Непросто о сложном. Цикл статей о QFT.
В 1920-е годы электромагнитное поле было единственным известным полем. Поэтому естественно, что квантовая теория поля начинается с количественного изучения электромагнитных взаимодействий.
С 1925 по 1926 год Макс Бон, Гейзенберг и Паскуаль Йордан использовали обычные квантовые процедуры для рассмотрения электромагнитных полей как группы квантовых гармонических осцилляторов и создали квантовую теорию свободных электромагнитных полей (то есть они не взаимодействуют с материей). Поскольку эта теория не содержит никаких взаимодействий, невозможно делать полезные количественные прогнозы.
В статье 1927 года “Квантовая теория, описывающая испускание и поглощение излучения” Дирак впервые ввел термин "Квантовая электродинамика" (англ. Quantum electrodynamics, именуемая КЭД).
Он также описал поле излучения в вакууме как набор квантовых гармонических осцилляторов и творчески дал связи поля излучения и заряженных частиц в атоме, а затем поле излучения, заряженные частицы и связи были учтены вместе. Для рассмотрения этого члена связи была применена теория возмущений первого порядка. Дирак успешно исследовал явление спонтанного излучения.
Согласно принципу неопределенности квантовой механики, квантовые гармонические осцилляторы не могут полностью остановиться, но должны вибрировать непрерывно, даже в состоянии с самой низкой энергией, в противном случае кинетическая энергия квантовых гармонических осцилляторов станет бесконечной.
Следовательно, в вакууме электромагнитное поле в состоянии вакуума все еще будет вибрировать с энергией нулевой точки, что также является состоянием с самой низкой энергией.
Явление спонтанного излучения на самом деле представляет собой возбужденное излучение электронов, вызванное квантовыми флуктуациями электромагнитного поля в вакууме.
Теория Дирака очень функциональна и может дать разумное объяснение испусканию и поглощению электромагнитного излучения всеми атомами.
Применяя теорию возмущений второго порядка, теория Дирака также может объяснить рассеяние фотонов, резонансную флуоресценцию, нерелятивистское комптоновское рассеяние и другие явления.
Однако при вычислении теории возмущений более высокого порядка возникла проблема бесконечных максимумов.
В 1928 году Дирак дал уравнение Дирака, флуктуационное уравнение, описывающее релятивистские электроны, которое успешно объяснило взаимодействие между фотонами и релятивистскими электронами.
Это уравнение сразу дает четыре результата.
Первый заключается в вычислении спина электрона как 1/2, второй заключается в вычислении g-фактора электрона как 2, третий заключается в выводе формулы Зоммерфельда, описывающей точную структуру оптического спектра атомов водорода, и четвертый заключается в выводе формулы Клейна-Ренке, которая может описывать результаты релятивистского комптоновского рассеяния и мюллеровского рассеяния и т.д.
Несмотря на свою плодотворность, эта теория имеет много проблем. Например, это, по-видимому, требует существования состояния с отрицательной энергией, что означает, что все атомы нестабильны, и они могут переходить из нормального состояния в состояние с отрицательной энергией посредством излучения.
Общее мнение в то время все еще состояло в том, чтобы рассматривать материальные частицы (такие как электроны) и квантовые поля (такие как фотоны), составляющие вселенную, как отдельные понятия.
Частицы материи постоянны, и квантовое состояние частиц материи может дать вероятность того, что частицы материи находятся в определенном положении в пространстве.
Фотоны не являются постоянными. Они представляют собой возбужденное состояние электромагнитного поля после квантования. Фотоны могут быть получены или аннигилированы.
Только в 1928-1930 годах Йоданг, Юджин Вигнер, Гейзенберг, Паули и Ферми обнаружили, что частицы вещества также можно рассматривать как возбужденные состояния в квантовом поле, точно так же, как фотоны являются возбужденными состояниями электромагнитных полей, и каждая частица имеет свое собственное соответствующее квантовое поле: электроны имеют электронные поля, протоны имеют протонные поля и так далее.
Исходя из этого, Энрико Ферми предложил в 1932 году объяснить Ферми-взаимодействие β-распада: хотя само ядро не содержит электронов, в процессе распада электрон будет возбуждаться в окружающем электронном поле, точно так же, как фотон может быть в электромагнитном поле. Это похоже на "возбужденное состояние".
В 1929 году Дирак и другие обнаружили, что для решения проблемы состояний с отрицательной энергией в решении уравнения Дирака необходимо предположить определенную частицу с противоположным зарядом и электроном, но такой же массой - позитрон.
Это не только теоретически обеспечило стабильность атомов, но и впервые предположило существование антивещества.
В 1932 году Карл Дэвид Андерсон обнаружил доказательства существования позитронов в космических лучах. Пока имеется достаточно энергии (например, для поглощения фотонов), может образоваться пара электронов и позитронов.
Электроны и позитроны также могут аннигилировать друг с другом с образованием фотонов. Это доказывает, что количество частиц при взаимодействии не обязательно фиксировать.
Изначально позитроны рассматривались не как новая частица, а как дырки в бесконечном море электронов, поэтому эту теорию также называют “теорией дырок Дирака”.
Собственно, квантовая теория поля естественным образом и описывает это явление.
Подписывайтесь на канал, чтобы быть в курсе всех событий и расширить свои знания о нашей невероятной Вселенной! 🌌🚀
