Lauks (fizika)

Fizikā lauks ir funkcija, kas laiktelpas punktiem piekārto kādu fizikālu lielumu.^[1][2][3] Piemēram, laikapstākļu prognozes bieži tiek pasniegtas ar karti, kur dažādām vietām piekārtots skaitlis — noteiktā laikā prognozētā temperatūra.

Piekārtotais lielums var būt ne tikai skaitlis, bet arī vektors, tenzors, spinors, operators vai jebkāds cits objekts, kas attēlo fizikālu lielumu.

Vektoru jeb pirmās kārtas tenzoru lauka piemērs būtu straumes karte, kur katram kādas ūdenskrātuves punktam piešķirts vektors — plūsmas ātrums. Elektrodinamiku, savukārt, var formulēt gan izmantojot divus mijiedarbojošos vektoru laukus: elektrisko lauku un magnētisko lauku, gan arī ar vienu otrās kārtas tenzoru lauku, ko sauc par elektromagnētisko tenzoru.^[4][5][6]

Klasiski lauka vērtība punktā apraksta mijiedarbību, kas notiktu ja šajā punktā ievietotu kādu daļiņu, ko sauc par testa daļiņu — tik mazu, ka tās ietekme uz pašu lauku nebūtu vērā ņemama. Piemēram, elektriskā lauka intensitāte ir Kulona spēka, ko justu punktā ievietots neliels lādiņš, attiecība pret lādiņu.

Mūsdienās, īpaši kvantu lauka teorijas kontekstā, uzskata, ka lauks eksistē arī neatsaucoties uz testa daļiņu: tas aizņem vietu, tam piemīt enerģija, un tā klātbūtne izslēdz klasisko "īsteno vakuumu".^[7] Fiziķi uzskata elektromagnētiskos laukus par fizikālām vienībām: "Fakts, ka elektromagnētiskajam laukam var būt impulss un enerģija, padara to ļoti reālu ... daļiņa veido lauku, un lauks darbojas uz citu daļiņu, un laukam ir tādas pazīstamas īpašības kā saturētā enerģija un impulss, tāpat kā daļiņām."^[8] Novērots, ka vairuma lauku spēks samazinās pieaugot attālumam no avota. Piemēram, daudzu klasisko lauku kā gravitācijas lauka Ņūtona gravitācijas teorijā vai elektrostatiskā lauka klasiskajā elektromagnētismā, stiprums ir apgriezti proporcionāls attāluma kvadrātam no avota.

Īzaka Ņūtona izpratnē universālās gravitācijas likums tikai izteica gravitācijas spēku, kas darbojās starp jebkuru masīvu priekšmetu pāri. Aplūkojot daudzu tādu ķermeņu kustību, kuri visi mijiedarbojas viens ar otru, piemēram, planētas Saules sistēmā, strādāt ar spēku starp katru ķermeņu pāri atsevišķi ātri kļūst neparocīgi aprēķiniem. Astoņpadsmitajā gadsimtā tika ieviests jauns lielums, lai vienkāršotu šo gravitācijas spēku grāmatvedību. Šis lielums, gravitācijas lauks, katrā telpas punktā dod kopējo gravitācijas radīto paātrinājumu, ko tur varētu sajust mazs objekts. Tas nekādā veidā nemainīja fiziku: nebija nozīmes tam, vai visi gravitācijas spēki uz objektu tika aprēķināti individuāli un pēc tam summēti, vai arī visi ieguldījumi vispirms tika summēti kā gravitācijas lauks un pēc tam piemēroti objektam.^[9]

Lauks kā neatkarīgs koncepts sāka attīstīties deviņpadsmitajā gadsimtā reizē ar elektromagnētisma teorijas attīstību. Sākotnēji stadijā Andrē Marī Ampērs un Šarls Ogistēns Kulons tika galā, lietojot likumus, kas pauž spēkus starp elektrisko lādiņu vai elektrisko strāvu pāriem. Tomēr kļuva daudz dabiskāk izmantot lauku pieeju un izteikt šos likumus ar elektriskā un magnētiskā lauka palīdzību; 1849. gadā Maikls Faradejs ieviesa terminu “lauks”.^[9]

Lauka neatkarīgā iedaba kļuva redzamāka pateicoties Džeimsa Klerka Maksvela atklājumam, ka viļņi šajos laukos izplatās ierobežotā ātrumā. Tātad spēki uz lādiņiem un strāvām vairs nebija atkarīgi tikai no citu lādiņu un strāvu pozīcijām un ātrumiem tai pašā brīdī, bet arī no to koordinātēm un ātrumiem pagātnē.^[9]

Maksvels sākumā neuzskatīja lauku kā fundamentālu objektu, kas varētu patstāvīgi pastāvēt. Viņš domāja, ka līdzīgi skaņai, kas izplatās gaisā, arī elektromagnētiskais lauks apraksta kādas vides, ko dēvēja par ēteri, deformāciju. Tomēr eksperimenti parādīja, ka tā ne vella nav. Ja tā būtu, novērotajam elektromagnētisko viļņu ātrumam būtu jābūt atkarīgam no novērotāja ātruma attiecībā pret ēteri. Alberts Maikelsons un Edvards Morlijs mēģināja izmantot šo īpatnību, lai noteiktu ēteŗa kustības ātrumu ap Zemeslodi. Taču Maikelsona-Morlija eksperiments neizdevās — gaismas ātrums dažādos virzienos nebija atšķirīgs. Šie novērojumi noveda pie speciālās relativitātes teorijas, kuru Alberts Einšteins publicēja 1905. gadā. Šī teorija mainīja to, kā kustīgu novērotāju viedokļi bija savstarpēji saistīti. Viņi kļuva savstarpēji saistīti tādā veidā, ka elektromagnētisko viļņu ātrums Maksvela teorijā visiem novērotājiem būtu vienāds. Pzūdot nepieciešamībai pēc fona vides, fiziķi sāka domāt par laukiem kā patiesi neatkarīgām vienībām.^[9]

20. gadsimta 20. gadu beigās elektromagnētiskajam laukam pirmoreiz piemēroja jaunos kvantu mehānikas likumus. 1927. gadā Pols Diraks pielietoja kvantu laukus un veiksmīgi izskaidroja, kā atoma pāriešana zemākā kvantu stāvoklī izraisa fotona, elektromagnētiskā lauka kvanta, spontānu izstarošanu. Tam drīz sekoja sapratne (pateicoties Paskuāla Jordāna, Jūdžīna Vīgnera, Vernera Heisenberga un Volfganga Pauli veikumam), ka visas daļiņas, ieskaitot elektronus un protonus, var interpretēt kā dažu kvantu lauku kvantus, paaugstinot laukus līdz dabas fundamentālāko objektu statusam.^[9]

Brīvā izpratnē jebkuru funkciju, kas piekārto vērtības telpas punktiem var uzskatīt par lauku. Gan pārticības līmeni dažādās valstīs, gan krāsu, kas izvēlēta kādas vietas apzīmēšanai kartē. Un arī nefizikāliem lielumiem reizēm var piemērot lauka teorijas elementus.^[10] Fizikā par lauka jēdzienu parasti runā, kad ir jāanalizē vērtību izmaiņa telpā vai laikā.

Par skalāriem laukiem sauc laukus, kuru piekārtotā vērtība neizmainās, mainot koordinātu sistēmu. Visi lauki, kuri piekārto skaitlisku vērtību, ir skalāri lauki.

Šādi ir daudzi taustāmu, izmērāmu lielumu lauki. Temperatūras lauks ir noderīgs siltumprocesu analīzē — siltums plūst pretēji temperatūras pieauguma virzienam. Saskaņā ar Furjē siltumvadīšanas likumu, siltuma plūsma ir pretēja un proporcionāla temperatūras gradientam. Līdzīgi difūzijas process saistīts ar difuzējošās vielas blīvuma gradientu, savukārt koncentrācijas gradients rada osmotisko spiedienu.

Arī skalāri potenciāli, piemēram, elektriskais un gravitācijas, ir skalāri lauki.

Ir arī interesantāki skalāri lauki, kuru vērtība ir nevis skaitlis, bet kāds operators vai vērtību kortežs. Tāds ir, piemēram, Higsa lauks.^[11]

Vēsturiski elektriskais lauks ir pirmais, kas nopietni aplūkots kā lauks, aplūkojot Faradeja spēka līnijas . Vēlāk līdzīgi tika aprakstīts gravitācijas lauks.

Ņūtona gravitācija klasiski apraksta gravitācijas spēku kā divu masu savstarpēju mijiedarbību.

Ķermenis ar masu ${\displaystyle M}$ rada gravitācijas lauku ${\displaystyle \mathbf {g} }$, kas apraksta tā ietekmi uz citiem ar masu apveltītiem objektiem. ${\displaystyle M}$ gravitācijas lauks kādā punktā, uz kuru no punkta ${\displaystyle M}$ norāda vektors ${\displaystyle \mathbf {r} }$, atbilst attiecībai starp spēku ${\displaystyle \mathbf {F} }$, ar ko ${\displaystyle M}$ iedarbojas uz testa masu^{[P 1]} ${\displaystyle m}$, kas atrodas ${\displaystyle \mathbf {r} }$, un pašu testa masu:^[12]

${\displaystyle \mathbf {g} (\mathbf {r} )={\frac {\mathbf {F} (\mathbf {r} )}{m}}.}$

Saskaņā ar Ņūtona gravitācijas likumu, ${\displaystyle \mathbf {F} (\mathbf {r} )}$ ir^[12]

${\displaystyle \mathbf {F} (\mathbf {r} )=-{\frac {GMm}{r^{2}}}{\hat {\mathbf {r} }},}$

kur ${\displaystyle {\hat {\mathbf {r} }}}$ ir vienības vektors ${\displaystyle \mathbf {r} }$ virzienā. Tad ${\displaystyle M}$ gravitācijas lauks ir^[12]

${\displaystyle \mathbf {g} (\mathbf {r} )={\frac {\mathbf {F} (\mathbf {r} )}{m}}=-{\frac {GM}{r^{2}}}{\hat {\mathbf {r} }}.}$

Tā kā gravitācijas spēks ${\displaystyle \mathbf {F} }$ir potenciāls, gravitācijas lauku ${\displaystyle \mathbf {g} }$ var izteikt kā skalāra lauka gradientu. Šo funkciju sauc par gravitācijas potenciālu ${\displaystyle \phi (\mathbf {r} )}$:

${\displaystyle \mathbf {g} (\mathbf {r} )=-\nabla \phi (\mathbf {r} ).}$

Pirmo reizi lauka kā fizikāla lieluma nozīmi apzinājās Maikls Faradejs, pētot magnētismu. Viņš saprata, ka elektriskie un magnētiskie lauki ne tikai atspoguļo spēkus, kas diktē daļiņu kustību, bet tie ir reāli arī paši par sevi, jo tie nes enerģiju.

Šīs idejas noveda pie tā, ka Džeimss Klerks Maksvels izveidoja pirmo vienoto lauku teoriju fizikā, ieviešot elektromagnētiskā lauka vienādojumus. Šo vienādojumu mūsdienu versiju sauc par Maksvela vienādojumiem.

Testa daļiņa^{[P 2]} ar lādiņu ${\displaystyle q}$ izjūt spēku ${\displaystyle \mathbf {F} }$, kas atkarīgs tikai no daļiņas lādiņa. Līdzīgi gravitācijai varam ieviest elektrisko lauku ${\displaystyle \mathbf {E} }$ tā, lai izpildās ${\displaystyle \mathbf {F} =q\mathbf {E} }$. Izmantojot šo un Kulona likumu, iegūstam, ka elektriskais lauks vienas lādētas daļiņas dēļ ir

${\displaystyle \mathbf {E} ={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {q}{r^{2}}}{\hat {\mathbf {r} }}.}$

Elektriskais lauks ir potenciāls lauks, tāpēc to var raksturot ar skalāru potenciālu ${\displaystyle \varphi (\mathbf {r} )}$:

${\displaystyle \mathbf {E} (\mathbf {r} )=-\nabla \varphi (\mathbf {r} ).}$

Konstantas strāvas ${\displaystyle I}$, kas plūst pa posmu ${\displaystyle d{\boldsymbol {\ell }}}$, radītais magnētiskais lauks ${\displaystyle \mathbf {B} }$ punktā, uz kuru no strāvas norāda vektors ${\displaystyle \mathbf {r} }$, ir

${\displaystyle \mathbf {B} (\mathbf {r} )={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}\int {\frac {Id{\boldsymbol {\ell }}\times {\hat {\mathbf {r} }}}{r^{2}}}.}$

Magnētiskais lauks uz tuvumā esošām kustīgām lādētām daļiņām pieliek spēku atšķirīgi nekā iepriekš aprakstītie spēku lauki. Spēks, ko ${\displaystyle \mathbf {B} }$ pieliek lādiņam ${\displaystyle q}$, kas kustas ar ātrumu ${\displaystyle \mathbf {v} }$, ir

${\displaystyle \mathbf {F} (\mathbf {r} )=q\mathbf {v} \times \mathbf {B} (\mathbf {r} ).}$

Magnētiskais lauks nav potenciāls, tāpēc to nevar aprakstīt ar skalāru potenciālu, taču to var uzrakstīt, izmantojot vektorpotenciālu, ${\displaystyle \mathbf {A} (\mathbf {r} )}$:

${\displaystyle \mathbf {B} (\mathbf {r} )={\boldsymbol {\nabla }}\times \mathbf {A} (\mathbf {r} )}$.

Vispārīgā gadījumā lādiņa blīvuma ${\displaystyle \rho (\mathbf {r} ,t)}$ un strāvas blīvuma ${\displaystyle \mathbf {j} (\mathbf {r} ,t)}$ klātbūtnē būs gan elektriskais, gan magnētiskais lauks, un abi mainīsies laikā. Tos nosaka Maksvela vienādojumi, diferenciālvienādojumu sistēma, kas ${\displaystyle \mathbf {E} }$ un ${\displaystyle \mathbf {B} }$ tieši saista ar ${\displaystyle \rho }$ un ${\displaystyle \mathbf {j} }$.^[15]

Šo sistēmu var aprakstīt arī elektromagnētiskā skalārā potenciāla ${\displaystyle \varphi }$ un vektorpotenciāla ${\displaystyle \mathbf {A} }$ izteiksmē. Vienādojumu sistēma, kas pazīstama kā retardētie potenciāli, ļauj aprēķināt ${\displaystyle \varphi }$ un ${\displaystyle \mathbf {A} }$ no ${\displaystyle \rho }$ un ${\displaystyle \mathbf {j} }$,^{[P 3]} un no tiem elektriskos un magnētiskos laukus nosaka ar šīm sakarībām:^[16]

${\displaystyle \mathbf {E} =-{\boldsymbol {\nabla }}V-{\frac {\partial \mathbf {A} }{\partial t}}}$

${\displaystyle \mathbf {B} ={\boldsymbol {\nabla }}\times \mathbf {A} .}$

Reizēm, īpaši relativitātes teorijā, šos potenciālus apraksta ar vienu 4-vektoru, pieliekot skalāro potenciālu kā papildus pirmo komponenti vektorpotenciālam. To sauc par elektromagnētisko 4—potenciālu:

${\displaystyle A^{\alpha }=(\varphi /c,\mathbf {A} )}$

Aplūkojot mehāniskā sprieguma vai deformāciju laukus reizēm novērojams, ka vienā punkta materiāls var tikt spiests vienā plaknē, stiepts citā un bīdīts trešajā plaknē. Lai šādas situācijas aprakstītu, nepietiek ar vektoriem. Spriegums un deformācijas ir tenzori.

Tāpat tenzoru lauki parādās arī citos gadījumos, kur spēki vai kāda lieluma izmaiņas var būt atkarīgas no aplūkojamā virziena — magnētiskā un dielektriskā caurlaidība, elektriskā pretestība, gaismas polarizācija, viskozitātes koeficients.^[17] Arī elektromagnētismu un gravitāciju mēdz aprakstīt, izmantojot tenzoru laukus un atbilstošu lauku teoriju.

19. gadsimta beigās elektromagnētisko lauku saprata kā divu vektoru lauku pāri telpā. Mūsdienās to uzskata par vienu antisimetrisku 2. kārtas tenzoru lauku laiktelpā.

Elektromagnētisko tenzoru ${\displaystyle F}$ definē kā 4-potenciāla ${\displaystyle A}$ ārējo atvasinājumu:

${\displaystyle F=dA;}$

${\displaystyle F_{\mu \nu }=\partial _{\mu }A_{\nu }-\partial _{\nu }A_{\mu }.}$

Šo tenzoru mēdz dēvēt arī par Faradeja tenzoru vai Maksvela bivektoru. Ar elektriskā un magnētiska lauka vektoru komponentēm to var izteikt vai kontravariantā, vai kovariantā formā:

${\displaystyle F^{\mu \nu }={\begin{bmatrix}0&-E_{x}/c&-E_{y}/c&-E_{z}/c\\E_{x}/c&0&-B_{z}&B_{y}\\E_{y}/c&B_{z}&0&-B_{x}\\E_{z}/c&-B_{y}&B_{x}&0\end{bmatrix}};}$

${\displaystyle F_{\mu \nu }=\eta _{\mu \alpha }F^{\alpha \beta }\eta _{\beta \nu }={\begin{bmatrix}0&E_{x}/c&E_{y}/c&E_{z}/c\\-E_{x}/c&0&-B_{z}&B_{y}\\-E_{y}/c&B_{z}&0&-B_{x}\\-E_{z}/c&-B_{y}&B_{x}&0\end{bmatrix}}.}$

Ar šo tenzoru var elektromagnētiskā lauka uzvedību pierakstīt vienā Maksvela vienādojumā:

${\displaystyle \partial _{\alpha }F^{\alpha \beta }=\mu _{0}J^{\beta },}$

kur ${\displaystyle J^{\beta }}$ ir 4-strāva: ${\displaystyle J^{\beta }=(c\rho ,\mathbf {j} )}$.

Einšteina gravitācijas teorija, ko sauc par vispārīgo relativitāti, ir vēl viens lauka teorijas piemērs. Šeit galveno lauku veido metriskais tenzors, simetrisks 2. kārtas tenzora lauks laiktelpā . Tas aizstāj Ņūtona gravitācijas likumu.

Mūsdienās uzskata, ka kvantu mehānika varētu būt visu fizikālo parādību pamatā, tātad klasiskajai fundamentālo mijiedarbību lauku teorijai būtu jābūt izsakāmai kvantu mehānikā. Šādus rezultātus sauc par atbilstošo kvantu lauka teoriju . Piemēram, kvantējot klasisko elektrodinamiku, iegūst kvantu elektrodinamiku. Kvantu elektrodinamika, iespējams, ir zinātnes visprecīzākā teorija: eksperimentālie dati apstiprina tās prognozes ar lielāku precizitāti (ar vairāk zīmīgājiem cipariem) nekā jebkura cita teorija.^[20] Pārējās divas fundamentālas kvantu lauka teorijas ir kvantu hromodinamika un elektrovājā teorija.

Kvantu hromodinamikā krāsu lauka līnijas nelielos attālumos saista gluoni, kurus lauks polarizē un orientē savu līniju virzienā. Pieaugot attālumam, šis efekts nelielā apgabalā (apmēram 1 fm tuvā kvarku apkārtnē) kļūst stiprāks, ieslogot kvarkus hadronos. Tā kā gluoni cieši sakļauj lauka līnijas kopā, tās "neizliecas" uz āru tik daudz kā elektriskais lauks starp elektriskajiem lādiņiem.^[21]

Visas trīs šīs kvantu lauka teorijas var apskatīt kā daļiņu fizikas standarta modeļa speciālgadījumus. Einšteina gravitācijas lauka teoriju — vispārīgo relativitāti — vēl nav izdevies sekmīgi kvantēt.

Tāpat kā ar klasiskajiem laukiem, arī kvantu laukus apraksta matemātiski vienādojumi. Šie vienādojumi, kas noaska kvantu lauku dabu, ir parciāli diferenciālvienādojumi (konkrēti, relativistisko viļņu vienādojumi — RVV). Par Janga-Millsa, Dīraka, Kleina-Gordona un Šrēdingera laukiem var runāt var runāt kā par atbilstošo vienādojumu atrisinājumiem. Šajos RVV var būt jāstrādā ar sarežģītiem matemātiskiem objektiem, kam piemīt eksotiskas algebriskas īpašības, piemēram, spinoriem, taču analītiskas metodes joprojām ir pielietojamas.