«Стандартная модель самая успешная научная теория всех времен» кембриджский физик Дэвид Тонг
Одна из самых важных идей в физике ХХI века - это квантовая теория поля (КТП). КТП - это математическая и концептуальная основа современной физики элементарных частиц. Основными объектами квантовой теории поля являются квантовые поля, которые распространяются по Вселенной и посредством своих флуктуаций порождают все фундаментальные явления в физическом мире.
Квантовые поля порождают фундаментальные частицы
- Электромагнитное поле порождает фундаментальные частицы бозоны - фотоны.
- Сильное ядерное поле, удерживающее вместе протоны и нейтроны порождает фундаметальные частицы-бозоны - глюоны.
- Слабое ядерное поле, ответственное за радиоактивные распады порождает W- и Z-бозоны.
Сами квантовые поля кодируют всю информацию обо всем. Аннигилируют частица и античастица? Это описывается равным и противоположным возбуждениями квантового поля. Хотите описать спонтанное создание пар частиц частица-античастица? Это также связано с возбуждениями квантового поля.
Сами частицы, как и электроны, являются просто возбужденными состояниями квантового поля. Каждая частица во Вселенной, как мы ее понимаем, представляет собой рябь, или возбуждение квантового поля. Это верно для кварков, глюонов, бозона Хиггса и для всех других частиц Стандартной модели.
Сколько существует фундаментальных квантовых полей?
Стандартная модель признает существование двадцати четырех уникальных фундаментальных возможных состояний квантовых полей.
В простейшей КТП, описывающей нашу реальность, квантовой электродинамике (КЭД) созданной в 1960-е Джулианом Швингером, Шиничиро Томонагой и Ричардом Фейнманом, существует только два квантовых поля: электромагнитное и электронное поля. Окружающее электрон 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 по неопределенным траекториям. 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. В итоге, КЭД послужила моделью и шаблоном для всех последующих квантовых теорий поля.
В настоящее время, Стандартная модель предполагает существование двенадцати фермионных (кварки и лептоны) полей и двенадцати бозонных полей.
Фермионы - это строительные блоки материи. Всего существует 12 фермионов, разделенных на шесть кварков и шесть лептонов. Все более крупные частицы и вся материя состоят только из кварков и лептонов.
12 бозонов (8 глюонов - восемь возможных цветовых комбинаций) сильное взаимодействие, два (W-и-Z) бозона (слабое взаимодействие),один электромагнитный (фотонный) бозон, и бозон Хиггса) ответственны за все взаимодействия между частицами. Они определяют три из четырех фундаментальных сил в природе: сильное взаимодействие, слабое взаимодействие (радиоактивный распад) и электромагнетизм.
Вселенную на фундаментальном уровне можно рассматривать как сложную динамичную структуру квантовых полей
В отличие от многих других физических теорий, на данном этапе нет канонического определения того, что такое КТП. Вместо этого формулируется ряд различных представлений, каждое из которых имеет свои достоинства и ограничения.
Если рассматривать квантовую механику (КМ) как современную теорию одной частицы (или, возможно, очень небольшого числа частиц), то можно представлять КТП как расширение КМ для анализа систем со многими частицами - и, следовательно, с большим числом степеней свободы. Переход от КМ к КТП позволяет рассматривать как частицы, так и поля в рамках единой теоретической основы.
Уравнения Клейна-Гордона и Дирака в КМ не способны описывать системы с переменным числом частиц. Однако очевидно, что для КТП существенно описание процессов трансформации частиц, когда частицы одного вида разрушаются, а другие создаются. Математикам придется по-новому взглянуть на квантовую теорию поля, если они хотят понять ее непротиворечивым и строгим образом. Есть основания надеяться, что решение этой проблемы закроет многие из самых серьезных вопросов физики.
Спасибо за внимание!