Historia om fältteorins filosofi
.svg)
Fältteorin hade sitt ursprung på 1700-talet i en matematisk formulering av Newtons mekanik , men den ansågs vara bristfällig eftersom den innebar handling på avstånd . År 1852 behandlade Michael Faraday magnetfältet som ett fysiskt objekt och resonerade om kraftlinjer. James Clerk Maxwell använde Faradays konceptualisering för att hjälpa till att formulera hans förening av elektricitet och magnetism i sin elektromagnetiska teori.
Med Albert Einsteins speciella relativitetsteori och Michelson-Morley-experimentet blev det klart att elektromagnetiska vågor inte färdades som vibrationer i en fysisk eter ; och det fanns i Einsteins fysik ingen skillnad mellan effekterna av ett fält och åtgärder på avstånd.
I kvantfältteorin blir fält de grundläggande studieobjekten, och partiklar är excitationer av dessa fält.
Historiska sammanhang
Fältteori , studiet av dynamiska fält i fysiken, var ursprungligen en matematisk formulering av Newtons mekanik . Framgången för den newtonska fysiken sedan publiceringen av Isaac Newtons Principia 1687 gav en ram för att undersöka rörelsen och krafterna i samband med elektricitet och magnetism . Charles-Augustin de Coulomb visade 1785 att den frånstötande kraften mellan två elektriskt laddade sfärer lyder samma (upp till ett tecken) kraftlag som Newtons universella gravitationslag : kraften mellan två kroppar riktas längs linjen som skiljer kropparna och dess magnituden är proportionell mot produkten av deras laddningar (för gravitation, deras massor) dividerat med kvadraten på deras avstånd. André-Marie Ampère visade 1823 att kraften mellan infinitesimala längder av strömförande ledningar på liknande sätt följer en omvänd kvadratisk lag så att kraften riktas längs separationslinjen mellan trådelementen.
Trots framgången för dessa teorier med att göra korrekta numeriska förutsägelser av ett brett spektrum av fenomen, sågs de i allmänhet som bristfälliga som mekanikens naturliga filosofier, eftersom de alla i huvudsak var mekanismer för åtgärder på avstånd . I samband med utvecklingen av fältteorin var det faktum att en funktion kunde skrivas för att ge kraften per enhet massa , laddning eller ström för varje punkt i rymden bara en matematisk konstruktion. Det sågs som ohållbart på metafysiska grunder att en kraft utövas över det tomma utrymmet, och därför antogs dessa kraftlagar endast vara beskrivande och inte förklarande.
Immanuel Kant 1786 en mer allmän definition av materia :
"Materia är vad som helst som är rörligt och fyller ett utrymme. Att fylla ett utrymme betyder att motstå alla ·andra· rörliga saker som försöker flytta in i det utrymmet. Ett utrymme som inte är fyllt är ett tomt utrymme."
Eftersom denna definition är mycket vid, är det oklart om Kant hade i åtanke för sin "fråga" samma sorts område som Michael Faraday skulle upptäcka. Kant själv var en förespråkare för eterteorin , som nämns i hans Opus Postumum . Men oavsett vilken egenskap Kants metafysik faktiskt predicerar Faradays och James Clerk Maxwells upptäckter, representerade den en av de första ansträngningarna att förena handling-på-avstånd på fysiska snarare än matematiska grunder.
Elektromagnetiskt fält
Upptäckten av ett fält som ett fysiskt objekt börjar med Michael Faraday . Faraday myntade termen " magnetfält " i sina undersökningar när han postulerade, efter att ha upptäckt att alla beståndsdelar i en människa är diamagnetiska , att om en människa var inställd i ett tillräckligt starkt magnetfält så skulle de också passa in i fältet. Faraday uppfattade inte detta fält som enbart en matematisk konstruktion för att beräkna krafterna mellan partiklar – med endast rudimentär matematisk träning, hade han ingen användning för att abstrahera verkligheten för att göra kvantitativa förutsägelser. Istället antog han att det fanns "kraft" som fyllde utrymmet där elektromagnetiska fält genererades och resonerade kvalitativt om dessa krafter med "kraftlinjer:"
"Viktigt för definitionen av dessa linjer är att de representerar en bestämd och oföränderlig mängd kraft. Även om deras former, eftersom de existerar mellan två eller flera centra eller kraftkällor, kan variera mycket, och även det utrymme genom vilket de kan spåras, men summan av makt som finns i en sektion av en given del av linjerna är exakt lika med summan av makt i alla andra sektioner av samma linjer, hur ändrad i form eller hur konvergenta eller divergenta de än kan vara på andra plats."
Faradays insikter i magnetfältens beteende skulle visa sig vara ovärderliga för James Clerk Maxwells kurs för att förena elektricitet och magnetism till en teori. Innan han skrev sin avhandling började Maxwell använda Faradays rader för att resonera om elektromagnetiskt beteende, och började tro på deras fysiska existens:
"Den vackra illustrationen av närvaron av magnetisk kraft som detta experiment ger ([järnspån i linje i ett magnetfält]), tenderar naturligtvis att få oss att tänka på kraftlinjerna som något verkligt och som indikerar något mer än det enbart resulterande av två krafter, vars verkningssäte är på avstånd, och som inte existerar där alls förrän en magnet placeras i den delen av fältet.Vi är missnöjda med förklaringen grundad på hypotesen om attraherande och avstötande krafter riktade mot de magnetiska polerna, även om vi kan ha försäkrat oss om att fenomenet är i strikt överensstämmelse med den hypotesen, och vi kan inte låta bli att tänka att på varje plats där vi hittar dessa kraftlinjer, måste något fysiskt tillstånd eller handling existera i tillräcklig energi för att producera de faktiska fenomenen."
Men även efter hans avhandling och efterföljande upptäckt av ljus som en elektromagnetisk våg, fortsatte Maxwell att tro på eterteorin:
"En annan teori om elektricitet som jag föredrar förnekar verkan på avstånd och tillskriver elektrisk verkan till spänningar och tryck i ett alltigenomträngande medium, dessa spänningar är desamma som de som är bekanta för ingenjörer, och mediet är identiskt med det där ljus är tänkt att spridas."
Detta sågs som en önskvärd egenskap för en fysisk beskrivning att ha, eftersom det inte skulle hänvisa till handlingar på avstånd. I sin bok som beskriver historien om begreppet handling på distans, skriver vetenskapsfilosofen Mary Hesse :
"Det finns en fysisk skillnad mellan ett gravitationsfält ... och hastighetsfältet för en vätska. I det senare fallet är fältfunktionen en faktisk egenskap hos material vid varje punkt i fältet, men i gravitationsfallet är potentialfunktionen V är "potential" i den meningen att den inte nödvändigtvis beskriver en materiell egenskap hos fältet ... den beskriver en potentiell egenskap, nämligen kraften som skulle utövas om en liten massa infördes i fältet vid den punkten."
Men upptäckten av speciell relativitet och det efterföljande Michelson-Morley-experimentet visade slutgiltigt att en eter vars rörelse som en vätska skulle förklara effekterna av elektromagnetism inte kunde existera, som Einstein förklarade:
"Sammanfattningsvis kan vi säga att enligt den allmänna relativitetsteorin är rymden utrustad med fysiska egenskaper; i denna mening finns det därför en eter. Enligt den allmänna relativitetsteorin är rymden utan eter otänkbar; för i ett sådant rum finns det en eter. inte bara skulle det inte vara någon fortplantning av ljus, utan inte heller någon existensmöjlighet för standarder för rum och tid (mätstavar och klockor), och därför inte heller några rum-tidsintervall i fysisk mening. Men denna eter kanske inte kan ses som begåvad med den kvalitetskaraktär som kännetecknar betänkvärda medier, som består av delar som kan spåras genom tiden. Idén om rörelse kanske inte tillämpas på det."
Därför gjordes det klart att det i fallet med elektromagnetism inte finns något underliggande material genom vilket krafterna måste utbreda sig. I dessa fall kan det inte göras någon skillnad mellan effekterna av ett fält som uppstår genom en potential och effekterna av en "verkan på avstånd" kraft; de är matematiskt likvärdiga och kan inte förutsäga olika fenomen från vilka det ena eller andra perspektivet kan förfalskas. klassiska fysikens regim finns det en grundläggande dualitet mellan handling på avstånd och fälteffekter.
Kvantfält och Unruh-effekten
Fält blir det grundläggande studieobjektet i kvantfältteori . Matematiskt formaliseras kvantfält som operatörsvärderade distributioner. Även om det inte finns någon direkt metod för att mäta själva fälten, hävdar ramverket att alla partiklar är "excitationer" av dessa fält. Till exempel: medan Maxwells teori om klassisk elektromagnetism beskriver ljus som en självutbredningsvåg i det elektromagnetiska fältet, är ljus inom kvantelektrodynamiken den masslösa bosonpartikeln som kallas " fotonen ". Dessutom behöver inte antalet partiklar i ett isolerat system bevaras; ett exempel på en process där detta är fallet är bremsstrahlung . En heuristik för att antyda att partiklar kan skapas och förstöras finns i Albert Einsteins berömda ekvation som hävdar att energi och materia i princip kan bytas ut. En mer detaljerad förståelse av ramverket erhålls genom att studera den lagrangiska densiteten för en fältteori som kodar informationen om dess tillåtna partikelinteraktioner.
Men även i detta ramverk där det inte finns någon strid på avstånd som med klassiska fält, kan kvantfält ses som enbart matematiska verktyg för beräkning av partikeldynamik. 1972 var det fortfarande en fråga om smak och bekvämlighet att bestämma hur man skulle vilja förstå kvantmekaniken ; Julian Schwinger anmärkte att:
Så småningom ledde [utvecklingen av matematisk formalism] till att lagrangiska eller kvantmekaniska handlingsformuleringar uppträdde i två distinkta men besläktade former, som jag särskiljer som differentiella och integrerade. Den senare, med Feynman i spetsen, har haft all pressbevakning, men Jag fortsätter att tro att den differentiella synvinkeln är mer allmän, mer elegant, mer användbar och mer knuten till den historiska utvecklingslinjen som kvanttranskriptionen av Hamiltons handlingsprincip."
En undersökning av Stephen Fulling av kvantfältteori på en krökt rumtidsbakgrund gav det förbryllande resultatet att det fanns en tvetydighet i definitionen av vakuumtillståndet vars upplösning skulle ge fysiskt signifikanta slutsatser. William Unruh undersökte och löste denna tvetydighet för Stephen Hawkings problem med en divergerande täthet av ultravioletta partiklar nära händelsehorisonten för ett svart hål . Han betraktade en leksaksmodell av en partikeldetektor som accelererar jämnt genom vakuumtillståndet i ett kvantfält i Minkowski-rymden (för vilket det inte finns någon tvetydighet). Villkoren han angav var:
- "En partikeldetektor kommer att reagera på tillstånd som har positiv frekvens med avseende på detektorns rätta tid, inte med avseende på någon universell tid."
- "Processen för detektering av ett fältkvanta av en detektor, definierad som excitering av detektorn av fältet, kan motsvara antingen absorptionen eller emissionen av ett fältkvanta när detektorn är en accelererad sådan."
Resultatet han hittade för sin leksaksmodell var att detektorn som accelererade med konstant hastighet skulle detektera svartkroppsstrålning , ett flöde av fotoner som om det ställdes stationärt i ett termiskt bad med temperaturen . Tillämpningen på Hawkings problem var att enligt ekvivalensprincipen skulle en stationär observatör nära händelsehorisonten för ett svart hål som bär en partikeldetektor observera excitationer i detektorn som om den accelererade med en enorm hastighet i ett annars vakuumtillstånd platt rumtid . Detta förklarar den divergerande tätheten av UV-partiklar nära händelsehorisonten.
För att förstå varför kvantfältet måste vara det grundläggande studieobjektet i relativistisk kvantmekanik:
"Om man ser de lokala fälten som de grundläggande objekten i teorin, ses Unruh-effekten vara en enkel konsekvens av hur dessa fält interagerar med andra kvantmekaniska system (dvs. "partikeldetektorer"). Om man försöker se " partiklar" som de grundläggande enheterna i teorin blir Unruh-effekten obegriplig."
I denna mening hävdar kvantfält sig på ett sätt som klassiska fält inte gör. Det faktum att en accelererad referensram har en annan uppfattning om tid ( Rindler-koordinater ) betyder att den kommer att ha en annan uppfattning om energi , partiklar och vakuum. Sambandet mellan sådana föreställningar förstås endast inom ramen för fältteorin.