Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
волны описываются квантованными полями, и по своим идеям она является квантовомеханическим обобщением классической волновой теории.
Мысль описать взаимодействие частиц через квантованные поля привлекательна во многих отношениях, и нам следует попытаться понять широкие перспективы такой теории. К сожалению, для этой цели необходим довольно сложный математический аппарат, которым мы еще не владеем, и нам придется ограничиться изложением основных идей.
Рис. 35 В. Схема небольшой жидководородной пузырьковой камеры длиной 25 см. Камера «возбуждается» внезапным уменьшением давления, под которым находится жидкий водород. При уменьшенном давлении температура жидкости оказывается выше точки кипения, но кипение не может начаться немедленно: в течение короткого интервала времени жидкость остается в перегретом состоянии. Когда через жидкость проходит заряженная частица, происходит испарение, локализованное вдоль траектории. При этом образуется след, состоящий из маленьких пузырьков газа, который может быть сфотографирован. Затем давление снова увеличивают, и все следы исчезают; камера готова к следующему циклу. 1 — резервуар для: сбрасывания давления; 2 — клапан сброса давления; 3 — компрессор; 4 — декомпрессирующий бачок для охлаждения жидким азотом; 5 — к вакуумному насосу; 6 — вакуумная рубашка; 7 — вакуумированный бак; 8— резервуар жидкого водорода; 9 — расширительная линия; 10 — тепловой мост; 11 — азотный экран; 12 — нагреватели; 13 — затвор; 14 — источник света; 15 — фотоаппарат; 16 — подача водорода; 17 — аварийный клапан
36. Рассмотрим в весьма общем виде проблему взаимодействия между двумя (или несколькими) частицами, оставаясь сначала в рамках классической физики. В не релятивистской теории можно было бы ввести зависящие от положения силы, действующие между частицами. Сила, действующая на данную частицу, зависит от ее положения и от положения другой частицы в тот же момент времени. Таким образом, действие сил в этом случае является мгновенным: если положение частицы внезапно меняется, соответствующее изменение силы мгновенно воспринимается другой частицей.
Мы считаем, что любая фундаментальная теория должна находиться в согласии с принципами специальной теории относитель-
371
чости. Между тем описанное выше мгновенное взаимодействие полностью им противоречит. Никакой сигнал не может распространяться со скоростью, большей скорости света с, поэтому мгновенное действие сил невозможно. Если положение или состояние движения одной из частиц внезапно меняется, то другая частица почувствует изменение лишь через некоторое время, причем потребное для этого минимальное время равно времени распространения светового сигнала между частицами.
Создание релятивистской инвариантной теории взаимодействия классических частиц отнюдь не тривиальная задача. Для этого необходимо глубокое изменение нерелятивистских идей о мгновенном действии на расстоянии.
37. Возможный способ решения такой задачи заключается в понятии с (классическом) поле. Каждая частица является источником поля, которое способно распространяться в пространстве со скоростью, не превышающей скорость света с, и это поле влияет на движение других частиц. В релятивистской классической теории такого типа мы имеем дело как с частицами, так и с полями. Взаимодействие заряженных частиц, осуществляемое через электромагнитное поле, является хорошим примером такой теории: заряд представляет собой источник электромагнитного поля, и это поле в свою очередь влияет на движение заряженных частиц.
38. Рассмотрим проблему взаимодействия частиц с иной стороны. В классической керелятивистской теории, где взаимодействие частиц сводится к мгновенно действующим силам, будущее поведение изолированной системы из нескольких частиц однозначно определено, если заданы положения и скорости всех этих частиц в некоторый момент времени. Другими словами, если мы имеем N частиц, то их состояние движения определяется 6N параметрами: система имеет конечное число степеней свободы. С другой стороны, в релятивистской теории, в которой взаимодействие описывается полями, недостаточно указать положения и скорости частиц в заданный момент времени. Мы должны еще указать и состояние поля. Классическая электромагнитная теория является прекрасным примером такой ситуации: положения и скорости всех заряженных частиц в данный момент времени не определяют однозначным образом электромагнитное поле. Начальные условия должны включать в себя и значения электромагнитного поля в любой точке пространства. Электромагнитное поле требует, однако, для своего описания бесконечно большого числа параметров, и наша система не является больше системой с конечным числом степеней свободы.
В этом глубокое различие между релятивистскими и нерелятивистскими теориями.
39. Обратим внимание на другую особенность (классической) релятивистской теории: в любой момент времени часть полной энергии системы заключена в поле. Это свойство любой теории, в которой взаимодействие переносится полем. Рассмотрим, например, две частицы А и В, взаимодействующие друг с другом, и пусть частица А внезапно сталкивается с частицей С, которая не
