Понятие "поле"

[dima90]

Кто и когда первым ввел это понятие?
Были ли сколько-нибудь результативные попытки описания взаимодействий обходя это понятие (в современной физике) ?

[Munin]

Были. Наиболее яркая - фейнмановская. См. Нобелевскую лекцию Фейнмана.

-- 19.06.2016 00:35:40 --

Понятие это формировалось постепенно.

1) В конце 18 - начале 19 века развилось представление о "математическом поле" - о функции, заданной во всех точках пространства. Первым примером такого поля был потенциал в электростатике. Для такой функции были записаны дифференциальные уравнения в частных производных, схожие с уравнениями для струны.

Отдельные ветки истории, касающуюся гидромеханики и теплопроводности, я опускаю, потому что не в курсе.

2) В середине-конце 19 века поля стали типичным инструментом описания в физике. В электромагнетизме постепенно развились векторные поля - из компонент и кватернионов. Но идейно считалось, что поле - это всего лишь математическое описание, а материальным носителем явлений является эфир (электромагнитный и светоносный).

3) Во второй половине 19 века у поля стали просматриваться признаки "материальности": Умов и Пойнтинг вычислили поток энергии, текущий в поле. Кроме того, были вычислены плотность энергии, поток импульса, тензор натяжений. Фактически, всё, что можно и нужно было знать об эфире, выражалось через функции поля.

4) И вот в начале 20 века, с появлением теории относительности (СТО), внезапно оказалось, что эфира нет! Он не нужен, оказался лишней сущностью. Конечно, эта точка зрения возобладала не сразу и не без борьбы, но ведущие физики приняли её с энтузиазмом. И в этот момент, по сути, "математическое поле" было наделено статусом самостоятельной материальной сущности, и стало "физическим полем".

Примерно на этом этапе это понятие можно было считать уже полностью сформированным. Как видим, на это ушло больше ста лет.

Но история на этом не заканчивается. Скоро полю пришлось столкнуться с квантовой физикой. Оказалось, что свет распространяется в виде дискретных частиц - фотонов. И с другой стороны, возникла новая сущность - волновая функция - которая тоже была математической функцией в пространстве, но почему-то комплексной, и с непонятным смыслом. Здесь потребовалось ещё одно крупное усовершенствование - квантование поля. Когда квантовую физику применили к полю, то оказалось, что поле вполне закономерно порождает частицы, являющиеся квантами поля, или переносчиками взаимодействия. Понятие поля сильно усложнилось - теперь это не просто функция в пространстве, увы. Эта теория приобрела рабочий вид в середине 20 века.

И ещё можно упомянуть о развитии представлений о калибровочной инвариантности поля - которая была впервые замечена ещё во второй половине 19 века, но полноценно сформулирована в первой половине 20 века.

Ещё в первой половине 20 века, при квантовании поля, было замечено, что обычные частицы вещества - такие, как протоны, нейтроны и электроны - тоже можно воспринимать как проявления полей. Но до 70-х годов была ещё неясность с новыми квантовыми взаимодействиями - сильным и слабым. Но наконец, она рассеялась, и в физике сложилась картина, что вообще всё на свете - это те или иные поля, взаимодействующие между собой по локальным полевым законам. Сейчас эту картину называют Стандартная Модель.

Правда, стоило ей сложиться, как возникли идеи, идущие дальше - это теория струн. Но они пока остаются гипотезой.

[dima90]

dima90 в сообщении #1132732 писал(а):

См. Нобелевскую лекцию Фейнмана.

Смотрел.

(Оффтоп)

Правда сейчас попытался найти ее еще раз на youtube, но не получилось. Хотя смотрел там.

dima90 в сообщении #1132732 писал(а):

Первым примером такого поля был потенциал в электростатике.

Т.е. до грав. вз-я это понятие добралось только в 19 веке?

dima90 в сообщении #1132732 писал(а):

при квантовании поля, было замечено, что обычные частицы вещества - такие, как протоны, нейтроны и электроны - тоже можно воспринимать как проявления полей.

Это связано с тем, что в константы связей входят характеристики частиц? Или здесь что-то поглубже?

Munin в сообщении #1132734 писал(а):

Стандартная Модель.

А попыток её пересмотра без полей не было? Понимаю, что раз это физическая сущность, то в этом уже и смысла мало; но раз Фейнман пробовал...

Munin в сообщении #1132734 писал(а):

...идеи, идущие дальше - это теория струн. Но они пока остаются гипотезой.

Есть ли какая-либо возможность ее проверки не достигая энергий $10^{19}\text{ ГэВ}$ ?

[Munin]

dima90 в сообщении #1132758 писал(а):

Правда сейчас попытался найти ее еще раз на youtube, но не получилось. Хотя смотрел там.

Я имел в виду, в печатном виде. Она напечатана в УФН: http://ufn.ru/ru/articles/1967/1/c/

dima90 в сообщении #1132758 писал(а):

Т.е. до грав. вз-я это понятие добралось только в 19 веке?

Насколько я понимаю, ньютоновское и кулоновское взаимодействия шли нога в ногу. Доказательство Ньютона о том, что внутри сферической оболочки нет гравитационных сил, использовалось Кулоном для доказательства, что электрические силы убывают по обратному квадрату. Уравнения Лапласа и Пуассона равно годятся и для гравитации, и для электростатики (и для магнитостатики, добавлю).

dima90 в сообщении #1132758 писал(а):

Это связано с тем, что в константы связей входят характеристики частиц? Или здесь что-то поглубже?

Поглубже. Это связано с тем, что поле как динамическая система раскладывается на осцилляторы - колебания разных частот (и длин волн). Каждый осциллятор может квантоваться независимо, и для него получается "лестница" состояний, соответствующая наличию нуля, одного фотона, двух фотонов, и так далее. Поэтому всякие поля дают частицы. Обратно же, после применения принципа Паули, оказывается, что электроны находятся в точно такой же ситуации, только их "лестница" состояний ограничена двумя ступеньками: нуль и один электрон. Но таких "лестниц" (осцилляторов) тоже бесконечно много, и они могут быть собраны вместе в поле.

Поэтому деление классической физики всей природы на поля и частицы (или на вещество и излучение), только установившись в начале 20 века, сразу исчезло. Оказалось, что всё состоит из полей - или что то же самое, из частиц, - и разница только в том, что эти частицы - бозоны или фермионы. Кроме отличия в знаке в нескольких формулах, их роль в природе (на фундаментальном уровне) совершенно одинакова. А в классической физике, напоминаю, отличались не знаки, отличались сами формулы, они были совершенно разные по природе: ОДУ и ДУЧП.

dima90 в сообщении #1132758 писал(а):

А попыток её пересмотра без полей не было? Понимаю, что раз это физическая сущность, то в этом уже и смысла мало; но раз Фейнман пробовал...

Я не знаю, было или не было. Я думаю, что это могло и быть, но было малоинтересно. Физическое сообщество не заметило этого.

dima90 в сообщении #1132758 писал(а):

Есть ли какая-либо возможность ее проверки не достигая энергий $10^{19}\text{ ГэВ}$ ?

Пока такой возможности не найдено. Если найдут - это будет очень громким событием.

[A_Nikolaev]

Я набрался храбрости, чтоб влезть в физическую тему. Просто хочу заметить, что понятие поля ввел Фарадей, который плохо знал математику. Я читал об этом статьи Максвелла. Их можно нагуглить. Наверно, и работы Фарадея можно найти.

(Еще в книге Lev D. Beklemishev "Provability, Computability and Reflection" есть обсуждение этого дела. Там есть выступление Поппера и др. об этом. Я в Google Books смотрел. Слова Поппера на стр. 242.)

-- 20.06.2016, 14:37 --

Не понял только, каким боком к книге относится Lev D. Beklemishev. Думал, составитель, но нет.

[Munin]

A_Nikolaev в сообщении #1132994 писал(а):

Я читал об этом статьи Максвелла. Их можно нагуглить. Наверно, и работы Фарадея можно найти.

Это не ссылки, а чёрт знает что.

A_Nikolaev в сообщении #1132994 писал(а):

Там есть выступление Поппера и др.

Это не авторитетные источники.

[A_Nikolaev]

Munin в сообщении #1132999 писал(а):

A_Nikolaev в сообщении #1132994 писал(а):

Я читал об этом статьи Максвелла. Их можно нагуглить. Наверно, и работы Фарадея можно найти.

Это не ссылки, а чёрт знает что.

Исправляю: Максвелл "Статьи и речи" (3,1 МБ).

Максвелл в книге Статьи и речи писал(а):

Едва ли кто работал более сознательно и систематично, напрягая все свои умственные силы, нежели это делал Фарадей с самого начала своей ученой карьеры. Но в то время как общее направление научного метода состояло в приложении идей математики и астрономии к каждому новому исследованию поочередно, обстоятельства, как известно, сложились для Фарадея так, что он не мог приобрести познаний в математике, а его сведения в астрономии были почерпнуты главным образом из книг.

Поэтому-то хотя он и питал глубокое уважение к великому открытию Ньютона, но смотрел на тяготение как на своего рода священную тайну, которую он, не будучи астрономом, не имел права ни отрицать, ни подвергать сомнению, и его долгом было веровать в нее в той форме, в какой она была вручена ему. Но такая слепая вера неспособна была побудить его объяснять новые явлений путем непосредственного притяжения.

Сверх того, трактаты Пуассона и Ампера были облечены в такую математическую форму, что извлечь из них какую-либо пользу мог только тот, кто тщательно изучал математику; но весьма сомнительно, чтобы таким занятиям мог предаваться человек в зрелые годы.

Итак, Фарадей при всей своей проницательности, при всей своей преданности науке, при всем своем искусстве в экспериментировании лишен был средств следовать направлению мыслей, приведшему французских ученых к блестящим результатам, и был вынужден уяснять себе явления посредством системы символов, более понятных ему, вместо того чтобы усвоить язык, который один господствовал до тех пор среди ученых.

Этими новыми понятиями были те силовые линии, расходящиеся во все стороны от наэлектризованных и намагниченных тел, которые Фарадей видел своим умственным оком так же ясно, как и те материальные тела, из которых они исходят.

Это цитата из HTML-варианта книги, в DJVU страница 56.

Еще есть статья в Вики с цитатами и ссылками: Фарадей, Майкл.

[Bozo]

Извините, тоже задам вопрос.

В 19 веке физики были вынуждены ввести понятие "поле" в безуспешных попытках классической механики объяснить электрические и магнитные явления через близкодействие частиц. В итоге они переписали почти всю классическую физику на основе квантовой теории поля. В 20-21 веке физики опять пытаются объяснить уже с помощью КТП принципиально новые астрофизические явления. Пока безуспешно. Может ли повториться ситуация, когда понятие "квантового поля" придется менять на что-то другое, более глубокое, например, струны?

Однако, если в течение 19 в. Эрстед, Ампер, Фарадей и др. "с нуля" и достаточно быстро снабдили Максвелла опытными данными для построения окончательной теории электромагнетизма, сейчас накопление данных идет очень медленно. Получается, выбор более глубокой теории становится вопросом или "красоты", или веры, но не опыта?

[Munin]

A_Nikolaev
Вы пока рассказали общеизвестное: что Фарадей придумал "силовые линии".

А вопрос про другое.

Bozo в сообщении #1133018 писал(а):

В 19 веке физики были вынуждены ввести понятие "поле" в безуспешных попытках классической механики объяснить электрические и магнитные явления через близкодействие частиц.

Нет. Физики были согласны и на дальнодействие. Но дело решило открытие электромагнитных волн в опытах Герца, ранее предсказанных Максвеллом.

Есть замечательная книга (даже двухтомник) по истории физики
Уиттекер. История теории эфира и электричества. Классические теории.
Уиттекер. История теорий эфира и электричества. Современные теории (1900-1926 гг.).
В ней очень много фактов и подробностей, истинно физическая перспектива. Осторожней надо только вокруг СТО: автор (Уиттекер) не любил СТО.

Bozo в сообщении #1133018 писал(а):

В 20-21 веке физики опять пытаются объяснить уже с помощью КТП принципиально новые астрофизические явления. Пока безуспешно.

Странно, про что бы это? Вообще-то не только успешно, но и фантастически успешно.

Bozo в сообщении #1133018 писал(а):

Может ли повториться ситуация, когда понятие "квантового поля" придется менять на что-то другое, более глубокое, например, струны?

Может, но пока этого не просматривается. Сегодняшние наблюдения и эксперименты этого не требуют. И скорей всего, ещё несколько столетий не потребуют. (А по другим оценкам, и ещё несколько миллионов лет - не потребуют.)

Bozo в сообщении #1133018 писал(а):

Однако, если в течение 19 в. Эрстед, Ампер, Фарадей и др. "с нуля" и достаточно быстро снабдили Максвелла опытными данными для построения окончательной теории электромагнетизма, сейчас накопление данных идет очень медленно. Получается, выбор более глубокой теории становится вопросом или "красоты", или веры, но не опыта?

Да.

[Bozo]

Munin в сообщении #1133041 писал(а):

Уиттекер. История теории эфира

Она у меня в планах на прочтение. Спасибо, что напомнили, очень меня исторические аналогии увлекают.

Munin в сообщении #1133041 писал(а):

Странно, про что бы это? Вообще-то не только успешно, но и фантастически успешно.

Про наблюдения за галактиками, вызвавшие к жизни гипотезу "темной материи" и наблюдения ускоренного расширения Вселенной, питающие гипотезу "темной энергии". Попытки объяснить природу этих новых явлений на основе знаний об обычном веществе пока не очень-то успешны.

Munin в сообщении #1133041 писал(а):

Сегодняшние наблюдения и эксперименты этого не требуют.

Да, если ограничиться объяснением явлений в обычном веществе. Если, как уже было в 19 в., попытаться объяснить принципиально новые явления, старые представления могут оказаться к ним неприменимыми, и физикам придется придумывать какие-то новые понятия. Неужели для науки физики будет лучше, если "темная материя" окажется какой-нибудь скучной пылью, а "темная энергия" - ещё одним одинаковым повсюду свойством Вселенной?

[Munin]

Bozo в сообщении #1133069 писал(а):

Она у меня в планах на прочтение.

Вы неправильно записали название. Не "История теории эфира", а "История теории эфира и электричества". Электричество тут главное.

Bozo в сообщении #1133069 писал(а):

Попытки объяснить природу этих новых явлений на основе знаний об обычном веществе пока не очень-то успешны.

Видимо, вы не понимаете разницу между "объяснить на основе знаний об обычном веществе" и "объяснить на основе теории поля". Она огромна. На основе теории поля - попытки успешней некуда. Не хватает только экспериментов, опять же.

Bozo в сообщении #1133069 писал(а):

Да, если ограничиться объяснением явлений в обычном веществе.

Нет, вообще никакие не требуют.

Вы либо спрашиваете (а я отвечаю), либо выступаете со своим мнением. Второе лучше не делать в этом разделе форума.

Bozo в сообщении #1133069 писал(а):

Неужели для науки физики будет лучше, если "темная материя" окажется какой-нибудь скучной пылью, а "темная энергия" - ещё одним одинаковым повсюду свойством Вселенной?

"Лучше" или "не лучше" для физики - нельзя дать таких оценок. Для физики лучше будет возможность более точно описать природу. Выбора мы тут не имеем.

[A_Nikolaev]

Munin в сообщении #1133041 писал(а):

A_Nikolaev
Вы пока рассказали общеизвестное: что Фарадей придумал "силовые линии".

А вопрос про другое.

Bozo в сообщении #1133018 писал(а):

В 19 веке физики были вынуждены ввести понятие "поле" в безуспешных попытках классической механики объяснить электрические и магнитные явления через близкодействие частиц.

Нет. Физики были согласны и на дальнодействие.

Munin, после Вашего ответа и вопроса Bozo хочу проверить себя. Все ли из этих утверждений верны?

1. во времена Фарадея считалось, что магнетизм и электричество --- дальнодействующие силы,
2. поле --- это близкодействие,
3. магнитное поле и электрическое поле можно представить в виде силовых линий, как в визуализации с помощью опилок.

[Munin]

A_Nikolaev в сообщении #1133082 писал(а):

1. во времена Фарадея считалось, что магнетизм и электричество --- дальнодействующие силы,

Нет. Ситуация была намного сложнее, и скорее склонялась к близкодействию. Рекомендую почитать Уиттекера.

A_Nikolaev в сообщении #1133082 писал(а):

2. поле --- это близкодействие,

Нет. Поле - это физическая система, отдельная материальная сущность. Оно тесно связано с объяснением взаимодействия через близкодействие, но это разные понятия. Кроме того:
- возможно близкодействие без поля;
- возможны поля без близкодействия.

A_Nikolaev в сообщении #1133082 писал(а):

3. магнитное поле и электрическое поле можно представить в виде силовых линий, как в визуализации с помощью опилок.

Да.

Сегодня их лучше называть "линиями поля", а не "силовыми линиями".

[A_Nikolaev]

Munin, большое спасибо. Уитеккера уже нашел. Попробую почитать. Может, что и получится.

[Bozo]

Munin в сообщении #1133076 писал(а):

Вы либо спрашиваете (а я отвечаю), либо выступаете со своим мнением.

Я только спрашиваю.
Мои утверждения - части вопросов, чтобы не писать одни вопросительные предложения.

Munin в сообщении #1133076 писал(а):

Видимо, вы не понимаете разницу между "объяснить на основе знаний об обычном веществе" и "объяснить на основе теории поля". Она огромна.

Признаюсь, не понимаю.
Можно простой физический пример такой разницы?