Водата като поле е форма на съществуването на материята, характеризираща всички точки на пространство-времето и притежаваща безкраен брой степени на свобода, като във всяка точка от пространството се характеризира с определена физична величина, която като правило се променя при прехода от една точка към друга.
Поле във физиката е форма на съществуване на материята. В зависимост от математическият вид на тази величина има скаларни, векторни, тензорни и спинорни полета.
В зависимост от своята природа полетата се делят на електромагнитни, гравитационни, вълнови (квантувани) и полета на ядрени сили. Полетата се проявяват като взаимодействия между телата, което е преносимо и се осъществява с крайна скорост (при това силата на взаимодействието се определя от различни характеристики на телата: масата в случай на гравитационно поле, електрическия заряд в случай на електромагнитно поле и т. н.). В квантовата физика механизмът на взаимодействие се обяснява с обмена на частици, специфични за всяко поле (фотони за електромагнитното поле, хипотетични гравитони за гравитационното и т. н.). Дълго време се е считало, че полето е само едно нагледно теоретично обяснение на такива явления като светлинните вълни, докато през 1887 г. Хайнрих Херц не доказал съществуването на електромагнитното поле експериментално.
Видове полета:
- Електрическо поле - електричното поле (или електрическо поле) е един от компонентите на електромагнитното поле, съществуващо в пространството около заредени частици. Електричното поле може да се появи и като резултат от действието на променливо магнитно поле. В областта от пространството отдалечена на достатъчно голямо разстояние от заредената частица или частици, създаващи полето, електричното поле има структура на плоска вълна. То не може да се наблюдава непосредствено, а само чрез някакви прибори или пробен заряд. Основното действие на електричното поле е да придава ускорение на тела или частици, притежаващи електричен заряд.
- Магнитното поле е силово поле, което се създава от частици с ненулев магнитен момент (например от магнитния момент на електроните в атомите на постоя ненмагнит) или от промяната във времето на електрическото поле. То е една от двете компоненти на електромагнитното поле. Основните му характеристики са неговата сила и посока, определяни от вектора на магнитната индукция, т.е. това е векторно поле. В SI силата на магнитното поле се измерва в тесла (означение Т).
- Гравитационно поле - в класическата механика гравитацията е естествено явление, което се изразява в наличието на сила на взаимно привличане между всички материални обекти които притежават маса. Гравитацията е едно от четирите фундаментални взаимодействия в природата. Гравитационното взаимодействие, подобно на електромагнитното взаимодействие е дългообхватно и се подчинява на закона на обратните квадрати, но за разлика от електромагнитното взаимодействие, силата с която се проявява гравитационното взаимодействие винаги е насочена по посока на привличане между обектите и никога в посока на отблъскване. В ежедневието гравитацията се свързва със свойството на телата да тежат, тоест да изпитват привличане към Земята. Единственото условие за наличие на гравитация е наличието на обекти с маса. Между всеки два обекта с маса във Вселената съществува гравитационно взаимодействие, оттук следва че всеки отделен обект с маса във Вселената изпитва привличане едновременно към всички останали обекти във Вселената и на свой ред ги привлича.
- Гравитационно взаимодействие
- Eлектромагнитно взаимодействие
- Силно ядрено взаимодействие
- Слабо ядрено взаимодействие
Фундаменталните взаимодействия са напълно различни в същността си взаимодействия между елементарните частици и телата, които изграждат. Много от усилията в съвременната физика са насочени към намиране на една обща единна теория, която да обедини всички взаимодействия. Засега такава теория не е намерена. Първото обединение обаче е това на електричеството и магнетизма за създаване на единна електромагнитна теория, заслугата за което е на Джеймс Максуел.
Квантовата теория на полето е раздел на физиката, изучаващ поведението на квантовите системи с безкрайно големи стойности на степените на свобода. Тя се явява теоретична основа за описание на микрочастиците, техните взаимодействия и преобразувания. На квантовата теория на полето се основават физиката на елементарните частици и физиката на кондензираното състояние. Тя също така се явява единствената експериментално проверена теория, която е способна да опише и предскаже поведението на елементарните частици при високи енергии.
Математическият апарат на квантовата теория на полето е Хилбертовото пространство на състоянията и действащите в него оператори. Обектите в него са пространствени вектори, описващи възможните състояния на квантовото поле.
Основите на теорията се полагат през 1920-те, когато възниква необходимостта от създаване на квантова теория на електромагнитното поле. През 1926 година Макс Планк, Паскуал Йордан и Вернер Хайзенберг създават такава теория, като изразяват вътрешните степени на свобода на полето като безкраен набор хармонични трептения, използвайки процедурата за квантуване на тези трептения.
Уравненията на Максуел или уравнения на Максуел-Херц са система от четири уравнения, обобщени от Джеймс Кларк Максуел, които описват поведението на електрическото, магнитното и електромагнитно полета, както и взаимодействието на последните с веществени среди.
Четирите уравнения на Максуел показват:
- взаимната зависимост на електрическото и магнитно полета,
- съществуването на електромагнитни вълни,
- крайната скорост на разпространение на електромагнитните вълни
- разпространението на електромагнитното поле със скоростта на светлината, както и природата на светлината като електромагнитна вълна
През 1864 Максуел е първият, който обединява четирите основни уравнения на електромагнетизма в обща система. Той е и първият, който обръща внимание, че е необходима корекция на закона на Ампер, а именно: променливото електрическо поле създава магнитно поле, както и че последното се създава и от токове на електрическа индукция.
Освен това Максуел показва, че вълните, създадени от колебаещи се електрически и магнитни полета, се разпространяват във вакуум със скорост, която може да бъде предсказана с прости експерименти. Използвайки тогавашните данни, Максуел получил скорост от 310 740 000 m/s.
„Тази скорост е толкова близка до тази на светлината, че изглежда имаме сериозна причина да заключим, че самата светлина е електромагнитно смущение във формата на вълни, разпространявано посредством електромагнитно поле и според законите за електромагнетизма.“
Максуел се оказва прав в това предположение, въпреки че не доживява неговото потвърждение (от Хайнрих Херц, който между другото е отричал наличието на електромагнитни вълни, през 1888). Качественото характеризиране на светлината като електромагнитна вълна се счита за един от най-големите триумфи на физиката на 19 век. Всъщност Майкъл Фарадей постулира същата представа за светлината през 1846, но не успява да даде качествено обяснение или да предскаже светлинната скорост. Това откритие полага основите на много бъдещи развои във физиката, като специалната теория на относителността.
Уравненията на Максуел са приложими главно за макроскопично усреднени полета, които се променят динамично в микромащаб в околността на отделните атоми (където са подложени също и на квантовомеханични ефекти). Само в този макроскопичен смисъл (на осреднени стойности на полето) може да се дефинират величини като диелектричната и магнитна проницаемост на материалите. (Уравненията на Максуел в микроскопичен план, игнорирайки квантовите ефекти са просто тези във вакуум, по принцип трябва да се включат и всички заряди на атомно ниво и т.н., което е трудно решим проблем).
*
*
*
*
*
*
*
