Поля фізичні - це

особлива форма матерії; фіз. система з нескінченно великим числом ступенів свободи. Прикладами П. ф. можуть служити електромагнітного магн, і гравитац. поля, поле отрута. сил, а також хвильові (квантовані) поля, відповідні разл. елем. ч-цям.

Поняття поля (електричні. І магн.) Було введено англ. вченим М. Фарадеєм (30-і рр. 19 ст.). Концепція поля з'явилася відродженням теорії блізкодействія (див. ВЗАЄМОДІЯ), основоположником к-рій був франц. учений Р. Декарт (1-я пів. 17 ст.). У 60-х рр. 19 в. англ. фізик Дж. Максвелл розвинув ідею Фарадея про електромагнітного магн. поле і сформулював математично його закони (Максвелла рівняння).

Згідно з концепцією, поля, які беруть участь у вз-наслідком ч-ці, створюють в кожній точці навколишнього їх пр-ва особливий стан - поле сил, що виявляється в силовому впливі на ін. Ч-ці, що поміщаються в якому-небудь точку цього пр-ва. Спочатку висувалася механістичний. інтерпретація поля як пружної напруги гіпотетічен. середовища - «ефіру». Теорія відносності, відкинувши «ефір» як особливу пружну середу, в той же час надала фундам. сенс поняттю П. ф. як первинної фіз. реальності. Відповідно до теорії відносності, швидкість поширення будь-якого вз-наслідком не може перевищувати швидкості світла у вакуумі. Тому в системі взаємодіючих ч-ц сила. діюча в даний момент часу на якому-небудь ч-цу системи, не визначається розташуванням ін. ч-ц в цей же момент часу, т. е. зміна положення однієї ч-ці позначається на ін. ч-це не відразу, а через певний проміжок часу. Т. о. вз-ствие ч-ц, відносить. швидкість яких брало порівнянна зі швидкістю світла, можна описувати тільки через створювані ними поля.

П. ф. не тільки здійснюють вз-ствие між ч-цями; можуть існувати і проявлятися вільні П. ф. незалежно від їх створили, ч-ц (напр. електромагнітні хвилі.). Тому ясно, що їх слід розглядати як особливу форму матерії.

Кожному типу вз-тей в природі відповідають певні П. ф. Опис П. ф. в класичні. (Неквантовой) теорії поля виробляється за допомогою однієї або дек. (Безперервних) ф-ций поля, що залежать від координати точки (х, у, z), в якій розглядається поле, і від часу (t). Так, електромагнітного магн. поле може бути повністю описано за допомогою чотирьох ф-цій: скалярного потенціалу j (x, у, z, t) і вектор-потенціалу А (х, у, z, t), к-які разом складають чотиривимірний вектор в просторі-часі . Напруженості електричні. і магн. полів виражаються через похідні цих ф-ций. У загальному випадку число незалежних ф-ций визначається числом внутр. ступенів свободи ч-ц, що відповідають даному полю (див. нижче), напр. їх спіном, ізотопічним спіном і т. д. Виходячи з загальних принципів - вимог релятивістської інваріантності і деяких більш приватних припущень (напр. для електромагнітного магн. поля - суперпозиції принципу і градієнтної інваріантності), можна з ф-цій поля скласти вираз для дії і за допомогою найменшої дії принципу отримати діфф. ур-ня, що визначають поле. Значення ф-ций поля в кожній отд. точці можна розглядати як узагальнені координати П. ф. Отже, П. ф. представляється як фіз. система з нескінченним числом ступенів свободи. За загальними правилами механіки можна отримати вираз для узагальнених імпульсів П. ф. і знайти щільності енергії, імпульсу і моменту кількості руху поля.

Досвід показав (спочатку для електромагнітного магн. Поля), що енергія і імпульс поля змінюються діскр. чином, т. е. П. ф. можна поставити у відповідність певні ч-ці (напр. електромагнітного магн. полю - фотони, гравітаційному - Гравітон). Це означає, що опис П. ф. за допомогою польових ф-ций явл. лише наближенням, що має певну область застосовності. Щоб врахувати діскр. св-ва П. ф. (Т. Е. Побудувати квант. Теорію поля), необхідно вважати узагальнені координати і імпульси П. ф. Не кількістю, а операторами, для яких брало виконуються певні перестановки співвідношення. (Аналогічно здійснюється перехід від класичної. Механіки до квант. Механіці.)

У квант. механіці доводиться, що систему взаємодіючих ч-ц можна описати за допомогою деякого квант. поля (вторинне квантування). Т. о. не тільки кожному П. ф. відповідають певні ч-ці, але і, навпаки, всім відомим ч-цям відповідають квантовані поля. Цей факт явл. одним із проявів корпускулярно-хвильового дуалізму матерії. Квантовані поля описують знищення (або народження) ч-ц і одночасно народження (знищення) античастинок. Таким полем явл. напр. електрон-позитронне поле в квант. електродинаміки.

Вид перестановки співвідношень для операторів поля залежить від спина ч-ц, що відповідають даному полю. Як показав швейц. фізик В. Паулі (1941), для ч-ц з цілим спіном оператори поля комутують і ч-ці підкоряються Бозе - Ейнштейна статистиці, а для ч-ц з напівцілим спіном - антікоммутіруют і відповідні ч-ці підкоряються Фермі - Дірака статистикою. Якщо ч-ці підкоряються статистиці Бозе - Ейнштейна (напр. Фотони і Гравітон), то в одному і тому ж квант. стані може знаходитися багато (в межі - нескінченно багато) ч-ц.

У зазначеному межі пор. величини квант. полів переходять в звичайні класичні. поля (напр. в класичні. електромагнітного магн. і гравитац. поля, описувані безперервними ф-ціями координат і часу). Для полів, що відповідають ч-цям з напівцілим спіном, відповідних класичні. полів не існує.

- фіз. системи, що володіють нескінченно великим числом ступенів свободи. Відносяться до такої системи фіз. величини не локалізовано на якому-небудь окремих матеріальних частинках з кінцевим числом ступенів свободи, а безперервно розподілені по деякої області простору. Прикладами таких систем можуть служити гравитац. і електромагнітного магн. поля і хвильові поля частинок у квантовій фізиці (електрон-но-позитронне, мезонне і т. п.). Для опису П. ф. в кожен момент часу необхідно задати одну або дек. фіз. величин в кожній точці області, де є поле, т. е. задати польову ф-цію. Поки мова йде про нерелятівістскіх процесах, поняття поля можна не вводити. Напр. при розгляді гравитац. або Куло-ського взаємодії двох частинок можна вважати, що сила взаємодії виникає лише при наявності обох частинок, вважаючи, що простір навколо частинок не грає особливої ​​ролі в передачі взаємодії. Таке уявлення відповідає концепції дальнодействия, або дії на відстані. Поняття про дальнодействії, однак, є наближенням, тільки в нерелятивістському випадку фізично еквівалентним уявленню про те, що дія заряду проявляється лише при приміщенні 2-й, пробної, частки в область простору, властивості догрого вже змінені через наявність 1-й частинки. Взаємодія при цьому передається поступово, від точки до точки, в такому зміненому просторі. Це і означає, що 1-я частка створює навколо себе силове гравитац. або електричні. поле. Ця концепція близкодействия знаходить підтвердження при розгляді релятивістських процесів. В цьому випадку, т. Е. При русі джерел зі швидкістю, порівнянної зі швидкістю передачі взаємодії, говорити про дальнодействії вже не можна. Саме, зміна стану однієї частки супроводжується, взагалі кажучи, зміною її енергії і імпульсу, а зміна сили, що діє на ін. Частинку, настає лише через кінцевий проміжок часу. Частки енергії та імпульсу, віддані одній часткою і ще не прийняті 2-й, належать протягом цього часу переносящему їх полю. Поле, що переносить взаємодію. є, т. о. само по собі фіз. реальністю.

Поняття поля може бути застосовано при описі властивостей всякої суцільного середовища. Якщо зіставити з кожною точкою середовища визначають її стан фіз. величини (темп-ру, тиск. натягу і т. п.), то вийде поле цих величин. У цьому випадку роль пружного середовища для передачі взаємодії очевидна. Порівнюючи. труднощі уявити собі немеханіч. середу, здатну переносити енергію і імпульс, породила разл. механічні. моделі ефіру як середовища, що переносить електромагнітного магн. взаємодії. Однак все механічні. моделі ефіру суперечать принципу відносності Ейнштейна (див. Відносності теорія), і від них довелося відмовитися.

Найпростіший тип руху поля - хвильове, для к-якого польова ф-ція періодично змінюється в часі і від точки до точки. Взагалі, будь-який стан поля зручно представити у вигляді суперпозиції хвиль. Для хвильового руху характерні явища дифракції та інтерференції, неможливі в класичні. механіці часток. З ін. Боку, динамічний. характеристики (енергія. імпульс і т. д.) хвиль "розмазані" в просторі, а не локалізовані, як у класичні. частинок.

Таке протиставлення хвильових і корпускулярних властивостей, властиве класичні. механіці, відбивається в ній як якостей. відмінність між П. ф. і частинками. Однак досвід показує, що на малих відстанях, в атомних масштабах, ця відмінність зникає: у нуля виявляються корпускулярні властивості (див. Напр. Комптона ефект), у частинок - хвильові (див. Дифракція часток).

Квантова механіка ставить у відповідність кожній частинці поле її хвильової ф-ції, що дає розподіл різних, що відносяться до частки фіз. велич. Концепція поля є основною для опису властивостей елементарних частинок і їх взаємодій. Кінцева мета в цьому випадку - знаходження властивостей частинок з ур-ний поля і перестановки співвідношень, що визначають квантові властивості материн. Можливий вид ур-ний поля обмежений принципами симетрії і інваріантності, які є узагальненням експери. даних. Лоренц-коваріантність, напр. вимагає, щоб хвильові ф-ції частинок перетворилися по непріводімим уявленням групи Лоренца. Таких подань нескінченно багато, проте тільки частина з них реалізована в природі і відповідає тим чи іншим елементарних частинок. Реально використовуються наиб. прості ур-ня полів, які є локальними і перенорміруемимі. Спроби побудови теорій, які не задовольняють цим вимогам, - нелінійної, нелокальної і т. П. Теорій поля - тягнуть за собою перегляд ряду найважливіших принципів, істотних при фіз. інтерпретації теорії (принцип суперпозиції, позитивність норми хвильової ф-ції і т. д.).

Літ .: Ландау Л. Д. Ліфшиц E. М. Теорія поля, 7 видавництво. М. 1988; Боголюбов Н. Н. Ширков Д. В. Введення в теорію квантових полів, 4 видавництва. М. 1984; Медведєв Б. В. Почала теоретичної фізики, М. 1977; Боголюбов Н. Н. Ширков Д. В. Квантові поля, М. 1980.