A mező a fizikában olyan fizikai objektum, amelyet klasszikusan matematikai skalárral , vektorral , tenzorral , spinormezővel (vagy ilyen matematikai mezők halmazával) írnak le, és engedelmeskednek a dinamikus egyenleteknek (mozgásegyenleteknek, ebben az esetben téregyenleteknek vagy téregyenleteknek - általában ezek differenciálegyenletek parciális deriváltokban ). Más szavakkal, a fizikai mezőt valamilyen dinamikus fizikai mennyiség [1] reprezentálja (ezt mezőváltozónak [2] nevezik ), amely a tér összes [3] pontján definiálható (és általában véve különböző értékeket vesz fel különböző pontokon térben, és idővel is változik [4] ).
A kvantumtérelméletben egy mezőváltozót ugyanúgy tekinthetünk formálisan, mint a közönséges kvantummechanikában egy térbeli koordinátát, és a megfelelő nevű kvantumoperátort egy mezőváltozóhoz társítjuk.
A térparadigma , amely a teljes fizikai valóságot alapvető szinten reprezentálja, és kisszámú, egymással kölcsönható (kvantált) mezőre redukálódik, nemcsak az egyik legfontosabb a modern fizikában, de talán megkérdőjelezhetetlenül domináns is [5] .
A legegyszerűbb módja annak, hogy a mezőt (ha például olyan alapvető mezőkről van szó, amelyeknek nincs nyilvánvaló közvetlen mechanikai természetük [6] ) vizualizáljuk valamilyen (hipotetikus vagy egyszerűen képzeletbeli) zavarként (egyensúlytól való eltérés, mozgás) folytonos közeg, amely kitölti a teljes teret. Például egy rugalmas közeg deformációjaként, amelynek mozgásegyenlete egybeesik vagy közel van annak az absztraktabb mezőnek a téregyenletéhez, amelyet szeretnénk megjeleníteni. Történelmileg egy ilyen médiumot éternek hívtak, de később a kifejezés szinte teljesen használaton kívül volt [7] , és a benne rejlő, fizikailag értelmes része magával a mező fogalmával egybeolvadt. Mindazonáltal a fizikai mező fogalmának alapvető vizuális megértéséhez általánosságban egy ilyen ábrázolás hasznos, figyelembe véve azt a tényt, hogy a modern fizika keretei között egy ilyen megközelítés általában csak illusztrációként elfogadott. [8] .
A fizikai mező tehát végtelen számú szabadságfokkal rendelkező elosztott dinamikus rendszerként jellemezhető .
A térváltozó szerepét az alapvető mezők esetében gyakran egy potenciál (skalár, vektor, tenzor), néha egy térerősségnek nevezett mennyiség játssza ( kvantált mezőknél a megfelelő operátor bizonyos értelemben a mezőváltozó klasszikus fogalma ).
Ezenkívül a fizikában egy terület egy fizikai mennyiség, amelyet a helytől függőnek tekintünk: általánosan szólva ennek a mennyiségnek a különböző értékeinek teljes halmaza egy kiterjedt folytonos test minden pontjára - egy folytonos közeg , amely teljes egészében leírja. ennek a kiterjesztett testnek az állapota vagy mozgása [9] . Példák az ilyen mezőkre:
Az ilyen mezők dinamikáját parciális differenciálegyenletek is leírják , és történetileg, a 18. század óta, a fizikában először pontosan ilyen terekkel foglalkoztak.
A fizikai tér modern koncepciója az elektromágneses tér gondolatából nőtt ki, amelyet először Faraday valósított meg fizikailag konkrét és a modernhez viszonylag közel álló formában , amelyet Maxwell matematikailag következetesen megvalósított – kezdetben egy hipotetikus folytonos közeg mechanikai modelljét alkalmazva. - éter , de aztán túllépett a mechanikus modell használatán.
A fizika területei közül az ún. fundamentális területeket különböztetjük meg. Ezek olyan terek, amelyek a modern fizika térparadigmája szerint a világ fizikai képének alapját képezik, az összes többi mező és kölcsönhatás ezekből származik. Ezek a mezők két fő osztályát foglalják magukban, amelyek kölcsönhatásba lépnek egymással:
Vannak olyan elméletek (például húrelmélet , különféle más egyesülési elméletek ), amelyekben az alapvető mezők szerepét számos más, ezen elméletek, mezők vagy objektumok (és a jelenlegi alapmezők) szempontjából még alapvetőbbek is betöltik. jelennek meg vagy kellene ezekben az elméletekben valamilyen közelítésben "fenomenológiai" következményként megjelenniük). Az ilyen elméletek azonban még nem eléggé megerősítettek vagy általánosan elfogadottak.
Történelmileg az alapvető mezők közül először az elektromágneses ( elektromos és mágneses mezők, majd elektromágneses térré egyesülve ) és a gravitációs kölcsönhatásért felelős mezőket fedezték fel (pontosabban fizikai mezőként [10] ). Ezeket a területeket már a klasszikus fizikában is kellő részletességgel fedezték fel és tanulmányozták. Kezdetben ezek a mezők (a newtoni gravitációs, elektrosztatika és magnetosztatika elmélet keretein belül) a legtöbb fizikust inkább formális matematikai objektumoknak tekintették, amelyeket formális kényelem érdekében vezettek be, és nem teljes értékű fizikai valóságnak, annak ellenére, hogy egy mélyebb fizikai kísérletet tettek. megértés, amely azonban meglehetősen homályos maradt, vagy nem hozott túl jelentős gyümölcsöt [11] . Faraday-től és Maxwell-től kezdve azonban a mező (jelen esetben az elektromágneses tér) mint egy teljesen értelmes fizikai valóság megközelítését szisztematikusan és nagyon gyümölcsözően kezdték alkalmazni, ami jelentős áttörést jelent ezen elképzelések matematikai megfogalmazásában.
A gyenge kölcsönhatásnak és az erős kölcsönhatásnak megfelelő mezőket (melyek fontos szerepet játszanak a magfizikában és a részecskefizikában; utóbbi - többek között a magerők magyarázatában) sokkal később fedezték fel, mivel gyakorlatilag csak a az atommag és a részecskék fizikája, olyan energiákon és távolságokon, amelyek elvileg a kvantumelméletek területéhez tartoznak.
Ennek ellenére elvileg (annak ellenére, hogy ezt nem könnyű mindegyiknél közvetlenül kimutatni) mind a négy említett mező közvetítőként jelenik meg a töltött (különböző típusú töltések) testek (részecskék) kölcsönhatásában, átadva. ez a kölcsönhatás véges sebességgel (fénysebességgel), míg a kölcsönhatás intenzitását ( erejét ) a testek helyzetén és mozgásán kívül töltéseik is meghatározzák: tömeg (gravitációs töltés) gravitációs térre, elektromos töltés elektromágneses stb.
A fizikusok által is elismert terepkoncepció másik döntő mozzanata volt Maxwell elméletének kísérleti megerősítése 1887-ben Heinrich Hertz által , aki közvetlen kísérleti bizonyítékot kapott a Maxwell által megjósolt elektromágneses hullámok létezésére (ami többek között végül lehetővé tette a az optikát, amely korábban a fizika önálló területe volt, az elektromágneses elmélethez kapcsolták, és ez igen jelentős előrelépés volt a fizika belső koherenciájának növelése irányában).
Fokozatosan kiderült, hogy a mező a teljes értékű fizikai valóság szinte minden tulajdonságával rendelkezik, beleértve az energia- és lendületátviteli képességet, sőt bizonyos feltételek mellett a hatékony tömeget is [12] .
Másrészt a kvantummechanika fejlődésével egyre világosabbá vált, hogy az anyagnak (részecskéknek) vannak olyan tulajdonságai, amelyek elméletileg a mezőkben rejlenek.
A kvantummechanika megalkotása és a kvantumfogalmak meglehetősen mélyreható kidolgozása után nyilvánvalóvá vált, hogy minden anyagot, beleértve az anyagot is, kvantált mezők írják le : különálló alapvető mezők (például egy elektron ), vagy ezek kollektív gerjesztései (mint a protonok , amelyek a következőkből állnak). három kvark és egy gluonmező ) . Az alapvető mezők egyszeri kvantumgerjesztései elemi részecskék . A fotonok , vektorbozonok , gluonok , gravitonok (még nem rögzítettek egyedi részecskékként), leptonok és kvarkok a különféle típusú alapvető mezők ilyen kvantumgerjesztői. Felfedezték és részletesen tanulmányozták a szabad terekre vonatkozó téregyenleteket, azok kvantálását, a különböző mezők kölcsönhatását [13] .
Így kiderült, hogy a világ fizikai képe alapjaiban redukálható kvantált mezőkre és azok kölcsönhatására.
Bizonyos mértékig, főként a trajektóriák és a Feynman-diagramok mentén történő integráció formalizmusának keretein belül , ezzel ellentétes mozgás is megtörtént: a mezők észrevehető mértékben reprezentálhatók szinte klasszikus részecskékként (pontosabban végtelen számú szinte szuperpozíciójaként). klasszikus részecskék, amelyek minden elképzelhető pályán mozognak), és a mezők egymás közötti kölcsönhatása - mint egymás születése és részecskék általi elnyelése (az ilyenek összes elképzelhető változatának szuperpozíciójával is). És bár ez a megközelítés nagyon szép, kényelmes, és sok tekintetben lehetővé teszi, hogy pszichológiailag visszatérjünk egy jól meghatározott pályával rendelkező részecske gondolatához, ennek ellenére nem tudja törölni a dolgok terepszemléletét, és még csak nem is teljesen szimmetrikus alternatívája a dolgoknak. ez (és ezért még mindig közelebb áll egy gyönyörű, lélektanilag és gyakorlatilag kényelmes, de mégis csak formai eszközhöz, mint egy teljesen független koncepcióhoz). Itt két kulcsfontosságú pont van:
Így arra a következtetésre juthatunk, hogy az útintegrációs megközelítés, bár pszichológiailag nagyon kényelmes (elvégre mondjuk egy három szabadságfokú pontrészecske sokkal egyszerűbb, mint az azt leíró végtelen dimenziós mező), és gyakorlati termelékenységnek bizonyult, de még mindig csak egy bizonyos újrafogalmazás , bár meglehetősen radikális, terepfogalom, és nem annak alternatívája.
És bár ezen a nyelven a szavakban minden nagyon „testesnek” tűnik (például: „a töltött részecskék kölcsönhatását egy másik részecske cseréje magyarázza - a kölcsönhatás hordozója” vagy „két elektron kölcsönös taszítása a cserének köszönhető közöttük lévő virtuális fotonról”), azonban e mögött olyan tipikus terepi valóság húzódik meg, mint a hullámterjedés, jóllehet elég jól elrejtve egy hatékony számítási séma létrehozása érdekében, és sok tekintetben további lehetőségeket biztosítanak a minőségi megértéshez.
Jelenleg (2012) számos elektrogyenge , erős és gravitációs kölcsönhatáshoz kapcsolódó mezőt tekintenek alapvető bozonikus (mérő) mezőnek . Az alapvető fermionikus mezők közé tartoznak a leptonok és kvarkok több „generációjának” spinormezői.
A Standard Modell keretein belül a következő mezők alapvetőek
Alapvető fermionikus mezőkA Standard Modell keretein belül minden fundamentális fermionnak (minden kvarktípus és minden leptontípus ) megvan a maga mezője, amelyet matematikailag a spinormező képvisel .
Fundamentális bozonikus mezők (a mezők alapvető kölcsönhatások hordozói )A szabványos modell keretein belül ezek a mezők szelvénymezők . A következő típusok ismertek:
Tágabb értelemben hipotetikusnak tekinthető minden olyan elméleti objektum (például mező), amelyet olyan elméletek írnak le, amelyek nem tartalmaznak belső ellentmondásokat, nem mondanak kifejezetten ellent a megfigyeléseknek, és egyúttal képesek olyan megfigyelhető konzekvenciákat adni, amelyek lehetővé teszik a döntsön ezek mellett az elméletek mellett a most elfogadott elméletekhez képest. Az alábbiakban elsősorban a hipotetikusságról lesz szó (és ez általában megfelel a fogalom szokásos értelmezésének) ebben a szűkebb és szigorúbb értelemben, ami az általunk hipotézisnek nevezett feltevés érvényességére és meghamisíthatóságára utal.
Az elméleti fizikában sok különböző hipotetikus mezővel foglalkoznak, amelyek mindegyike egy-egy nagyon specifikus elmélethez tartozik (típusukat és matematikai tulajdonságaikat tekintve ezek a mezők teljesen vagy majdnem megegyezhetnek az ismert nem hipotetikus mezőkkel, és eltérhetnek egymástól többé-kevésbé erősen; ben Mindkét esetben hipotetikusságuk azt jelenti, hogy a valóságban még nem figyelték meg, nem fedezték fel kísérletileg; egyes hipotetikus területek kapcsán felmerülhet a kérdés, hogy elvileg megfigyelhetők-e, sőt létezhetnek-e egyáltalán – például ha az elmélet, amelyben jelen vannak, hirtelen belsőleg ellentmondásosnak bizonyul).
Az a kérdés, hogy mit tekintsünk olyan kritériumnak, amely lehetővé teszi, hogy egy bizonyos területet a hipotetikus kategóriából a valós kategóriájába vigyünk át, meglehetősen szűkszavú, mivel egy adott elmélet megerősítése és az abban foglalt bizonyos tárgyak valósága gyakran több. vagy kevésbé közvetett. Ebben az esetben a dolog általában a tudományos közösség valamilyen ésszerű egyetértésén múlik (amelynek tagjai többé-kevésbé tisztában vannak a tényleges megerősítés mértékével).
Még a meglehetősen igazoltnak ítélt elméletekben is van helye hipotetikus területeknek (itt arról van szó, hogy az elmélet különböző részeit eltérő alapossággal tesztelték, és néhány olyan területet, amelyek fontos szerepet játszanak ezekben elvileg még nem nyilvánultak meg egészen határozottan a kísérletben, vagyis eddig pontosan úgy néznek ki, mint egy elméleti célból kitalált hipotézis, míg más, ugyanabban az elméletben megjelenő területeket már eléggé tanulmányozták ahhoz, hogy beszéljünk róluk. mint valóság).
Példa egy ilyen hipotetikus mezőre a Higgs-mező , amely fontos a Standard Modellben , amelynek többi mezője semmiképpen sem hipotetikus, és maga a modell, bár elkerülhetetlen fenntartásokkal, a valóság leírásának tekinthető (legalábbis a valóság ismertségének mértéke).
Sok elmélet tartalmaz olyan mezőket, amelyeket (eddig) soha nem figyeltek meg, és néha ezek az elméletek maguk is olyan becsléseket adnak, hogy a hipotetikus mezőik látszólag (megnyilvánulásuk gyengesége miatt, ami magából az elméletből következik) és elvileg nem is lehet. belátható időn belül felfedezték (pl. torziós mező ). Az ilyen elméletek (ha a gyakorlatilag ellenőrizhetetleneken túlmenően nem tartalmaznak elegendő számú, könnyebben ellenőrizhető következményt is) nem tekinthetők gyakorlati jelentőségűnek, hacsak nem merül fel valamilyen nem triviális, új tesztelési mód, amely lehetővé teszi a nyilvánvalóak megkerülését. korlátozások. Néha (mint például sok alternatív gravitációs elméletben - például a Dicke-mezőben ) olyan hipotetikus mezőket vezetnek be, amelyek megnyilvánulásának erősségéről maga az elmélet egyáltalán nem tud semmit mondani (például a csatolási állandó ennek a mezőnek a másokkal való kapcsolata ismeretlen, és lehet elég nagy és tetszőlegesen kicsi is); általában nem sietnek ellenőrizni az ilyen elméleteket (mivel sok ilyen elmélet létezik, és mindegyik semmilyen módon nem bizonyította hasznosságát, sőt formálisan nem hamisítható ), kivéve, ha valamelyik nem kezdődik el, valamiért ígéretesnek tűnik egyes aktuális nehézségek megoldására (az elméletek hamisíthatatlanság alapján történő kiszűrése azonban – főleg a határozatlan állandók miatt – itt néha elutasított, hiszen egy komolyan jó elmélet olykor kipróbálható abban a reményben hogy a hatása kimutatható lesz, bár erre nincs garancia; ez különösen igaz akkor, ha egyáltalán kevés a jelölt elmélet, vagy néhányuk alapvetően különösen érdekesnek tűnik; olyan esetekben is, amikor lehetőség van egy elmélet elméleteinek tesztelésére. széles osztályt egyszerre az ismert paraméterek szerint, anélkül, hogy különösebb erőfeszítéseket kellene tenni mindegyikük külön tesztelésére).
Azt is meg kell jegyezni, hogy hipotetikusnak csak azokat a mezőket szokás nevezni, amelyeknek egyáltalán nincs megfigyelhető megnyilvánulása (vagy nem kellően, mint a Higgs-mező esetében). Ha egy fizikai mező létezését a megfigyelhető megnyilvánulásai szilárdan alátámasztják, és csak elméleti leírásának javításáról beszélünk (például a newtoni gravitációs teret az általános relativitáselméletben a metrikus tenzor mezőjével helyettesítjük ), akkor ez általában nem szokás egyikről vagy másikról hipotetikusnak beszélni (bár az általános relativitáselmélet korai helyzetére lehetne beszélni a gravitációs tér tenzor jellegének hipotetikus természetéről).
Befejezésül megemlítünk olyan területeket, amelyek típusa meglehetősen szokatlan, azaz elméletileg teljesen elképzelhető, de a gyakorlatban (és bizonyos esetekben a fejlődés korai szakaszában) ilyen típusú területeket még nem figyeltek meg. elméletükben kétségek merülhetnek fel konzisztenciájával kapcsolatban). Ezeknek mindenekelőtt tachyon mezőket kell tartalmazniuk . Valójában a tachion mezőket inkább csak potenciálisan hipotetikusnak nevezhetjük (azaz nem érik el a megalapozott sejtés státuszát ) , mivel az ismert konkrét elméletek, amelyekben többé-kevésbé jelentős szerepet játszanak, például a húrelmélet maguk nem érték el a kellően megerősített állapotot [14] .
A modern fizikában még egzotikusabb (például Lorentz-nem invariáns - a relativitás elvét sértő ) mezők (annak ellenére, hogy elvont-elméletileg meglehetősen elképzelhetőek) a modern fizikában annak tudható be, hogy messze túlmutatnak egy megalapozott feltevés keretein. , vagyis szigorúan véve nem is tekinthetők hipotetikusnak [15] .