pole fizyczne

pole fizyczne, pole sił,

forma materii pośrednicząca we wzajemnym oddziaływaniu jej form korpuskularnych (np. ciał niebieskich, cząsteczek, atomów, cząstek elementarnych).

W odróżnieniu od ciała korpuskularnego pola fizycznego nie można opisać za pomocą skończonej liczby parametrów; oznacza to, że pola fizyczne mają nieskończoną liczbę stopni swobody, co znacznie komplikuje ich matematyczny opis. Pojęcie „pole fizyczne” ukształtowało się w wyniku długotrwałej rywalizacji 2 przeciwstawnych poglądów na charakter sił działających między ciałami. Pierwszy z nich, wywodzący się od I. Newtona, zwany hipotezą działania na odległość, przypisywał ciałom materialnym znajdującym się w różnych punktach przestrzeni zdolność wzajemnego oddziaływania bez udziału jakiegokolwiek pośredniczącego ośrodka; według ówczesnych pojęć, oddziaływania były przenoszone z prędkością nieskończoną, natomiast siły działające między ciałami były centralne, tzn. skierowane od jednego ciała ku drugiemu (od środka masy do środka masy dla sił grawitacyjnych, od środka ładunku do środka ładunku dla sił elektrostatycznych). Inny pogląd, który wywodzi się jeszcze od R. Descartes’a, zwany hipotezą działania z bliska, postulował istnienie pewnego uniwersalnego ośrodka, eteru kosmicznego, umożliwiającego wzajemne oddziaływanie ciał rozdzielonych przestrzennie. Pierwszym wyłomem w koncepcji działania na odległość było wykrycie sił niecentralnych, tzn. sił działających na ładunek w polu magnetycznym (siła Lorentza). Wprawdzie koncepcja eteru została obalona (przede wszystkim dzięki doświadczeniu Michelsona–Morleya), jednak hipoteza działania z bliska osiągnęła, dzięki pracom M. Faradaya, J. Maxwella i H. Hertza, sukcesy wyrażające się w sformułowaniu teorii pola elektromagnetycznego (elektrodynamika klasyczna), odkryciu fal elektromagnetycznych i wyjaśnieniu elektromagnetycznej struktury światła. Ostateczne odrzucenie koncepcji eteru i wprowadzenie pojęcia „pole elektromagnetyczne” jako innej, nowej formy materii było źródłem współczesnych poglądów na mechanizm wzajemnego oddziaływania cząstek (oddziaływania), w myśl których każdemu oddziaływaniu jest przyporządkowane odpowiadające mu pole fizyczne, np. w ciążeniu powszechnym pośredniczy pole grawitacyjne, a nukleony oddziałują za pośrednictwem pola mezonowego. Dalsze badania wykazały, że pola fizyczne, podobnie jak cząstki, mogą być nośnikami takich wielkości dynamicznych, jak: masa, energia, pęd itp. oraz że podlegają tym samym podstawowym prawom, które rządzą ruchem cząstek, i że prawa te w najogólniejszym przypadku dotyczą układów złożonych z pól fizycznych i cząstek (tylko takie układy występują w przyrodzie), a nie byłyby spełnione, gdyby pola fizyczne i cząstki rozważać oddzielnie. Jaskrawym przykładem tego są prawa zachowania masy i energii w procesach anihilacji par i kreacji par.

Matematyczny opis pól fizycznych uzyskuje się za pomocą funkcji lub układu funkcji zależnych od współrzędnych przestrzennych i czasu; funkcje te spełniają tzw. równania pola, np. równaniami pola elektromagnetycznego są równania Maxwella. Największym osiągnięciem w rozwoju klasycznej teorii pola jest relatywistyczna teoria pola grawitacyjnego opracowana przez A. Einsteina, tzw. ogólna teoria względności. Związek między polem fizycznym i cząstkami elementarnymi, a zwłaszcza procesy przemiany formy korpuskularnej materii w jej formę polową i na odwrót, bada kwantowa teoria pola. W teorii tej cząstki elementarne występują jako elementarne kwanty wzbudzenia odpowiednich pól fizycznych. W teorii kwantowej zaciera się różnica między źródłem pola i kwantem pola; każda cząstka jest kwantem pewnego pola i źródłem innych pól. W dużym stopniu dzięki rozwojowi właśnie kwantowej teorii pola koncepcja pola fizycznego stała się podstawą znakomitej większości metod współczesnej fizyki.

Grzegorz Białkowski