Alan kuramı

Alan kuramı, Fizikte bir alan, uzay ve zamanda gözlenebilir bir niceliğin sürekli dağılımı olarak tanımlanabilir. Ölçülebilir olması gereken bu gözlenebilir nicelik, bir sıvının rengi, atmosferdeki toz yoğunluğu, Yer'i çevreleyen magnetik alan gibi olaylarçeşitlemesinden herhangi biri olabilir. Gözlenen nicelik, uzayda değişim gösterip zaman içinde değişmiyorsa statik alandan, aksi halde ise zaman değişimli alandan söz edilir. Bir alanın matematiksel tanımı, onun uzayın bir fonksiyonu olduğu kabulüne dayanır. Alandaki herhangi bir nokta, uzayda öbür noktalara göre konumu cinsinden belirlenir. Ölçülen özellik, doğrultudan ba-ğımsızsa skaler niceliktir, doğrultuya bağlıysa vektördür.

Alanları sınıflandırmanın çeşitli yolları vardır; ama başlangıçta bunları maddesel olan ve maddesel olmayan alanlar olarak ikiye ayırmak gerekir. Maddesel alanlarda gözlenebilir nicelik, bir gazın sıcaklığı, bir sıvının hızı ya da yoğunluğu gibi, maddenin bir özelliğini gösterir. Maddesel olmayan alan ise herhangi maddesel bir özelliği betimlemez; belli koşullar altında uzayın bir noktasında ortaya çıkacak bazı gizli etkileri betimler. Örneğin, elektrik alanı böyledir. "Gözlenebilir" alan, alan fonksiyonuyla verilen ve uzayın x, y, z koordinatlarıyla tanımlanan bir noktasındaki değeri bulunabilen elektrostatik alandır. O noktada gerçekten var olan herhangi bir şey yoktur. Eğer bir elektrik yükü, x, y, z koordinatlarıyla tanımlanan noktaya yerleştirilirse, alan fonksiyonuyla orantılı bir kuvvetin etkisinde kalacaktır. Magnetik alan, kütleçekimi alanı ve olasılık alanları bu türden alanlara örnektir.

Alanlar, gözlenebilir fonksiyonlarının skaler, vektör ya da tensor oluşlarına göre de sınıflandırılabilir. Bir skaler nicelik, büyüklüğü olan, ancak yönü olmayan niceliktir. Kütle, yoğunluk, sıcaklık skaler niceliklerdir. Vektör, uzayda yönlenmiş niceliktir. Kuvvet, elektrik ve magnetik alan şiddetleri vektör niceliklerine örnek verilebilir. Alanın ölçülebilir niceliği yalnızca skaler ya da vektörel niceliklerle ifade edilemiyorsa ve böylesi birçok niceliğin bir arada ele alınması gerekiyorsa bir tensor kurulması gerekir.

Atmosferde herhangi bir noktadaki basınç, gaz molekülleri ile Yer arasındaki kütleçekimi etkisinden doğar. Bir yandan yeryüzüne doğru gaz moleküllerinin hızlanmasına yol açan bu çekim etkisinden, öbür yandan yüklendikleri ısıl enerji yüzünden birbirleriyle çarpışan moleküllerin atmosferin genişlemesini sağlayan etkisinden kaynaklanan iki karşıt eğilim arasında bir kararlı durum oluşur. Böylece atmosfer basıncı, yeryüzünden yüksekliğin azalan bir fonksiyonu olur. Bu durum skaler alanlar için en basit örneklerdendir. Sıcaklık alanı, kütleçekimi alanı, hareketli akışkanların yoğunlukları gibi alanlar da benzer skaler alanlardır.

Elektromagnetik alan fizikteki en önemli vektör alanı sayılabilir. Her ikisi de vektör alanı olan elektrik ve magnetik alanlar, durgun olmadıklarında karakteristik bir biçimde etkileşir.

Tensor alanlarına örnek, bir hidrodinamik sistemdeki basınç alanıdır. Bu durum, akışkan içindeki farklı noktaların farklı sıcaklıklarda olduğu karmaşık hareketler sistemine karşılık olur.

Fiziksel sabitler. Fiziğin temel kuramlarının formülleştirilmesinde ve bunların gerçek dünyaya uygulanmasında temel fiziksel sabitler denilen kimi değişmez nicelikler ortaya çıkar. Bu temel sabitler arasında ışığın vakumdaki (boşluk) hızı (c), temel yük (e), elektronun kütlesi (mej, Planck sabiti (h) ve ince yapı sabiti sayılabilir.

Temel sabitlerin sayısal değerlerinin kesin doğrulukla bilinmesi iki nedenle önem taşır.

Fiziğin temel kuramlarının nicel öngörüleri, kuramlardaki sabitlerin sayısal değerlerine bağlıdır. Ayrıca, bu sabitlerin fiziğin farklı alanlarındaki çeşitli deneylerden sağlanan sayısal değerlerinin dikkatle incelenmesi, fizik kuramlarının doğruluğunu ve genel tutarlığını denetleyebilme olanağını verir. Temel sabitler, genellikle milyonda birkaç kısımlık doğrulukla ölçülmüştür. Doğruluk niceliğine yüklenen anlam; kuram ya da deneyin sınırlılığı nedeniyle, herhangi bir niceliğin sayısal değerinin, gerçek değerden ne kadar uzak olduğunu gösteren belirsizliğin bağıl boyutudur. Doğruluk ya da belirsizlik, uygulamada milyonda kısım (ppm) olarak gösterilir.