Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

Однако этот значительный шаг вперед в нашем понимании природы фундаментальных сил стал возможным только в условиях эволюции квантовой механики от теории, описывающей микрокосм в терминах частиц и волн, к теории, основанной на понятии поля. В главе 3 я кратко затронул это понятие в контексте притяжения и электромагнетизма. Теперь же мы обратимся к подробному анализу понятия квантового поля.

Квантовая теория поля

Наверное, у вас создалось впечатление, что, когда около 100 лет назад была выдвинута теория квантовой механики, большинство физиков начали пытаться с ее помощью решать реальные задачи из области физики и химии и только немногие, более философски настроенные, продолжали спорить о том, в чем же ее смысл. Во многих отношениях так оно и было. Однако верно и то, что в течение первой половины XX века квантовая механика продолжала усложняться. К концу 20-х годов основной математический аппарат (уравнения и правила) был уже готов, но Полю Дираку вскоре удалось объединить квантовую теорию со специальной теорией относительности Эйнштейна. А еще он свел воедино квантовую механику и теорию электромагнитного поля Максвелла, впервые получив в результате квантовую теорию поля. Последняя со временем превратилась в мощный и точный способ описания электромагнитного взаимодействия материи со светом на квантовом уровне.

Квантовая теория поля Дирака объясняет, каким образом электроны испускают и поглощают фотоны и каким образом два электрона отталкиваются друг от друга не с помощью какой-то невидимой силы, а посредством обмена фотонами. К 1930-м годам различие между физикой частиц и физикой поля на квантовом уровне было сведено на нет. Таким образом, как фотоны, подобно частицам, являются проявлением электромагнитного поля, сгустками чистой энергии в квантовом масштабе, так и локализованные частицы материи, такие как электроны и кварки, являются просто проявлением связанного с ними квантового поля. Однако, в отличие от случая с фотонами и электромагнитными полями, для материальных частиц это не так уж очевидно. Причина в том, что фотоны могут объединяться в неограниченных количествах, тогда как материальные частицы, вроде электронов и кварков, менее склонны к образованию связей. Это обусловлено законом квантовой механики под названием «принцип запрета Паули», согласно которому никакие две материальные частицы не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние. А это, в свою очередь, означает, что наблюдать действие квантовых полей не так уж просто.

К концу 1940-х годов наконец-то были решены математические проблемы, связанные с описанием квантовых полей и получила свое завершение квантовая электродинамика (КЭД). До сего дня эта теория считается самой точной из всех научных теорий. Кроме того, на фундаментальном уровне она может объяснить почти все вокруг нас, поскольку на ней основана вся химия и природа материи – начиная с того, как работают микрочипы в моем ноутбуке, и кончая нейронами, испускающими разряды в нашем мозге, которые отправляют пальцам сигнал и заставляют их стучать по клавиатуре. Все это потому, что КЭД обусловливает любые взаимодействия в атоме.

И все же, несмотря на свое всевластие, КЭД описывает только одну из природных сил – электромагнетизм.

В конце 50-х – начале 60-х годов для объединения КЭД и полевой теории слабого ядерного взаимодействия физики пользовались прекрасным, но сложным математическим аппаратом. Они доказали, что слабое взаимодействие на фундаментальном уровне также генерируется посредством обмена частицами, что эквивалентно той роли, которую в электромагнитной силе играет обмен фотонами. Сегодня у нас есть унифицированная теория, описывающая единое «слабое» электрическое взаимодействие, которое через процесс под названием «нарушение симметрии» распадается на два различных физических процесса: электромагнетизм (проявляющийся через обмен фотонами) и слабое взаимодействие, возникающее в связи с обменом бозонов W и Z. Последние были позже, в 1983 году, обнаружены в ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) и с тех пор активно изучаются. Распад на две силы (нарушение симметрии) связан с действием еще одного поля под названием «поле Хиггса», которое обеспечивает массой частицы W и Z, тогда как фотоны остаются лишенными массы. Эта унификация означает, что на фундаментальном уровне четыре силы природы сводятся к трем: слабой электрической силе, сильному ядерному взаимодействию и силе притяжения (которая согласно общей теории относительности вообще не является силой). Не знаю, насколько все вышесказанное поможет вам понять данную проблему.