Кіріспе
Физикалық өрістерді сипаттайтын бөлшектік дифференциалдық теңдеулер Теориялық физика мен қолданбалы математикада өрістік теңдеу – физикалық өрістің динамикасын, атап айтқанда, өрістің уақыт бойынша өзгеруін және кеңістіктегі таралуын анықтайтын бөлшектік дифференциалдық теңдеу. Теңдеудің шешімдері – уақыт пен кеңістіктің функциялары ретінде өріске тікелей сәйкес келетін математикалық функциялар. Өрістік теңдеу бөлшектік дифференциалдық теңдеу болғандықтан, физикалық мүмкіндіктердің әртүрлілігін көрсететін шешімдердің көптеген топтары бар. Көбінесе, бір ғана теңдеу емес, бір мезгілде шешілуі тиіс біріктірілген теңдеулер жиынтығы болады. Өрістік теңдеулер қарапайым дифференциалдық теңдеулер емес, себебі өріс кеңістік пен уақытқа тәуелді, ал бұл кем дегенде екі айнымалыны қажет етеді. "Толқын теңдеуі", "Диффузия теңдеуі" және "Үздістік теңдеуі" барлық стандартты түрлерге ие (және әртүрлі ерекше жағдайлар немесе жалпыламалар бар), бірақ "өрістік теңдеу" деп аталатын жалғыз, ерекше теңдеу жоқ. Бұл тақырып классикалық өріс теориясының және кванттық өріс теориясының теңдеулеріне бөлінеді. Классикалық өрістік теңдеулер заттың температурасы, сұйықтың жылдамдығы, серпімді материалдағы кернеулер, токтан туындаған электр және магнит өрістері сияқты көптеген физикалық қасиеттерді сипаттайды. Олар сондай-ақ электромагнетизм және гравитация сияқты табиғаттың негізгі күштерін де сипаттайды. Кванттық өріс теориясында электрон және фотон сияқты "бөлшектердің" бөлшектері немесе жүйелері өрістермен байланыстырылады, бұл шексіз еркіндік дәрежесіне (бөлшектер механикасындағы шектеулі еркіндік дәрежесінен өзгеше) және құрыла немесе жойыла алатын өзгермелі бөлшектер санына мүмкіндік береді.
In theoretical physics and applied mathematics, a field equation is a partial differential equation which determines the dynamics of a physical field, specifically the time evolution and spatial distribution of the field. The solutions to the equation are mathematical functions which correspond directly to the field, as functions of time and space. Since the field equation is a partial differential equation, there are families of solutions which represent a variety of physical possibilities. Usually, there is not just a single equation, but a set of coupled equations which must be solved simultaneously. Field equations are not ordinary differential equations since a field depends on space and time, which requires at least two variables. Whereas the "wave equation", the "diffusion equation", and the "continuity equation" all have standard forms (and various special cases or generalizations), there is no single, special equation referred to as "the field equation". The topic broadly splits into equations of classical field theory and quantum field theory. Classical field equations describe many physical properties like temperature of a substance, velocity of a fluid, stresses in an elastic material, electric and magnetic fields from a current, etc. They also describe the fundamental forces of nature, like electromagnetism and gravity. In quantum field theory, particles or systems of "particles" like electrons and photons are associated with fields, allowing for infinite degrees of freedom (unlike finite degrees of freedom in particle mechanics) and variable particle numbers which can be created or annihilated.
Шығу тегі
Әдетте, өріс теңдеулері (мысалы, Эйнштейннің өріс теңдеулері және Шредингер теңдеуі, барлық кванттық өріс теңдеулерінің негізі болатын) немесе эксперименттердің нәтижелерінен (мысалы, Максвелл теңдеулері) туындайды. Олардың қолданылу шегі – эксперименттік нәтижелерді дұрыс болжау және олармен сәйкес келу қабілеті. Теориялық тұрғыдан алғанда, өріс теңдеулерін Лагранж өріс теориясы, Гамильтон өріс теориясы және стационарлық әрекет принципінің өріс теориялық тұжырымдамалары шеңберінде құрастыруға болады. Егер жүйедегі өрістердің функциялары, сондай-ақ олардың туындыларын қамтитын сәйкес Лагранж немесе Гамильтон тығыздығы берілсе, стационарлық әрекет принципі өріс теңдеуін шығарады.
Симметрия
Классикалық және кванттық теорияларда өрістік теңдеулер негізгі физикалық теорияның симметриясын қанағаттандырады. Көп жағдайда Галилей симметриясы жеткілікті, өрістердің таралу жылдамдығы жарықтан әлдеқайда төмен болғанда. Бөлшектер мен өрістер жарық жылдамдығына жақын жылдамдықпен таралатын болса, Лоренц симметриясы ең көп қолданылатын нұсқа болып табылады, себебі теңдеу және оның шешімдері арнайы салыстырмалылық теориясымен үйлеседі. Тағы бір симметрия өлшегіш бостандықтан туындайды, ол өрістік теңдеулерге ішкі қасиет ретінде тән. Өзара әрекеттесулерге сәйкес келетін өрістер өлшегіш өрістер болуы мүмкін, яғни оларды потенциал арқылы алуға болады, ал потенциалдың белгілі бір мәндері бірдей өріс мәніне сәйкес келеді.
Жіктеу
Дала теңдеулерін көптеген жолдармен жіктеуге болады: классикалық немесе кванттық, релятивистік емес немесе релятивистік, өрістің спиніне немесе массасына, өрістің компоненттерінің санына және олардың координаттық түрлендірулер кезінде қалай өзгеретініне байланысты (мысалы, скалярлық өрістер, векторлық өрістер, тензорлық өрістер, спинорлық өрістер, твисторлық өрістер сияқты). Олар сондай-ақ дифференциалдық теңдеулердің жіктелуін қабылдай алады, яғни сызықтық немесе сызықтық емес, ең жоғары туындының реті, тіпті бөлшекті дифференциалдық теңдеулер ретінде. Гаудж өрістерін топтық теориядағыдай абелдік немесе абелдік емес деп жіктеуге болады.
Толқындар
Далалық теңдеулер толқын теңдеулерінің негізінде жатыр, себебі мерзімді түрде өзгеретін өрістер толқындарды жасайды. Толқын теңдеулерін де өріс теңдеулері ретінде қарастыруға болады, олар көбінесе далалық теңдеулерден туындайды. Сонымен қатар, тиісті Лагранж немесе Гамильтон тығыздықтарын қолданып және тұрақты әрекет принципі арқылы толқын теңдеулерін алуға да болады. Мысалы, Максвелл теңдеулері біртекті емес электромагниттік толқын теңдеулерін шығару үшін пайдаланылады, ал Эйнштейннің далалық теңдеулерінен гравитациялық толқындарға арналған теңдеулерді алуға болады.
Далалық теңдеулерге қосымша теңдеулер
Физикадағы әрбір бөлшектік дифференциалдық теңдеу (БДТ) автоматты түрде "салалық теңдеу" деп аталмайды, тіпті егер олар өрістермен байланысты болса да. Олар берілген физикалық жүйеге қосымша шектеулер қою үшін артық теңдеулер болып табылады. "Үздістік теңдеулері" және "диффузия теңдеулері" көлік құбылыстарын сипаттайды, олар көлік процестеріне әсер ететін өрістерді қамтуы мүмкін болса да. Егер "құрылымдық теңдеу" БДТ нысанында болып, өрістерді қамтыса, оны әдетте салалық теңдеу деп атамайды, себебі ол өрістердің динамикалық қасиеттерін анықтамайды. Олар белгілі бір материалда бір өрісті екіншісімен байланыстырады. Материяның әсерін ескеру қажет болғанда құрылымдық теңдеулер салалық теңдеулермен бірге қолданылады.