Добавь сайт в закладки! Инструкция по ссылке.
Если уж совсем кратко, то поля предоставляют метод, с помощью которого можно избежать «действия на расстоянии», подобного тому, которое беспокоило Ньютона, и предоставляют удобный метод работы со специальной и общей теорией относительности. Но полный ответ требует обсуждения специальной теории относительности, точной природы полей, сэра Исаака Ньютона и современной квантовой теории поля.
Давайте начнем с изучения того, что же такое теория поля. Теория поля, по сути, является теорией физики, в которой все взаимодействия происходят посредством поля. В качестве знакомого примера можно смоделировать вертикальное движение поплавка на озере в терминах предмета «поплавок», взаимодействующего с полем «озеро». Рассмотрим бросание камня в озеро, в котором плавает поплавок.
Камень и поплавок взаимодействуют с водным «полем», создавая бегущую, самовзаимодействующую волну в поле. Эта волна в конечном итоге достигает поплавка и заставляет его двигаться. Во многом таким же образом во всех известных теориях поля силы распространяются волнами взамовзаимодействующих полей, вызванных возмущениями поля. Теории поля сегодня определяются как набор правил, создающих самовзаимодействующее поле, посредством которого можно моделировать взаимодействие между частицами.
Самый важный вывод из этого обсуждения заключается в том, что поля предоставляют альтернативный метод моделирования взаимодействий в мире, они не «вещь», а пропагатор взаимодействий, и они точно определены во всех точках пространства.
Определив понятие поля и теорию поля, пора вернуться к изначальному вопросу: в чем смысл теории поля и почему она была разработана? Ответ заключается в том, что в значительной степени они существуют для того, чтобы справиться с эксцентриситетами специальной теории относительности и избежать действия на расстоянии.
Первоначальная формулировка законов движения Ньютона предполагала, что силы возникают между объектами мгновенно, независимо от расстояния, и такие силы возникают без какой-либо промежуточной среды для передачи силы.
Наблюдательный или философски настроенный человек мог бы увидеть что-то несколько тревожное в этом утверждении: как что-то может передаваться ничем?
Концепция силы, передаваемой ничем, была столь же тревожной для современников, однако у Ньютона было что-то на его стороне; законы работали. Снова и снова законы Ньютона оказывались на первом месте при предсказании астрономических явлений. И поэтому философские последствия законов движения Ньютона были заметены под ковер, а инженерам и любознательным выпускникам физических вузов говорили: «Не думайте об этом слишком много». Это прямая цитата.
Полевая формулировка гравитации и электромагнетизма в рамках классической механики обошла эту проблему. Формулируя гравитацию как поле, которое взаимодействует с объектами и распространяет эти взаимодействия как волну, можно было избежать явления действия на расстоянии, успокоив философов. Кроме того, электромагнетизм отказывался выражаться как что-либо, кроме теории поля: просто невозможно заставить работать корпускулярную магнитную теорию.
До этого момента физика в основном могла быть выражена как в терминах законов Ньютона, так и в терминах полевой формулировки. Специальная теория относительности начала это менять. Специальная теория относительности предложила ряд математических правил, которые исходят из двух постулатов:
- Скорость света постоянна во всех системах отсчёта
- Законы физики одинаковы во всех системах отсчета
Нюансы этого явления требуют физического образования для понимания. Достаточно сказать, что эти правила сделали физику неизмеримо более сложной. В частности, они полностью нарушают законы Ньютона. Положение самого пространства меняется между системами отсчета.
Традиционные законы физики Ньютона нарушаются при этих обстоятельствах, поскольку можно преобразовать системы отсчета, чтобы объекты казались близкими и, таким образом, произвольными. Это проблема: физика должна быть одинаковой во всех системах отсчета, помните?
К счастью, теории поля не ломаются. Помните, как я говорил ранее, что поля точно определены во всех положениях? Оказывается, это означает, что выполнение смены системы отсчета в физике из одной системы отсчета в другую также преобразует поле. Еще лучше, когда происходит это преобразование, физика работает точно так же, как и раньше. В результате правильно построенные теории поля являются тем, что известно как «релятивистски инвариантные»: они не ломаются, когда вы применяете специальную теорию относительности. Гравитация и электромагнетизм могут быть отформатированы так, чтобы подчиняться этому соотношению. Однако, если задать проблему наоборот, то есть спросить «какие поля релятивистски инвариантны», то это окажется вопросом, который определяет большую часть нашей Вселенной.
Вы слышали о Стандартной модели? Квантовой теории поля? Квантовых лагранжианах? Оказывается, все они относятся к полям, которые находятся в квантовой сфере и определены как релятивистски инвариантные. С помощью некоторой комплексной алгебры Ли можно определить все возможные поля, которые можно спроектировать, которые являются релятивистски инвариантными. Затем оказывается, что каждое из этих определений появляется где-то в стандартной модели физики элементарных частиц.
Чтобы окончательно ответить на вопрос, по сути, концепция «поля» и концепция «специальной теории относительности» объединяются, чтобы буквально определить почти все в этом мире.
Они используются для создания стандартной модели, о которой вы слышите, которая управляет протонами, электронами и всем, что между ними. Однако есть одна вещь, которую стандартная модель пока не охватывает: гравитация. Если вы когда-нибудь захотите поставить в неловкое положение теоретика частиц, просто спросите его, как стандартная модель учитывает гравитацию.
Поделись видео: