 |
 |
 |
 |
|
 |
 |
157
материи, Вселенной.
10.3. Теории элементарных частиц
10.3.1. Квантовая электродинамика
Квантовая механика позволяет описывать движение элементарных частиц, но не их порождение
или уничтожение, т.е. применяется лишь для описания систем с неизменным числом частиц.
Обобщением квантовой механики является квантовая теория поля — это квантовая теория систем с
бесконечным числом степеней свободы (физических полей), учитывающая требования и квантовой
механики, и теории относительности. Потребность в такой теории порождается квантово-волновым
дуализмом, существованием волновых свойств у всех частиц. В квантовой теории поля
взаимодействие представляют как результат обмена квантами поля, а полевые величины объявляются
операторами, которые связывают с актами рождения и уничтожения квантов поля, т.е. частиц.
В середине XX в. была создана теория электромагнитного взаимодействия — квантовая
электродинамика (КЭД). Это продуманная до мельчайших деталей и оснащенная совершенным
математическим аппаратом теория взаимодействия между собой заряженных элементарных частиц
(прежде всего, электронов или позитронов) посредством обмена фотонами. В КЭД для описания
электромагнитного взаимодействия использовано понятие виртуального фотона. Эта теория
удовлетворяет основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности.
В центре теории анализ актов испускания или поглощения одного фотона одной заряженной
частицей, 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, рис. 3). 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.
Чтобы проверить, согласуется ли теория с реальностью, физики сосредоточили внимание на двух
эффектах, представлявших особый интерес. Первый касался энергетических уровней атома водорода
— простейшего атома. Согласно КЭД, уровни должны быть слегка сменены относительно положения,
которое они занимали бы в отсутствие виртуальных фотонов. Вторая решающая проверка КЭД
касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона. 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. За создание КЭД С. Томанага, Р.
Фейнман и Дж. Швингер были удостоены Нобелевской премии за 1965 г. Большой вклад в
становление КЭД был внесен и нашим выдающимся физиком-теоретиком Л.Д. Ландау.
После подобного триумфа КЭД была принята как модель для квантового описания трех других
фундаментальных взаимодействий. Разумеется, полям, связанным с другими взаимодействиями,
должны соответствовать иные частицы-переносчики.