История философии теории поля

В Isaac Newton «s классической гравитации , масса является источником привлекательном гравитационного поля .

Теория поля зародилась в 18 веке в математической формулировке ньютоновской механики , но считалась несовершенной, поскольку предполагала 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 свое объединение электричества и магнетизма в своей электромагнитной теории.

С Альберта Эйнштейна «s специальной теории относительности и эксперимент Майкельсона-Морли , стало ясно , что электромагнитные волны не путешествовать как колебания в физическом эфире ; и в физике Эйнштейна не было разницы между эффектами поля и действием на расстоянии.

В квантовой теории поля поля становятся фундаментальными объектами изучения, а частицы - возбуждениями этих полей.

Исторический контекст [ править ]

Теория поля , изучение динамических полей в физике, изначально была математической формулировкой ньютоновской механики . Успех ньютоновской физики с момента публикации « Начала» Исаака Ньютона в 1687 году обеспечил основу для исследования движения и сил, связанных с электричеством и магнетизмом . Шарль-Огюстен де Кулон показал в 1785 году, что сила отталкивания между двумя электрически заряженными сферами подчиняется тому же (с точностью до знака) закону силы, что и закон всемирного тяготения Ньютона.: сила между двумя телами направлена ​​вдоль линии, разделяющей тела, и ее величина пропорциональна произведению их зарядов (для гравитации, их масс), разделенных на квадрат расстояния между ними. Андре-Мари Ампер показал в 1823 году, что сила между бесконечно малыми длинами проводов с током аналогично подчиняется закону обратных квадратов , так что сила направлена ​​вдоль линии разделения между элементами проводов. ^[1]

Несмотря на успех этих теорий в точных численных предсказаниях широкого круга явлений, они, как правило, считались несовершенными, как натурфилософские теории механики, поскольку все они, по сути, были механизмами действия на расстоянии . В контексте развития теории поля тот факт, что функция могла быть записана для определения силы на единицу массы , заряда или тока для каждой точки пространства, был просто математической конструкцией. По метафизическим причинам ^{[2] [3]} считалось несостоятельным, что сила действует через пустое пространство, и, следовательно, эти законы силы считались просто описательными, а не объяснительными.

Чтобы объяснить кажущееся действие на расстоянии и дать механике основание в метафизике, в 1786 году Иммануил Кант предложил более общее определение материи :

«Материя - это то, что движется и заполняет пространство. Заполнить пространство - значит противостоять любой другой движущейся вещи, которая пытается переместиться в это пространство. Незаполненное пространство - это пустое пространство». ^[4]

Поскольку это определение очень широкое, неясно, имел ли Кант в виду для своей «материи» то же самое, что открыл бы Майкл Фарадей . Сам Кант был сторонником теории эфира , о которой упоминается в его Opus Postumum . ^[3] Но независимо от того, в каком качестве метафизика Канта на самом деле предопределяет открытия Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла , она представляет собой одну из первых попыток согласовать действие на расстоянии на физических, а не математических основаниях.

Электромагнитное поле [ править ]

Открытие поля как физического объекта начинается с Майкла Фарадея . Фарадей ввел термин « магнитное поле » в своих исследованиях, постулируя, после открытия, что все составляющие материалы человека являются диамагнитными , что если бы человек был помещен в достаточно сильное магнитное поле, то они тоже выровнялись бы с полем. Фарадей не рассматривал это поле как простую математическую конструкцию для расчета сил между частицами - обладая лишь элементарной математической подготовкой, он не имел возможности абстрагироваться от реальности, чтобы делать количественные прогнозы. ^[1] Вместо этого он предположил, что существует «сила», заполняющая пространство, где электромагнитные поля были произведены и качественно рассуждены об этих силах с помощью «силовых линий»:

"Важным для определения этих линий является то, что они представляют собой определенное и неизменное количество силы. Хотя, следовательно, их формы, поскольку они существуют между двумя или более центрами или источниками силы, могут сильно различаться, а также пространство, через которое их можно проследить, но сумма мощностей, содержащихся в любой части данной части линий, в точности равна сумме мощностей в любой другой части тех же линий, как бы они ни были изменены по форме, как бы сходились или расходились они ни быть на втором месте ". ^[6]

Понимание Фарадеем поведения магнитных полей окажется бесценным для курса Джеймса Клерка Максвелла по объединению электричества и магнетизма в одну теорию. До написания своего Трактата Максвелл начал использовать строки Фарадея, чтобы рассуждать об электромагнитном поведении, и начал верить в их физическое существование:

"Прекрасная иллюстрация присутствия магнитной силы, предоставленная этим экспериментом ([железные опилки выравниваются в магнитном поле]), естественно, заставляет нас думать о силовых линиях как о чем-то реальном, и как о чем-то большем, чем просто результирующий двух сил, очаг действия которых находится на расстоянии, и которые не существуют там вообще, пока магнит не помещен в эту часть поля. Мы не удовлетворены объяснением, основанным на гипотезе о силах притяжения и отталкивания, направленных на магнитных полюсов, даже если мы, возможно, убедились, что явление находится в строгом соответствии с этой гипотезой, и мы не можем не думать, что в каждом месте, где мы находим эти силовые линии, какое-то физическое состояние или действие должно существовать с достаточной энергией, чтобы производить реальные явления ".^[7]

Но даже после своего « Трактата» и последующего открытия света как электромагнитной волны Максвелл продолжал верить в теорию эфира:

«Другая теория электричества, которую я предпочитаю, отрицает действие на расстоянии и приписывает электрическое действие напряжениям и давлениям во всепроникающей среде, причем эти напряжения по своему характеру такие же, как и те, которые знакомы инженерам, а среда идентична той, в которой свет должен распространяться ". ^[8]

Это считалось желательной чертой для физического описания, поскольку в нем не было бы ссылок на действия на расстоянии. В своей книге, подробно описывающей историю концепции действия на расстоянии, философ науки Мэри Гессе пишет:

«Существует физическая разница между гравитационным полем ... и полем скорости жидкости. В последнем случае функция поля является фактическим свойством материала в каждой точке поля, но в гравитационном случае потенциальная функция V является «потенциальным» в том смысле, что он не обязательно описывает материальное свойство поля ... он описывает потенциальное свойство, а именно силу, которая возникла бы, если бы небольшая масса была введена в поле в этой точке ». ^[9]

Но открытие специальной теории относительности и последующий эксперимент Майкельсона-Морли убедительно продемонстрировали, что эфир, движение которого как жидкость могло бы объяснить эффекты электромагнетизма, не мог существовать, как объяснил Эйнштейн:

Резюмируя, можно сказать, что согласно общей теории относительности пространство наделено физическими качествами; следовательно, в этом смысле существует эфир. Согласно общей теории относительности пространство без эфира немыслимо, ибо в таком пространстве существует не только не было бы распространения света, но и не было бы возможности существования эталонов пространства и времени (измерительных стержней и часов), а следовательно, и каких-либо пространственно-временных интервалов в физическом смысле. Но этот эфир нельзя рассматривать как наделен качественными характеристиками весомой среды, состоящей из частей, которые можно отслеживать во времени. Идея движения к ней неприменима ». ^[10]

Отсюда стало ясно, что в случае электромагнетизма нет основного материала, через который силы должны распространяться. В этих случаях не может быть никакого различия между эффектами поля, возникающего через потенциал, и эффектами силы «действия на расстоянии»; они математически эквивалентны и не могут предсказать различные явления, из которых можно опровергнуть ту или иную точку зрения. ^[11] В режиме классической физики существует фундаментальная двойственность между действием на расстоянии и эффектами поля.

Квантовые поля и эффект Унру [ править ]

Поля становятся фундаментальным объектом изучения квантовой теории поля . Математически квантовые поля формализованы как операторнозначные распределения. ^[12] Хотя прямого метода измерения самих полей не существует, структура 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 ». Кроме того, нет необходимости сохранять количество частиц в изолированной системе; пример процесса, для которого это тактормозное излучение . Эвристический предложившие частицы могут быть созданы и уничтожен найдено в Альберте Эйнштейн известного уравнения «s , который утверждает , что энергия и материи в принципе может быть обменен. Более подробное понимание структуры достигается путем изучения плотности лагранжиана теории поля, которая кодирует информацию о разрешенных взаимодействиях частиц. ^[13] E знак равно м c 2 {\ displaystyle E = mc ^ {2}}

Но даже в этой структуре, для которой не существует конкуренции действий на расстоянии, как в случае с классическими полями, квантовые поля можно рассматривать как просто математические инструменты для расчета динамики частиц. ^[a] В 1972 году решение о том, как понимать квантовую механику , все еще было делом вкуса и удобства ; Джулиан Швингер заметил, что:

«В конце концов [развитие математического формализма] привело к лагранжианам или формулировкам действия квантовой механики, появившимся в двух различных, но связанных формах, которые я различаю как дифференциальную и интегральную. Последняя, ​​возглавляемая Фейнманом, получила все освещение в прессе, но Я по-прежнему считаю, что дифференциальная точка зрения является более общей, более элегантной, более полезной и более связанной с исторической линией развития, такой как квантовая транскрипция принципа действия Гамильтона ». ^[14]

Исследование Стивена Фуллинга квантовой теории поля на фоне искривленного пространства-времени привело к ошеломляющему результату, заключающемуся в неоднозначности определения вакуумного состояния, разрешение которого привело бы к физически значимым выводам. ^{[B] [15]} Уильям Унрух исследовал и решил эту неоднозначность для Стивена Хокинга проблемы «с плотностью от расходящегося ультрафиолетовых частиц вблизи горизонта событий в виде черной дыры . ^[12] Он рассмотрел игрушечную модель детектора частиц, равномерно ускоряющегося через вакуумное состояние квантового поля в пространстве Минковского.(для чего нет двусмысленности). Он указал следующие условия:

• «Детектор частиц будет реагировать на состояния, которые имеют положительную частоту относительно собственного времени детектора, а не относительно какого-либо всемирного времени».
• «Процесс обнаружения квантов поля детектором, определяемый как возбуждение детектора полем, может соответствовать либо поглощению, либо испусканию квантов поля, когда детектор является ускоренным». ^[16]

Результат, который он обнаружил для своей игрушечной модели, заключался в том, что детектор, ускоряющийся с постоянной скоростью , обнаруживал излучение черного тела , поток фотонов, как если бы он был установлен в термостате с температурой . Приложение к проблеме Хокинга заключалось в том, что согласно принципу эквивалентности , стационарный наблюдатель около горизонта событий черной дыры, несущей детектор частиц, будет наблюдать возбуждение в детекторе, как если бы он ускорялся с огромной скоростью в плоском пространстве-времени, которое в противном случае находилось бы в вакуумном состоянии. . Этим объясняется расходящаяся плотность УФ-частиц вблизи горизонта событий. ^[12]${\ displaystyle a}$${\ displaystyle a / 2 \ pi}$

Чтобы понять, почему квантовое поле должно быть фундаментальным объектом изучения в релятивистской квантовой механике:

«Если рассматривать локальные поля как фундаментальные объекты теории, эффект Унру рассматривается как простое следствие того, как эти поля взаимодействуют с другими квантово-механическими системами (например,« детекторами частиц »). Если попытаться рассмотреть» частицы «как фундаментальные сущности теории, эффект Унру становится непостижимым». ^[12]

В этом смысле квантовые поля утверждают себя в отличие от классических полей. Тот факт, что ускоренная система отсчета имеет другое понятие времени ( координаты Риндлера ), означает, что у нее будет другое понятие энергии , частиц и вакуума. ^[17] Связь между такими понятиями понимается только в контексте теории поля.

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]