Feldbegriff in der Physik

Grobes Bild eines Feldes

Der Feldbegriff in der Physik ist abstrakt und kann nicht durch ein Bild dargestellt werden. Wir können jedoch eine oberflächliche Vorstellung vom Feldbegriff haben.

Ein Feld ist ein abgegrenzter Teil des Raums, der mit messbaren physikalischen Größen gefüllt ist, die sich im Laufe der Zeit ändern können.

Zum Beispiel:
• In einem Raum, an jedem Punkt im Raum und zu jedem Zeitpunkt ist es möglich, physikalische Größen zu messen, die den Zustand des Raumes charakterisieren, wie z. B. Temperatur, Druck, Dichte usw. Der Raum ist also mit einem Temperaturfeld, einem Druckfeld, einem Dichtefeld usw. gefüllt.
Diese Felder werden Skalarfelder genannt, da jeder Punkt durch eine reelle oder komplexe Zahl dargestellt wird.

• An jedem Ort im Raum und zu jedem Zeitpunkt gibt es auch eine Bewegung von Luftmolekülen, die durch zwei Größen gemessen werden kann, eine Richtung und eine Geschwindigkeit.
Dieses Geschwindigkeitsfeld wird Vektor genannt, weil jeder Ort durch eine Größe dargestellt wird, die eine Richtung und eine Größe hat. Diese Größe ist ein Vektor, grafisch gesehen ein Pfeil. Die Länge des Pfeils stellt die Größe des Vektors dar, in unserem Fall die Geschwindigkeit. Die Richtung des Pfeils gibt die Richtung des Vektors an.

Wenn wir in der klassischen Physik ein Feld durch ein ungefähres Bild darstellen möchten, ist es am einfachsten, sich einen flüssigen Körper vorzustellen, zum Beispiel einen See.
An jedem Ort und zu jedem Zeitpunkt gibt es eine Bewegung von Wassermolekülen, die durch einen Vektorwert gemessen werden kann.
Wenn sich der See in seinem Gleichgewichtszustand befindet, also in seinem niedrigsten Energiezustand, den wir den Grundzustand nennen können, passiert nichts, es herrscht absolute Ruhe. Jeder Vektor v = [x, y] hat eine Nullkomponente, also v = [0, 0]. Das Geschwindigkeitsfeld der Wassermoleküle ist im zweidimensionalen Raum still, leer, flach und unsichtbar.
Wenn der Wind zunimmt, wird Energie in den See gebracht, die Wassermoleküle bewegen sich und es bilden sich erkennbare Wellen.
Die Geschwindigkeit jedes Wassermoleküls wird durch einen Vektor ungleich Null messbar. Jeder Vektor stellt eine Energiequelle dar, die einen Einfluss auf den umgebenden Raum hat. Während das Feld leer, flach und unsichtbar war, wird es sich in drei Dimensionen manifestieren und erscheinen. Anschließend entsteht ein physikalisches Feld. Mit anderen Worten: Das physische Feld kann als Manifestation der Anwesenheit einer Energiequelle angesehen werden. Das Feld stellt nicht direkt die Quelle dar, sondern ermöglicht uns in unserem Fall zu beschreiben, wie die physikalischen Eigenschaften des Sees an jedem Punkt im Raum variieren.

In der Quantenphysik sind Felder komplizierter vorstellbar.

Zum Beispiel:
• Das elektromagnetische Feld entsteht durch die Bewegung elektrischer Ladungen, wie z. B. Elektronen, die eine Energiequelle darstellen. In diesem Fall repräsentiert das Feld selbst die Verteilung elektrischer und magnetischer Felder im Raum. Das elektromagnetische Feld ist eine Kombination aus elektrischen und magnetischen Feldern, die sich in Form elektromagnetischer Wellen im Raum ausbreitet.

• Das Quantenfeld der Elektronen ist spinorial. An jedem Ort und zu jedem Zeitpunkt können wir das Verhalten des Spins des Elektrons anhand einer Spinorialwellenfunktion messen. Es handelt sich um eine komplexe mathematische Funktion, die den Quantenzustand des Elektrons als Funktion seiner Position, Zeit und seines Spins charakterisiert. Auch die Quantenbewegungen des Elektrons, etwa sein Spin, erzeugen Magnetfelder. Spin ist eine intrinsische Eigenschaft von Teilchen, die mit ihrem magnetischen Moment verknüpft ist.

Abschließend, Das Quantenfeld von Elektronen, Photonen, Protonen und allen Elementarteilchen ist ein wichtiges theoretisches Konzept zum Verständnis der Quanteneigenschaften von Systemen, in denen alle fundamentalen Teilchenfelder überlagert sind.
Wenn sich alle diese Felder in ihrem Grundzustand, dem niedrigsten Energiezustand, befinden, befinden wir uns im Quantenvakuum, einem ruhigen Meer voller energieloser und nicht nachweisbarer Teilchen. Allerdings ist das Quantenvakuum kein „absolutes Nichts“, denn es schwankt ständig und lässt Paare vergänglicher Teilchen entstehen, die „virtuelle Teilchenpaare“ genannt werden. Diese Paare virtueller Teilchen erscheinen und verschwinden so schnell, dass ihr Nettoeffekt auf die Raumzeit vernachlässigbar ist. Diese Vakuumschwankungen können als Quantenfeld interpretiert werden, das auch ohne reale Teilchen existiert. Es reicht aus, eine Energiequelle in dieses Quantenfeld zu bringen, damit ein Vakuum-Wavelet, ein Teilchen, entsteht.