ПОЛЯ́ ФИЗИ́ЧЕСКИЕ

ПОЛЯ́ ФИЗИ́ЧЕСКИЕ, фи­зич. сис­те­мы, об­ла­даю­щие бес­ко­неч­но боль­шим чис­лом сте­пе­ней сво­бо­ды. От­но­ся­щие­ся к та­кой сис­те­ме фи­зич. ве­ли­чи­ны не ло­ка­ли­зо­ва­ны на к.-л. отд. ма­те­ри­аль­ных час­ти­цах с ко­неч­ным чис­лом сте­пе­ней сво­бо­ды, а не­пре­рыв­но рас­пре­де­ле­ны по не­ко­то­рой об­лас­ти про­стран­ст­ва. При­ме­ра­ми та­ких сис­тем мо­гут слу­жить гра­ви­тац. и элек­тро­маг­нит­ные по­ля и вол­но­вые по­ля час­тиц в кван­то­вой фи­зи­ке (элек­трон­но-по­зи­трон­ное, ме­зон­ное и т. п.).

При рас­смот­ре­нии не­ре­ля­ти­ви­ст­ских про­цес­сов по­ня­тие по­ля обыч­но не вво­дят. Напр., при рас­смот­ре­нии гра­ви­тац. или ку­ло­нов­ско­го взаи­мо­дей­ст­вия двух час­тиц мож­но счи­тать, что си­ла взаи­мо­дей­ст­вия воз­ни­ка­ет лишь при на­ли­чии обе­их час­тиц, по­ла­гая, что про­стран­ст­во во­круг час­тиц не иг­ра­ет осо­бой ро­ли в пе­ре­да­че взаи­мо­дей­ст­вия (см. Взаи­мо­дей­ст­вие в фи­зи­ке). Та­кое пред­став­ле­ние со­от­вет­ст­ву­ет кон­цеп­ции даль­но­дей­ст­вия, или дей­ст­вия на рас­стоя­нии. По­ня­тие о даль­но­дей­ст­вии, од­на­ко, яв­ля­ет­ся при­бли­же­ни­ем толь­ко в не­ре­ля­ти­ви­ст­ском слу­чае, фи­зи­че­ски эк­ви­ва­лент­ным пред­став­ле­нию о том, что дей­ст­вие за­ря­да про­яв­ля­ет­ся лишь при по­ме­ще­нии вто­рой, проб­ной час­ти­цы в об­ласть про­стран­ст­ва, свой­ст­ва ко­то­ро­го уже из­ме­не­ны из-за на­ли­чия пер­вой час­ти­цы.

По­ня­тие по­ля вве­де­но М. Фа­ра­де­ем и Дж. К. Мак­свел­лом в 1830–60-х гг. для опи­са­ния ме­ха­низ­ма дей­ст­вия элек­трич. и маг­нит­ных сил. Кон­цеп­ция си­ло­во­го по­ля как по­сред­ни­ка при пе­ре­да­че взаи­мо­дей­ст­вия воз­ник­ла в ка­че­ст­ве аль­тер­на­ти­вы идее даль­но­дей­ст­вия. Она под­ра­зу­ме­ва­ет, что са­мо на­ли­чие за­ря­жен­ной час­ти­цы ме­ня­ет свой­ст­ва про­стран­ст­ва: час­ти­ца соз­да­ёт во­круг се­бя си­ло­вое элек­трич. по­ле. Ка­ж­дая точ­ка из­ме­нён­но­го про­стран­ст­ва об­ла­да­ет по­тен­ци­аль­ной спо­соб­но­стью про­явить дей­ст­вие си­лы. Для это­го дос­та­точ­но по­мес­тить в эту точ­ку вто­рой, проб­ный за­ряд. Проб­ный за­ряд взаи­мо­дей­ст­ву­ет не не­по­сред­ст­вен­но с за­ря­дом – соз­да­те­лем по­ля, а с по­лем в точ­ке, где этот проб­ный за­ряд на­хо­дит­ся. По­ле вы­пол­ня­ет роль по­сред­ни­ка: оно от точ­ки к точ­ке пе­ре­да­ёт дей­ст­вие од­но­го за­ря­да на дру­гой. Та­кой ме­ха­низм на­зы­ва­ет­ся близ­ко­дей­ст­ви­ем. Взаи­мо­дей­ст­вие при этом пе­ре­да­ёт­ся по­сте­пен­но, от точ­ки к точ­ке в та­ком из­ме­нён­ном про­стран­ст­ве. Это и оз­на­ча­ет, что пер­вая час­ти­ца соз­да­ёт во­круг се­бя си­ло­вое гра­ви­тац. или элек­трич. по­ле.

Кон­цеп­ция близ­ко­дей­ст­вия на­хо­дит под­твер­жде­ние при рас­смот­ре­нии ре­ля­ти­ви­ст­ских про­цес­сов. При дви­же­нии ис­точ­ни­ков со ско­ро­стью, срав­ни­мой со ско­ро­стью пе­ре­да­чи взаи­мо­дей­ст­вия, го­во­рить о даль­но­дей­ст­вии уже нель­зя. Из­ме­не­ние со­стоя­ния од­ной час­ти­цы со­про­во­ж­да­ет­ся, во­об­ще го­во­ря, из­ме­не­ни­ем её энер­гии и им­пуль­са, а из­ме­не­ние си­лы, дей­ст­вую­щей на др. час­ти­цу, на­сту­па­ет лишь че­рез ко­неч­ный про­ме­жу­ток вре­ме­ни. До­ли энер­гии и им­пуль­са, от­дан­ные од­ной час­ти­цей и ещё не при­ня­тые вто­рой, при­над­ле­жат в те­че­ние это­го вре­ме­ни пе­ре­но­ся­ще­му их по­лю. По­ле, пе­ре­но­ся­щее взаи­мо­дей­ст­вие, яв­ля­ет­ся, т. о., са­мо по се­бе фи­зич. ре­аль­но­стью.

По­ня­тие «П. ф.» при­ме­ни­мо при опи­са­нии свойств лю­бой сплош­ной сре­ды. Ес­ли со­пос­та­вить с ка­ж­дой точ­кой сре­ды оп­ре­де­ляю­щие её со­стоя­ние фи­зич. ве­ли­чи­ны (темп-ру, дав­ле­ние, на­тя­же­ние и др.), то по­лу­чит­ся по­ле этих ве­ли­чин. В этом слу­чае роль уп­ру­гой сре­ды для пе­ре­да­чи взаи­мо­дей­ст­вия оче­вид­на. Пер­во­на­чаль­ная труд­ность пред­ста­вить не­ме­ха­нич. сре­ду, спо­соб­ную пе­ре­но­сить энер­гию и им­пульс, по­ро­ди­ла разл. ме­ха­нич. мо­де­ли эфи­ра как сре­ды, пе­ре­но­ся­щей элек­тро­маг­нит­ные взаи­мо­дей­ст­вия (см. Эфир ми­ро­вой). Од­на­ко все ме­ха­нич. мо­де­ли эфи­ра про­ти­во­ре­чат прин­ци­пу от­но­си­тель­но­сти Эйн­штей­на (см. От­но­си­тель­но­сти тео­рия), и от них при­шлось от­ка­зать­ся.

Про­стей­ший тип дви­же­ния по­ля – вол­но­вое, для ко­то­ро­го по­ле­вая функ­ция пе­рио­ди­че­ски ме­ня­ет­ся во вре­ме­ни и от точ­ки к точ­ке. Лю­бое со­стоя­ние по­ля удоб­но пред­ста­вить в ви­де су­пер­по­зи­ции волн. Для вол­но­во­го дви­же­ния ха­рак­тер­ны яв­ле­ния ди­фрак­ции и ин­тер­фе­рен­ции, не­воз­мож­ные в клас­сич. ме­ха­ни­ке. С др. сто­ро­ны, ди­на­мич. ха­рак­те­ри­сти­ки волн (энер­гия, им­пульс и т. д.) «раз­ма­за­ны» в про­стран­ст­ве, а не ло­ка­ли­зо­ва­ны, как у клас­сич. час­тиц.

Та­кое про­ти­во­пос­тав­ле­ние вол­но­вых и кор­пус­ку­ляр­ных свойств, при­су­щее клас­сич. ме­ха­ни­ке, от­ра­жа­ет­ся в ней как ка­че­ст­вен­ное раз­ли­чие ме­ж­ду П. ф. и час­ти­ца­ми. Од­на­ко опыт по­ка­зы­ва­ет, что на ма­лых рас­стоя­ни­ях, в атом­ных мас­шта­бах, это раз­ли­чие ис­че­за­ет: у по­ля вы­яв­ля­ют­ся кор­пус­ку­ляр­ные свой­ства (см., напр., Ком­пто­на эф­фект), у час­тиц – вол­но­вые (см. Ди­фрак­ция час­тиц).

Кван­то­вая ме­ха­ни­ка ста­вит в со­от­вет­ст­вие ка­ж­дой час­ти­це по­ле её вол­но­вой функ­ции, даю­щее рас­пре­де­ле­ние разл. от­но­ся­щих­ся к час­ти­це фи­зич. ве­ли­чин. Дви­же­ние час­ти­цы пред­став­ля­ет­ся при этом как рас­про­стра­няю­щие­ся ко­ле­ба­ния её вол­но­вой функ­ции. Од­на­ко вол­но­вую функ­цию нель­зя трак­то­вать как ре­аль­ное П. ф., и в сво­ей обыч­ной фор­ме кван­то­вая ме­ха­ни­ка не пол­но­стью сня­ла про­ти­во­пос­тав­ле­ние по­лей и час­тиц. Она ока­за­лась спо­соб­ной лишь от­ра­зить вол­но­вые свой­ст­ва час­тиц как на­мёк на пол­ное един­ст­во по­ля и час­ти­цы – кор­пус­ку­ляр­но-вол­но­вой дуа­лизм.

Еди­ную кор­пус­ку­ляр­но-вол­но­вую точ­ку зре­ния осу­ще­ст­в­ля­ет кван­то­вая тео­рия по­ля в тер­ми­нах но­во­го фи­зич. объ­ек­та – кван­то­ван­но­го по­ля, опи­сы­ваю­ще­го на рав­ной ос­но­ве и по­ля, и час­ти­цы. Имен­но на кван­то­ван­ное по­ле пе­ре­но­сят­ся тре­бо­ва­ния сим­мет­рии и ин­ва­ри­ант­но­сти, ко­то­рые яв­ля­ют­ся обоб­ще­ни­ем экс­пе­рим. дан­ных, опи­сы­ваю­щих раз­но­об­ра­зие эле­мен­тар­ных час­тиц и их взаи­мо­дей­ст­вий.