Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
что эти частицы относятся к списку фундаментальных величин. На
сегодняшний день очень мало указаний на то, что сами эти величины могут
быть построены из чего-то, хотя это и не является совершенно невероятным.
В любом случае, основная точка зрения состоит в том, что на
фундаментальном уровне материя не непрерывна, а дискретна.
Уже в XIX столетии некоторые восприимчивые наблюдатели уделяли внимание
не растущему успеху атомной картины, а тому удивительному явлению, что
все атомы данного вещества кажутся идентичными. Любые составляющие атомов
и молекул могут быть точно определены, но с классической точки зрения
можно ожидать непрерывного изменения возможных внутренних конфигураций и
поэтому энергий связанных состояний, химических свойств и т.д. Почему для
данного химического элемента его компоненты образуют одну и ту же
внутреннюю конфигурацию, что и атомы во всем мире для данного химического
элемента? В своей статье по атомам и молекулам, напечатанной в
"Британской энциклопедии", Джеймс Клерк Максвелл писал, что "образование
молекул является событием, которое не согласуется с тем порядком природы,
в котором мы живем", а вместо этого нужно вернуться назад, в эпоху
"установления существующего порядка природы...". Мы видели, как эта
загадка решается в квантовой механике. Вместо непрерывного набора
возможных конфигураций составляющих частей атомов и молекул существует
дискретный спектр связанных квантовых состояний. Если две молекулы
находятся в разных состояниях, они не идентичны, но если их состояние
одинаково, то молекулы будут идентичны. Таким образом, то, что является
идентичным среди всех составляющих данного вещества, называется спектром
состояний. Все это является побочным следствием известного факта о
квантовании связанных состояний. Но существует и более глубокое чудо: а
именно, все представители определенного типа атомов изготовлены из
идентичных составляющих - все электроны в мире, все протоны в мире, все
нейтроны являются идентичными; и дальше вниз - идентичны все кварки с
данным цветом и ароматом, все глюоны с данным цветом и т. д.
Это свойство идентичности среди строительных блоков для данного вещества
можно просто постулировать, по крайней мере, на уровне квантовой
механики. Но оно появляется автоматически, когда квантовые принципы
применяются к полям. Это одно из великих, часто неза-
212
Глава 9
мечаемых достижений квантовой теории поля. На классическом уровне частицы
и поля существуют на равных правах. На квантовом - поля являются
первичными. Частицы появляются как кванты полей, причем в идентичных
копиях.
Наиболее известно из всего этого то, что материя может рождаться и
уничтожаться - не просто перегруппировываться, но именно рождаться и
уничтожаться. Квантовая теория поля появилась, чтобы обеспечить
адекватные теоретические рамки для такого процесса. Популярное изложение
квантовой механики часто не полно учитывает этот факт, не выражает
достаточного удивления. Исходная идея о неизменных строительных блоках
при этом просто исчезает! Популярные книги часто описывают процесс
рождения, в основном апеллируя к Е = тс2, как превращения энергии в
вещество; и наоборот, процесс уничтожения как превращения вещества в
энергию. Излюбленным примером является грозная аннигиляция вещества и
антивещества. Но это часто вводит в заблуждение. Действительно, для
реакции частиц, для любых преобразований, должны выполняться законы
сохранения энергии и других величин. Но энергия не является какой-то
свободной субстанцией. Она заключается в энергии покоя и энергии движения
реальных физических частиц, участвующих в реакции. Тогда, когда
"аннигилируют>> протон и антипротон, появляются реальные вещи: например,
пионы, как в реакции р + р -> 7г+ + 7г". Полная энергия одинакова в обеих
частях уравнения. Реакция аннигиляции ничем не отличается от других
реакций, в которых частицы создаются и исчезают. Действительно, даже если
какая-то исходная частица появилась снова в конечных продуктах реакции,
удобнее считать, что перед этим она была уничтожена, а затем создана
вновь.
Рождение и уничтожение материи - вещь довольно трепетная. Квантовая
теория поля дает то, что кажется устроенным вполне подходящим образом с
точки зрения как концепции, так и математики, хотя мы и не можем просто
пропустить этот раздел: классические поля превращаются в квантовополевые
операторы, гамильтониан взаимодействия играет роль сил и действует на
частицеподобные собственные состояния энергии-импульса, создавая новые
состояния с другим набором частиц и т. д. Беспокойство вызывает то, что
все это кажется нефизическим, формальным, бескровным. К чему реально это
ведет? Фейнмановские диаграммы помогают здесь мало. В каждой вершине
создаются и уничтожаются виртуальные и реальные частицы, виртуальные
частицы распространяются до другой точки, где все повторяется, и так
далее. Каждая физическая реакция является суммой различных вкладов,
