stringtranslate.com

Классическая теория поля

Классическая теория поля — это физическая теория , которая предсказывает, как одно или несколько полей в физике взаимодействуют с материей посредством уравнений поля , не принимая во внимание эффекты квантования ; теории, включающие квантовую механику, называются квантовыми теориями поля . В большинстве контекстов «классическая теория поля» специально предназначена для описания электромагнетизма и гравитации , двух фундаментальных сил природы.

Физическое поле можно рассматривать как назначение физической величины в каждой точке пространства и времени . Например, в прогнозе погоды скорость ветра в течение дня над страной описывается путем назначения вектора каждой точке пространства. Каждый вектор представляет направление движения воздуха в этой точке, поэтому набор всех векторов ветра в области в данный момент времени составляет векторное поле . В течение дня направления, в которых указывают векторы, меняются по мере изменения направления ветра.

Первые теории поля, ньютоновская гравитация и уравнения Максвелла электромагнитных полей были разработаны в классической физике до появления теории относительности в 1905 году и должны были быть пересмотрены, чтобы соответствовать этой теории. Следовательно, классические теории поля обычно подразделяются на нерелятивистские и релятивистские . Современные теории поля обычно выражаются с использованием математики тензорного исчисления . Более поздний альтернативный математический формализм описывает классические поля как секции математических объектов, называемых расслоениями волокон .

Нерелятивистские теории поля

Некоторые из самых простых физических полей — это векторные силовые поля. Исторически, впервые поля были восприняты всерьез с силовыми линиями Фарадея при описании электрического поля . Гравитационное поле затем было описано аналогичным образом.

Ньютоновская гравитация

Первой полевой теорией гравитации была теория тяготения Ньютона , в которой взаимодействие между двумя массами подчиняется закону обратных квадратов . Это было очень полезно для предсказания движения планет вокруг Солнца.

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

Согласно закону всемирного тяготения Ньютона , F ( r ) определяется как [1] ​​где - единичный вектор , направленный вдоль линии от M к m , а G - гравитационная постоянная Ньютона . Таким образом, гравитационное поле M равно [1]

Экспериментальное наблюдение, что инертная масса и гравитационная масса равны с беспрецедентной точностью, приводит к идентификации силы гравитационного поля как идентичной ускорению, испытываемому частицей. Это отправная точка принципа эквивалентности , который приводит к общей теории относительности .

Для дискретного набора масс, M i , расположенных в точках, r i , гравитационное поле в точке r , создаваемое массами, равно

Если вместо этого у нас есть непрерывное распределение масс ρ , то сумма заменяется интегралом,

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

В интегральной форме закон Гаусса для гравитации имеет вид , а в дифференциальной форме —

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

Электромагнетизм

Электростатика

Заряженная пробная частица с зарядом q испытывает силу F, основанную исключительно на ее заряде. Мы можем аналогично описать электрическое поле E, создаваемое исходным зарядом Q , так что F = q E :

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

Электрическое поле является консервативным и, следовательно, задается градиентом скалярного потенциала V ( r )

Закон Гаусса для электричества имеет интегральную форму, а в дифференциальной —

Магнитостатика

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

Магнитное поле в общем случае не является консервативным, и поэтому его обычно нельзя записать в терминах скалярного потенциала. Однако его можно записать в терминах векторного потенциала , A ( r ):

Закон Гаусса для магнетизма в интегральной форме имеет вид , а в дифференциальной — вид

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

Электродинамика

В общем случае, при наличии как плотности заряда ρ ( r , t ), так и плотности тока J ( r , t ), будут 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]

В качестве альтернативы можно описать систему в терминах ее скалярного и векторного потенциалов V и A. Набор интегральных уравнений, известных как запаздывающие потенциалы, позволяет вычислить V и A из ρ и J , [примечание 1] , и оттуда электрические и магнитные поля определяются с помощью соотношений [3]

Механика сплошной среды

Динамика жидкости

Динамика жидкости имеет поля давления, плотности и скорости потока, которые связаны законами сохранения энергии и импульса. Уравнение неразрывности массы является уравнением неразрывности, представляющим сохранение массы, а уравнения Навье–Стокса представляют сохранение импульса в жидкости, найденное из законов Ньютона, примененных к жидкости, если заданы плотность ρ , давление p , девиаторный тензор напряжений τ жидкости, а также внешние силы тела b . Поле скорости u является векторным полем для решения.

Другие примеры

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

Теория потенциала

Термин « потенциальная теория » возник из того факта, что в физике 19 века считалось, что фундаментальные силы природы выводятся из скалярных потенциалов , которые удовлетворяют уравнению Лапласа . Пуассон обратился к вопросу об устойчивости планетарных орбит , который уже был решен Лагранжем в первой степени приближения из сил возмущения, и вывел уравнение Пуассона , названное в его честь. Общая форма этого уравнения:

где σ — функция источника (как плотность, количество на единицу объема), а ø — скалярный потенциал, для которого требуется найти решение.

В ньютоновской гравитации массы являются источниками поля, так что линии поля заканчиваются на объектах, имеющих массу. Аналогично, заряды являются источниками и стоками электростатических полей: положительные заряды испускают линии электрического поля, а линии поля заканчиваются на отрицательных зарядах. Эти концепции поля также проиллюстрированы в общей теореме о расходимости , в частности, в законе Гаусса для гравитации и электричества. Для случаев гравитации и электромагнетизма, не зависящих от времени, поля являются градиентами соответствующих потенциалов , поэтому подстановка их в закон Гаусса для каждого случая дает

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

Кстати, это сходство возникает из сходства между законом тяготения Ньютона и законом Кулона .

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

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

Релятивистская теория поля

Современные формулировки классических теорий поля обычно требуют лоренцевой ковариантности , поскольку теперь это признано фундаментальным аспектом природы. Теория поля, как правило, выражается математически с помощью лагранжианов . Это функция, которая, будучи подвергнута принципу действия , порождает уравнения поля и закон сохранения для теории. Действие является скаляром Лоренца, из которого можно легко вывести уравнения поля и симметрии.

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

Лагранжева динамика

При наличии тензора поля скаляр, называемый плотностью Лагранжа, может быть построен из и его производных. Из этой плотности функционал действия может быть построен путем интегрирования по пространству-времени,

Где находится объемная форма в искривленном пространстве-времени.

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

Затем, применяя принцип действия , получаем уравнения Эйлера–Лагранжа

Релятивистские поля

Теперь описываются две наиболее известные лоренц-ковариантные классические теории поля.

Электромагнетизм

Исторически первыми (классическими) теориями поля были теории, описывающие электрическое и магнитное поля (отдельно). После многочисленных экспериментов было обнаружено, что эти два поля связаны или, по сути, являются двумя аспектами одного и того же поля: электромагнитного поля . Теория электромагнетизма Максвелла описывает взаимодействие заряженной материи с электромагнитным полем. Первая формулировка этой теории поля использовала векторные поля для описания электрического и магнитного 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 4-потенциал определяется как A a = (− φ , A ) , а электромагнитный 4-ток j a = (− ρ , j ) . Электромагнитное поле в любой точке пространства-времени описывается антисимметричным тензором электромагнитного поля (0,2)-ранга

Лагранжиан

Чтобы получить динамику для 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

Для получения уравнений поля электромагнитный тензор в плотности Лагранжа необходимо заменить его определением в терминах 4-потенциала A , и именно этот потенциал входит в уравнения Эйлера-Лагранжа. ЭМ-поле F не варьируется в уравнениях ЭЛ. Следовательно,

Оценка производной плотности Лагранжа по компонентам поля и производным компонентов поля дает уравнения Максвелла в вакууме. Исходные уравнения (закон Гаусса для электричества и закон Максвелла-Ампера) имеют вид , а два других (закон Гаусса для магнетизма и закон Фарадея) получаются из того факта, что F является 4-ротором A , или, другими словами, из того факта, что тождество Бьянки справедливо для тензора электромагнитного поля. [5]

где запятая обозначает частную производную .

Гравитация

После того, как было обнаружено, что ньютоновская гравитация несовместима со специальной теорией относительности , Альберт Эйнштейн сформулировал новую теорию гравитации, названную общей теорией относительности . Она рассматривает гравитацию как геометрическое явление («искривленное пространство-время »), вызванное массами, и математически представляет гравитационное поле тензорным полем , называемым метрическим тензором . Уравнения поля Эйнштейна описывают, как создается эта кривизна. Ньютоновская гравитация теперь заменена общей теорией относительности Эйнштейна , в которой гравитация рассматривается как вызванная искривленным пространством-временем , вызванным массами. Уравнения поля Эйнштейна описывают, как эта кривизна создается материей и излучением, где G abтензор Эйнштейна , записанный через тензор Риччи R ab и скаляр Риччи R = R ab g ab , T abтензор энергии-импульса , а κ = 8 πG / c 4 — константа. При отсутствии материи и излучения (включая источники) уравнения вакуумного поля можно вывести , варьируя действие Эйнштейна–Гильберта относительно метрики, где g определитель метрического тензора g ab . Решения уравнений вакуумного поля называются вакуумными решениями . Альтернативная интерпретация, предложенная Артуром Эддингтоном , заключается в том, что является фундаментальной, является лишь одним аспектом и обусловлена ​​выбором единиц.

Дополнительные примеры

Другими примерами лоренц-ковариантных классических теорий поля являются:

Попытки объединения

Попытки создать единую теорию поля на основе классической физики — это классические единые теории поля. В годы между двумя мировыми войнами идея объединения гравитации с электромагнетизмом активно развивалась несколькими математиками и физиками, такими как Альберт Эйнштейн , Теодор Калуца , [6] Герман Вейль , [7] Артур Эддингтон , [8] Густав Ми [9] и Эрнст Райхенбахер. [10]

Ранние попытки создать такую ​​теорию основывались на включении электромагнитных полей в геометрию общей теории относительности . В 1918 году Герман Вейль предложил первую геометризацию электромагнитного поля. [11] В 1919 году Теодор Калуца ​​предложил идею пятимерного подхода . [11] На основе этого была разработана теория, называемая теорией Калуцы-Клейна . Она пытается объединить гравитацию и электромагнетизм в пятимерном пространстве-времени . Существует несколько способов расширения репрезентативной структуры для единой теории поля, которые рассматривались Эйнштейном и другими исследователями. Эти расширения в целом основаны на двух вариантах. [11] Первый вариант основан на ослаблении условий, наложенных на исходную формулировку, а второй основан на введении других математических объектов в теорию. [11] Примером первого варианта является ослабление ограничений на четырехмерное пространство-время путем рассмотрения представлений более высокого уровня. [11] Это используется в теории Калуцы-Клейна . Для второго наиболее ярким примером является концепция аффинной связи , которая была введена в общую теорию относительности в основном благодаря работам Туллио Леви-Чивиты и Германа Вейля . [11]

Дальнейшее развитие квантовой теории поля изменило фокус поиска единой теории поля с классического на квантовое описание. Из-за этого многие физики-теоретики отказались от поиска классической единой теории поля. [11] Квантовая теория поля включала бы объединение двух других фундаментальных сил природы , сильной и слабой ядерной силы , которые действуют на субатомном уровне. [12] [13]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Это зависит от правильного выбора калибровки . 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 расстояния и времени в виде световых секунд и секунд или световых лет и лет. Выбор c = 1 позволяет нам упростить уравнения. Например, E = mc 2 сводится к E = m (так как c 2 = 1, без учета единиц). Это уменьшает сложность выражений, сохраняя при этом фокус на лежащих в основе принципах. Этот «трюк» необходимо учитывать при выполнении реальных численных расчетов.

Ссылки

Цитаты

  1. ^ abc Клеппнер, Дэвид; Коленков, Роберт. Введение в механику . стр. 85.
  2. ^ Гриффитс, Дэвид. Введение в электродинамику (3-е изд.). С. 326.
  3. ^ Вангснесс, Роальд. Электромагнитные поля (2-е изд.). С. 469.
  4. ^ Джеймс МакКуллах (1839) Очерк динамической теории кристаллического отражения и преломления, Труды Королевской Ирландской Академии 21
  5. ^ «Идентификации Бьянки».
  6. ^ Калуца, Теодор (1921). «Zum Unitätsproblem in der Physik». Зитцунгсбер. Пройсс. Акад. Висс. Берлин. (Математика и физика) : 966–972. Бибкод : 1921SPAW.......966K.
  7. ^ Вейль, Х. (1918). «Гравитация и электричество». Ситц. Пройсс. Акад. Висс. : 465.
  8. ^ Эддингтон, А.С. (1924). Математическая теория относительности, 2-е изд . Cambridge Univ. Press.
  9. ^ Ми, Г. (1912). «Grundlagen einer Theorie der Materie». Энн. Физ . 37 (3): 511–534. Бибкод : 1912АнП...342..511М. дои : 10.1002/andp.19123420306.
  10. ^ Райхенбахер, Э. (1917). «Основы теории электричества и гравитации». Энн. Физ . 52 (2): 134–173. Бибкод : 1917АнП...357..134Р. дои : 10.1002/andp.19173570203.
  11. ^ abcdefg Зауэр, Тилман (май 2014 г.), «Программа единой теории поля Эйнштейна», в Janssen, Michel; Lehner, Christoph (ред.), The Cambridge Companion to Einstein , Cambridge University Press, ISBN 9781139024525
  12. ^ Gadzirayi Nyambuya, Golden (октябрь 2007 г.). "Единая теория поля – статья I, гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие" (PDF) . Apeiron . 14 (4): 321 . Получено 30 декабря 2017 г. .
  13. ^ De Boer, W. (1994). "Теории великого объединения и суперсимметрия в физике элементарных частиц и космологии" (PDF) . Progress in Particle and Nuclear Physics . 33 : 201–301. arXiv : hep-ph/9402266 . Bibcode :1994PrPNP..33..201D. doi :10.1016/0146-6410(94)90045-0. S2CID  119353300 . Получено 30 декабря 2017 г. .

Источники

Внешние ссылки