описывающих электрическое и магнитное поля, используется тензорное поле, представляющее эти два поля вместе.

Электромагнитный четырехпотенциал определяется как A a = (− φ , A ) и электромагнитный четырехток j a = (− ρ , j ) . Электромагнитное поле в любой точке пространства-времени описывается антисимметричным тензором электромагнитного поля (0,2)-ранга.

Лагранжиан

[ редактировать ]

Чтобы получить динамику этого поля, мы пытаемся построить скаляр из поля. В вакууме мы имеем

Мы можем использовать теорию калибровочного поля , чтобы получить член взаимодействия, и это дает нам

Уравнения

[ редактировать ]

Чтобы получить уравнения поля, электромагнитный тензор в лагранжевой плотности необходимо заменить его определением в терминах 4-потенциала A , и именно этот потенциал входит в уравнения Эйлера-Лагранжа. ЭМ поле F в уравнениях ЭЛ не меняется. Поэтому,

Вычисление производной плотности Лагранжа по компонентам поля и производные компонент поля получает уравнения Максвелла в вакууме. Исходные уравнения (закон Гаусса для электричества и закон Максвелла-Ампера) имеют вид в то время как два других (закон Гаусса для магнетизма и закон Фарадея) получены из того факта, что F является 4-витком A , или, другими словами, из того факта, что тождество Бьянки справедливо для тензора электромагнитного поля. [5]

где запятая указывает на частную производную .

Гравитация

[ редактировать ]

После того, как ньютоновская гравитация оказалась несовместимой со специальной теорией относительности , Альберт Эйнштейн сформулировал новую теорию гравитации, названную общей теорией относительности . Здесь гравитация рассматривается как геометрическое явление («искривленное пространство-время »), вызванное массами, и представляет гравитационное поле математически в виде тензорного поля , называемого метрическим тензором . Уравнения поля Эйнштейна описывают, как возникает эта кривизна. Ньютоновская гравитация теперь заменена общей теорией относительности Эйнштейна , в которой гравитация рассматривается как результат искривления пространства-времени , вызванного массами. Уравнения поля Эйнштейна, описать, как эта кривизна создается материей и излучением, где G ab тензор Эйнштейна , записанные в терминах тензора Риччи R ab и скаляра Риччи R = R ab g аб , T ab тензор энергии-импульса и κ = 8 πG / c 4 является константой. В отсутствие материи и излучения (включая источники) вакуумного поля уравнения может быть получено путем варьирования действия Эйнштейна – Гильберта , относительно метрики, где g определитель метрического тензора g аб . Решения уравнений вакуумного поля называются вакуумными решениями . Альтернативная интерпретация, предложенная Артуром Эддингтоном , заключается в том, что является фундаментальным, является лишь одним из аспектов , и обусловлен выбором единиц измерения.

Дальнейшие примеры

[ редактировать ]

Дальнейшие примеры лоренц-ковариантных классических теорий поля:

Попытки объединения

[ редактировать ]

Попытки создать единую теорию поля на основе классической физики — это классические единые теории поля. В годы между двумя мировыми войнами идею объединения гравитации с электромагнетизмом активно продвигали несколько математиков и физиков, таких как Альберт Эйнштейн , Теодор Калуца , [6] Герман Вейль , [7] Артур Эддингтон , [8] Густав Мие [9] и Эрнст Райхенбахер. [10]

Ранние попытки создать такую ​​теорию были основаны на включении электромагнитных полей в геометрию общей теории относительности . В 1918 году аргументы в пользу первой геометризации электромагнитного поля были предложены Германом Вейлем в 1918 году. [11] В 1919 году идею пятимерного подхода предложил Теодор Калуца . [11] теория под названием «Теория Калуцы-Клейна» На основе этого была разработана . Он пытается объединить гравитацию и электромагнетизм в пятимерном пространстве-времени .Существует несколько способов расширения репрезентативной структуры единой теории поля, которые рассматривались Эйнштейном и другими исследователями. Эти расширения в целом основаны на двух вариантах. [11] Первый вариант основан на смягчении условий, наложенных на исходную формулировку, второй — на введении в теорию других математических объектов. [11] Примером первого варианта является ослабление ограничений на четырехмерное пространство-время за счет рассмотрения многомерных представлений. [11] Это используется в теории Калуцы-Клейна . Во-вторых, наиболее ярким примером является концепция аффинной связи , которая была введена в общую теорию относительности главным образом благодаря работам Туллио Леви-Чивита и Германа Вейля . [11]

Дальнейшее развитие квантовой теории поля изменило фокус поиска единой теории поля с классического описания на квантовое. Из-за этого многие физики-теоретики отказались от поисков классической единой теории поля. [11] Квантовая теория поля предполагает объединение двух других фундаментальных сил природы : сильного и слабого ядерного взаимодействия , действующих на субатомном уровне. [12] [13]

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Это зависит от правильного выбора калибра . φ и A не определяются однозначно ρ и J ; скорее, они определяются только с точностью до некоторой скалярной функции f ( r , t ), известной как калибровка. Формализм запаздывающего потенциала требует выбора калибровки Лоренца .
  2. ^ Это эквивалентно выбору единиц измерения расстояния и времени: световых секунд и секунд или световых лет и лет. Выбор c = 1 позволяет упростить уравнения. Например, E = mc 2 сводится к E = m (поскольку c 2 = 1, без учета единиц измерения). Это снижает сложность выражений, сохраняя при этом внимание к основным принципам. Эту «хитрость» необходимо учитывать при выполнении реальных численных расчетов.
  1. ^ Jump up to: а б с Клеппнер, Дэвид; Коленков, Роберт. Введение в механику . п. 85.
  2. ^ Гриффитс, Дэвид. Введение в электродинамику (3-е изд.). п. 326.
  3. ^ Вангснесс, Роальд. Электромагнитные поля (2-е изд.). п. 469.
  4. ^ Джеймс МакКаллах (1839) Очерк динамической теории кристаллического отражения и преломления , Труды, Королевская ирландская академия 21
  5. ^ «Идентичность Бьянки» .
  6. ^ Калуца, Теодор (1921). «О проблеме единства в физике». Зона встреч Пруссия. Академическая наука Берлин. (Математика и физика) : 966–972. Бибкод : 1921SPAW.......966K .
  7. ^ Вейль, Х. (1918). «Гравитация и электричество». Сиденье. Академическая наука : 465.
  8. ^ Эддингтон, А.С. (1924). Математическая теория относительности, 2-е изд . Кембриджский университет. Нажимать.
  9. ^ Ми, Г. (1912). «Основы теории материи» . Энн. Физ . 37 (3): 511–534. Бибкод : 1912АнП...342..511М . дои : 10.1002/andp.19123420306 .
  10. ^ Райхенбахер, Э. (1917). «Основные положения теории электричества и гравитации» . Энн. Физ . 52 (2): 134–173. Бибкод : 1917АнП...357..134Р . дои : 10.1002/andp.19173570203 .
  11. ^ Jump up to: а б с д и ж г Зауэр, Тилман (май 2014 г.), «Программа единой теории поля Эйнштейна», в Янссене, Мишель; Ленер, Кристоф (ред.), Кембриджский спутник Эйнштейна , Cambridge University Press, ISBN  9781139024525
  12. ^ Гадзирайи Ньямбуя, Золотой (октябрь 2007 г.). «Единая теория поля - Статья I, Гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие» (PDF) . Апейрон . 14 (4): 321 . Проверено 30 декабря 2017 г.
  13. ^ Де Бур, В. (1994). «Теории Великого объединения и суперсимметрия в физике элементарных частиц и космологии» (PDF) . Прогресс в области физики элементарных частиц и ядерной физики . 33 : 201–301. arXiv : hep-ph/9402266 . Бибкод : 1994ПрПНП..33..201Д . дои : 10.1016/0146-6410(94)90045-0 . S2CID   119353300 . Проверено 30 декабря 2017 г.

Источники

[ редактировать ]
  • Трусделл, К. ; Тупин, Р.А. (1960). «Классические теории поля». Во Флюгге, Зигфрид (ред.). Основы классической механики и теории поля/Принципы классической механики и теории поля . Справочник по физике (Энциклопедия физики). Том III/1. Берлин – Гейдельберг – Нью-Йорк: Springer-Verlag. стр. 226–793. Збл   0118.39702 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 8e4f3866e86db965b5843b1e320e0961__1715362800
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/8e/61/8e4f3866e86db965b5843b1e320e0961.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Classical field theory - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)