Вокруг Света: Журнал «Вокруг Света» № 1 за 2005 года (2772)

Лев Вейсман | Фото автора

XX век ознаменовался рождением двух основных физических теорий – общей теории относительности и квантовой механики. Развиваясь независимо, они очень долго не могли найти общего языка для плодотворного сотрудничества, и только к концу века появились скромные надежды на умиротворение этих двух фундаментальных теорий в рамках одного еще более универсального подхода. Запланированное на XXI век создание «единой теории поля» уже идет полным ходом, и, быть может, уже совсем скоро даже школьники будут знать, почему наш мир таков, каким мы его видим.

Обычная квантовая механика описывает движение элементарных частиц с малыми по сравнению со скоростью света скоростями. При приближении скорости к световой энергия любой частицы становится столь значительной, что начинают массово появляться новые частицы и испускаться кванты света. Особенно сильно это заметно при столкновении двух релятивистских частиц, когда рождается множество новых, гораздо более тяжелых, чем сталкивающиеся. Увы, но квантовая механика не рассматривает процессы рождения и уничтожения и применима лишь для систем с неизменным числом частиц. В результате даже переходы атома из одного состояния в другое, сопровождаемые испусканием и поглощением фотонов, корректно описать в рамках квантовой механики невозможно. Она дает лишь приближенное описание, справедливое в той мере, в какой можно пренебречь испусканием и поглощением частиц. Однако круг стоявших проблем не исчерпывался описанием взаимных превращений частиц, задача ученых заключалась в том, чтобы научиться квантовать классические поля, то есть изучить системы с бесконечным числом степеней свободы. Обе эти задачи были успешно решены еще в первой половине ХХ века, без каких-либо кардинальных пересмотров геометрии нашего мира.

Метод квантования систем с переменным числом частиц, называемый методом вторичного квантования, был впервые предложен английским физиком Полем Дираком в 1927 году и развит советским физиком Владимиром Фоком в работе 1932 года. А описание частиц, движущихся со скоростями, сравнимыми со скоростью света, сегодня успешно происходит в рамках релятивистской квантовой механики.

Одним из важнейших объектов квантовой теории поля является вакуум. Физический вакуум – это не совсем пустое место. Для элементарных частиц это просто низшее энергетическое состояние соответствующих частице полей. И если полю, находящемуся в вакуумном состоянии, сообщить достаточную энергию, то происходит его возбуждение, то есть рождение частиц, квантов этого поля. Классический пример такого рода процесса – рождение электрон-позитронной пары под воздействием гамма-кванта. Не менее замечателен и обратный процесс – аннигиляция позитрона и электрона, сопровождающаяся рождением гамма-квантов.

Однако существует возможность экспериментально наблюдать и более тонкое влияние физического вакуума на поведение элементарных частиц и макроскопических предметов. Например, поляризация вакуума вблизи атомного ядра приводит к сдвигу энергетических уровней электрона в атоме водорода, экспериментально открытому в 1947 году У. Лэмбом и Р. Ризерфордом. Теоретический расчет этого сдвига, называемого лэмбовским, был произведен Г. Бете в 1947 году. Взаимодействие заряженных частиц с вакуумом изменяет и их магнитный момент. Первая квантовая поправка такого рода была вычислена Ю. Швингером в 1948 году.

Другое широко известное квантовое явление, обусловленное взаимодействием с вакуумом, – это эффект Казимира, предсказанный нидерландским физиком в 1948 году и экспериментально подтвержденный спустя 10 лет Э. Спаарнеем. Эффект Казимира проявляется в том, что между двумя незаряженными проводящими параллельными пластинами в вакууме возникает небольшая и зависящая от расстояния сила притяжения. Силы, возникающие благодаря эффекту Казимира, уникальны, так как они не зависят ни от масс, ни от зарядов, ни от иных характеристик пластин. Данный эффект является единственным макроскопическим проявлением физики вакуума квантованных полей.

В классической теории тот или иной заряд создает неким образом поле, и уже это поле действует на другие заряды. В квантовой теории взаимодействие частиц выглядит как испускание и поглощение квантов поля. Таким образом, и притяжение, и отталкивание становятся результатом обмена квантами поля.