Fysiikassa kenttä on fyysinen objekti, jota kuvataan klassisesti matemaattisella skalaarilla , vektorilla , tensorilla , spinorikentällä (tai jollain tällaisten matemaattisten kenttien joukolla), joka noudattaa dynaamisia yhtälöitä (liikeyhtälöitä, tässä tapauksessa kutsutaan kenttäyhtälöiksi tai kenttäyhtälöiksi - yleensä nämä ovat differentiaaliyhtälöitä osittaisissa derivaatoissa ). Toisin sanoen fyysistä kenttää edustaa jokin dynaaminen fyysinen suure [1] (kutsutaan kenttämuuttujaksi [2] ), joka on määritelty kaikissa [3]avaruuden pisteet (ja yleisesti ottaen erilaisten arvojen hyväksyminen tilan eri pisteissä, sen lisäksi, että ne muuttuvat ajan myötä [4] ).
Kvanttikenttäteoriassa kenttämuuttujaa voidaan tarkastella muodollisesti samalla tavalla kuin tavallisessa kvanttimekaniikassa tilakoordinaattia ja vastaavannimistä kvanttioperaattoria liitetään kenttämuuttujaan.
Kenttäparadigma , joka edustaa koko fyysistä todellisuutta perustasolla ja pelkistyy pieneen määrään vuorovaikutuksessa olevia (kvantisoituja) kenttiä, ei ole vain yksi modernin fysiikan tärkeimmistä, vaan ehkä myös kiistatta hallitseva [5] .
Helpoin tapa on visualisoida kenttä (jos kyse on esimerkiksi peruskentistä, joilla ei ole ilmeistä suoraa mekaanista luonnetta [6] ) jonkin (hypoteettisen tai yksinkertaisesti kuvitteellisen) häiriönä (poikkeama tasapainosta, liike) jatkuva väliaine, joka täyttää koko tilan. Esimerkiksi elastisen väliaineen muodonmuutos, jonka liikeyhtälöt ovat yhtäpitäviä tai ovat lähellä sen abstraktimman kentän kenttäyhtälöitä, jotka haluamme visualisoida. Historiallisesti tällaista välinettä kutsuttiin eetteriksi, mutta myöhemmin termi lähes kokonaan poistui käytöstä [7] ja sen oletettu fyysisesti merkityksellinen osa sulautui kentän käsitteeseen. Kuitenkin fyysisen kentän käsitteen perustavanlaatuisen visuaalisen ymmärryksen kannalta tällainen esitys on hyödyllinen, kun otetaan huomioon se tosiasia, että nykyfysiikan puitteissa tällainen lähestymistapa hyväksytään yleensä yleisesti vain esimerkkinä. [8] .
Fysikaalista kenttää voidaan siis luonnehtia hajautetuksi dynaamiseksi järjestelmäksi, jolla on ääretön määrä vapausasteita .
Kenttämuuttujan rooli peruskentillä on usein potentiaalilla (skalaari, vektori, tensori), joskus suurella, jota kutsutaan kentän voimakkuudeksi ( kvantisoiduille kentille vastaava operaattori on tietyssä mielessä myös yleistys klassinen kenttämuuttujan käsite ).
Myös fysiikan kenttä on fysikaalinen suure, jota pidetään paikasta riippuvaisena: kokonaisena kokonaisuutena, yleisesti ottaen tämän suuren eri arvoista jonkin laajennetun jatkuvan kappaleen kaikille pisteille - jatkuvana väliaineena , joka kuvaa kokonaisuuttaan tämän laajennetun kappaleen tila tai liike [9] . Esimerkkejä tällaisista kentistä voivat olla:
Tällaisten kenttien dynamiikkaa kuvataan myös osittaisdifferentiaaliyhtälöillä , ja historiallisesti, 1700-luvulta lähtien, juuri sellaisia kenttiä otettiin fysiikassa ensimmäistä kertaa huomioon.
Moderni fysikaalisen kentän käsite syntyi ideasta sähkömagneettisesta kentästä , jonka Faraday toteutti ensin fysikaalisesti konkreettisessa ja suhteellisen lähellä modernia muotoa ja jonka Maxwell toteutti matemaattisesti johdonmukaisesti - alun perin käyttämällä hypoteettisen jatkuvan aineen mekaanista mallia. - eetteri , mutta meni sitten mekaanisen mallin käyttöä pidemmälle.
Fysiikan aloista erotetaan niin sanotut perustavanlaatuiset. Nämä ovat kenttiä, jotka modernin fysiikan kenttäparadigman mukaan muodostavat perustan fyysiselle maailmakuvalle, joista johdetaan kaikki muut kentät ja vuorovaikutukset. Ne sisältävät kaksi pääluokkaa kentät, jotka ovat vuorovaikutuksessa keskenään:
On teorioita (esim. merkkijonoteoria , monet muut yhdistämisteoriat ), joissa peruskenttien roolissa on useita muita, näiden teorioiden, kenttien tai objektien (ja nykyisten peruskenttien) kannalta vieläkin perustavanlaatuisempia. esiintyä tai sen pitäisi esiintyä näissä teorioissa jossain likimäärässä "fenomenologisena" seurauksena). Tällaisia teorioita ei kuitenkaan ole vielä riittävästi vahvistettu tai yleisesti hyväksytty.
Historiallisesti peruskenttien joukosta löydettiin ensin kentät , jotka vastaavat sähkömagneettisesta ( sähkö- ja magneettikentästä , jotka yhdistettiin sitten sähkömagneettiseksi kenttään ) ja gravitaatiovuorovaikutuksesta (täsmälleen fysikaalisina kentinä [10] ). Nämä alat on löydetty ja tutkittu riittävän yksityiskohtaisesti jo klassisessa fysiikassa. Aluksi nämä kentät (Newtonin gravitaatioteorian, sähköstaattisen ja magnetostaattisen teorian puitteissa) pitivät useimpia fyysikoita pikemminkin muodollisina matemaattisina esineinä, jotka esiteltiin muodollisen mukavuuden vuoksi, eivätkä täysimittaisena fyysisenä todellisuutena huolimatta yrityksistä syvempään fyysiseen todellisuuteen. ymmärrystä, joka kuitenkin jäi melko epämääräiseksi tai ei tuottanut liian merkittävää hedelmää [11] . Mutta Faradaysta ja Maxwellista lähtien lähestymistapaa kenttään (tässä tapauksessa sähkömagneettiseen kenttään) täysin merkityksellisenä fyysisenä todellisuutena alettiin soveltaa systemaattisesti ja erittäin hedelmällisesti, mukaan lukien merkittävä läpimurto näiden ajatusten matemaattisessa muotoilussa.
Heikkoa vuorovaikutusta ja vahvaa vuorovaikutusta vastaavat kentät (joilla on tärkeä rooli ydinfysiikassa ja hiukkasfysiikassa; jälkimmäinen - mm. ydinvoimien selityksessä) löydettiin paljon myöhemmin, koska ne ilmenevät käytännössä vasta atomin ytimen ja hiukkasten fysiikka sellaisilla energioilla ja etäisyyksillä, jotka periaatteessa kuuluvat kvanttiteorioiden alaan.
Siitä huolimatta periaatteessa (huolimatta siitä, että tätä ei ole helppo havaita kaikkien osalta suoraan) kaikki neljä mainituista kentästä ilmenevät välittäjinä varautuneiden (erityyppisten varausten) kappaleiden (hiukkasten) vuorovaikutuksessa, siirtäen tämä vuorovaikutus äärellisellä nopeudella (valon nopeudella), kun taas vuorovaikutuksen intensiteetti ( voima ) määräytyy kappaleiden sijainnin ja liikkeen lisäksi niiden varauksista: massa (painovoimavaraus) gravitaatiokentässä , sähkövaraus sähkömagneettinen jne.
Toinen ratkaiseva hetki fyysikkojen tunnustusta saavassa kenttäkonseptissa oli Maxwellin teorian kokeellinen vahvistus vuonna 1887 Heinrich Hertzin toimesta , joka sai suoria kokeellisia todisteita Maxwellin ennustamien sähkömagneettisten aaltojen olemassaolosta (mikä lopulta mahdollisti mm. liittää optiikan, joka oli aiemmin ollut itsenäinen fysiikan ala, sähkömagneettiseen teoriaan, ja tämä oli erittäin merkittävä edistysaskel fysiikan sisäisen koherenssin lisäämisen suuntaan).
Vähitellen kävi ilmi, että kentällä on melkein kaikki täysimittaisen fyysisen todellisuuden ominaisuudet, mukaan lukien kyky siirtää energiaa ja liikemäärää, ja jopa tietyissä olosuhteissa tehokas massa [12] .
Toisaalta kvanttimekaniikan kehittyessä kävi yhä selvemmäksi, että aineella (hiukkasilla) on ominaisuuksia, jotka ovat teoreettisesti kentille ominaisia.
Kvanttimekaniikan luomisen ja kvanttikäsitteiden melko syvällisen kehittämisen jälkeen kävi selväksi, että kaikki aine, mukaan lukien aine, kuvataan kvantisoiduilla kentillä : erillisillä peruskentillä (kuten elektronilla ) tai niiden kollektiivisilla virityksillä (kuten protoni , joka koostuu kolme kvarkkia ja gluonikenttä ). Peruskenttien yksittäiset kvanttiviritykset ovat alkuainehiukkasia . Fotonit , vektoribosonit , gluonit , gravitonit (jotka eivät ole vielä kiinnittyneinä yksittäisiksi hiukkasiksi), leptonit ja kvarkit ovat tällaisia erityyppisten peruskenttien kvanttiviritteitä. Kenttäyhtälöt vapaille kentille, niiden kvantisointi, eri kenttien vuorovaikutus löydettiin ja tutkittiin yksityiskohtaisesti [13] .
Siten kävi ilmi, että fyysinen maailmankuva voidaan perustassaan pelkistää kvantisoituihin kenttiin ja niiden vuorovaikutukseen.
Jossain määrin, pääasiassa trajektorioiden ja Feynman-kaavioiden integroinnin formalismin puitteissa, tapahtui myös päinvastainen liike: kentät voidaan esittää huomattavassa määrin melkein klassisina hiukkasina (tarkemmin sanottuna äärettömän määrän melkein superpositiona). klassiset hiukkaset, jotka liikkuvat kaikkia ajateltavissa olevia lentoratoja pitkin) ja kenttien vuorovaikutus toistensa kanssa - toistensa syntymisenä ja absorptioina hiukkasten toimesta (myös kaikkien ajateltavissa olevien muunnelmien superpositiolla). Ja vaikka tämä lähestymistapa on erittäin kaunis, kätevä ja mahdollistaa monessa suhteessa psykologisesti palaamisen ajatukseen hiukkasesta, jolla on hyvin määritelty lentorata, se ei kuitenkaan voi kumota kenttäkuvaa asioista, eikä se ole edes täysin symmetrinen vaihtoehto se (ja siksi yhä lähempänä kaunista, psykologisesti ja käytännössä kätevää, mutta silti vain muodollista laitetta kuin täysin itsenäistä käsitettä). Tässä on kaksi keskeistä kohtaa:
Siten voimme päätellä, että polun integrointi lähestymistapa on, vaikkakin psykologisesti erittäin kätevä (esim. kolmen vapausasteen pistepartikkeli on paljon yksinkertaisempi kuin sitä kuvaava äärettömän ulottuvuuden kenttä) ja se on osoittautunut käytännölliseksi tuottavaksi, mutta silti vain tietty uudelleenmuotoilu , vaikkakin melko radikaali kenttäkäsite, eikä sen vaihtoehto.
Ja vaikka tämän kielen sanoissa kaikki näyttää hyvin "korpuskulaariselta" (esimerkiksi: "varautuneiden hiukkasten vuorovaikutus selittyy toisen hiukkasen vaihdolla - vuorovaikutuksen kantaja" tai "kahden elektronin keskinäinen hylkiminen johtuu vaihdosta niiden välisestä virtuaalisesta fotonista”), mutta tämän takana on sellainen tyypillinen kenttätodellisuus, kuten aaltojen eteneminen, vaikkakin melko hyvin piilotettuna tehokkaan laskentakaavan luomiseksi ja monessa suhteessa lisämahdollisuuksien laadulliseen ymmärtämiseen.
Tällä hetkellä (2012) useita sähköheikkoihin , voimakkaisiin ja gravitaatiovuorovaikutuksiin liittyviä kenttiä pidetään perusbosonisina (mittari)kenttinä . Perusfermioniset kentät sisältävät useiden leptonien ja kvarkkien "sukupolvien" spinorikentät.
Standardimallin puitteissa seuraavat kentät ovat perustavanlaatuisia
Perusfermioniset kentätJokaisella perusfermionilla (jokainen kvarkkityyppi ja jokainen leptonityyppi ) vakiomallin puitteissa on oma kenttänsä, jota matemaattisesti edustaa spinorikenttä .
Perusbosoniset kentät (kentät ovat perustavanlaatuisten vuorovaikutusten kantajia )Nämä standardimallin puitteissa olevat kentät ovat mittarikenttiä . Seuraavat tyypit tunnetaan:
Hypoteettisiksi laajassa mielessä voidaan katsoa mitä tahansa teoreettisia objekteja (esimerkiksi kenttiä), joita kuvataan teorioilla, jotka eivät sisällä sisäisiä ristiriitoja, jotka eivät ole nimenomaisesti ristiriidassa havaintojen kanssa ja jotka samalla pystyvät antamaan havaittavia seurauksia, jotka mahdollistavat tehdä valinta näiden teorioiden hyväksi verrattuna nyt hyväksyttyihin teorioihin. Alla puhumme (ja tämä yleensä vastaa termin tavallista ymmärrystä) pääasiassa hypoteettisuudesta tässä suppeammassa ja tiukemmassa merkityksessä, mikä viittaa hypoteesiksi kutsumamme oletuksen pätevyyteen ja falsifioitavuuteen.
Teoreettisessa fysiikassa tarkastellaan monia erilaisia hypoteettisia kenttiä, joista jokainen kuuluu tiettyyn tiettyyn teoriaan (tyypiltään ja matemaattisista ominaisuuksistaan nämä kentät voivat olla täysin tai melkein samoja kuin tunnetut ei-hypoteettiset kentät, ja ne voivat erota enemmän tai vähemmän voimakkaasti; molemmissa tapauksissa niiden hypoteettisuus tarkoittaa sitä, että niitä ei ole vielä havaittu todellisuudessa, ei ole löydetty kokeellisesti; joidenkin hypoteettisten kenttien suhteen voi kysyä, voidaanko niitä periaatteessa havaita, ja jopa voivatko ne olla olemassa - esimerkiksi jos teoria, jossa ne ovat, yhtäkkiä osoittautuu sisäisesti epäjohdonmukaiseksi).
Kysymys siitä, mitä pitäisi pitää kriteerinä, joka mahdollistaa tietyn kentän siirtämisen hypoteettisen kategoriasta todellisen kategoriaan, on melko ohut, koska tietyn teorian vahvistus ja tiettyjen siihen sisältyvien esineiden todellisuus ovat usein enemmän tai vähemmän epäsuoraa. Tässä tapauksessa asia jää yleensä johonkin järkevään sopimukseen tiedeyhteisöltä (jonka jäsenet ovat enemmän tai vähemmän tietoisia tosiasiallisen vahvistusasteesta).
Varsin hyvin vahvistetuissakin teorioissa on paikka hypoteettisille aloille (tässä puhutaan siitä, että teorian eri osia on testattu vaihtelevalla perusteellisella tasolla ja joitain aloja, joilla on niissä tärkeä rooli periaatteessa eivät ole vielä ilmentyneet kokeessa aivan varmasti, eli ne näyttävät toistaiseksi täsmälleen yhtä tai toista teoreettista tarkoitusta varten keksityltä hypoteesilta, kun taas muita samassa teoriassa esiintyviä aloja on jo tutkittu tarpeeksi hyvin, jotta niistä voidaan puhua todellisuutena).
Esimerkki tällaisesta hypoteettisesta kentästä on Higgsin kenttä , joka on tärkeä standardimallissa , jonka muut kentät eivät suinkaan ole hypoteettisia, ja itse mallin, vaikkakin väistämättömin varoin, katsotaan kuvaavan todellisuutta (ainakin siinä määrin kuin todellisuus tiedetään).
On monia teorioita, jotka sisältävät kenttiä, joita (toistaiseksi) ei ole koskaan havaittu, ja joskus nämä teoriat itse antavat sellaisia arvioita, että niiden hypoteettiset kentät ilmeisesti (johtuen niiden ilmentymisen heikkoudesta, joka seuraa itse teoriasta) eikä periaatteessa voi olla havaittavissa lähitulevaisuudessa (esim. vääntökenttä ). Tällaisia teorioita (jos ne eivät sisällä käytännössä todentamattomien lisäksi riittävää määrää helpommin todennettavia seurauksia) ei pidetä käytännön kiinnostavina, ellei niiden testaamiseen ilmaantuu jokin ei-triviaali uusi tapa, jolla voidaan ohittaa ilmeiset. rajoituksia. Joskus (kuten esimerkiksi monissa vaihtoehtoisissa painovoimateorioissa - esimerkiksi Dicken kentässä ) otetaan käyttöön sellaisia hypoteettisia kenttiä, joiden ilmentymisen voimakkuudesta teoria itse ei voi sanoa yhtään mitään (esimerkiksi kytkentävakio tämän kentän muiden kanssa on tuntematon ja se voi olla yhtä suuri ja mielivaltaisen pieni); heillä ei yleensä ole kiire tarkistaa tällaisia teorioita (koska tällaisia teorioita on monia, ja jokainen niistä ei ole osoittanut käyttökelpoisuuttaan millään tavalla ja on jopa muodollisesti väärentämätön ), paitsi silloin, kun jokin niistä ei ala, jostain syystä vaikuttaa lupaavalta joidenkin ajankohtaisten vaikeuksien ratkaisemiseksi (tosin teorioiden seulominen väärentämättömyyden perusteella - varsinkin epämääräisten vakioiden takia - täällä joskus kieltäytyy, koska vakavaa hyvää teoriaa voidaan joskus testata siinä toivossa että sen vaikutus löydetään, vaikka siitä ei ole takeita; tämä pätee erityisesti silloin, kun ehdokasteorioita on vähän tai jotkut niistä näyttävät pohjimmiltaan erityisen mielenkiintoisilta; myös tapauksissa, joissa on mahdollista testata teorioita laaja luokka kerralla tunnettujen parametrien mukaan, ilman erityisiä ponnisteluja jokaisen testaamiseen erikseen).
On myös huomattava, että hypoteettisiksi on tapana kutsua vain sellaisia kenttiä, joilla ei ole lainkaan havaittavia ilmenemismuotoja (tai ne ovat riittämättömiä, kuten Higgsin kentän tapauksessa). Jos fyysisen kentän olemassaolo on lujasti vahvistettu sen havaittavilla ilmenemismuodoilla ja puhumme vain sen teoreettisen kuvauksen parantamisesta (esimerkiksi Newtonin gravitaatiokentän korvaamisesta yleisen suhteellisuusteorian metrisen tensorin kentällä ), niin se on ei yleensä ole tapana puhua yhdestä tai toisesta hypoteettisina (vaikka yleisen suhteellisuusteorian varhaisessa tilanteessa voitaisiin puhua gravitaatiokentän tensoriluonteen hypoteettisesta luonteesta).
Lopuksi mainitaan sellaiset kentät, joiden tyyppi on varsin epätavallinen, eli teoriassa varsin ajateltavissa, mutta käytännössä (ja joissakin tapauksissa alan kehityksen alkuvaiheissa) ei ole koskaan havaittu tämäntyyppisiä kenttiä. teoriansa johdonmukaisuudesta saattaa syntyä epäilyksiä). Ensinnäkin näiden tulisi sisältää takyonikentät . Itse asiassa takyonikenttiä voidaan pikemminkin kutsua vain potentiaalisesti hypoteettisiksi (eli ne eivät saavuta valistuneen arvauksen statusta ), koska tunnetuilla erityisillä teorioilla, joissa niillä on enemmän tai vähemmän merkittävä rooli, esimerkiksi merkkijonoteoria , on eivät itse saavuttaneet riittävän vahvistetun aseman [14] .
Vielä eksoottisemmat (esim. Lorentzin ei-invariantti - suhteellisuusperiaatetta loukkaavat ) kentät (huolimatta siitä, että ne ovat abstrakteja-teoreettisesti varsin ajateltavia) modernissa fysiikan voidaan katsoa olevan melko kaukana perustellun oletuksen rajojen ulkopuolella. , eli tarkasti ottaen niitä ei pidetä edes hypoteettisina [15] .