Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
372
действует непосредственно на частицу В. Состояние движения частицы Л изменится, и с течением времени это изменение проявится как изменение поля, создаваемого частицей Л в месте расположения
Рис. 39А. Снимок образования и распада нейтральной Л-частицы и нейтрального К-мезона в пузырьковой камере. В верхнем правом углу дана схем:*, события. Еидимые следы» искривленные магнитным полем, принадлежат заряженным частицам. Нейтральные частицы были обраГ'ОЕпны в реакции которая явлкетси примером сильного взаимодейст-
вия. Р^спьды происходят благодаря слабому взаимодействию. Отрицательный мюон» испущенный при распаде /С°-мезона, з свою очередь распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино. Последние две частицы нейтральны и не оставляют следа в камере
частицы В. В конце концов состояние движения частицы В тоже изменится; в частности, может измениться ее кинетическая энергия. Таким путем между частицами Л и В произойдет обмен энергией, осуществленный через посредство поля. Если мы хотим построить теорию, в которой имеет смысл понятие о полной энергии системы в
373
данный момент времени и сохраняется полная энергия изолированной системы, то мы должны спросить себя, где находилась энергия, переданная частице В, между моментом столкновения частиц А и С и последующим моментом, когда частица В почувствовала изменение состояния частицы А. Мы вынуждены считать, что эта энергия была заключена в поле.
40. Эти размышления позволяют сделать еще один интересный вывод. Допустим, что ситуация не изменилась, но частица В отсутствует. В тот момент, когда частицы Л и С столкнулись, поле, создаваемое частицей А, изменилось, и некоторая часть энергии частицы А перешла в поле. Это та же часть энергии, которая имелась в присутствии частицы В, так как частица А не «знает», что частица В, которая может воспринять энергию, отсутствует. Но если частицы В нет, куда исчезает энергия, передаваемая полю? Она куда-то уходит, и одна из возможностей ее исчезновения — излучение в пространство. Именно это и происходит в электромагнитной теории: если заряженная частица А сталкивается с другой частицей С (которая может быть и нейтральной), то частица А испускает электромагнитные волны, которые могут перенести энергию «в бесконечность», если нет других частиц, способных поглотить часть этой энергии.
Мы пришли, таким образом, к весьма общему выводу: если взаимодействие между частицами осуществляется полем, то поле должно проявить себя в виде свободно распространяющихся и переносящих энергию волн.
41. Рассмотрим теперь проблему взаимодействия частиц с точки зрения квантовой механики. Еще в первых главах книги мы пришли к заключению, что с каждой частицей связана волна и что, с другой стороны, каждая волна имеет некоторые свойства частицы. Можно сказать, что квантовомеханическая волиа идентична квантовомеханической частице: это один и тот же объект, поведение которого не совпадает ни с поведением классической частицы, ни с поведением классического волнового пакета. Такая точка зрения приводит к замечательному упрощению наших концепций. В классической физике мы имеем дело с двумя типами объектов — с частицами и волнами, осуществляющими взаимодействия между частицами. В квантовой физике удается избежать этой двойственности, рассматривая «частицы» и волны как различные проявления свойств одного и того же объекта. Мы формулируем теорию поля, описывающую распространение волн-полей, которые представляют собой дебройлевские волны частиц. Такая теория поля описывает также и взаимодействие между волнами, сводя к нему эффективные силы, действующие между частицами.
Это весьма привлекательная идея, и она является основой квантовой теории поля. В теории Шредингера силы между частицами должны быть заданы. Задав их, можно предсказать движение частиц, но сама теория Шредингера не дает никакого «объяснения», почему силы таковы. С другой стороны, в квантовой теории поля существование и природа сил тесно связаны с существованием частиц: мы
374
единым образом описываем частицы, волны и силы. Квантовая электродинамика, которая является одной из теорий поля, дает нам хороший пример этих свойств теории. Действительно, силы между электронами (и позитронами) возникают как проявление электромагнитного поля, а кванты электромагнитного поля (фотоны) испускаются взаимодействующими электронами.
42. Сделаем обзор основных идей квантовой теории поля. Квантовые поля вводятся для описания частиц и взаимодействия между ними. Поля зависят от координат и времени и описывают то, что называют локальным состоянием вакуума *). Волновой аспект материи вводится в теорию с самого начала: решения уравнений квантовой теории поля являются волнами. Волны имеют также свойства частиц. Хорошо локализованная частица соответствует концентрированному волновому пакету: частицу легче всего найти в той области пространства-времени, в которой амплитуда поля велика.
Уравнения поля нелинейны, и поэтому они могут описывать взаимодействия между волновыми пакетами (частицами). Нелинейность проявляет себя лишь в тех случаях, когда амплитуда поля велика. Если амплитуды малы, то волны распространяются приблизительно так же, как и в линейной теории. Если два волновых пакета, соответствующие двум частицам, перекрываются в данный -момент времени в некоторой части пространства, нелинейность становится существенной и две волны влияют друг на друга. В классической картине это соответствует взаимодействию между двумя частицами. С другой стороны, если волны не перекрываются, между ними нет заметного взаимодействия, и это отвечает классической картине двух частиц, очень слабо взаимодействующих, если расстояние между ними велико.
