Pytanie o pojęcie temperatury

Czym jest w fizyce pole

 Pytania, wątpliwości i inne proste problemy fizyczne

Czym właściwie jest w fizyce pole? 

Michał Dyszyński 29.05.2014 

Dnia 29.05.2014 dostałem otrzymałem e-mail z bardzo ciekawym problemem. Oto fragment tego e-maila:

Co by nie rzec, uwaga jest słuszna. Pole to nie obszar, choć wiele podręczników starej daty, tak próbuje pole definiować. Ale czym w takim razie jest pole magnetyczne, albo ogólniej pole w fizyce?... 

Zacznijmy wgryzać się w temat gryząc niefortunne sformułowanie, że "pole to obszar". Faktycznie, pole samo obszarem nie jest. Jest czymś do obszaru dołączonym, jest właściwością z tym obszarem powiązaną. Pole działa, objawia się w obszarze, choć samo tym obszarem jednak nie jest. 

Pole magnetyczne i elektryczne

Pole magnetyczne możemy sobie wyobrażać za taki rodzaj właściwości, który powoduje działanie siły na poruszające się cząstki naładowane (posiadające niezerowy ładunek elektryczny). 
Z kolei pole elektryczne nadaje obszarowi podobną, choć jednak nieco inną, właściwość - tutaj siła działa nie tylko na cząstki poruszające się, ale również na te pozostające w spoczynku. 

Te właściwości cząstek naładowanych i przestrzeni, w której się one znajdują są powiązane z czasem w jakim odbywają się zjawiska. Dlatego powinniśmy tu bardziej mówić o czasoprzestrzeni, w której tworzą się pola elektryczne i magnetyczne. 
Jak wynika z równań szczególnej teorii względności Einsteina i teorii Maxwella można wręcz utożsamić ze sobą pole elektryczne i magnetyczne, opisując je za pomocą jednego formalizmu - teorii elektromagnetyzmu.  W tym ujęciu oba wspomniane pola scalają się w jedno. Jest to o tyle uzasadnione, że przecież ruch i spoczynek nie są absolutne - coś, co dla jednego obserwatora będzie się poruszało, dla innego obserwatora będzie w spoczynku. Czyli ta sama rzeczywistość fizyczna będzie przez jednego obserwatora widziana w postaci pola elektrycznego (bez dodatku pola magnetycznego), a dla innego obserwatora będziemy mieli tu dwa pola - i elektryczne, i magnetyczne.

Czym w tym kontekście jest pole elektryczne?
To taka właściwość rozchodząca się promieniście od naładowanych cząstek, dosięgająca inne, podobne, cząstki i oddziałująca na nie siłą elektryczną (dla układu statycznych ładunków opisywaną przez prawo Coulomba).

A czym jest pole magnetyczne?
To znowu jest rozprzestrzeniająca się właściwość wynikająca z istnienia cząstek naładowanych, ale powiązana z ruchem tych cząstek. Ta właściwość, w tajemniczy sposób, wypełnia przestrzeń pomiędzy ładunkami i powoduje, że wszystkie poruszające się cząstki naładowane podlegają działaniu dodatkowej siły - zależnej już nie tylko od wartości ich ładunków i odległości, ale także wartości prędkości i kierunku tej prędkości w przestrzeni.

Pole grawitacyjne

Pole grawitacyjne, póki co, opisywane jest najlepiej przez ogólną teorię względności. Tutaj, inaczej niż w przypadku pola elektrycznego i magnetycznego, stwierdzenie że "pole to obszar" jest w miarę adekwatne do teorii. Bo aktualny model mówi, że pole grawitacyjne i przestrzeń (ściślej czasoprzestrzeń), to właściwie jedno i to samo. Grawitacja jest w teorii względności po prostu formą przestrzeni - jej zakrzywieniem, sposobem istnienia. Czyli dla pola grawitacyjnego - faktycznie - pole to przestrzeń, a przestrzeń to pole. Zaś niejednolitości, zakrzywienia rozkładu owej (czaso)przestrzeni objawiają się jako siła grawitacyjna. 

Pola oddziaływań silnych i słabych

O oddziaływaniach jądrowych i ogólnie ze świata cząstek elementarnych, czyli tzw. oddziaływaniu silnym i słabym jeszcze trudniej mówić w kontekście powiązania z obszarem - przestrzenią. Kwantowo opisuje się te pola za pomocą wymiany wirtualnych cząstek. Wszystko to zachodzi jakoś w przestrzeni, ale zależności tu są o wiele bardziej złożone, niż w przypadku grawitacji, czy pola elektromagnetycznego. Bo o ile standardowo bliskie położenie cząstek faktycznie będzie oznaczało większe prawdopodobieństwo oddziaływania między nimi za pomocą pola, to jednak nie zawsze tak musi być. Istnieje, niezwykle tajemnicze, zjawisko splątania kwantowego, które zachodzi na dowolną (na razie nauka nie ustaliła, czy mamy tu jakieś ograniczenie) odległość, a do tego zjawiska te silnie zależą od różnych aspektów odziaływującego układu - w szczególności energii cząstek. Zatem  jest to już zupełnie inne pole, niż to, jakie znamy ze świata makroskopowego. 

Pola innego rodzaju

Pod pojęcie pola fizycy podciągają nie tylko zjawiska powiązane z siłami. Rozważa się też np. pola temperatur, albo pole naprężeń w ciele stałym. Tutaj tez mamy jakieś powiązane z przestrzenią, z obiektami w niej zawartymi, ale opis może być bardzo różny. Zatem pojęcie pola należy traktować jako coś otwartego - pewnie nie jeden kompleks zjawisk - może jeszcze nie znany nauce - da się za jego pomocą opisywać. 

Podsumujmy te krótkie rozważania o polu w fizyce

Właściwie więc nie do końca wiemy co konkretnie w fizyce jest "polem". To taki dość rozbudowany "kontener myślowy" na dość różne zjawiska. Ich wspólną cechą jest wymiana energii pomiędzy składnikami i powiązanie z odległością (przestrzenią), a także czasem. Ale nie da się chyba sformułować ani ogólnej definicji pola fizycznego (fizycy wciąż poszukują "ogólnej teorii pola"), ani nawet do końca wyczerpać opisu dowolnego z tych najważniejszych pól - oddziaływań znanych fizykom. I pewnie trzeba się pogodzić z tym, ze mamy do czynienia z kolejnym pojęciem, które definiowana jest dość chaotycznie, z ad hoc dodawanych elementów myślowych. 

Michał Dyszyński; dodano do serwisu 29.05.2014