История философии теории поля - Википедия - History of the philosophy of field theory

В Исаак Ньютон с классическая гравитация, масса источник привлекательного гравитационное поле.

Теория поля возникла в 18 веке в математической формулировке Ньютоновская механика, но он считался несовершенным, поскольку предполагал действие на расстоянии. В 1852 г. Майкл Фарадей лечил магнитное поле как физический объект, рассуждая о силовых линиях. Джеймс Клерк Максвелл использовал концептуализацию Фарадея, чтобы помочь сформулировать его объединение электричества и магнетизма в его электромагнитный теория.

С Альберт Эйнштейн с специальная теория относительности и Эксперимент Майкельсона-Морли стало ясно, что электромагнитные волны не распространяются как колебания в физическом эфир; и в физике Эйнштейна не было разницы между эффектами поля и действием на расстоянии.

В квантовая теория поля, поля становятся фундаментальными объектами изучения, а частицы - возбуждениями этих полей.

Исторический контекст

Теория поля, изучение динамических поля в физике изначально была математической формулировкой Ньютоновская механика. Успех ньютоновской физики с момента публикации Исаак Ньютон с Principia в 1687 г. предоставил основу для исследования движения и сил, связанных с электричество и магнетизм. Шарль-Огюстен де Кулон показал в 1785 г., что отталкивающая сила между двумя электрически заряженными сферами подчиняется тому же (с точностью до знака) закону силы, что и Закон всемирного тяготения Ньютона: сила между двумя телами направлена ​​вдоль линии, разделяющей тела, и ее величина пропорциональна произведению их зарядов (для гравитации, их масс), разделенных на квадрат расстояния между ними. Андре-Мари Ампер в 1823 году показал, что сила между бесконечно малыми отрезками проводов с током аналогичным образом подчиняется закон обратных квадратов так, чтобы сила была направлена ​​вдоль линии разделения между проволочными элементами.^[1]

Несмотря на успех этих теорий в точных численных предсказаниях широкого круга явлений, они, как правило, считались несовершенными, как натурфилософские теории механики, поскольку все они по сути своей действие на расстоянии механизмы. В контексте развития теории поля тот факт, что функция может быть записана, чтобы дать силу на единицу масса, обвинять, или же Текущий для каждой точки в пространстве была просто математическая конструкция. Это считалось несостоятельным на метафизический основания^[2][3] что сила действует через пустое пространство, и, следовательно, эти законы силы предполагались просто описательными, а не объяснительными.

Чтобы объяснить кажущееся действие на расстоянии и дать механике основы метафизики, в 1786 г. Иммануил Кант предложил более общее определение иметь значение:

«Материя - это то, что движется и заполняет пространство. Заполнить пространство - значит противостоять всем другим движущимся вещам, которые пытаются двигаться в это пространство. Незаполненное пространство - это пустое пространство».^[4]

Поскольку это определение очень широкое, неясно, имел ли Кант в виду для своей «материи» такую ​​же область Майкл Фарадей обнаружил бы. Сам Кант был сторонником теория эфира, который упоминается в его Opus Postumum.^[3] Но в любом качестве метафизика Канта на самом деле предсказывает открытия Фарадея и Джеймс Клерк Максвелл, это была одна из первых попыток согласовать действие на расстоянии на физических, а не математических основаниях.

Электромагнитное поле

Майкл Фарадей эксперимент с электромагнитным вращением, c. 1821, показывая, что поле может передавать силу.^[5]

Открытие поля как физического объекта начинается с Майкл Фарадей. Фарадей ввел термин "магнитное поле " в его Исследования при постулировании, обнаружив, что все составляющие материалы человека являются диамагнитный, что если бы человека поместили в достаточно сильный магнитное поле тогда они тоже выровнялись бы с полем. Фарадей не рассматривал это поле как простую математическую конструкцию для вычисления сил между частицами - обладая лишь элементарной математической подготовкой, он не имел возможности абстрагироваться от реальности, чтобы делать количественные прогнозы.^[1] Вместо этого он предположил, что существует «сила», заполняющая пространство, где электромагнитные поля были произведены и качественно рассуждены об этих силах с помощью «силовых линий»:

"Важным для определения этих линий является то, что они представляют определенное и неизменное количество силы. Хотя, следовательно, их формы, поскольку они существуют между двумя или более центрами или источниками силы, могут сильно различаться, а также пространство, через которое они могут быть прослежены, но сумма мощностей, содержащихся в любой части данной части линий, в точности равна сумме мощностей в любой другой части тех же линий, как бы они ни были изменены по форме, как бы сходились или расходились они ни быть на втором месте ".^[6]

Понимание Фарадеем поведения магнитных полей окажется бесценным для Джеймс Клерк Максвелл курс на объединение электричество и магнетизм в одну теорию. До написания своего Научный трудМаксвелл начал использовать строки Фарадея, чтобы рассуждать о электромагнитный поведение, и начал верить в их физическое существование:

"Прекрасная иллюстрация присутствия магнитной силы, представленная в этом эксперименте ([железные опилки выстраиваются в магнитном поле]), естественно, заставляет нас думать о силовых линиях как о чем-то реальном и указывающем на нечто большее, чем просто результирующий результат. двух сил, центр действия которых находится на расстоянии и которые не существуют там вообще, пока магнит не помещен в эту часть поля. Мы не удовлетворены объяснением, основанным на гипотезе о силах притяжения и отталкивания, направленных на магнитных полюсов, даже если мы, возможно, убедились, что явление находится в строгом соответствии с этой гипотезой, и мы не можем не думать, что в каждом месте, где мы находим эти силовые линии, какое-то физическое состояние или действие должно существовать с достаточной энергией, чтобы производят реальные явления ".^[7]

Но даже после его Научный труд и последующее открытие свет как электромагнитная волна Максвелл продолжал верить в теорию эфира:

«Другая теория электричества, которую я предпочитаю, отрицает действие на расстоянии и приписывает электрическое действие напряжениям и давлениям во всепроникающей среде, причем эти напряжения по своей природе такие же, как и те, которые знакомы инженерам, а среда идентична той, в которой свет должен распространяться ".^[8]

Это считалось желательной чертой для физического описания, поскольку в нем не было бы ссылок на действия на расстоянии. В своей книге, подробно описывающей историю концепции действия на расстоянии, философ науки Мэри Гессен пишет:

«Существует физическая разница между гравитационным полем ... и полем скорости жидкости. В последнем случае функция поля является фактическим свойством материала в каждой точке поля, но в гравитационном случае потенциальная функция V является `` потенциальным '' в том смысле, что он не обязательно описывает материальное свойство поля ... он описывает потенциальное свойство, а именно силу, которая бы проявится, если в этой точке в поле будет введена небольшая масса ".^[9]

В Эксперимент Майкельсона-Морли: если эфир Движение относительно Земли повлияло на скорость света, при этом произошел бы сдвиг (пунктирные линии), поскольку аппарат вращался на 360 °, но практически никакого эффекта не было обнаружено (сплошные линии).

Но открытие специальная теория относительности и последующие Эксперимент Майкельсона-Морли окончательно продемонстрировал, что эфир, движение которого как жидкость могло бы объяснить эффекты электромагнетизма, не мог существовать, как объяснил Эйнштейн:

Резюмируя, мы можем сказать, что согласно общей теории относительности пространство наделено физическими качествами; следовательно, в этом смысле существует эфир. Согласно общей теории относительности пространство без эфира немыслимо, ибо в таком пространстве существует не только не было бы распространения света, но и не было бы возможности существования эталонов пространства и времени (измерительные стержни и часы), а следовательно, и каких-либо пространственно-временных интервалов в физическом смысле. Но этот эфир нельзя рассматривать как наделен качественными характеристиками весомой среды, состоящей из частей, которые можно отслеживать во времени. Идея движения к ней неприменима ».^[10]

Отсюда стало ясно, что в случае электромагнетизма нет основного материала, через который силы должны распространяться. В этих случаях не может быть никакого различия между эффектами поля, возникающего через потенциал, и эффектами силы «действия на расстоянии»; они математически эквивалентны и не могут предсказывать различные явления, из которых можно опровергнуть ту или иную точку зрения.^[11] В режиме классическая физика, существует фундаментальная двойственность между действием на расстоянии и эффектами поля.

Квантовые поля и эффект Унру

Поля становятся фундаментальным объектом изучения в квантовая теория поля. Математически квантовые поля формализованы как операторнозначные распределения.^[12] Хотя прямого метода измерения самих полей не существует, система утверждает, что все частицы являются «возбуждениями» этих полей. Например: тогда как теория Максвелла классический электромагнетизм описывает свет как самораспространяющуюся волну в электромагнитном поле, в квантовая электродинамика свет безмассовый калибровочный бозон частица называется "фотон. "Кроме того, количество частиц в изолированной системе не обязательно должно сохраняться; примером процесса, для которого это имеет место, является тормозное излучение. А эвристический для предположения, что частицы могут быть созданы и уничтожены, находится в Альберт Эйнштейн известное уравнение ${ displaystyle E = mc ^ {2}}$, который утверждает, что в принципе можно обмениваться энергией и веществом. Более подробное понимание структуры достигается путем изучения плотности лагранжиана теории поля, которая кодирует информацию о разрешенных взаимодействиях частиц.^[13]

Но даже в этой структуре, для которой не существует спора о действиях на расстоянии, как в случае с классическими полями, квантовые поля можно рассматривать как просто математические инструменты для расчета динамики частиц.^[а] В 1972 году решение о том, как следует понимать, было еще вопросом вкуса и удобства. квантовая механика; Джулиан Швингер заметил, что:

«В конце концов [развитие математического формализма] привело к лагранжевам или формулировкам действия квантовой механики, появившимся в двух различных, но связанных формах, которые я различаю как дифференциальную и интегральную. Последняя, ​​возглавляемая Фейнманом, получила все освещение в прессе, но Я по-прежнему считаю, что дифференциальная точка зрения является более общей, более элегантной, более полезной и более привязанной к исторической линии развития, как квантовая транскрипция принципа действия Гамильтона ».^[14]

Искривленное пространство-время: В Альберт Эйнштейн По физике, массивное тело искажает ткань пространства-времени, а не просто притягивает далекие тела, как в ньютоновской физике.

Исследование Стивена Фуллинга по квантовой теории поля на искривленное пространство-время фон дал ошеломляющий результат, заключающийся в неоднозначности определения состояния вакуума, разрешение которого привело бы к физически значимым выводам.^[b][15] Уильям Унру исследовал и разрешил эту двусмысленность для Стивен Хокинг проблема расходящейся плотности ультрафиолетовых частиц вблизи горизонт событий из черная дыра.^[12] Он рассмотрел игрушечную модель детектора частиц, равномерно ускоряющегося через вакуумное состояние квантового поля в Пространство Минковского (в отношении чего нет двусмысленности). Он указал следующие условия:

• «Детектор частиц будет реагировать на состояния, которые имеют положительную частоту относительно собственного времени детектора, а не относительно какого-либо всемирного времени».
• «Процесс обнаружения квантов поля детектором, определяемый как возбуждение детектора полем, может соответствовать либо поглощению, либо испусканию квантов поля, когда детектор является ускоренным».^[16]

Для своей игрушечной модели он обнаружил, что детектор, ускоряющийся с постоянной скоростью ${ displaystyle a}$ обнаружит излучение черного тела, поток фотонов, как если бы он был неподвижен в термальной ванне с температурой ${ displaystyle a / 2 pi}$. Приложение к проблеме Хокинга заключалось в том, что принцип эквивалентности, стационарный наблюдатель около горизонта событий черной дыры, несущей детектор частиц, будет наблюдать возбуждение в детекторе, как если бы он ускорялся с огромной скоростью в плоском пространстве-времени с вакуумным состоянием. Этим объясняется расходящаяся плотность УФ-частиц вблизи горизонта событий.^[12]

Чтобы понять, почему квантовое поле должно быть фундаментальным объектом изучения в релятивистской квантовой механике:

«Если рассматривать локальные поля как фундаментальные объекты теории, эффект Унру рассматривается как простое следствие того, как эти поля взаимодействуют с другими квантово-механическими системами (то есть« детекторами частиц »). Если попытаться рассмотреть» частицы «как фундаментальные сущности теории, эффект Унру становится непостижимым».^[12]

В этом смысле квантовые поля утверждают себя в отличие от классических полей. Тот факт, что ускоренная система отсчета имеет другое представление о время (Координаты Риндлера ) означает, что у него будет другое понятие энергия, частицы и вакуум.^[17] Связь между такими понятиями понимается только в контексте теории поля.

Примечания

Рекомендации