Классическая теория поля - Classical field theory
А классическая теория поля это физическая теория предсказывает, как один или несколько физические поля взаимодействовать с материей через уравнения поля. Термин «классическая теория поля» обычно используется для описания тех физических теорий, которые описывают электромагнетизм и гравитация, два из фундаментальные силы природы. Теории, включающие квантовую механику, называются квантовые теории поля.
Физическое поле можно рассматривать как задание физическое количество в каждой точке Космос и время. Например, в прогнозе погоды скорость ветра в течение дня над страной описывается путем присвоения вектора каждой точке в пространстве. Каждый вектор представляет направление движения воздуха в этой точке, поэтому набор всех векторов ветра в области в данный момент времени составляет векторное поле. С течением дня направления, в которых указывают векторы, изменяются вместе с изменением направления ветра.
Первые теории поля, Ньютоновская гравитация и Уравнения Максвелла электромагнитных полей были разработаны в классической физике до появления теория относительности в 1905 г., и его пришлось пересмотреть, чтобы соответствовать этой теории. Следовательно, классические теории поля обычно классифицируются как нерелятивистский и релятивистский. Современные теории поля обычно выражаются с помощью математики тензорное исчисление. Более поздний альтернативный математический формализм описывает классические поля как части математических объектов, называемых пучки волокон.
В 1839 г. Джеймс МакКаллах представил уравнения поля для описания отражение и преломление в «Очерке динамической теории отражения и преломления кристаллов».[1]
Нерелятивистские теории поля
Некоторые из простейших физических полей - векторные силовые поля. Исторически впервые всерьез к полям отнеслись Фарадея силовые линии при описании электрическое поле. В гравитационное поле был тогда аналогичным образом описан.
Ньютоновская гравитация
Первый теория поля гравитации было Теория тяготения Ньютона в котором взаимное взаимодействие двух массы подчиняется закон обратных квадратов. Это было очень полезно для предсказания движения планет вокруг Солнца.
Любое массивное тело M имеет гравитационное поле г который описывает его влияние на другие массивные тела. Гравитационное поле M в какой-то момент р в пространстве находится путем определения силы F это M оказывает на небольшой тестовая масса м расположен на р, а затем разделив на м:[2]
При условии, что м намного меньше, чем M гарантирует, что наличие м оказывает незначительное влияние на поведение M.
Согласно с Закон всемирного тяготения Ньютона, F(р) дан кем-то[2]
где это единичный вектор указывая вдоль линии от M к м, и г это Ньютон гравитационная постоянная. Следовательно, гравитационное поле M является[2]
Экспериментальное наблюдение, что инертная масса и гравитационная масса равны беспрецедентный уровень точности приводит к идентификации напряженности гравитационного поля как идентичной ускорению частицы. Это отправная точка принцип эквивалентности, что приводит к общая теория относительности.
Для дискретного набора масс Mя, расположенные в точках, ря, гравитационное поле в точке р из-за массы
Если у нас есть непрерывное распределение массы ρ вместо этого сумма заменяется интегралом,
Обратите внимание, что направление поля указывает от позиции р на позицию масс ря; это обеспечивается знаком минус. Короче говоря, это означает, что привлекаются все массы.
В интегральной форме Закон Гаусса для гравитации является
в то время как в дифференциальной форме это
Следовательно, гравитационное поле г можно записать в терминах градиент из гравитационный потенциал φ (р):
Это следствие действия силы тяжести F будучи консервативный.
Электромагнетизм
Электростатика
А заряженная пробная частица с зарядом q испытывает силу F исключительно на основании его заряда. Аналогичным образом можно описать электрическое поле E так что F = qE. Используя это и Закон Кулона электрическое поле от одной заряженной частицы равно
Электрическое поле равно консервативный, и, следовательно, задается градиентом скалярного потенциала, V(р)
Закон Гаусса для электричества в интегральном виде
в то время как в дифференциальной форме
Магнитостатика
Постоянный ток я течет по тропе ℓ будет оказывать на близлежащие заряженные частицы силу, количественно отличную от силы электрического поля, описанной выше. Сила со стороны я на ближайшей зарядке q со скоростью v является
где B(р) это магнитное поле, который определяется из я посредством Закон Био – Савара:
Магнитное поле в общем случае не является консервативным и, следовательно, обычно не может быть записано в терминах скалярного потенциала. Однако его можно записать в виде векторный потенциал, А(р):
Закон Гаусса для магнетизма в интегральной форме есть
в то время как в дифференциальной форме это
Физическая интерпретация состоит в том, что нет магнитные монополи.
Электродинамика
В общем случае при наличии как плотности заряда ρ (р, т) и плотности тока J(р, т), будет как электрическое, так и магнитное поле, и оба будут меняться во времени. Они определяются Уравнения Максвелла, набор дифференциальных уравнений, которые напрямую связывают E и B к плотности электрического заряда (заряда на единицу объема) ρ и плотность тока (электрический ток на единицу площади) J.[3]
В качестве альтернативы можно описать систему в терминах ее скалярного и векторного потенциалов V и А. Система интегральных уравнений, известная как запаздывающие потенциалы позвольте вычислить V и А от ρ и J,[примечание 1] а оттуда электрическое и магнитное поля определяются соотношениями[4]
Механика сплошной среды
Динамика жидкостей
Гидродинамика имеет поля давления, плотности и расхода, которые связаны законами сохранения энергии и количества движения. Уравнение неразрывности массы - это уравнение неразрывности, представляющее сохранение массы
и Уравнения Навье – Стокса представляют собой сохранение количества движения в жидкости, найденное из законов Ньютона, примененных к жидкости,
если плотность ρ, давление п, девиаторный тензор напряжений τ жидкости, а также внешние силы тела б, все даны. В поле скорости ты - векторное поле, которое нужно найти.
Возможная теория
Период, термин "теория потенциала "возникает из-за того, что в физике XIX века фундаментальные силы природы считались производными от скалярные потенциалы который удовлетворил Уравнение Лапласа. Пуассон обратился к вопросу об устойчивости планетарного орбиты, которое уже было решено Лагранжем в первой степени приближения из сил возмущения, и вывел Уравнение Пуассона, названный в его честь. Общий вид этого уравнения:
где σ - функция источника (как плотность, величина на единицу объема), а φ - скалярный потенциал, который необходимо найти.
В ньютоновской гравитации; массы являются источниками поля, так что силовые линии заканчиваются на объектах, имеющих массу. Точно так же заряды являются источниками и приемниками электростатических полей: положительные заряды испускают силовые линии электрического поля, а силовые линии заканчиваются отрицательными зарядами. Эти концепции поля также проиллюстрированы в общих теорема расходимости, в частности, закон Гаусса для гравитации и электричества. Для случаев не зависящей от времени гравитации и электромагнетизма поля представляют собой градиенты соответствующих потенциалов
поэтому подставляя их в закон Гаусса для каждого случая, получаем
где ρг это плотность вещества и ρе то плотность заряда.
Между прочим, это сходство проистекает из сходства между Закон всемирного тяготения Ньютона и Закон Кулона.
В случае отсутствия источника (например, вакуума или парных зарядов) эти потенциалы подчиняются Уравнение Лапласа:
Для распределения массы (или заряда) потенциал можно разложить в ряд сферические гармоники, а п-й член в ряду можно рассматривать как потенциал, возникающий из 2п-моменты (см. мультипольное расширение ). Для многих целей в расчетах нужны только члены монополя, диполя и квадруполя.
Релятивистская теория поля
Современные формулировки классических теорий поля обычно требуют Ковариация Лоренца поскольку это теперь признано фундаментальным аспектом природы. Теория поля обычно выражается математически с помощью Лагранжианы. Это функция, которая при воздействии принцип действия, порождает уравнения поля и закон сохранения для теории. В действие является скаляром Лоренца, из которого легко выводятся уравнения поля и симметрии.
Повсюду мы используем такие единицы, что скорость света в вакууме равна 1, т.е. c = 1.[заметка 2]
Лагранжева динамика
Учитывая тензор поля φ, скаляр, называемый Плотность лагранжиана
может быть построен из φ и его производные.
Из этой плотности можно построить функционал действия путем интегрирования по пространству-времени,
куда форма объема в искривленном пространстве-времени.
Следовательно, сам лагранжиан равен интегралу плотности лагранжиана по всему пространству.
Затем, применяя принцип действия, уравнения Эйлера – Лагранжа получаются
Релятивистские поля
Теперь описаны две из наиболее известных лоренц-ковариантных классических теорий поля.
Электромагнетизм
Исторически первыми (классическими) теориями поля были теории, описывающие электрическое и магнитное поля (по отдельности). После многочисленных экспериментов было обнаружено, что эти два поля связаны или, по сути, являются двумя аспектами одного и того же поля: электромагнитное поле. Максвелл теория электромагнетизм описывает взаимодействие заряженного вещества с электромагнитным полем. Первая формулировка этой теории поля использовала векторные поля для описания электрический и магнитный поля. С появлением специальной теории относительности более полная формулировка с использованием тензор полей не найдено. Вместо использования двух векторных полей, описывающих электрическое и магнитное поля, используется тензорное поле, представляющее эти два поля вместе.
В электромагнитный четырехпотенциальный определяется как Аа = (-φ, А), а электромагнитный четырехтоковый jа = (-ρ, j). Электромагнитное поле в любой точке пространства-времени описывается антисимметричным (0,2) -рангом тензор электромагнитного поля
Лагранжиан
Чтобы получить динамику для этого поля, мы пытаемся построить скаляр из поля. В вакууме мы имеем
Мы можем использовать теория калибровочного поля чтобы получить срок взаимодействия, и это дает нам
Уравнения
Чтобы получить уравнения поля, необходимо заменить электромагнитный тензор в плотности лагранжиана на его определение в терминах 4-потенциала А, и именно этот потенциал входит в уравнения Эйлера-Лагранжа. ЭМ поле F не изменяется в уравнениях EL. Следовательно,
Вычисление производной плотности лагранжиана по компонентам поля
и производные компонент поля
получает Уравнения Максвелла в вакууме. Исходные уравнения (закон Гаусса для электричества и закон Максвелла-Ампера):
а два других (закон Гаусса для магнетизма и закон Фарадея) получены из того факта, что F это 4-завиток А, или, другими словами, из того, что Бьянки идентичность для тензора электромагнитного поля.[5]
где запятая указывает на частная производная.
Гравитация
После того, как ньютоновское тяготение оказалось несовместимым с специальная теория относительности, Альберт Эйнштейн сформулировал новую теорию гравитации, названную общая теория относительности. Это лечит гравитация как геометрическое явление ('кривая пространство-время ') вызвано массами и представляет собой гравитационное поле математически тензорное поле называется метрический тензор. В Уравнения поля Эйнштейна опишите, как создается эта кривизна. Ньютоновская гравитация теперь заменяется теорией Эйнштейна общая теория относительности, в котором гравитация считается из-за изогнутого пространство-время, вызванные массами. Полевые уравнения Эйнштейна,
описывают, как эта кривизна создается веществом и излучением, где гab это Тензор Эйнштейна,
написано с точки зрения Тензор Риччи рab и Скаляр Риччи р = рabгab, Тab это тензор энергии-импульса и κ = 8πG / c4 является константой. В отсутствие вещества и излучения (включая источники) 'уравнения вакуумного поля,
можно получить, варьируя Действие Эйнштейна – Гильберта,
относительно метрики, где г это детерминант из метрический тензор гab. Решения уравнений вакуумного поля называются вакуумные решения. Альтернативная интерпретация из-за Артур Эддингтон, в том, что фундаментально, это всего лишь один аспект , и вынужден выбором единиц.
Попытки объединения
Попытки создать единую теорию поля на основе классическая физика являются классическими теориями единого поля. В годы между двумя мировыми войнами идея объединения сила тяжести с участием электромагнетизм активно занимались математиками и физиками, такими как Альберт Эйнштейн, Теодор Калуца,[6] Герман Вейль,[7] Артур Эддингтон,[8] Густав Мие[9] и Эрнст Райхенбахер.[10]
Ранние попытки создать такую теорию основывались на включении электромагнитные поля в геометрию общая теория относительности. В 1918 году случай первой геометризации электромагнитного поля был предложен в 1918 году Германом Вейлем.[11] В 1919 году идея пятимерного подхода была предложена Теодор Калуца.[11] Отсюда теория под названием Теория Калуцы-Клейна был развит. Он пытается объединить гравитация и электромагнетизм, в пятимерном пространство-время.Существует несколько способов расширения представительной основы 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 в теорию других математических объектов.[11] Примером первого варианта является ослабление ограничений четырехмерного пространства-времени путем рассмотрения многомерных представлений.[11] Это используется в Теория Калуцы-Клейна. Во-вторых, наиболее ярким примером является концепция аффинная связь это было введено в общая теория относительности в основном благодаря работе Туллио Леви-Чивита и Герман Вейль.[11]
Дальнейшее развитие квантовая теория поля сместил 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 будет включать объединение двух других фундаментальные силы природы, то сильный и слабая ядерная сила которые действуют на субатомном уровне.[12][13]
Смотрите также
Заметки
- ^ Это зависит от правильного выбора калибр. φ и А не определяются однозначно ρ и J; скорее, они определены только с точностью до некоторой скалярной функции ж(р, т) известный как калибр. Формализм запаздывающего потенциала требует выбора Датчик Лоренца.
- ^ Это эквивалентно выбору единиц измерения расстояния и времени в виде световых секунд и секунд или световых лет и лет. Выбор c = 1 позволяет упростить уравнения. Например, E = MC2 сводится к E = м (поскольку c2 = 1, без учета единиц). Это снижает сложность выражений, сохраняя при этом акцент на основных принципах. Эту "хитрость" необходимо учитывать при проведении реальных численных расчетов.
использованная литература
Цитаты
- ^ Джеймс МакКаллах (1839) Очерк динамической теории отражения и преломления кристаллов., Сделки, Королевская ирландская академия 21
- ^ а б c Клеппнер, Дэвид; Коленков, Роберт. Введение в механику. п. 85.
- ^ Гриффитс, Дэвид. Введение в электродинамику (3-е изд.). п. 326.
- ^ Вангснесс, Роальд. Электромагнитные поля (2-е изд.). п. 469.
- ^ http://mathworld.wolfram.com/BianchiIdentities.html
- ^ Калуца, Теодор (1921). "Zum Unitätsproblem in der Physik". Sitzungsber. Прейс. Акад. Wiss. Берлин. (Математика и физика): 966–972. Bibcode:1921SPAW ....... 966K.
- ^ Вейль, Х. (1918). "Gravitation und Elektrizität". Sitz. Прейс. Акад. Wiss.: 465.
- ^ Эддингтон, А. С. (1924). Математическая теория относительности, 2-е изд.. Cambridge Univ. Нажмите.
- ^ Ми, Г. (1912). "Grundlagen einer Theorie der Materie". Анна. Phys. 37 (3): 511–534. Bibcode:1912АнП ... 342..511М. Дои:10.1002 / andp.19123420306.
- ^ Райхенбехер, Э. (1917). "Grundzüge zu einer Theorie der Elektrizität und der Gravitation". Анна. Phys. 52 (2): 134–173. Bibcode:1917AnP ... 357..134R. Дои:10.1002 / andp.19173570203.
- ^ а б c d е ж г Зауэр, Тильман (Май 2014 г.), «Единая программа теории поля Эйнштейна», Янссен, Мишель; Ленер, Кристоф (ред.), Кембриджский компаньон Эйнштейна, Издательство Кембриджского университета, ISBN 9781139024525
- ^ Гадзираи Нямбуя, Golden (октябрь 2007 г.). "Единая теория поля - статья I, гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие" (PDF). Апейрон. 14 (4): 321. Получено 30 декабря 2017.
- ^ Де Бур, В. (1994). "Теории великого объединения и суперсимметрия в физике элементарных частиц и космологии" (PDF). Прогресс в физике элементарных частиц и ядерной физике. 33: 201–301. arXiv:hep-ph / 9402266. Bibcode:1994ПрПНП..33..201Д. Дои:10.1016/0146-6410(94)90045-0. S2CID 119353300. Получено 30 декабря 2017.
Источники
- Трусделл, К.; Тупен, Р.А. (1960). «Классические теории поля». В Флюгге, Зигфрид (ред.). Принципы классической механики и теории поля / Prinzipien der Klassischen Mechanik und Feldtheorie. Handbuch der Physik (Энциклопедия физики). III / 1. Берлин – Гейдельберг – Нью-Йорк: Springer-Verlag. С. 226–793. Zbl 0118.39702..
внешние ссылки
- Тиде, Бо. «Теория электромагнитного поля» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 17 сентября 2003 г.. Получено 14 февраля, 2006.
- Кэрролл, Шон М. (1997). «Конспект лекций по общей теории относительности». arXiv:gr-qc / 9712019. Bibcode:1997гр.кв .... 12019C. Цитировать журнал требует
| журнал =
(Помогите) - Бинни, Джеймс Дж. «Конспект лекций по классическим направлениям» (PDF). Получено 30 апреля, 2007.
- Сарданашвили, Г. (Ноябрь 2008 г.). «Продвинутая классическая теория поля». Международный журнал геометрических методов в современной физике. 5 (7): 1163–1189. arXiv:0811.0331. Bibcode:2008IJGMM..05.1163S. Дои:10.1142 / S0219887808003247. ISBN 978-981-283-895-7. S2CID 13884729.