5.9. Релятивистская квантовая физика. Мир античастиц. Квантовая теория поля

Квантовая механика, которая в первых работах Бора, Шредингера, Гейзенберга и других ученых являлась, в ос­новном, теорией атомных спектров, получила за короткое время интенсивное развитие и была обобщена до теории, описывающей поведение микрообъектов в микромире. Фи­зики стали делить окружающий нас мир на три уровня: мега-, макро- и микромир. Это оказалось возможным бла­годаря синтезу квантовой механики и специальной теории относительности, благодаря созданию релятивистской кван­товой механики.

В 1927 году английский физик Поль Дирак, рассмат­ривая уравнение Шредингера, обратил внимание на его не­релятивистский характер. При этом квантовая механика описывает объекты микромира, и хотя к 1927 году их было известно только три: электрон, протон и фотон (даже ней­трон был экспериментально обнаружен только в 1932 году), было ясно, что движутся они со скоростями, весьма близ­кими к скорости света или равными ей, и более адекват­ное описание их поведения требует применения специаль­ной теории относительности. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов и квантовой механики и теории относительности Эйнштей­на, и получил формулу для энергии электрона, которой удовлетворяли два решения: одно решение давало извест­ный электрон с положительной энергией, другое — неизве­стный электрон-двойник, но с отрицательной энергией. Так возникло представление о частицах и соответствующих им

219

античастицах, о мирах и антимирах. К этому же времени была разработана квантовая электродинамика. Суть ее со­стоит в том, что поле более не рассматривается как кон-тинуалистская непрерывная среда. Дирак применил к те­ории электромагнитного поля правила квантования, в результате чего получил дискретные значения поля. Обна­ружение античастиц углубило представление о поле. Счи­талось, что электромагнитного поля нет, если нет квантов этого поля — фотонов. Следовательно, в этой области про­странства должна быть пустота. Ведь специальная теория относительности «изгнала» из теории эфир, можно сказать, что победила точка зрения о вакууме, о пустоте. Но пуст ли вакуум, — вот вопрос, который вновь возник в связи с открытием Дирака. Сейчас хорошо известны факты, дока­зывающие, что вакуум пуст только в среднем. В нем по­стоянно рождается и исчезает огромное количество вирту­альных частиц и античастиц. Даже если мы меряем заряд электрона, то, как оказалось, голый заряд электрона равнял­ся бы бесконечности. Мы же измеряем заряд электрона в «шубе» окружающих его виртуальных частиц.

Собственно представление о вакууме как непрерывной активности содержащихся в нем виртуальных частиц со­держится в принципе неопределенности Гейзенберга. Прин­цип неопределенности Гейзенберга имеет, кроме приведен­ного выше, еще и такое выражение:Согласно этому квантовые эффекты могут на время нарушать закон сохранения энергии. В течение короткого времениэнер­гия, взятая как бы «взаймы», может расходоваться на рож­дение короткоживущих частиц, исчезающих при возвраще­нии «займа» энергии. Это и есть виртуальные частицы. Возникая из «ничего», они снова возвращаются в «ничто». Так что вакуум в физике оказывается не пустым, а пред­ставляет собой море рождающихся и тут же гасящихся всплесков.

Квантовая теория поля является ядром всей современ­ной физики, представляет собой общий подход ко всем известным типам взаимодействий. Одним из важнейших результатов ее является представление о вакууме, но уже не пустом, а насыщенным всевозможными флуктуациями всевозможных полей. Вакуум в квантовой теории поля определяется как наинизшее энергетическое состояние кван-

220

тованного поля, энергия которого равна нулю только в сред­нем. Так что вакуум — это «Нечто» по имени «Ничто».

Релятивистская квантовая теория поля, которая нача­лась работами Дирака, Паули, Гейзенберга в конце 20-х го­дов нашего столетия, была продолжена в трудах Фейнма-на, Томонаги, Швингера и других ученых, давая все более полное представление о физической неразложимости мира, о несведении его к отдельным элементам. Здесь принцип целостности находит свое отражение при рассмотрении взаимодействия микрообъектов с определенным состояни­ем физического вакуума. Именно в этом взаимодействии все элементарные частицы обнаруживают свои свойства. Вакуум рассматривается как объект физического мира, выражающий как раз момент физической неразложимос­ти его.

Какова судьба понятия «вакуум» в современной физике XXI столетия? Почему наш мир состоит преимущественно из вещества, а «антивещество» долгое время оставалось скрытым от нашего взгляда? На эти и другие вопросы мы постараемся ответить в кратком очерке современного со­стояния физики элементарных частиц на рубеже третьего тысячелетия, приведенном в следующей главе. Заканчивая же разговор о квантовой физике, отметим, что результаты ее полностью изменили наши представления о мире, наш подход к структуре физических законов. В итоге, вырабо­тан новый тип научного мышления, называемый некласси­ческим, в котором есть место случайности, вероятности, целостности.

Вопросы для самоконтроля

1. Напишите формулу Планка и объясните ее физиче­ ский смысл.

2. Какие физические эффекты являются эксперимен­ тальным подтверждением гипотезы Планка?

3. В чем состоит гипотеза де Бройля? Чему равна длина волны де Бройля?

4. Опишите опыт с двумя щелями и поясните, как вы понимаете волново-корпускулярный дуализм микрообъ­ ектов.

221

5. Сформулируйте принцип неопределенности Гейзен­ берга. В чем заключается различие в описании поведения классических и квантовых объектов?

6. Расскажите о принципе дополнительности Бора.

7. В чем состоит принцип физической целостности квантовых объектов? Какие выводы можно сделать из ана­ лиза парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена?

8. Какая физическая величина характеризует состояние квантовой системы?

9. В чем заключается различие между динамическими и статистическими закономерностями в физике с философ­ ской точки зрения?

10. Какие новые представления о мире возникают в ре­ лятивистской квантовой физике? Расскажите об античас­ тицах и о виртуальных частицах.

11. Что представляет собой физический вакуум в кван­ товой теории поля?