Квантовая теория поля в двух словах

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?

145В 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

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)


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.