Прагляд зыходнага тэксту старонкі Поле (фізіка)

[[Файл:Field-illustrations-add.png|thumb|Велічыня і напрамак двухмернага электрычнага поля вакол дзвюх аднолькава зараджаных часціц (яны адштурхоўваюцца). Яркасць паказвае абсалютную велічыню, а колер — напрамак напружанасці поля.]]
[[Файл:Field-illustrations-sub.png|thumb|Процілегла зараджаныя часціцы (прыцягваюцца).]]
'''Поле''' — [[фізічная велічыня]], якая прымае нейкія значэнні ў кожным [[геаметрычны пункт|пункце]] ў прасторы і часе<ref name=Gribbin>
{{cite book |author=John Gribbin|title=Q is for Quantum: Particle Physics from A to Z|publisher=Weidenfeld & Nicolson|location=London|year=1998|isbn=0-297-81752-3|page=138}}</ref>. Напрыклад, у прагнозах надвор’я хуткасць ветру апісваецца ў кожным пункце прасторы вектарам. Кожны такі вектар паказвае хуткасць і напрамак руху паветра ў дадзеным пункце.

Палі падзяляюцца на [[скалярнае поле|скалярныя]], [[вектарнае поле|вектарныя]], [[спінарнае поле|спінарныя]] або [[тэнзарнае поле|тэнзарныя]], згодна з тым, якія значэнні прымае поле — [[скалярная велічыня|скалярныя]], [[еўклідаў вектар|вектарныя]], [[спінар]]ныя ці [[тэнзар]]ныя, адпаведна. Напрыклад, [[Класічная тэорыя прыцягнення Ньютана|Ньютанава]] [[гравітацыйнае поле]] ёсць вектарнае поле: яго значэнне ў пункце прасторы-часу задаецца трыма лікамі, кампанентамі вектара гравітацыйнага поля ў гэтым пункце. Больш за тое, у кожнай катэгорыі (скалярныя, вектарныя, тэнзарныя), поле можа быць ці ''класічным'', ці ''квантавым'', у залежнасці ад таго, як яно апісваецца: лікамі ці [[аператар, фізіка|квантавымі аператарамі]].

Можна ўяўляць, што поле распаўсюджваецца скрозь прастору. На практыцы, напружанасць усіх вядомых палёў спадае і ў некаторым пункце становіцца настолькі малой, што не выяўляецца прыборамі. Напрыклад, у [[Класічная тэорыя прыцягнення Ньютана|Ньютанавай тэорыі гравітацыі]] напружанасць гравітацыйнага поля адваротна прапарцыянальная квадрату адлегласці ад гравітуючага цела. У выніку гравітацыйнае поле Зямлі хутка становіцца невыяўляльным на [[космас|касмічных]] адлегласцях.

Абстрактнае вызначэнне поля як «лікаў у прасторы» не павінна адцягваць ад ідэі, што поле мае рэальны фізічны сэнс. «Яно займае прастору. Яно ўтрымлівае энергію. Яго наяўнасць выключае сапраўдны вакуум»<ref name=Wheeler>
{{cite book |author=John Archibald Wheeler|title=Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics.|url=https://archive.org/details/geonsblackholesq00whee|publisher=Norton|location=London|year=1998|page=[https://archive.org/details/geonsblackholesq00whee/page/163 163]}}
</ref>. Поле стварае «ўмовы ў прасторы»<ref name=Feynman>{{cite book |author=Richard P. Feynman|title=Feynman's Lectures on Physics, Volume 1.|publisher=Caltech| year=1963}}</ref>{{rp|2–4}}, якія «адчуваюцца» змешчанаю ў поле часціцаю.

Калі электрычны зарад паскараецца, на іншым зарадзе гэта не праяўляецца імгненна. Першы зарад пад дзеяннем сілы набірае [[імпульс]], але другі не адчувае ніякага ўздзеяння, пакуль індукцыя, якая распаўсюджваецца з [[хуткасць святла|хуткасцю святла]], не дасягне яго і не перадасць яму імпульс. Дзе ў гэты час знаходзіцца імпульс? Згодна з [[закон захавання імпульсу|законам захавання імпульсу]] ён павінен недзе быць. Фізікі лічаць «вельмі зручным пры аналізе сіл»<ref name=Feynman/>{{rp|9–10}} думаць, што імпульс знаходзіцца ў полі.

Гэта зручнасць дае фізікам аснову для ўпэўненасці, што [[электрамагнітнае поле]] сапраўды існуе, і робіць паняцце поля адным з краевугольных камянёў усяго будынка сучаснай фізікі. Тым не менш, [[Джон Арчыбальд Уілер|Джон Уілер]] і [[Рычард Філіпс Фейнман|Рычард Фейнман]] сур’ёзна разглядалі Ньютанаўскую да-палявую ідэю [[Прынцып далёкадзеяння|дзеяння на адлегласці]] (хоць і пакідалі яе ўбаку з тае прычыны, што ідэя поля вельмі карысная для даследаванняў у [[агульная тэорыя адноснасці|агульнай тэорыі адноснасці]] і [[квантавая электрадынаміка|квантавай электрадынаміцы]]).

«Той факт, што [[электрамагнітнае поле]] можа валодаць [[імпульс]]ам і [[энергія]]й, робіць яго вельмі рэальным… часціца стварае поле, а поле дзейнічае на іншую часціцу, і палі маюць такія ўласцівасці як запас энергіі і імпульс, якраз як часціцы»<ref name="Feynman"/>.

== Гісторыя ==
[[Закон сусветнага прыцягнення]], сфармуляваны [[Ісаак Ньютан|Ісаакам Ньютанам]], проста выражае гравітацыйную [[сіла|сілу]], якая дзейнічае паміж любой парай масіўных цел. Калі разглядаць рух мноства цел, якія ўсе ўзаемадзейнічаюць адно з адным, як напрыклад, планеты [[Сонечная сістэма|Сонечнай сістэмы]], то мець справу з сілай паміж кожнай параю цел паасобку хутка становіцца вылічальна нязручным. У XIX стагоддзі, каб спрасціць улік усіх гэтых гравітацыйных сіл, была вынайдзена новая сутнасць. Гэта сутнасць, [[гравітацыйнае поле]], дае ў кожным пункце прасторы поўную гравітацыйную сілу, якая б дзейнічала на цела адзінкавай масы ў гэтым пункце. Гэта ніяк не мяняла фізіку: не мае значэння, вылічаеце вы ўсе гравітацыйныя сілы паасобку і затым складаеце іх разам, ці спачатку ўлічваеце ўсе ўклады разам як гравітацыйнае поле і затым прыкладаеце яго да аб’екта<ref name=Weinberg1977>{{cite journal
|title=The Search for Unity: Notes for a History of Quantum Field Theory
|url=https://archive.org/details/sim_daedalus_fall-1977_106_4/page/17
|first=Steven |last=Weinberg
|journal=Daedalus |volume=106 |number=4 |year=1977 |pages=17–35
|jstor=20024506
}}</ref>.

Развіццё незалежнай ідэі поля па-сапраўднаму пачалося ў XIX стагоддзі з развіццём тэорыі [[электрамагнетызм]]у. На ранніх стадыях, [[Андрэ Мары Ампер]] і [[Шарль Агюстэн дэ Кулон]] маглі абыходзіцца законамі ў стылі Ньютана для выражэння сіл паміж парамі [[электрычны зарад|электрычных зарадаў]] ці [[электрычны ток|электрычных токаў]]. Аднак, стала больш натуральным прыняць палявы падыход і выразіць гэтыя законы ў тэрмінах [[электрычнае поле|электрычнага]] і [[магнітнае поле|магнітнага палёў]]; у 1849 [[Майкл Фарадэй]] упершыню ўвёў тэрмін «поле»<ref name=Weinberg1977/>.

Незалежная прырода поля стала больш відавочнаю з [[Джэймс Клерк Максвел|Максвелавым]] адкрыццём, што [[электрамагнітная хваля|хвалі ў гэтых палях]] распаўсюджваюцца з канечнаю хуткасцю. У выніку, сілы, дзеючыя на зарады і токі, цяпер залежаць не толькі ад становішча і хуткасці іншых зарадаў і токаў у дадзены час, але і ад іх становішча і хуткасці ў мінулым<ref name=Weinberg1977/>.

Спачатку Максвел не разглядаў поле ў сучасным сэнсе як фундаментальную сутнасць, якая можа існаваць незалежна. Замест гэтага ён думаў, што [[электрамагнітнае поле]] выражае дэфармацыю некаторага асяроддзя-асновы — [[святланосны эфір|святланоснага эфіру]] — шмат у чым падобную да напружання ў гумавай мембране. Калі б так было, назіраная хуткасць электрамагнітных хваль павінна была б залежаць ад хуткасці назіральніка адносна эфіру. Нягледзячы на мноства спроб, ніякіх эксперыментальных пацвярджэнняў падобнага эфекту знойдзена не было; сітуацыя развязалася са стварэннем [[спецыяльная тэорыя адноснасці|спецыяльнай тэорыі адноснасці]] [[Альберт Эйнштэйн|Альбертам Эйнштэйнам]] у 1905 годзе. Гэта тэорыя пастулявала, што хуткасць электрамагнітных хваль з тэорыі Максвела павінна быць аднолькаваю для ўсіх назіральнікаў. Здымаючы патрэбу ў фонавым асяроддзі, гэты вывад адкрыў фізікам шлях для ўспрымання палёў як сапраўды незалежных сутнасцей<ref name=Weinberg1977/>.

У канцы 1920-х новыя прынцыпы [[квантавая механіка|квантавай механікі]] былі ўпершыню прыменены да электрамагнітных палёў. У 1927 годзе [[Поль Дзірак]] з дапамогай [[квантавае поле|квантавых палёў]] паспяхова растлумачыў, як пераход [[атам]]а ў ніжэйшы [[квантавы стан]] прыводзіць да [[спантаннае выпраменьванне|спантаннага выпраменьвання]] [[фатон]]а, кванта электрамагнітнага поля. За гэтым скора прыйшло ўсведамленне (пасля прац [[Паскуаль Ёрдан|Паскуаля Ёрдана]], [[Юджын Вігнер|Юджына Вігнера]], [[Вернер Карл Гейзенберг|Вернера Гейзенберга]] і [[Вольфганг Паўлі|Вольфганга Паўлі]]), што ўсе часціцы, уключаючы [[электрон]]ы і [[пратон]], можна разумець як кванты некаторых квантавых палёў. Тым самым палі падняліся да статусу самага фундаментальнага аб’екта ў прыродзе<ref name=Weinberg1977/>.

== Класічныя палі ==
{{Асноўны артыкул|Класічная тэорыя поля}}
Ёсць некалькі прыкладаў [[класічная тэорыя поля|класічных палёў]]. Класічныя тэорыі поля застаюцца прыдатнымі ўсюды, дзе не праяўляюцца квантавыя ўласцівасці, і могуць быць абласцямі актыўных даследаванняў. У якасці прыкладаў можна прывесці тэорыю [[Пругкасць, фізіка|пругкасці]] матэрыялаў, [[гідрадынаміка|гідрадынаміку]] і [[Ураўненні Максвела|ўраўненні Максвела]].

Аднымі з самых простых фізічных палёў з’яўляюцца вектарныя сілавыя палі. Гістарычна, упершыню сур’ёзна разглядаць палі пачаў [[Майкл Фарадэй]], які з дапамогай [[сілавая лінія|сілавых ліній]] паспрабаваў апісаць [[электрычнае поле]]. Затым падобным жа чынам было апісана [[гравітацыйнае поле]].

=== Ньютанаўская гравітацыя ===
[[Файл:Newtonian gravity field (physics).svg|thumb|upright|У [[класічная гравітацыя|класічнай гравітацыі]] крыніцаю [[гравітацыйнае поле|гравітацыйнага поля]] прыцягнення '''g''' з’яўляецца маса.]]

Класічная тэорыя гравітацыі Ньютана апісвае гравітацыйную сілу як узаемадзеянне паміж дзвюма [[маса]]мі.

Любое масіўнае цела ''M'' мае [[гравітацыйнае поле]] '''g''', якое апісвае ўздзеянне цела на іншыя масіўныя аб’екты. Гравітацыйнае поле цела ''M'' у пункце '''r''' прасторы вызначаюць як адносіну сілы '''F''', з якою ''M'' дзейнічае на малую [[пробная маса|пробную масу]] ''m'', змешчаную ў пункт '''r''', да пробнай масы ''m'':<ref name="kleppner85">{{cite book|last1=Kleppner|first1=David|last2=Kolenkow|first2=Robert|title=An Introduction to Mechanics|page=85}}</ref>
: <math> \mathbf{g}(\mathbf{r}) = \frac{\mathbf{F}(\mathbf{r})}{m}.</math>
Патрабаванне, каб ''m'' была значна меншая за ''M'', гарантуе, што прысутнасць ''m'' толькі нязначна ўплывае на цела ''M''.

Згодна з [[Класічная тэорыя прыцягнення Ньютана|Ньютанавым законам гравітацыі]], сіла прыцягнення '''F'''('''r''') задаецца так<ref name="kleppner85" />
: <math>\mathbf{F}(\mathbf{r}) = -\frac{G M m}{r^2}\hat{\mathbf{r}},</math>
дзе <math>\hat{\mathbf{r}}</math> — [[адзінкавы вектар]], накіраваны ад ''m'' да ''М'' уздоўж прамой, якая іх злучае. Такім чынам, напружанасць гравітацыйнага поля масы '''M''' раўняецца<ref name="kleppner85" />
: <math>\mathbf{g}(\mathbf{r}) = \frac{\mathbf{F}(\mathbf{r})}{m} = -\frac{G M}{r^2}\hat{\mathbf{r}}.</math>

Эксперыментальнае назіранне, што інертная і гравітацыйная масы [[маса|роўныя з надзвычай высокаю ступенню дакладнасці]], дазваляе атоесніць напружанасць гравітацыйнага поля з паскарэннем часціцы ў гэтым полі. Гэта стала зыходным пунктам [[Прынцып эквівалентнасці сіл гравітацыі і інерцыі|прынцыпу эквівалентнасці]] і падштурхнула да развіцця [[агульная тэорыя адноснасці|агульнай тэорыі адноснасці]].

Паколькі гравітацыйная сіла '''F''' з’яўляецца [[патэнцыяльнае вектарнае поле|кансерватыўнаю]], гравітацыйнае поле '''g''' можна апісаць як [[градыент]] скалярнай функцыі — [[гравітацыйны патэнцыял|гравітацыйнага патэнцыялу]] Φ('''r'''):
: <math>\mathbf{g}(\mathbf{r}) = -\nabla \Phi(\mathbf{r}).</math>

=== Электрамагнетызм ===
{{Асноўны артыкул|Электрамагнетызм}}

[[Майкл Фарадэй]] першы ўсвядоміў важнасць палёў як фізічных аб’ектаў, даследуючы праявы [[магнетызм]]у. Ён зразумеў, што [[электрычнае поле|электрычнае]] і [[магнітнае поле|магнітнае палі]] з’яўляюцца не толькі палямі сіл, якія кіруюць рухам часціц, але і самастойнымі фізічнымі аб’ектамі, якія пераносяць энергію.

Гэтыя ідэі ў выніку прывялі да стварэння першай аб’яднанай тэорыі поля ў фізіцы, калі [[Джэймс Клерк Максвел]] сфармуляваў [[ураўненні Максвела|ўраўненні]] [[электрамагнітнае поле|электрамагнітнага поля]], якія цяпер носяць яго імя.

==== Электрастатыка ====
{{Асноўны артыкул|Электрастатыка}}

На [[Пробны зарад|зараджаную пробную часціцу]] дзейнічае сіла '''F''', звязаная выключна з зарадам ''q'' часціцы. Можна апісаць [[электрычнае поле]] '''E''' так, каб {{nowrap|'''F''' {{=}} ''q'''''E'''}}. Адсюль і з [[закон Кулона|закона Кулона]] атрымліваем напружанасць электрычнага поля як сілу, якая дзейнічае на адзінкавы пробны зарад

: <math>\mathbf{E} = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{q}{r^2}\hat{\mathbf{r}}.</math>

Электрычнае поле з’яўляецца [[патэнцыяльнае поле|патэнцыяльным]], і таму яго можна апісаць скалярным патэнцыялам, ''V''('''r'''):
: <math> \mathbf{E}(\mathbf{r}) = -\nabla V(\mathbf{r}).</math>

==== Магнітастатыка ====
{{Асноўны артыкул|Магнітастатыка}}

Пастаянны ток ''I'', які цячэ па шляху ''ℓ'', стварае сілу, якая дзейнічае на размешчаныя побач зараджаныя часціцы і колькасна адрозніваецца ад сілы электрычнага поля, апісанай вышэй. Сіла, з якою ток ''I'' ўздзейнічае на размешчаны побач зарад ''q'', які рухаецца з хуткасцю '''v''', раўняецца
: <math>\mathbf{F}(\mathbf{r}) = q\mathbf{v} \times \mathbf{B}(\mathbf{r}),</math>
дзе '''B'''('''r''') — [[магнітнае поле]], якое вызначаецца токам ''I'' па [[закон Біё — Савара — Лапласа|закону Біё — Савара — Лапласа]]:
: <math>\mathbf{B}(\mathbf{r}) = \frac{\mu_0 I}{4\pi} \int \frac{d\boldsymbol{\ell} \times d\hat{\mathbf{r}}}{r^2}.</math>

Магнітнае поле ўвогуле кажучы не кансерватыўнае, і таму яго, як правіла, нельга запісаць праз скалярны патэнцыял. Тым не менш, яго можна выразіць у тэрмінах [[магнітны вектарны патэнцыял|вектарнага патэнцыялу]], '''A'''('''r'''):
: <math> \mathbf{B}(\mathbf{r}) = \boldsymbol{\nabla} \times \mathbf{A}(\mathbf{r}). </math>

== Гл. таксама ==
* [[Гамільтанава тэорыя поля]]
* [[Скалярнае поле]]
* [[Вектарнае поле]]

== Зноскі ==
{{reflist|2}}

== Далейшае чытанне ==
* [[Леў Давідавіч Ландау|Landau, Lev D.]] and [[Яўген Міхайлавіч Ліфшыц|Lifshitz, Evgeny M.]] (1971). ''Classical Theory of Fields'' (3rd ed.). London: Pergamon. ISBN 0-08-016019-0. Vol. 2 of the Course of Theoretical Physics.

== Спасылкі ==
* [http://www-dick.chemie.uni-regensburg.de/group/stephan_baeurle/index.html Particle and Polymer Field Theories] {{Архівавана|url=https://web.archive.org/web/20080503073240/http://www-dick.chemie.uni-regensburg.de/group/stephan_baeurle/index.html |date=3 мая 2008 }}
{{Бібліяінфармацыя}}

[[Катэгорыя:Тэарэтычная фізіка]]
[[Катэгорыя:Фундаментальныя фізічныя паняцці]]