Классическая теория 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:
- Теория Клейна-Гордона для действительных или комплексных скалярных полей
- Теория Дирака для спинорного поля Дирака
- Теория Янга–Миллса для неабелева калибровочного 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 ]- ^ 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 .
- ^ 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.
Ссылки
[ редактировать ]Цитаты
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Клеппнер, Дэвид; Коленков, Роберт. Введение в механику . п. 85.
- ^ Гриффитс, Дэвид. Введение в электродинамику (3-е изд.). п. 326.
- ^ Вангснесс, Роальд. Электромагнитные поля (2-е изд.). п. 469.
- ^ Джеймс МакКаллах (1839) Очерк динамической теории кристаллического отражения и преломления , Труды, Королевская ирландская академия 21
- ^ «Идентичность Бьянки» .
- ^ Калуца, Теодор (1921). «О проблеме единства в физике». Зона встреч Пруссия. Академическая наука Берлин. (Математика и физика) : 966–972. Бибкод : 1921SPAW.......966K .
- ^ Вейль, Х. (1918). «Гравитация и электричество». Сиденье. Академическая наука : 465.
- ^ Эддингтон, А.С. (1924). Математическая теория относительности, 2-е изд . Кембриджский университет. Нажимать.
- ^ Ми, Г. (1912). «Основы теории материи» . Энн. Физ . 37 (3): 511–534. Бибкод : 1912АнП...342..511М . дои : 10.1002/andp.19123420306 .
- ^ Райхенбахер, Э. (1917). «Основные положения теории электричества и гравитации» . Энн. Физ . 52 (2): 134–173. Бибкод : 1917АнП...357..134Р . дои : 10.1002/andp.19173570203 .
- ^ 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
- ^ 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.
- ^ 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 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Тиде, Бо . «Теория электромагнитного поля» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 сентября 2003 г. Проверено 14 февраля 2006 г.
- Кэрролл, Шон М. (1997). «Конспекты лекций по общей теории относительности». arXiv : gr-qc/9712019 . Бибкод : 1997gr.qc....12019C .
{{cite journal}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь ) - Бинни, Джеймс Дж. «Конспекты лекций по классическим областям» (PDF) . Проверено 30 апреля 2007 г.
- Сарданашвили, Г. (ноябрь 2008 г.). «Передовая классическая теория поля». Международный журнал геометрических методов в современной физике . 5 (7): 1163–1189. arXiv : 0811.0331 . Бибкод : 2008IJGMM..05.1163S . дои : 10.1142/S0219887808003247 . ISBN 978-981-283-895-7 . S2CID 13884729 .