Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Зрештою Фейнман відшліфував свою математичну методику достатньо, щоб посприяти просуванню релятивістського рівняння Дірака для квантової поведінки електронів та сформулювати повністю узгоджену квантовомеханічну теорію взаємодії між електронами й світлом. За цю роботу, яка заклала підвалини теорії, відомої під назвою квантової електродинаміки (КЕД), він 1965 року спільно з Джуліаном Швінґером та Синітіро Томонагою отримав Нобелівську премію.

Утім, іще до завершення цієї роботи Фейнман описав інтуїтивну фізичну причину, чому теорія відносності в поєднанні з квантовою механікою вимагає існування античастинок.

Розглянемо електрон, який рухається однією з можливих «квантових» траєкторій. Що це означає? Доки я не вимірюю електрон, поки той рухається, він рухається всіма можливими траєкторіями, зокрема траєкторіями, що є класично недопустимими, оскільки вони порушили б правила на кшталт обмеження, що об’єкти не можуть пересуватися швидше за світло (що випливає з теорії відносності). Далі принцип невизначеності Гайзенберга каже, що, навіть якщо я спробую виміряти електрон у процесі руху траєкторією впродовж деякого короткого проміжку часу, я ніколи не зможу позбутися певної притаманної його швидкості невизначеності. Отже, навіть вимірявши цю траєкторію в кількох точках, я не зможу виключити наявності впродовж цих інтервалів деякої химерної некласичної поведінки. Тепер уявімо траєкторію, показану нижче:

Упродовж короткого проміжку посередині показаного часового відрізка електрон рухається зі швидкістю, що перевищує швидкість світла.

Проте Ейнштейн каже нам, що час – річ відносна й різні спостерігачі виміряють різні інтервали між двома подіями. Тож, якщо в одній системі відліку частинка рухається швидше за світло, в іншій системі відліку вона виявиться такою, що мандрує назад у часі, як показано нижче (це одна з причин, чому теорія відносності допускає рух будь-яких спостережуваних частинок винятково зі швидкостями, меншими або рівними швидкості світла):

Фейнман зрозумів: у другій системі відліку здаватиметься, що електрон деякий час рухається вперед у часі, тоді деякий час назад у часі, а тоді знову вперед у часі. Але як виглядатиме електрон, що рухається назад у часі? Оскільки електрон заряджений негативно, негативний заряд, який рухається назад у часі праворуч, еквівалентний позитивному заряду, що рухається вперед у часі ліворуч. Таким чином, попередній рисунок еквівалентний такому:

На цьому рисунку спершу маємо електрон, який рухається вперед у часі, а через деякий час нізвідки виникають іще один електрон і частинка, схожа на електрон, проте з протилежним зарядом, і позитивно заряджена частинка рухається ліворуч і знов-таки вперед у часі, доки не стикається з початковим електроном, у результаті чого вони анігілюють і залишається тільки другий електрон, який продовжує свій рух.

Усе це відбувається на часових масштабах, які неможливо спостерігати безпосередньо, бо, якби це було можливо, така дивна поведінка, що порушує постулати теорії відносності, була б неможлива. Зрештою, можете бути певні, що такі процеси безперервно відбуваються всередині сторінки книги, яку ви зараз читаєте, чи під екраном вашої електронної читалки.

Утім, якщо така траєкторія можлива в невидимому квантовому світі, то у видимому світі повинні існувати античастинки – частинки, ідентичні відомим частинкам, проте з протилежним електричним зарядом (які в рівняннях цієї теорії з’являються у вигляді частинок, що мандрують у часі назад). Також це вможливлює появу пар «частинка – античастинка» з нічого за умови, що вони анігілюють упродовж достатньо короткого періоду часу, щоб їхнє існування було неможливо зафіксувати.

Міркуючи таким чином, Фейнман не лише надав фізичне обґрунтування існування античастинок, необхідне для об’єднання теорії відносності й квантової механіки, а й продемонстрував, що в жоден момент часу ми не можемо стверджувати, що на деякій ділянці наявні лише одна чи дві частинки. На закоротких для вимірювання часових масштабах може спонтанно виникати й зникати потенційно нескінченна кількість «віртуальних» пар «частинка – античастинка» – пар частинок, чиє існування настільки швидкоплинне, що їх неможливо спостерігати безпосередньо.