Релятивистская квантовая физика. Античастицы и виртуальные частицы

В 1927 г. английский физик П. Дирак, рассматривая уравнение Шредингера, обратил внимание на его нерелятивистский характер. При этом квантовая механика описывает объекты микромира, и хотя к '927 г. их было известно только три: электрон, протон и фотон (даже нейтрон был экспериментально обнаружен только в 1932 г.), было ясно, что движутся они со скоростями, весьма близкими к скоро­сти света или равными ей, и более адекватное описание их поведения требует применения специальной теории относительности. Дирак со­ставил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов и квантовой механики, и теории относительности Эйнштейна,

 

и получил формулу для энергии электрона, которой удовлетворяли два решения: одно решение давало известный электрон с положи­тельной энергией, другое — неизвестный электрон-двойник, но с отри­цательной энергией. Так возникло представление о частицах и соот­ветствующих им античастицах, о мирах и антимирах. К этому же вре­мени была разработана квантовая электродинамика. Суть ее состоит в том, что поле более не рассматривается как континуалистская не­прерывная среда. Дирак применил к теории электромагнитного поля правила квантования, в результате чего получил дискретные значения поля. Обнаружение античастиц углубило представление о поле. Счи­талось, что электромагнитного поля нет, если нет квантов этого поля — фотонов. Следовательно, в этой области пространства должна быть пустота. Ведь специальная теория относительности «изгнала» из тео­рии эфир, можно сказать, что победила точка зрения о вакууме, о пустоте. Но пуст ли вакуум, — вот вопрос? который вновь возник в связи с открытием Дирака. Сейчас хорошо известны эффекты, дока­зывающие, что вакуум пуст только в среднем. В нем постоянно рож­дается и исчезает огромное количество виртуальных частиц и антича­стиц. Даже если мы меряем заряд электрона, то, как оказалось, голый заряд электрона равнялся бы бесконечности. Мы же измеряем заряд электрона в «шубе» окружающих его виртуальных частиц.

Физический вакуум в тентовой теории поля

Квантовая теория поля является ядром всей современной физики, представляет собой общий подход ко всем, известным типам взаимо­действий. Одним из важнейших результатов ее является представле­ние б вакууме, но уже не пустом, а насыщенном всевозможными флук-туациями всевозможных полей. Вакуум в квантовой теории поля определяется как наинизшее энергетическое состояние квантован­ного поля, энергия которого равна нулю только в среднем. Так что вакуум — это «Нечто» по имени «Ничто».

Релятивистская квантовая теория поля, которая началась работа­ми П. Дирака, В. Паули, В. Гейзенберга в конце 20-х гг. нашего сто­летия, была продолжена в трудах Р. Фейнмана, С. Томонаги, Дж. Ш-вингера и других ученых. Принцип целостности находит свое выра­жение в рассмотрении взаимодействия микрообъектов с определен­ным состоянием физического вакуума. Именно в этом взаимодей­ствии все элементарные частицы обнаруживают свои свойства. Ваку ум рассматривается как объект физического мира, выражающий как раз момент физической неразложимости его.

В результате квантово-полевой исследовательской программы создана новая квантовомеханическая картина мира, выработан но­вый стиль мышления ученых, новый тип научной рациональности, на­зываемый неклассическим, в котором есть место случайности, вероят­ности, целостности.

Концепции, лежащие в основе построения современной физической исследовательской программы, - теории Суперобъединения (единой теории поля)

Основополагающей идеей построения современной физической исследовательской программы является концепция целостности, в рамках которой в качестве фундаментальной физической реальности рассматривается неделимая взаимосвязанная целостная Вселенная, а относительно независимо ведущие себя ее части — как просто осо­бые и случайные формы. Таким образом, именно Вселенная в целом становится предметом исследования современной теоретической фи­зики. Здесь задачи физики элементарных проблем пересекаются с космологическими проблемами, вливаясь в общую картину постро­ения мира. Все качественное многообразие мира: различие типов вза­имодействий, различие между частицами вещества и квантами полей, существование конкретных элементарных частиц с их характеристи­ками и свойствами — все это предстает в рамках данной программы как моменты в ходе эволюции Вселенной. Признание определяющей роли целого по отношению к его частям составляет существо диалектической методологии в познании и является содержательной стороной нового постнеклассического подхода к анализу сложных систем, именуемого синергетикой.

В рамках такого целостного подход новое методологическое значение приобретает физический вакуум, предстающий как основ­ной объект физической теории, как прародитель известного нам мира. Анализ состояния дел в современной физике позволяет рассматри­вать его в качестве исходной абстракции в теории.

 

Классическая физика

Частицы Поле

вещества

Неклассическая физика

Ферми-частицы (частицы вещества)

Бозе-частицы (кванты полей)

Постнеклассическая физика

бозе-частицы (спин=1; 2) Скалярные

хиггсовые бозе-частицы'

Рис. 1. Новые представления о структуре материи Ферми-частицы

(спин=0) Физический вакуум Кварки.Пептоны

Калиброванные векторные

 

Исходя из представлений о суперсимметричном состоянии исход­ного вакуума нашей Вселенной, весь последующий процесс эволюции Вселенной рас-сматривается как сменяющие друг друга этапы, содер­жащие критические точки — моменты нарушения симметрии, при­водящие в конечном счете к физическому многообразию мира (рис. 1).

Таким образом, концепция целостности содержит в себе кон­цепцию развития, самодвижения, самоорганизации, выраженных через призму взаимоотношения категорий симметрии и асимметрии. Ибо важнейшим признаком развития является асимметричность тех изменений, из которых процесс развития складывается. Это выдвигает на повестку дня вопрос об историзме физических объектов, проявляю­щих свою определённость в определенные исторические моменты в ходе самодвижения целого, — в моменты спонтанного нарушения сим­метрии исходного вакуума. При этом вакуум играет роль макрообста­новки, макроусловий, по отношению к которому элементарные частицы проявляют свои свойства — спины, массы, заряды и т.д.

Рассмотрение вакуума как исходной абстракции известного нам мира позволяет реализовать при построении единой теории поля ме­тод восхождения от абстрактного к конкретному.

Фундаментальные физические идеи, лежащие в основе построек ния единой теории поля, реализующие вышеназванные трансдисцип­линарные методологические концепции, следующие:

 

Структурные единицы материи. Элементарные частицы...

а) новые представления о структуре материи — сопоставление представлений о структуре материи на разных этапах эволюции на­уки представлено на рисунке;

б) идея о калибровочной природе всех взаимодействий;

в) идея о спонтанном нарушении симметрии исходного вакуу­ма.

Структурные единицы материи. Элементарные частицы: частицы вещества, калибровочные кванты полей и скалярные хиггс-бозоны

Физика до недавнего времени изучала материю в двух ее прояв­лениях — веществе и поле. Причем частицы вещества и кванты полей подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом. Так, частицы вещества являются ферми-частицами (фермио-нами). ристемы тождественных ферми-частиц подчиняются статисти­ке Ферми — Дирака. Все фермионы имеют полуцелое значение неко­торой очень важной квантовой характеристики элементарной части­цы (не менее важной, чем заряд или масса), называемой спином. А для частиц с полуцелым значением спина справедлив принцип запрета Паули, согласно которому две тождественные частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же состоянии.

Все кванты полей являются бозе-частицами (бозонами) — квази-частицами с нулевым или целочисленным значением спи­на. Системы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Принцип Паули для них не справедлив: в одном и том же состоянии может находиться любое число час­тиц. Так что бозе- и ферми-частицы рассматриваются как час­тицы, имеющие различную природу.

В свою очередь, частицы вещества делятся на две группы: кварки и лептоны. Кварки и лептоны входят в состав других физических объек­тов и считаются при достигнутых на сегодняшний день энергиях «бес­структурными». Кварки — самые малые, микроскопические частицы со спином 1/2 и электрическим зарядом кратным 1/3. Кварки, кроме электрического заряда, обладают цветным зарядом. Наличие у кварков Цветного заряда обусловливает способность их к сильным взаимодей­ствиям. Известно, что протон и нейтрон состоят из трех кварков, что

 

делает протон или нейтрон бесцветным. Соответственно различают три заряда сильных взаимодействий - красный (К), желтый (V) и зеле­ный (С)..Пептоны (от греческого 1ерт.оз — легкий) — бесцветные час­тицы со спином 1/2, обладающие слабым и (при наличии электричес­кого заряда) электромагнитным взаимодействием. Предполагается су­ществование шести видов (ароматов) кварков и шести лептонов. В фи­зике кварков сформулирована гипотеза конфайнмента (от англ. сопт1петеп(— пленение) кварков, согласно которой невозможно выле­тание кварка из целого. Он может существовать лишь в качестве эле­мента целого. Существование кварков как реальных частиц в физике надежно обосновано.

Квантом гравитационного поля является гравитон. Однако гра­витон пока не установлен экспериментально, равно как и не постро­ена по сей день теория квантовой гравитации. Квантом электромаг­нитного поля является фотон у. Масса покоя фотона равна 0. Фотон не несет на себе электрического заряда. Это обеспечивает линейный характер электромагнитных взаимодействий и большой радиус их дей­ствия. Квантами слабого взаимодействия являются три бозона — УУ⁺, V/", 2°- бозоны. Верхние индексы указывают знак электрического заряда этих квантов. Кванты слабого взаимодействия имеют значи­тельную массу, что приводит к тому, что слабое взаимодействие про­является на очень коротких расстояниях. Квантами сильного взаимо­действия являются восемь глюонов. Свое название глюоны получили от английского слова д1ие (клей), ибо именно они ответственны за конфайнмент кварков. Массы покоя глюонов равны нулю. Однако глюоны обладают цветным зарядом, благодаря чему они способны к взаимодействию друг с другом, как говорят, к самодействию, что при­водит к трудностям описания сильного взаимодействия математичес­ки ввиду его нелинейности. Если слабое вЭйимодействие ответствен­но за изменение ароматов кварков, то сильное взаимодействие, осу­ществляемое посредством обмена глюонами между кварками, приво­дит к изменению цветов кварков. Так что в ядре постоянно происхо­дят превращения протонов в нейтроны и, наоборот, за счет обмена квантами слабого взаимодействия между кварками. Кроме этого внут­ри протонов и нейтронов кварки постоянно меняют свои цвета, испус­кая и поглощая глюоны. При этом протоны и нейтроны остаются бесцветными.

Третьим качественно отличным от вышеназванных двух форм ма­терии является физический вакуум. Дело в том, что все кванты полей, рассмотренные нами ранее, являются векторными калибровочными бозонами. Калибровочными их называют по той причине, что они

 

 

.

являются квантами калибровочных полей. Векторными их называют потому, что все они имеют целочисленное значение спина, равного 1, за исключением гравитона, спин которого предполагается равным 2. физический вакуум нашей Вселенной рассматривается как коллек­тивные возбуждения хиггсовых скалярных бозонов, спин которых равен 0.

Единая калибровочная природа различных типов физических взаимодействий

 

Калибровочный принцип называют динамическим нововведением в общей теории относительности. Нововведением является тот факт, что гравитационное поле здесь не постулируется, а выводится как результат инвариантности (симметрии) лагранжиана теории относи­тельно группы локальных калибровочных преобразований. То есть требование симметрии порождает определенный конкретный вид взаи­модействия, в данном случае — гравитационного. А это уже принци­пиально новый подход в физике. Благодаря ему современная физи-. ка отошла от исторической традиции, согласно которой заранее дава­лась форма взаимодействий, установленная экспериментально и тео­ретически описанная. Форма взаимодействий более не постулируется, а выводится как результат инвариантности относительно групп опре­деленных локальных преобразований, как способ, которым в природе Должно компенсироваться локальное калибровочное преобразова­ние. И неважно, какие вады симметрии обусловливают эти взаимо­действия. В каждом случае теории, в которых работает указанный принцип, называют калибровочными. Иными словами, калибровочная инвариантность позволяет ответить на вопрос: «Почему и зачем в при­роде существуют такого рода взаимодействия?» Ибо тип взаимо­действия диктуется симметрией.

Оказывается, что все известные четыре типа взаимодействий — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое — имеют калиб­ровочную природу и описываются калибровочными симметриями. То ^есть все взаимодействия как бы сделаны «из одной болванки». Это. ^вселяет надежду, что можно будет найти «единственный ключ ко ^Всем известным замкам» и описать эволюцию Вселенной из состоя-^НИЯ, представленного единым суперсимметричным суперполем, из со-

 

стояния, в котором различия между типами взаимодействий, между всевозможными частицами вещества и квантами полей еще не прояв­лены.