Kenttä (fysiikka)

In fysiikan , joka on kuvattu alan alueellista jakautumista on fysikaalinen suure . Tämä voi olla skalaarikenttä (kuten lämpötila , painovoimapotentiaali tai sähköstaattinen potentiaali ), vektorikenttä (kuten virtausnopeus , painovoimakenttä tai sähkökenttä ) tai korkeamman ulottuvuuden tensorikenttä , kuten laki energiamomentin tensori . Kentän arvoa tietyssä paikassa kutsutaan joskus kentänvoimakkuudeksi . Fyysisten kenttien teoriaa kutsutaan kenttäteoriaksi .

Lisäksi jotkut kentät ovat itse fyysisiä esineitä:

• Ne täyttävät liikeyhtälöt , joita tässä kutsutaan kenttäyhtälöiksi . Maxwellin yhtälöt ovat yhtälöt liikkeen varten sähkö- ja magneettikentät .
• Kuten ruumiilla, myös kentillä on energiaa ( kenttäenergiaa ), vauhtia ja myös kulmamomenttia. Voima vaikutus kahden kappaleen välillä tyhjässä tilassa selittyy sillä, että kenttä ottaa nämä määrät yhdestä kappaleesta ja siirtää ne toiseen kappaleeseen.

Vuonna Kvanttikenttäteoria , Pelto on perustavanlaatuinen termi josta kaikki ominaisuudet aineen ja voimien kehitetään. Kenttää voidaan herättää tässä vain määritellyissä vaiheissa, joita kuvataan vastaavan määrän kenttäkvanttien muodostamiseksi . Kaikki tunnetut asia hiukkaset koostuvat, kuten alalla kvanttien tietyillä aloilla, kun taas voimat välillä syntyvät vaihto hiukkasia , ts H. Tiettyjen muiden kenttien kenttäkvantit. Yksittäiset kenttäkvantit ovat perushiukkasia .

Yleistä

Erilaiset käsitykset kenttäkonseptista

Toisaalta, kentät osoittavat alueellisen jakautumisen tiettyjen fysikaalisten ominaisuuksien: Esimerkiksi alueellista jakautumista lämpötilan liesi alkuun voidaan kuvata lämpötila kentän tai alueellista jakautumista tiheys on elin voidaan kuvata jonka massatiheyskenttä. Tässä mielessä kenttä on matemaattinen työkalu, joka todella pisteittäistä fysikaaliset ominaisuudet laajalti tai koostuu osajärjestelmien järjestelmän kooltaan, alan summaa.

Kenttä voi kuitenkin olla myös itsenäinen fyysinen kokonaisuus, jota ei saa pitää yhdistelmäjärjestelmänä tai matemaattisena apumuuttujana. Aivan kuten hiukkanen , jäykkä runko tai muu fyysinen järjestelmä, kenttä voi sitten kantaa vauhtia ja kulmamomenttia , sisältää energiaa ja olla virittyneissä tiloissa . Esimerkiksi valonsäde, joka kuljettaa energiaa tyhjän tilan läpi, kuten Poynting-vektori kuvailee , on (ajasta riippuvainen) kenttä ja on samalla tasolla kuin hiukkaset tai muu aine entiteettien fyysisessä hierarkiassa .

Tässä mielessä z. Esimerkiksi sähkökenttää voidaan pitää yksinkertaisesti sähkökentän voimakkuuden tilajakaumana tai itsenäisenä, pelkistämättömänä järjestelmänä. ${\ displaystyle {\ vec {E}} ({\ vec {r}}, t)}$

Kenttien dynamiikka

Yleensä kentät ovat ajasta riippuvaisia, ts. Paikan ja ajan funktiot. Dynamiikka hiukkasen kuvataan käyttäen liikeyhtälöt ; vastaavasti kenttien dynamiikkaa, eli kentän koon ajallista muutosta, kuvataan kenttäyhtälöiden avulla . Olennainen ero kenttäyhtälöiden ja hiukkasten liikeyhtälöiden välillä on se, että kenttäyhtälö kuvaa äärettömän määrän vapausasteita , koska kentällä on ääretön määrä vapausasteita (kentän koko kussakin avaruuden muodossa vapausaste ja kenttä määritellään yleensä äärettömässä määrässä avaruuden pisteitä). Toisaalta hiukkasen liikeyhtälöt kuvaavat vain äärellisen määrän vapausasteiden dynamiikkaa (enimmäkseen hiukkasen kolmen tilakoordinaatin kehitystä ajan kuluessa).

Kenttäkonseptin historia

Kentän käsitteen alkuperä on 1700 -luvulla, jolloin tiettyjen määrien alueellisesta jakautumisesta keskusteltiin kontinuumimekaniikassa ja nestemekaniikassa. Sitä ei pidetty itsenäisenä kokonaisuutena, ja kenttien dynamiikka johdettiin niiden molekyylien tai tilavuuselementtien ominaisuuksista, joihin kenttä perustuu, Newtonin hiukkasmekaniikan avulla. Kentän käsite sai täysin uuden merkityksen syntyessään elektrodynamiikasta 1800 -luvun lopulla, koska sähkömagneettista kenttää ei voitu selittää mikroskooppisena tilana, joka koostui mikroskooppisista osajärjestelmistä. Sähkömagneettisesta kentästä tuli uusi pelkistymätön kokonaisuus. Michael Faraday ja James Clerk Maxwell olivat edelleen sitä mieltä, että sähkömagneettinen kenttä on vain eetterin viritetty tila, ja siksi he pitivät kenttää liikkeessä tai mekaanisissa jännityksissä aineen muodossa, eetterissä. Mutta Michelson-Morley-kokeilu oli ristiriidassa eetteriteorian kanssa. Tyhjän tilan täyttävän eetterin olemassaolo hylättiin tästä lähtien fysiikassa. Havainto, että sähkömagneettinen kenttä on olemassa myös tyhjiössä , ilman kantaja -ainetta, ilman näkymätöntä kantaja -ainetta, kuten eetteriä, johti siihen, että sähkökenttä ymmärrettiin itsenäiseksi fyysiseksi järjestelmäksi. Nykyään kentän käsite on (ainakin) tasavertainen aineen käsitteen kanssa. Tyhjä tila voi sisältää sekä ainetta että kenttiä. Vuonna Kvanttikenttäteoria lopuksi asia hiukkasia kuin ovat alan Quanta , d. H. Kenttien kvantisoituja jännityksiä pidetään. Kysymyksestä siitä, ovatko hiukkaset tai kentät lopulta "perustavammat" luonteeltaan, keskustellaan edelleen kiistanalaisesti tänään (2018). Useimmat fyysikot ovat kuitenkin kvanttikentän teoreettista näkemystä, jonka mukaan ei ole paikallisia hiukkasia eikä tyhjää tilaa, vaan vain kenttiä (ja niiden kvantteja, jotka löytyvät missä tahansa kohdassa, jossa kenttä ei ole nolla).

Kenttä vuorovaikutusten kantajana

Newtonin teoria painopiste on teoria toiminnan etäisyydellä , koska tämä teoria ei selitä, miten elin B, joka on poistettu kehosta A tunnistaa läsnäolo A, eli kuinka painovoiman vuorovaikutus kuljetetaan läpi tyhjää tilaa. Lisäksi vuorovaikutuksen etenemisnopeus tässä kenttättömässä teoriassa on rajaton. Mukaan Suhteellisuusteoria , on kuitenkin yläraja etenemisnopeus kaikki vuorovaikutukset, eli valon nopeus . Jotta tapahtumien syy -yhteyttä ei rikottaisi, vuorovaikutusteorioiden on oltava paikallisia . Kenttätermin avulla vuorovaikutuksia voidaan kuvata paikallisesti. Keho A on gravitaatiokentän ympäröimä ja reagoi ympäristön kentän muutoksiin eikä suoraan muiden kentän synnyttävien kappaleiden siirtymiseen. Kenttä on siis vuorovaikutuksen kantaja. Kenttäyhtälöt kuvaavat kuinka ja millä nopeushäiriöillä etenee tällaisessa vuorovaikutuskentässä, eli myös millä nopeudella A oppii B: n siirtymän. Painovoiman kenttäyhtälöt ovat Einsteinin kenttäyhtälöitä, sähkömagnetismin kenttäyhtälöt ovat Maxwellin yhtälöitä .

Kenttien jako

Skalaarikentän esitys, esim. B. Pinnan lämpötilajakauma. Korkean lämpötilan pisteitä edustaa punainen ja matalan lämpötilan pisteitä sininen. Tämän skalaarikentän yläpuolelle on piirretty vektorikenttä, kenttä, joka määrittää vektorin jokaiseen pinnan pisteeseen. Tässä näkyy erityinen vektorikenttä, nimittäin taustalla olevan skalaarikentän kaltevuuskenttä .

Vektorikenttä pallolla. Jokaiselle pallon pinnalla olevalle pisteelle on osoitettu tähän pisteeseen linkitetty vektori , joka näkyy nuolina.

Kenttätermejä käytetään kaikilla fysiikan aloilla, ja monet erityiset kenttätermit ovat vakiinnuttaneet asemansa erityiskarakterisointia varten. Sama kenttä voi kuulua useisiin seuraavista erityisistä kenttäehdoista.

Yksi kriteeri kenttien karakterisoinnissa on kentän koon fyysinen luonne: tiheyskenttä , lämpötilakenttä , nopeuskenttä , painovoimakenttä , sähkökenttä , magneettikenttä , ( konservatiivinen ) voimakenttä ja äänikenttä .

Toinen kriteeri on kentän koon matemaattinen luonne: Skalaarikentillä on funktion arvoina skalaarit , kuten massatiheys tai lämpötila. Tärkeä skalaarikenttä on fyysinen potentiaali . Vektorikentillä on vektoreita funktion arvoina, kuten voima tai sähkökentän voimakkuus ; Tensorikentillä on tentoreita toiminnallisina arvoina, kuten elastinen jännitys ; Spinori kentät on spinors funktiona arvoja, kuten ratkaisut Diracin yhtälö tai Weyl yhtälö relativistisessa kvanttimekaniikan. Nimi kentänvoimakkuutta käytetään yleisesti joidenkin vektorikenttien kentän koolle .

Kenttiä voidaan myös luonnehtia niiden muuttuvan ajan mukaan: Staattisilla kentillä on toiminnasta arvot, jotka eivät ole riippuvaisia ​​ajasta ja ovat siksi esimerkiksi staattisen , sähköstaattisen , magnetostaattisen , hydrostaattisen tai aerostatiikan kohteena . Kiinteillä kentillä on toiminta-arvot, jotka ovat yleensä ajasta riippuvaisia, mutta eivät muutu ajan myötä juuri tarkastellussa tapauksessa. Esimerkkejä ovat magneettikentän ympärillä kiinteän johtimen kautta, joka jatkuvasti tasavirtaa virtaa tai tasaisesti nestettä . Kenttiä kutsutaan lähes staattisiksi , joiden toiminnalliset arvot muuttuvat ajan myötä, mutta vain niin vähän, että tämä muutos on vähäinen.

Kentät voidaan myös luokitella niiden paikallisen (epä) muuttuvuuden mukaan. On homogeeninen kenttä , kentän koko on sama kaikissa paikoissa, eli paikasta riippumatta. Jos näin ei ole, kenttää kutsutaan epähomogeeniseksi .

Vektorikentät voidaan luonnehtia niiden kenttäviivojen kulun mukaan . Kenttäviivat voivat nousta tietyistä avaruuden pisteistä ja katoaa muista kohdista ( lähde ja pesuallas ) - tämän tyyppisiä kenttiä kutsutaan yleensä lähdekentiksi . Esimerkkejä tästä ovat positiivisen ja negatiivisen sähkövarauksen sähköstaattinen kenttä tai painovoimakenttä. Kenttäviivat voivat kuitenkin esiintyä myös silmukoina, jotka ovat aina suljettuja itsessään - tämän tyyppisiä kenttiä kutsutaan yleensä pyörrekentiksi . Tunnetuin esimerkki tästä on magneettikenttä. Vektorikenttää, joka syntyy kaltevuudesta kussakin mahdollisen kentän paikassa, kutsutaan liukukenttään .

Kenttien kuvallinen esitys

Magneettikenttäviivat tangomagneetin läheisyydessä, jotka näkyvät rautahiutaleilla paperilla

Kaksiulotteiset skalaarikentät tai korkeamman ulottuvuuden skalaarikenttien kaksiulotteiset osat voidaan esittää tasossa ääriviivojen tai korkeuden mukaan värjättyjen pisteiden avulla (katso kuva oikealla).

Jotkin kaksiulotteiset vektorikentät voidaan näyttää erityisen selvästi kenttäviivojen avulla (katso alla oleva kuva). Tangentti kentän viiva osoittaa suunnan kentän koko (vektori) vastaavassa kohdassa; viivojen välinen etäisyys on kääntäen verrannollinen kentän kokoon.

kirjallisuus

• Hartmann Römer , Michael Forger: Alkeellinen kenttäteoria: elektrodynamiikka, hydrodynamiikka, erityinen suhteellisuusteoria . VCH, Weinheim 1993, ISBN 3-527-29065-6 . 
• Otto Nachtmann : Ilmeitä ja alkeishiukkasfysiikan käsitteitä . Vieweg + Teubner, 1992, ISBN 3-528-08926-1 . 

nettilinkit

• Luento 1 | Quantum Entanglements, osa 1 (Stanford) , Leonard Susskind , Stanford, käyttää lämpötilaa kentän selittämiseen. Video, 25. syyskuuta 2006

Yksilöllisiä todisteita

1. ↑ ^{a b} David Bohm: Kausaalisuus ja sattuma nykyaikaisessa fysiikassa (luettu 29. tammikuuta 2012) . University of Pennsylvania Press, 1980, ISBN 978-0-8122-1002-6 , s. 42 . 
2. ↑ International Conference Ontological Aspects of Quantum Field Theory (käytetty 27. tammikuuta 2017), Bielefeldin yliopiston monitieteisen tutkimuksen keskus , 11. - 13. Lokakuu 1999 (ohjanneet Manfred Stöckler, Andreas Bartels , Brigitte Falkenburg , Michael Drieschner ja Allen Hirshfeld ).
3. ↑ Meinard Kuhlmann, Holger Lyre, Andrew Wayne: Kvanttikenttäteorian ontologiset näkökohdat . World Scientific, 15. kesäkuuta 2002, ISBN 978-981-238-182-8 , s.8- .
4. ^ Art Hobson: Ei ole hiukkasia, on vain kenttiä. Am. J. Phys. 81 211 (2013). Amerikkalaiselta: Ei ole hiukkasia, on vain kenttiä
5. ↑ Marc Lange: Johdatus fysiikan filosofiaan: paikkakunta, kentät, energia ja massa . Wiley-Blackwell, 24. kesäkuuta 2002, ISBN 978-0-631-22501-0 , s. 26 ja sitä myöhempi (Käytetty 30. tammikuuta 2012)