Квантовая теория поля для чайников: Квантовая теория поля — все самое интересное на ПостНауке

физик объясняет квантовую теорию поля — T&P

Квантовая механика, не говоря уже о квантовой теории поля, имеет репутацию странной, пугающей и контринтуитивной науки. В научном сообществе есть те, кто по сей день ее не признает. Однако же квантовая теория поля — единственная подтвержденная экспериментом теория, способная объяснить взаимодействие микрочастиц при низких энергиях. Почему это важно? Андрей Ковтун, студент МФТИ и сотрудник кафедры фундаментальных взаимодействий, рассказывает, как с помощью этой теории добраться до главных законов природы или придумать их самим.

Андрей Ковтун

Как известно, все естественные науки подчиняются определенной иерархии. Например, биология и химия имеют физические основания. И если смотреть на мир через лупу и каждый раз увеличивать ее силу, проводя таким образом редукцию знания, мы потихоньку придем к квантовой теории поля. Это наука, которая описывает свойства и взаимодействия самых маленьких крупиц матери, из которых мы состоим, — частиц, которые принято называть элементарными. Некоторые из них — такие, как, например, электрон — существуют сами по себе, другие же объединяются и образуют составные частицы. Всем известные протоны и нейтроны как раз являются таковыми — они состоят из кварков. А вот сами по себе кварки уже элементарны. Так вот задача физиков — понять и вывести все свойства этих частиц и ответить на вопрос, есть ли еще что-то, что лежит глубже в иерархии фундаментальных физических законов.

Наша реальность — полевая, она состоит из полей, а мы лишь элементарные возбуждения этих полей

Для радикальных ученых конечная цель — полная редукция знаний о мире, для менее радикальных — более глубинное проникновение в тонкости микромира или сверхмикромира. Но как это возможно, если мы имеем дело лишь с частицами? Ответ очень прост. Мы просто берем и сталкиваем их, в прямом смысле разбиваем друг о друга — как дети, которые, желая посмотреть устройство какой-нибудь занятной вещицы, просто бросают ее на пол, а потом изучают осколки. Также и мы сталкиваем частицы, а потом смотрим, какие новые частицы получаются при столкновении, а какие распадаются после продолжительного путешествия в гордом одиночестве. Все эти процессы в квантовой теории описываются так называемыми вероятностями распада и рассеяния. Расчетами этих величин и занимается квантовая теория поля. Но не только ими.

Векторы вместо координат и скоростей

Основное отличие квантовой механики — в том, что мы больше не будем описывать физические тела с помощью координат и скоростей. Основное понятие в квантовой механике — это вектор состояния. Это шкатулка с квантово-механической информацией о физической системе, которую мы изучаем. Причем я использую слово «система», потому что вектор состояния — это штука, которая может описывать состояние как электрона, так и бабушки, лузгающей семечки на скамейке. То есть это понятие имеет очень широкий круг охвата. И мы хотим найти все векторы состояния, которые содержали бы в себе всю необходимую нам информацию об изучаемом объекте.

Далее естественно задаться вопросом «А как же нам эти векторы найти, а потом извлечь из них то, что хочется?». Здесь нам на помощь приходит следующее важное понятие квантовой механики — оператор. Это правило, по которому одному вектору состояния ставится в соответствие другой. Операторы должны обладать определенными свойствами, и некоторые из них (но не все) извлекают информацию из векторов состояния о нужных нам физических величинах. Такие операторы называются операторами физических величин.

Измерить то, что трудно измерить

Квантовая механика последовательно решает две задачи — стационарную и эволюционную, причем по очереди. Суть стационарной задачи состоит в том, чтобы определить все возможные векторы состояния, которые могут описывать физическую систему в данный момент времени. Такие векторы являются так называемыми собственными векторами операторов физических величин. Определив их в начальный момент, интересно проследить, как они будут эволюционировать, то есть меняться со временем.

Мюон — неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином 1⁄2. Антимюон — античастица с квантовыми числами (в том числе зарядом) противоположного знака, но с равной массой и спином.

Посмотрим на эволюционную задачу с точки зрения теории элементарных частиц. Пусть мы хотим столкнуть электрон и его партнера — позитрон. Другими словами, у нас есть вектор состояния-1, который описывает электрон-позитронную пару с определенными импульсами в начальном состоянии. А потом мы хотим узнать, с какой вероятностью после столкновения электрона и позитрона родятся мюон и антимюон. То есть система будет описываться вектором состояния, который содержит информацию про мюон и его антипартнера тоже с определенными импульсами в конечном состоянии. Вот вам и эволюционная задача — мы хотим узнать, с какой вероятностью наша квантовая система перескочит из одного состояния в другое.

Образование пары позитрон — электрон © iStock

Пусть мы также решаем задачу о переходе физической системы из состояния-1 в состояние-2. Допустим, у вас есть шарик. Он хочет попасть из точки A в точку B, и существует множество мыслимых путей, по которым он мог бы совершить это путешествие. Но повседневный опыт показывает, что если вы кидаете шарик под определенным углом и с определенной скоростью, то у него есть только один реальный путь. Квантовая же механика утверждает другое. Она говорит, что шарик путешествует одновременно по всем этим траекториям. Каждая из траекторий вносит свой (больший или меньший) вклад в вероятность перехода из одной точки в другую.

Поля

Квантовая теория поля называется так потому, что она описывает не частицы сами по себе, а некоторые более общие сущности, которые называются полями. Частицы же в квантовой теории поля являются элементарными переносчиками полей. Представьте воды мирового океана. Пусть наш океан спокоен, на его поверхности ничего не бурлит, нет волн, пены и так далее. Наш океан есть поле. А теперь представьте уединенную волну — только один гребень волны в форме горки, родившийся в результате какого-то возбуждения (например, удара по воде), который теперь путешествует по бескрайним просторам океана. Это частица. Эта аналогия иллюстрирует главную идею: частицы есть элементарные возбуждения полей. Таким образом, наша реальность — полевая, а мы состоим лишь из элементарных возбуждений этих полей. Будучи рожденными этими самыми полями, их кванты содержат в себе все свойства своих прародителей. Такова роль частиц в мире, в котором одновременно существует множество океанов, именуемых полями. С классической точки зрения поля сами по себе — это обычные числовые функции. Они могут состоять только из одной функции (скалярные поля), а могут — из множества (векторные, тензорные и спинорные поля).

Действие

Вот теперь пришло время снова вспомнить о том, что каждая траектория, по которой физическая система переходит из состояния-1 в состояние-2, формируется некоторой амплитудой вероятности. В своих работах американский физик Ричард Фейнман предположил, что вклады всех траекторий равны по величине, но отличаются на фазу. По-простому, если у вас волна (в данном случае — квантовая волна вероятности) путешествует из одной точки в другую, фаза (деленная на множитель 2π) показывает, сколько колебаний укладывается на этом пути. Эта фаза есть число, которое вычисляется с помощью некоторого правила. А число это называется действием.

В основе мироздания, по сути, лежит понятие красоты, которое получило отражение в термине «симметрия»

С действием связан основной принцип, на котором сейчас строятся все разумные модели, описывающие физику. Это принцип наименьшего действия, и, коротко говоря, суть его состоит в следующем. Пусть у нас есть физическая система — это может быть как точка, так и шарик, который хочет переместиться из одного места в другое, или это может быть какая-то конфигурация поля, которая хочет измениться и стать другой конфигурацией. Они могут сделать это множеством способов. Например, частичка пытается в поле тяготения Земли попасть из одной точки в другую, и мы видим, что, в общем-то, путей, по которым она может это сделать, бесконечно много. Но жизнь подсказывает, что в действительности при заданных начальных условиях траектория, которая позволит ей попасть из одной точки в другую, только одна. Теперь — к сути принципа наименьшего действия. Мы каждой траектории по определенному правилу приписываем число, называемое действием. Потом сравниваем все эти числа и выбираем только те траектории, для которых действие будет минимальным (в некоторых случаях — максимальным). Используя такой способ выбора путей наименьшего действия, можно получать законы Ньютона для классической механики или уравнения, описывающие электричество и магнетизм!

Остается осадок оттого, что не очень понятно, что это за число такое — действие? Если сильно не приглядываться, то это некоторая абстрактная математическая величина, которая, на первый взгляд, не имеет никакого отношения к физике — кроме того, что она случайным образом выплевывает известный нам результат. На самом деле все намного интереснее. Принцип наименьшего действия в самом начале был получен как следствие законов Ньютона. Потом на его основе сформулировали законы распространения света. Также его можно получить из уравнений, описывающих законы электричества и магнетизма, а потом в обратную сторону — из принципа наименьшего действия прийти к этим же законам.

Атом азота © iStock

Замечательно, что разные, на первый взгляд, теории обретают одинаковую математическую формулировку. И это наталкивает нас на следующее предположение: не можем ли мы сами придумывать какие-нибудь законы природы с помощью принципа наименьшего действия, а потом искать их в эксперименте? Можем и делаем! В этом и состоит значение этого неестественного и сложного для понимания принципа. Но он работает, что заставляет задуматься о нем именно как о некоторой физической характеристике системы, а не как об абстрактной математической формулировке современной теоретической науки. Важно также отметить, что мы не можем писать любые действия, которые подскажет нам наше воображение. Пытаясь придумать, как должно выглядеть действие очередной физической теории поля, мы используем симметрии, которыми обладает физическая природа, и наряду с фундаментальными свойствами пространства-времени мы можем использовать множество других интересных симметрий, которые подсказывает нам теория групп (раздел общей алгебры, изучающий алгебраические структуры, называемые группами, и их свойства.  — Прим. ред.).

О красоте симметрии

Замечательно, что мы получили не просто сводку законов, описывающую какие-то природные явления, а именно способ теоретически получать законы типа ньютоновских или уравнений Максвелла. И хотя квантовая теория поля описывает элементарные частицы лишь на уровне низких энергий, она уже сослужила хорошую службу физикам во всем мире и пока является единственной теорией, здраво описывающей свойства самых мелких кирпичиков, составляющих наш мир. То, чего, собственно, хотят ученые, — это написать такое вот действие, только квантовое, которое содержало бы в себе сразу все возможные законы природы. Хотя даже если бы это удалось, то не разрешило бы всех интересных нам вопросов.

В основе глубинного понимания законов природы лежат некоторые сущности, которые имеют чисто математическую природу. И сейчас, чтобы попытаться проникнуть в глубины мироздания, приходится отказываться от качественных, интуитивно понятных аргументов. Рассказывая о квантовой механике и квантовой теории поля, очень тяжело найти понятные и наглядные аналогии, но самое главное, что я хотел бы донести, — это то, что в основе мироздания лежит, по сути, понятие красоты, которое получило отражение в термине «симметрия». Симметрия поневоле ассоциируется с красотой, как это было, например, у древних греков. И именно симметрии наряду с законами квантовой механики лежат в основе устройства самых маленьких кирпичиков мира, до которых к настоящему моменту удалось добраться физикам.

Не пропустите лекцию Андрея:

Квантовая теория поля в двух словах

• Илья Соболев
• 15 Май 2016, 18:40

• 330
• 0

Появление и развитие квантовой теории поля

С самого возникновения квантовой теории важной задачей было описание взаимодействия частиц между собой и с излучением. Многие ученые обращались к этой проблеме, еще не зная о том, что с годами этот вопрос станет одним из самых больших вызовов физики. Так родились квантовая электродинамика и более общая квантовая теория поля. Паули участвовал в решении этой проблемы, которая стала главной его задачей в последние годы жизни. Квантовая теория поля в двух словах — цель данной статьи, давайте вместе разобраться в этом вопросе.

Возмущенный атом переходит в стабильное состояние, испуская электромагнитное излучение, то есть фотоны. Также атом при переходе в возбужденное состояние поглощает фотоны. Но где находится фотон до перехода? Что случается с фотоном после того, как его поглотил атом? Для обеих ситуаций существует один ответ: фотон создается или уничтожается в самом процессе перехода из одного атомного состояния в другое. То же происходит во время бета-распада. Ядро превращается в другое ядро, и при этом излучаются электроны и нейтрино. Где до этого находились эти частицы? Нигде, их до этого не существовало, они были созданы в процессе радиоактивного распада.

Релятивистская теория с ее принципом эквивалентности массы и энергии позволяет понять — хотя бы качественно — эти процессы, в которых создаются и/или уничтожаются частицы. Понятие фотона как частицы (кванта света) сначала позволяло изучать процессы столкновения частиц, включая электромагнитное излучение, используя общие известные свойства — сохранение энергии, импульс и угловой момент. Проблема была поставлена ясно, и для ее анализа нужно было найти ответ на следующий вопрос: откуда появляются фотоны? Какой механизм отвечает за то, что возбужденный атом испускает фотон?

В 1917 году Эйнштейн осуществил первую серьезную попытку выстроить квантовую теорию, которая позволила бы описать как атомные состояния, так и само электромагнитное излучение. Тогда он ввел свои знаменитые коэффициенты излучения (индуцированные и спонтанные переходы) и поглощения. Эйнштейн смог найти простое отношение между ними, но заявил:

«Определение коэффициентов требует механики и электродинамики, согласующихся с квантовой теорией. […] Свойства элементарных процессов делают практически неизбежной формулировку настоящей квантовой теории излучения».

С появлением квантовой механики начинается систематический поиск последовательной теории, которая позволила бы рассчитать коэффициенты Эйнштейна и объяснила бы взаимодействие частиц между собой и с излучением.

ПЕРВОПРОХОДЦЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

Первое упоминание о матричной электродинамике появляется в знаменитой работе Борна, Йордана и Гейзенберга. Именно эта часть исследования в значительной степени принадлежала Паскуалю Йордану — первому физику, который занимался вопросом квантования электромагнитного поля и ввел термин вторичного квантования (важнейший в последующем развитии теории). Йордан и его коллеги смогли воспроизвести результат Эйнштейна, касающийся отношения между коэффициентами поглощения и излучения, исходя из основополагающих принципов новой квантовой теории, но у них не получилось рассчитать сами коэффициенты. Для них было принципиальным описание механизма рождения и уничтожения фотонов, а для этого необходимо было располагать квантовой теорией, которая учитывала бы взаимодействие излучения и материи. По этому пути пошел Поль Дирак, который считается создателем квантовой электродинамики. В своих работах 1926-1927 года он развил формализм, необходимый для описания взаимодействия излучения (электромагнитного поля) и вещества в рамках квантовой теории. Работы Дирака имели огромное влияние и ввели методы и главные понятия, необходимые для описания процессов рождения и/или уничтожения фотонов.

Дирак не только смог рассчитать коэффициенты Эйнштейна, но и применил свою теорию к общим проблемам рассеяния, в котором участвовало больше одного фотона. Для этого он вынужден был расширить рамки начального исследования, введя в него показатели высшего порядка (так называемые радиационные поправки). Работы Дирака заложили основы того, что спустя несколько лет получит название квантовой электродинамики, и задали направление изучения взаимодействия излучения и вещества. Несмотря на успех, теория Дирака столкнулась с двумя трудностями, которые привлекли внимание других физиков. В первую очередь, она противоречила теории относительности, и это было серьезным недостатком для теории, которая пыталась объяснить квантовое поведение электромагнитного поля. Дирак полностью осознавал этот недостаток. Вторая проблема была связана с некоторыми абсурдными бесконечными результатами, возникавшими при рассмотрении показателей высшего порядка.

Важные шаги в изучении взаимодействия излучения и вещества были предприняты Йорданом. В серии работ, написанных совместно с другими коллегами, он развил общую методологию квантования классических полей, используя термин вторичного квантования в отношении всех частиц и полей, а не только в случае электромагнитного поля, которым ограничился Дирак. Представления Йордана и Дирака были очень разными. Дирак рассматривал элементарные частицы как основные частицы квантовой теории, Йордан же отводил главную роль понятию поля. Частицы просто создавались в процессе квантования соответствующего классического поля.

В этом смысле Йордан и коллеги развили язык, отличный от языка Дирака, и применили его ко всем типам частиц — как к фотонам с целым спином, так и к электронам и протонам с полуцелым спином. Йордан первым из физиков доказал, что процесс вторичного квантования может внести поправки в статистику Дирака — Ферми (которой удовлетворяли только частицы с полуцелым спином). Формализм Йордана стал исходной точкой квантовой теории поля.

В конце как обычно видео про квантовую теорию поля)

https://www.

youtube.com/watch?v=290Kf0UviVI

Объяснение квантовой теории поля — понимание самой успешной теории в науке | Каспер Мюллер

Стандартная модель — изображение с Викисклада

Каковы самые фундаментальные структуры Вселенной?

В этой статье мы исследуем тайны, над которыми ученые ломали голову на протяжении сотен лет. Тайны, которые были решены лишь частично и которые ведут нас к пониманию фундаментальных структур Природы. Тайны, которые оказались настолько причудливыми, что потребовалось более ста лет, чтобы оценить истинную силу этой удивительной теории.

Охота за простотой велась веками, но где мы сейчас? Что мы можем сделать лучше всего в том, как на самом деле работает Природа, и что мы до сих пор не понимаем?

Я думаю, чудеса и тайны природы можно проиллюстрировать цитатой замечательного физика Дэвида Тонга :

Возьмите коробку и выньте из нее все, что существует. Выньте все частицы, все атомы из коробки, и у вас останется чистый вакуум. И это как выглядит чистый вакуум.

Ниже вы видите нашу лучшую компьютерную симуляцию «абсолютно ничего».

GIF из Wikimedia Commons

Не похоже, что «ничего» не так ли? Прежде чем объяснить это удивительное явление, давайте начнем с более простого вопроса: Как мы вообще достигли такого уровня знаний?

В этом разделе мы дадим краткий обзор истории атома, чтобы подготовить сцену.

Первый настоящий научный прорыв в упрощенной модели материи произошел, когда ученые поняли, что все материалы во Вселенной могут состоять примерно из 120 элементов. Они назвали эту модель «периодической таблицей элементов».

Периодическая таблица — изображение с Wikimedia Commons

Очевидно, эта модель была вдохновлена ​​игральными картами, потому что игральные карты могут иметь масть и ценность, но это уже другая история. Эта модель была большим достижением, потому что она имела (и до сих пор имеет) химический смысл, но вскоре стало понятно, что это не самая фундаментальная модель Природы.

Первое знакомство с атомом на основе научных экспериментов произошло в начале 18 века от Джона Дальтона, , но настоящий прорыв произошел в 1897 году, когда Дж. Дж. Томсон открыл частицы, которые в тысячи раз легче водорода. Эта частица стала известна как электрон из-за ее способности проводить электрический ток.

Это вызвало огромный научный интерес к миру маленьких, и вскоре они поняли, что атомы реальны. Людвиг Больцман смог математически объяснить понятие энтропии (беспорядка) с помощью теории атомов, а Альберт Эйнштейн показал, что броуновское движение исходит от очень маленьких невидимых объектов, несущих энергию.

Затем, в 1910-х годах, Эрнест Резерфорд провел серию блестящих экспериментов, показавших, что атомы на самом деле имеют положительно заряженные ядра. Примерно в то же время Нильс Бор предложил модель атома, в которой электроны совершали орбитальное движение вокруг ядра атома. Они быстро поняли, что само ядро ​​не является фундаментальным, поскольку оно состоит из протонов и нейтронов.

Гораздо позже, в 1970-х годах, мы обнаружили, что даже нейтроны и протоны не являются фундаментальными. Их тоже можно разбить на 3 другие более мелкие частицы, называемые кварками . Внутри протона и нейтрона есть два разных типа кварков.

Совершенно без всякой причины физики назвали эти две новые частицы верхним кварком и нижним кварком .

Хорошая новость заключается в том, что эти три частицы — два кварка и электрон — насколько нам известно, являются фундаментальными частицами (иногда называемыми элементарными частицами) в том смысле, что их нельзя разбить на более мелкие единицы. Эти три частицы составляют все в периодической таблице! Всего лишь из трех частиц!.. То есть все, что вы видите в Природе, от звезд и планет до животных и горных пород, состоит только из трех частиц, которые по-разному располагаются, создавая химию. Довольно удивительная вещь.

Итак, мы закончили, верно? Я имею в виду, что у нас есть наша фундаментальная модель из этих трех частиц, составляющих все. Ну… Нет, на самом деле. Мы с самого начала учим студентов, что самые фундаментальные строительные блоки Природы — это элементарные частицы, потому что мы можем провести хорошие аналогии с прыгающими маленькими мячиками или чем-то еще, но, насколько нам известно, с помощью лучшей и наиболее точной модели, которая у нас есть в настоящее время, самые фундаментальные строительные блоки Природы — это даже не частицы!

Насколько мы можем судить, наиболее фундаментальными строительными блоками Природы являются так называемые поля .

Так что же такое поле? И какое это имеет отношение к частицам?

Поле — это то, что распространено повсюду во Вселенной и принимает определенное значение в каждой точке пространства. Более того, это значение может меняться со временем.

Хорошо… Так что это значит?

На Земле у нас есть климатические системы (о которых сейчас довольно популярно говорить), и поэтому мы можем проводить такие измерения, как температура, давление, влажность и т. д. На Земле каждая точка имеет четко определенную температуру, которая может меняться со временем, как с полем. Вы не должны заходить в этой аналогии слишком далеко, но это может дать вам некоторое представление о том, что такое поле.

Идея полей началась с гениального Майкла Фарадея .

Майкл Фарадей — изображение с Викисклада

Фарадей в основном был самоучкой и провел множество экспериментов по электричеству и магнетизму. Фарадей представлял себе, что пространство заполнено магнитными и электрическими полями. Что они были разбросаны повсюду. Он предположил, что эти поля присутствовали даже тогда, когда не было обнаружено ни электричества, ни магнетизма. Это была чрезвычайно абстрактная идея, с которой по сей день многим трудно совладать.

Около 1820 Х.К. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле. В 1830 году одним из больших открытий Фарадея было то, что движущееся магнитное поле создает электрический ток, тем самым показывая, что эти два поля очень связаны. Объяснение Фарадея состояло в том, что хотя казалось, что между объектами, воздействующими друг на друга, нет ничего промежуточного, на самом деле было . Электрические и магнитные поля!

Так Фарадей показал, что в этом мире есть не только частицы, но и поля, разбросанные по всему пространству.

Судя по всему, Фарадей прочитал лекцию в 1846 году, которую закончил досрочно. Затем он обратился к некоторым размышлениям о том, как работает Природа, где он предположил, что это рябь в этих невидимых электрических и магнитных полях (существование которых он постулировал) мы называем светом. 50 лет спустя Максвелл доказал свою правоту!

То есть существуют волны в магнитном и электрическом полях (которые мы сейчас называем электромагнитным полем) и эти волны и есть то, что мы называем фотонами.

В 1920-х годах такие люди, как Бор , Гейзенберг, и Шрёдингер , обнаружили, что природа гораздо более загадочна в малых масштабах, чем макрофизический мир, с которым мы знакомы. родилась теория квантовой механики.

Самая основная идея квантовой механики состоит в том, что природа по своей природе дискретна.

В частности, энергия не является непрерывной. Она приходит в виде небольших порций, называемых квантами, и во Вселенной существует наименьшее возможное количество энергии. То есть о меньшей сумме говорить не имеет смысла, потому что ее не существует. Кстати, то же самое верно для расстояния и других интересных вещей.

Идея попытки объединить дискретный квантовый мир с непрерывными полями Фарадея называется квантовой теорией поля .

Например, мы знаем, что волны или рябь в электромагнитном поле — это то, что мы называем светом. Но когда мы увеличим масштаб, мы увидим, что он состоит из небольших дискретных пакетов энергии, называемых фотонами. Большой спор о том, является ли свет волной или частицей, оказывается справедливым, потому что, в некотором смысле, он и то, и другое. Электромагнитное поле колеблется, а возбуждения в колеблющемся поле называются фотонами.

Фантастика в том, что тот же самый принцип полей, порождающих частицы, применим ко всем другим фундаментальным частицам Вселенной. По всей комнате, в которой вы сейчас сидите, повсюду разбросаны поля; электронные поля, поля топ-кварков и т. д., и рябь этих полей связывается в маленькие сгустки энергии в соответствии с законами квантовой механики, и эти сгустки энергии мы называем частицами.

Удивительно, что все электроны в моем теле и все электроны в вашем теле являются волнами одного и того же основного поля. Мы связаны через электронное поле! То же самое верно и для всех других фундаментальных частиц, конечно.

Итак, частицы не являются фундаментальными объектами в Природе. Поля — это фундаментальные объекты в Природе!

Поля повсюду… Буквально.

Еще в моем (довольно провокационном, надо признать) вступлении мы видели фантастическую компьютерную симуляцию пустого пространства, но на самом деле оно не казалось пустым. Это потому, что это не так.

Объяснение заключается в том, что даже когда все частицы удалены, поля все еще существуют, и они должны подчиняться правилам квантовой механики. Фактически, из-за их волнообразной природы к полям применим принцип неопределенности Гейзенберга. Этот принцип гласит, что существует предел одновременного знания импульса и положения. В частности, это означает, что такое поле не может стоять на месте. У него нет другого выбора, кроме как флуктуировать, вызывая то, что мы называем флуктуациями квантового вакуума, и в основном маленькие частицы появляются и исчезают.

Важно понимать, что эти квантовые флуктуации реальны, и мы действительно можем проводить эксперименты, которые показывают, как эти виртуальные частицы создают силу между двумя металлическими пластинами, и квантовая теория поля способна очень точно математически объяснить это явление.

Кстати, я смело утверждал, что эта теория самая успешная теория в науке. Одной из причин является понимание стандартной модели и бозона Хиггса, но есть и другой признак того, что мы на правильном пути. Экспериментальное измерение чего-то под названием 9g-фактор спина электрона 0003 равен , и его теоретическое значение имеет точность лучше, чем одна триллионная часть. Это лучшее предсказание в науке – когда-либо!

Почему важны эти квантовые флуктуации?

Ну, одна из причин в том, что они объясняют тайну, которую без них объяснить довольно сложно. Теперь человек заглянул в далекое прошлое через очень мощные космические телескопы. Фактически, мы сделали снимок Вселенной, когда ей было всего около 300 000 лет. Это ничто по сравнению с его сегодняшним возрастом.

Это изображение известно как космическое микроволновое фоновое излучение . Мы можем видеть это как детскую картину Вселенной. Но ученые изо всех сил пытались понять, почему разница температур распределяется именно так.

Реликтовое излучение — изображение с Викисклада

Оказывается, когда Вселенной было всего лишь доля секунды, она вступила в эпоху, называемую инфляцией (которая является разновидностью сверхрасширения). Процесс инфляции взорвал все и увеличил их. Но уже на этой ранней стадии во Вселенной существовали поля, и оказывается, что эти различия в температурах, которые мы видим на этом изображении, вызваны квантовыми флуктуациями в поле, которое раздулось так быстро, что застыло в этом распределении. То, что мы видим, на самом деле является застывшим проблеском вибрирующего поля! Это круто или что?

Хороший вопрос в этот момент: « какое поле это ?». Мы просто не знаем. Это может быть поле Хиггса, а может быть и что-то совершенно новое для нас. Физики в настоящее время работают над получением все более качественных изображений и данных реликтового излучения.

Итак, какую фундаментальную модель дает нам квантовая теория поля?

Мы обсуждали, что все элементы состоят всего из трех частиц; электрон, верхний кварк и нижний кварк. Тогда оказывается, что есть еще одна частица, называемая 9.0003 нейтрино . Нейтрино не очень сильно взаимодействуют со всем, но играют свою роль в нашей Вселенной.

Итак, у нас есть эти 4 основных поля, порождающие 4 частицы. Затем по причинам, которые мы пока не понимаем, Природа решила воспроизвести эти 4 поля дважды. То есть у электрона есть два двоюродных брата, которые действуют точно так же, как электрон, за исключением того, что они намного тяжелее. Они называются мюон и тау . Кроме того, у нейтрино есть два двоюродных брата, называемых 9.0003 мюонное нейтрино и тау-нейтрино .

Что касается кварков, то их родственники называются очарование , странный и верхний , нижний . Это действительно все строительные блоки материи в нашей Вселенной. 12 полей и все!

Как обнаружили Эрстед и Фарадей, поля могут взаимодействовать различными способами, и они делают это через некоторые другие поля, называемые силовыми полями . Соответствующие частицы называются бозона .

В Природе есть 4 основные силы.

Электромагнитное поле, порождающее фотон, являющийся частицей, ответственной за передачу силы электромагнетизма , мы называем светом. Глюон является переносчиком сильного ядерного взаимодействия и отвечает за удержание вместе протонов и нейтронов внутри ядра атома. Поле W и Z несет слабое ядерное взаимодействие и, среди прочего, несет ответственность за радиоактивный распад.

Стандартная модель элементарных частиц

Итак, мир, в котором мы живем, устроен так, как он работает, благодаря взаимодействию между этими 16 полями.

У нас также есть поле Хиггса , которое отвечает за придание частицам их массы. Открытие поля Хиггса — один из величайших триумфов КТП, и, конечно же, использование удивительной машины под названием Большой адронный коллайдер для его открытия не делает его менее впечатляющим.

И затем у нас есть гравитон . Предполагается, что гравитон переносит силу гравитации, но само поле или частица еще не обнаружены.

Принцип действия этого взаимодействия заключается в том, что пульсация поля может вызвать пульсацию второго поля, которое, в свою очередь, может вызвать пульсацию третьего поля и т. д. Например, электрическое поле может вызвать пульсацию электромагнитного поля и наоборот. (электрон может излучать или поглощать фотон), и, в свою очередь, электромагнитное поле может вызвать рябь кваркового поля и т. д.

Стандартная модель — это наша лучшая на данный момент теория Вселенной и пример квантовой теории поля.

Однако это не значит, что мы во всем разобрались. Есть много вещей, которые эта модель не может объяснить, и мы точно знаем, что в модели чего-то не хватает. Черт возьми, мы понимаем только пару процентов энергии и материи в нашей Вселенной. Остальное нам совершенно неизвестно. И даже среди известных вещей есть загадки, скрывающиеся за углом, например, роль гравитации в квантовой физике.

Кроме того, существуют и другие фундаментальные модели Природы, такие как теория струн и М-теория , так что последнее слово определенно еще не сказано.

Мы подошли к концу истории. Думаю, один из основных философских выводов из этого заключается в том, что мы все физически связаны через вибрирующие поля, и, когда я печатаю это, я не могу не чувствовать себя немного пораженным чудесами и красотой природы…

Эта статья вдохновлена некоторыми беседами и интервью с великим объяснителем Дэвид Тонг .

Если вам нравится читать подобные статьи на Medium, вы можете получить членство для полного доступа: просто нажмите здесь .

Спасибо за внимание.

Дэвид Тонг — Что такое квантовая теория поля?

• Контакт
• Биография
• Исследования
  • Грант ERC
  • Публикации
  • Технические переговоры
  • Популярные разговоры

Лекции

Поля

В школе мы узнаём, что основными строительными блоками материи являются частицы. На самом деле, мы часто продолжаем учить этому в университетах, где мы объяснить, что кварки и электроны образуют лего-кирпичики, из которых состоит вся материя.

Но за этим утверждением скрывается более глубокая правда. Согласно нашим лучшим законам физики, фундаментальные строительные блоки Природы вовсе не дискретные частицы. Вместо этого они представляют собой непрерывные текучие субстанции, распределенные по всему Космос.

Мы называем эти объекты поля .

Наиболее известными примерами полей являются электрическое и магнитное поля. Рябь в этих полях порождает то, что мы называем светом или, в более общем смысле, электромагнитные волны. Поле, выходящее из магнита, показано справа.

От полей к частицам

Если вы внимательно посмотрите на электромагнитные волны, вы обнаружите, что они состоят из частиц, называемых фотонами . Колебания электрического и магнитного полей превращаются в частицы, когда мы учитываем эффекты квантовой механики.

Но этот же процесс происходит и со всеми другими известными нам частицами. Существует тонко распределенное по всему пространству нечто, называемое электронным полем. Рябь электронного поля связывается квантовой механикой в ​​сгусток энергии. И этот сгусток энергии и есть то, что мы называем электроном. Точно так же есть кварк поле, глюонное поле и бозонное поле Хиггса. Каждая частица твоего тела — действительно, каждая частица во Вселенной — крошечная рябь лежащего в основе поля, преобразованная в частицу механизмом квантовой механика.

Почему квантовая теория поля трудна

Квантовое поле — сложный объект. Отчасти потому, что он содержит все физике: поле может описывать огромное количество частиц, взаимодействующих во множестве различные пути. Тем не менее, даже прежде чем мы доберемся до этих трудностей, есть еще одна причина, по которой Квантовая теория поля сложна.

Анимация справа показывает компьютерную симуляцию пустого пространства. Это как выглядит вакуум, пространство, лишенное всех частиц. Как видите, далеко не скучный. Соотношение неопределенностей Гейзенберга означает, что квантовое поле не может оставаться на месте. Вместо этого он пенится и кипит, бурлящий суп из частиц и античастиц, постоянно создано и уничтожено.

Именно эта сложность делает квантовую теорию поля сложной. Даже ничто трудно понять в квантовой теории поля. Когда вы начнете добавлять частицы, вакуум искажается интересным образом. Цель большинства моих исследований состоит в том, чтобы понять это искажение, как оно приводит к различным взаимодействиям между частицами и, в конечном итоге, как это порождает множество прекрасных аспектов Природы, которые мы видеть вокруг нас.