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

Квантовое изображение фотона: квантовая электродинамика

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

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

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).

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

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.

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

Каракули доктора Фейнмана объясняют, как частицы обмениваются информацией

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

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

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

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

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

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

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

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

Одним из его способов упрощения предмета стало применение диаграмм Фейнмана.

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

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

На рисунке 8-3 изображена диаграмма Фейнмана двух сближающихся электронов.

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

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).

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

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

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

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

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.

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).

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

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

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.

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

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

Математический процесс удаления бесконечностей называется перенормировкой.

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

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!

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

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

Открытие другого вида материи: антивещество

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

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

Античастица электрона называется позитроном.

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.

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

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

Теория требовала, чтобы существовало антивещество.

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.

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

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

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

Рисунок 8-4: (Слева) Частица и античастица аннигилируют, испуская фотон.

(Справа) Фотон разделяется на частицу и античастицу, которые немедленно аннигилируют.

Иногда частица - только виртуальная

В квантовой электродинамике краткое время могут существовать виртуальные частицы, возникающие из энергетических флуктуаций квантовых полей, существующих в каждой точке пространства.

Некоторые виртуальные частицы - такие как фотон на рис. 8-3 - существуют только в течение времени, достаточного для передачи информации о взаимодействии.

Другие виртуальные частицы появляются, по-видимому, только для того, чтобы сделать жизнь физиков более интересной.

Существование виртуальных частиц - один из самых странных аспектов физики, но он является прямым следствием квантовой физики.

Виртуальные частицы могут существовать, так как принцип неопределённости, в сущности, позволяет им переносить большие флуктуации энергии, при условии, что они существуют только в течение недолгого периода времени.

Правая часть рис. 8-4 изображает пару виртуальных частиц - на этот раз электрон и позитрон.

В некоторых случаях фотон фактически может распасться на электрон и позитрон, а затем воссоединиться обратно.

Проблема в том, что хотя эти частицы и являются виртуальными, их влияние должно быть учтено при выполнении расчётов о том, что происходит в данной области.

Так что не имеет значения, что вы делаете, вокруг вас возникает и исчезает бесконечное число странных виртуальных частиц, сея хаос среди ровных аккуратных вычислений, которые вы хотели произвести!

(Если это звучит знакомо, то потому, что это квантовая пена, которая обсуждалась в главе 2.)

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145376

Переводчики: ilves_ArtO