String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: The Quantum Picture of the Photon: Quantum Electrodynamics

Квантовое изображение фотона: квантовая электродинамика

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:00

Развитие теории квантовой электродинамики (КЭД) было одним из величайших интеллектуальных достижений 20-го века.

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:00

Физики смогли переопределить электромагнетизм с использованием новых правил квантовой механики, объединить квантовую механику и теорию электромагнетизма.

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:00

Квантовая электродинамика была одним из первых подходов к квантовой теории поля (описанной в следующем разделе), так что именно в ней были впервые представлены многие особенности, которыми обладает теория струн (которая также является квантовой теорией поля).

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:01

Квантовая электродинамика взяла начало в конце 1920х годов с попытки описать частицы в терминах квантовых полей.

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:01

В 1940х годах описание КЭД было завершено три раза - японским физиком Синъитиро Томонага во время Второй мировой войны и позднее американскими физиками Ричардом Фейнманом и Джулианом Швингером.

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:01

Все эти физики разделили в 1965 г. Нобелевскую премию по физике за эту работу.

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:01

Каракули доктора Фейнмана объясняют, как частицы обмениваются информацией

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:02

Хотя принципы квантовой электродинамики были разработаны тремя отдельными учёными, самым известным основателем КЭД был, бесспорно, Ричард Ф. Фейнман.

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:02

Фейнман был равно хорош как в математике, так и в объяснении теории, результатом чего стало создание диаграмм Фейнмана - наглядного представления математики КЭД.

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:02

Ричард Филлипс Фейнман является одним из самых интересных персонажей в физике 20го столетия, легко сравнимым с Эйнштейном по индивидуальности, если не по известности.

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:02

На заре своей карьеры Фейнман сделал сознательное решение работать только над теми проблемами, которые он находит интересными, что, безусловно, сослужило ему хорошую службу.

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:02

К счастью для мира физики, одной из таких проблем была квантовая электродинамика.

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:03

Так как электромагнетизм - это теория поля, результатом КЭД была квантовая теория поля - квантовая теория, которая содержит значения в каждой точке пространства.

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:03

Можно вообразить, какими, по меньшей мере, устрашающими были математические выкладки такой теории, даже для тех, кто натренирован в физике и математике.

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:03

Фейнман был выдающимся не только в физической теории и математике, но также и в объяснениях.

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:03

Одним из его способов упрощения предмета стало применение диаграмм Фейнмана.

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:03

Хотя математика всё ещё оставалась запутанной, при помощи диаграмм можно было начать говорить о физике без необходимости изучения всей сложности её уравнений.

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:04

А когда были необходимы точные числа, диаграммы помогали организовать вычисления.

ilves_ArtO 22.08.14 в 13:05

На рисунке 8-3 вы можете увидеть диаграмму Фейнмана двух электронов, приближающихся друг к другу.

Irina73 25.08.14 в 12:13

На рисунке 8-3 вы можете увидеть диаграмму Фейнмана двух сближающихся электронов.

Irina73 25.08.14 в 12:14

Диаграмма Фейнмана выполнена в пространстве Минковского, в котором, как установлено в главе 6, события описываются в пространстве-времени.

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:20

Электроны - это сплошные линии (названные пропагаторами), и когда они приближаются друг к другу, между двумя электронами происходит обмен фотоном (волнистый пропагатор; базовые сведения о фотонах смотрите в главе 7).

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:20

Рисунок 8-3: диаграмма Фейнмана демонстрирует, как частицы взаимодействуют друг с другом.

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:20

Другими словами, в КЭД две частицы обмениваются своей электромагнитной информацией посредством излучения и поглощения фотона.

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:20

Фотон, который ведёт себя таким образом, называется виртуальным фотоном, или фотоном-посыльным, так как он создаётся только для обмена информацией.

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:21

Это являлось ключевым моментом КЭД, потому как без такого обмена фотоном невозможно было объяснить, как передавалась информация между двумя электронами.

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:21

Также (и, возможно, что более важно с точки зрения физики) теории квантового поля (по крайней мере те, которые выглядят соответствующе нашему реальному миру) быстро достигают бесконечности, если дистанции становятся слишком маленькими.

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:22

Чтобы увидеть, как могут появиться эти бесконечности, рассмотрим тот факт, что электромагнитные силы становятся больше на маленьких расстояниях (бесконечно большими на бесконечно маленьких расстояниях), что, согласно принципу неопределённости квантовой механики, также верно и для соотношения расстояния и импульса (детальное описание принципа неопределённости смотрите в главе 6).

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:22

Даже обсуждение случаев, когда два электрона находятся невероятно близко друг к другу (например, на расстоянии длины Планка), в мире, управляемом квантовой физикой, становится невозможным.

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:24

Благодаря квантованию электромагнетизма, как это делает КЭД, Фейнман, Швингер и Томонага имели возможность использовать теорию несмотря на эти бесконечности.

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:25

Бесконечности всё так же продолжали существовать, но наличие виртуального фотона означало, что электронам не надо так сильно сближаться друг с другом, из-за чего бесконечностей было уже не так много, а те, что остались, не влияли на физические предсказания.

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:25

Фейнман, Швингер и Томонага взяли бесконечную теорию и извлекли из неё конечные предсказания.

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:26

Одним из главных стимулов развития успешной теории струн является стремление пойти ещё дальше и получить действительно конечную теорию.

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:26

Математический процесс удаления бесконечностей называется перенормировкой.

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:26

Это набор математических методов, которые могут быть применены для получения очень тщательно определённого предела для континуума значений, содержащихся в поле.

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:26

Вместо того, чтобы находить бесконечную сумму всех членов и получать бесконечный результат, физики выяснили, что применение перенормировки позволяет им переопределить параметры при суммировании таким образом, что сумма становится конечным числом!

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:27

Без проведения перенормировки значения становятся бесконечными, а мы, безусловно, не встречаем такие бесконечности в природе.

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:27

С перенормировкой, однако, физики получают однозначные предсказания, находящиеся среди самых точных и хорошо проверенных результатов во всей науке.

ilves_ArtO 26.08.14 в 13:28

Открытие другого вида материи: антивещество

ilves_ArtO 26.08.14 в 15:33

Вместе с пониманием квантовой электродинамики пришло усиливающееся понимание того, что существует антивещество, другая форма вещества, которая идентична известной материи, однако имеет противоположный заряд.

ilves_ArtO 26.08.14 в 15:33

Квантовая теория поля показала, что для каждой частицы существует своя античастица.

ilves_ArtO 26.08.14 в 15:34

Античастица электрона называется позитроном.

ilves_ArtO 26.08.14 в 15:34

В 1928 г. физик Поль Дирак был занят созданием квантовой теории электрона (необходимого предвестника завершения теории КЭД), когда осознал, что уравнение решается, только если допустить существование дополнительных частиц - идентичных электронам, но с противоположным зарядом.

ilves_ArtO 26.08.14 в 15:34

Только четыре года спустя первые позитроны были обнаружены и названы так Карлом Д. Андерсоном, в то время как он анализировал космические лучи.

ilves_ArtO 26.08.14 в 15:35

Математика этой теории предполагала симметрию между известными частицами и идентичными им частицами с противоположным зарядом,- прогноз, который в конечном итоге оказался верным.

ilves_ArtO 26.08.14 в 16:05

Теория требовала, чтобы существовало антивещество.

ilves_ArtO 26.08.14 в 16:05

Теория струн подразумевает другой вид симметрии, названный суперсимметрией (см. главу 10), которая ещё должна быть доказана, но, как полагают многие физики, которая со временем будет обнаружена в природе.

ilves_ArtO 26.08.14 в 16:06

Когда антивещество контактирует с обычным веществом, два типа материи аннигилируют во вспышке энергии, образуя фотон.

ilves_ArtO 26.08.14 в 16:06

Также в КЭД это может быть изображено посредством диаграммы Фейнмана, как показано в левой части рис. 8-4.

ilves_ArtO 26.08.14 в 16:06

С такой точки зрения позитрон похож на электрон, двигающийся обратно во времени (как указано стрелкой направление на пропагаторе).

ilves_ArtO 26.08.14 в 17:05