"Я собираюсь рассказать вам о том, чему мы учим наших студентов-физиков на третьем или четвертом курсе аспирантуры ... Моя задача - убедить вас не отворачиваться, потому что вы этого не понимаете. Видите ли, мои студенты-физики этого не понимают ... Это потому, что я этого не понимаю. Никто не понимает".
Ричард Фейнман
На протяжении 1930-х и 1940-х гг. физики-теоретики - Поль Дирак, Вольфганг Паули, Юлиан Швингер, Фриман Дайсон, Син-Итиро Томонага и Фейнман упорно пытались разработать математический аппарат, который помог бы справиться с буйством микромира. Они установили, что квантовое волновое уравнение Шредингера на самом деле дает только приближенное описание физики микромира.
Основным разделом физики, которым Шредингер пренебрег в своей формулировке квантовой механики, была специальная теория относительности. На самом деле Шредингер сначала сделал попытку включить Специальную Теорию Относительности (СТО), но полученное в результате квантовое уравнение давало предсказания, находившиеся в противоречии с экспериментальными данными для атома водорода. Это побудило Шредингера воспользоваться широко применяемым в физике подходом «разделяй и властвуй»: вместо того, чтобы пытаться объединить в новой теории все, что известно о физическом мире, часто гораздо выгоднее бывает делать небольшие шаги, которые последовательно включают новейшие открытия, сделанные на переднем крае исследований. Шредингер искал и нашел математический аппарат, который позволил учесть экспериментально подтвержденный корпускулярно-волновой дуализм, но он не смог на этой стадии включить в рассмотрение специальную теорию относительности.
Однако вскоре физики осознали, что СТО крайне важна для корректной формулировки законов квантовой механики. Микромир требовал признания, что энергия может проявлять себя самыми различными способами. Впервые это было осознано Эйнштейном в его знаменитой формуле Е = mс2. Игнорируя СТО, подход Шредингера не учитывал взаимопревращаемость материи, энергии и движения.
Прежде всего Юлиан Швингер, Син-Итиро Томонага и Фейнман сконцентрировали свои усилия на попытках объединить СТО с принципами квантовой механики при описании электромагнитного поля и его взаимодействия с веществом. В результате серии вдохновляющих достижений они создали квантовую электродинамику. Это был пример теории, впоследствии получившей название релятивистской квантовой теории поля или, кратко, квантовой теории поля. Такая теория является квантовой, поскольку она с самого начала строилась с использованием понятий вероятности и неопределенности; она является теорией поля, поскольку объединяет понятия квантовой механики и ранее существовавшее классическое представление о силовом поле, в данном случае, максвелловском электромагнитном поле. Наконец, эта теория является релятивистской, поскольку с самого начала учитывает СТО.
На микроскопическом уровне все четыре фундаментальные силы не являются силами в обычном понимании этого слова. Сегодня физика объясняет силы природы путем обмена калибровочными частицами. Калибровочные частицы - это частицы, которыми обмениваются другие частицы, которые образуют подлинные составляющие материи (кварки и лептоны). Поэтому, когда электрон отталкивает или притягивает другой электрон или позитрон, между ними возникает «силовое поле». В этом конкретном случае это фактически поле, состоящее из фотонов! Фотоны являются посредниками электромагнитного взаимодействия, и частицы, взаимодействующие с помощью электромагнитного поля, постоянно обмениваются фотонами между собой (эти фотоны нельзя «увидеть» в обычном смысле слова, но это уже другая история). Теперь, когда электрон излучает или поглощает фотон, он более или менее остается неизменным,
Квантовая электродинамика (КЭД)
Квантовая электродинамика, обычно называемая КЭД, представляет собой квантовую полевую теорию электромагнитных сил . Возникающую силу между двумя электронами, классическая теория электромагнетизма описала бы как порождаемую электромагнитным полем, создаваемым каждым электроном. Классическая электроодинамика учитывает только непрерывные свойства электромагнитного поля, в основе же квантовой электродинамики лежит представление о том, что электромагнитное поле обладает прерывными (дискретными) свойствами, носителями которых являются кванты поля — фотоны.
Подход квантовой теории поля рассматривает силу между электронами как обмен виртуальными фотонами (квантами излучения).
В центре КЭД анализ актов испускания или поглощения одного фотона заряженной частицей электроном, а также аннигиляции электрон-позитронной пары в фотон или порождение фотонами такой пары.
Если в классическом описании электроны представляются в виде твердого точечного шарика, то в КЭД окружающее электрона электромагнитное поле рассматривается как облако виртуальных фотонов, которое неотступно следует за электроном, окружая его квантами энергии. Фотоны возникают и исчезают очень быстро, а электроны движутся в пространстве не по вполне определенным траекториям. Еще можно тем или иным способом определить начальную и конечную точки пути — до и после рассеяния, но сам путь в промежутке между началом и концом движения остается неопределенным.
Рассмотрим, например, акт испускания (виртуального) фотона электроном. После того как электрон испускает фотон, тот порождает (виртуальную) электрон-позитронную пару, которая может аннигилировать с образованием нового фотона. Последний может поглотиться исходным электроном, но может породить новую пару и т.д. Таким образом, электрон покрывается облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов, находящихся в состоянии динамического равновесия. Все эти процессы допускают графическое представление (диаграммы Р. Фейнмана).
При этом известны только начальное и конечное положения электронов, а определить момент, когда происходит обмен фотоном и какая из частиц испускает фотон, а какая поглощает, невозможно. Эти характеристики скрыты пеленой квантовой неопределенности.
Описание взаимодействия с помощью частицы-переносчика в КЭД привело к расширению понятия фотона. Вводятся понятия реального (кванта видимого нами света) и виртуального (скоротечного, призрачного) фотона, который «видят» только заряженные частицы, претерпевающие рассеяние.
Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпадают с высочайшей точностью — более девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих естественно-научных теорий.
Спасибо за внимание!