Физика поля и излучение электромагнитных волн. «Ультрафиолетовая катастрофа» и создание квантовой физики М. Планка.

По́ле в физике — одна из форм материи, характеризующая все точки пространства и времени, и поэтому обладающая бесконечным числом степеней свободы; обеспечивающая физическое взаимодействие материальных объектов и их систем.

К физическим полям исследователи относят: электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля, соответствующие различным частицам. Источником физических полей являются частицы.

При описании физическое поле в каждой точке пространства характеризуется определённым (постоянным или переменным во времени) значением физической величины (или её оператора — для квантованных полей). Это значение, как правило, меняется при переходе от одной точки к другой. В зависимости от математического вида этой величины выделяют скалярные, векторные, тензорные и спинорные поля. Динамика физических полей описывается дифференциальными уравнениями в частных производных. Примером поля может быть указание температуры в каждой точке определённого объёма за некоторый промежуток времени — скалярное поле температур, или указание скоростей всех элементов некоторой жидкости — векторное поле скоростей.

Среди полей в физике выделяют так называемые фундаментальные. Это поля, которые, согласно с полевой парадигмой современной физики, составляют основу материи, все остальные поля и взаимодействия из них выводятся. Исторически среди фундаментальных полей сначала были открыты поля взаимодействия: электрическое, магнитное, объединившее их электромагнитное, гравитационное — эти поля рассматривались ещё в классической физике, слабое, объединившее его с электромагнитным электрослабое и сильное (или поле ядерных сил). После создания квантовой механики стало очевидно, что и вся другая материя также описывается квантованными полями, отдельными фундаментальными (как электрон) или их коллективными возбуждениями (как протоны, составленные из 3 кварков и глюонного поля). Одиночными возбуждениями фундаментальных полей являются их кванты — элементарные частицы: фотоны, векторные бозоны, глюоны, лептоны, кварки, и (пока гипотетические) гравитоны. При этом принципы причинности и конечности скорости распространения взаимодействий требуют, чтобы дифференциальные уравнения, описывающие фундаментальные поля, принадлежали к гиперболическому типу.

Долгое время считалось, что поле является только наглядным теоретическим объяснением таких явлений, как, например, световые волны, пока в 1887 году Генрих Рудольф Герц не доказал существование электромагнитного поля экспериментально. Даже в начале XX века Анри Пуанкаре считал одной из проблем физики несохранение импульса и энергии зарядов в электродинамике Лоренца (импульс и энергия переходят в электромагнитное поле)

Проявляются эти поля в виде взаимодействия тел, переносимого с конечной скоростью, при этом сила взаимодействия определяется различными характеристиками тел (зарядами): массой (гравитационным зарядом) для гравитационного поля, электрическим зарядом для электромагнитного и т. д. В квантовой физике взаимодействия объясняются обменом специфичными для каждого типа поля частицами (квантами поля) - фотонами для электромагнитного, бозонами для слабого, гипотетическими гравитонами для гравитационного и т. д. В настоящее время (2009 год) фундаментальными видами таких полей считаются связанные с электрослабым, сильным и гравитационным взаимодействиями.

Электромагнитное излучение (электромагнитные волны  )– это распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей.Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту и длину волны. Длина волны завит от скорости распространения излучения. Описанием свойств электромагнитного излучения занимается электродинамика. Для описания относительно низкочастотного излучения в макроскопической области используют, как правило, классическую электродинамику, основанную на уравнениях Максвелла, причём существуют упрощения в прикладных применениях. Для оптического изучения используют оптику.

Ультрафиолетовая катастрофа  –  физический термин, описывающий парадокс классической физики, состоящий в том, что полная мощность теплового излучения любого нагретого тела должна быть бесконечной. Название парадокс получил из-за того, что спектральная плотность мощности излучения должна была неограниченно расти по мере сокращения длины волны.

По сути этот парадокс показал если не внутреннюю противоречивость классической физики, то во всяком случае крайне резкое (абсурдное) расхождение с элементарными наблюдениями и экспериментом.

Так как это не согласуется с экспериментальным наблюдением, в конце 19 века возникали трудности в описании фотометрических характеристик тел.

Проблема была решена при помощи квантовой теории излучения Макса Планка в 1900 году.

Свои исследования Планк посвящал в основном вопросам термодинамики. Известность он приобрёл после объяснения в 1900 году спектра так называемого «абсолютно чёрного тела», заложившей основу развития квантовой физики.

Изучая абсолютно чёрное тело Макс План формулирует постулат, согласно которому вещество не может испускать энергию, иначе как конечными порциями, которые пропорциональны частоте излучения. Эта пропорциональность характеризует минимальное количество энергии, которое система может поглотить/излучить – это и называется квантом.

 Абсолютно черным телом называют некий предмет, чьё излучение зависит только от температуры и видимой площади поверхности. В противоположность физическим представлениям о непрерывности всех процессов, что являлось основой физической картины мира, построенной Ньютоном и Лейбницем, Планк ввёл представление о квантовой природе излучения. А именно, согласно его теории излучение испускается и поглощается квантами с энергией каждого кванта, равной частоте излучения умноженной на постоянную Планка.

Квантовая физика или волновая механика — раздел физики, изучающий законы в которых для описания поведения частиц (квантов) используются подходы характерные для волн.

Квантовая физика и её основная теория — квантовая механика — была создана в начале двадцатого века многими учёными, среди которых Макс Планк, Эйнштейн, Артур Комптон, де Бройль, Шрёдингер, Поль Дирак, Паули.