Квантовая теория поля
«Ныне внимателен будь, достоверному внемля ученью: Новый предмет до ушей твоих бурно стремится достигнуть, В новом обличии предстать пред тобой должно мирозданье.»
Лукреций. О природе вещей
Многие задачи в рамках квантовой механики к середине XX века так и не удалось решить. И снова потребовался абсолютно новый подход для объяснения необъяснимого, нужна была теория, способная связать микро- и макромир. И она появилась — это квантовая теория поля.
Квантовая механика не может описать того, что при столкновении двух протонов на Большом адронном коллайдере рождается множество новых частиц. Для этого понадобился совершенно новый математический аппарат, новая теория, которая описывает системы с переменным и даже с бесконечным числом частиц. К середине прошлого века такая теория была разработана. В квантовой теории поля понятие точечной частицы заменило понятие квантового поля, которое разлито во всем пространстве и времени, и кванты этого поля и есть элементарные частицы.
Новая теория как синтез полей
Понятие квантового поля возникло в физике как объединение представлений о физических полях типа электромагнитного и полей вероятностей, описываемых волновыми функциями в квантовой механике.
Понятие физического поля было введено, когда назрела необходимость отказаться от принципа мгновенного действия сил, присущего механике Ньютона. Предполагается, что пространство между двумя взаимодействующими частицами, например двумя электрическими зарядами, заполнено полем, которое и служит переносчиком взаимодействия с одной из частиц на другую, причем перенос этот идет с определенной скоростью. Электромагнитное поле передает действие одной заряженной частицы на другую со скоростью света, являясь тем самым переносчиком электромагнитного взаимодействия между частицами.
В квантовых полях процесс передачи взаимодействия происходит порциями — квантами. В качестве квантов выступают элементарные частицы, имеющие строго фиксированные характеристики массы, спина, заряда. Таким образом, с одной стороны, сами взаимодействующие частицы имеют квантованные характеристики, а с другой — взаимодействие между ними передается квантовым полем со своими квантованными характеристиками.
Центральной проблемой квантовой теории поля является проблема создания единой теории, объединяющей все квантовые поля.
Все еще впереди
Основу квантовой теории поля составляют принципы квантовой механики, принцип относительности и принцип причинности. Ученые считают, что все разнообразие природных явлений можно описать, используя только указанные выше принципы. И хотя многие последствия квантовой теории поля хорошо согласовываются с экспериментом, однако природа элементарных частиц и структура вакуума еще не до конца ясны и расхождение теории с экспериментом иногда становится довольно значительным. Все это говорит о том, что квантовая теория поля еще не является полностью завершенной наукой, а продолжает интенсивно развиваться и ждет своих новых исследователей.
Развиваясь от квантовой электродинамики до стандартной модели элементарных частиц, квантовая теория поля стала одним из важнейших инструментов познания мира, соединяющим физические модели с высшими областями математики. Сегодня она применяется не только в физике микромира, но и во многих областях теоретической физики: теории твердого тела, физике полимеров, теории турбулентности, теории критических явлений, статистической физике и других областях физики.
Квантовая теория поля является уникальной отраслью науки, она охватывает как физику микромира, устанавливая предполагаемую структуру элементарных составляющих вещества, таких как электроны, протоны, нейтроны и так далее, так и физику макромира, изучая рождение, эволюцию и структуру в целом всей Вселенной.
Квантовая теория поля — раздел физики, изучающий поведение квантовых систем с бесконечно большим числом степеней свободы — квантовых полей. На квантовой теории поля базируется вся физика высоких энергий, физика элементарных частиц и физика конденсированного состояния.