Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
43. Квантовая теория поля является существенным образом теорией многих частиц: она дает единый метод, пригодный для описания состояний с любым числом частиц данного типа. Рождение и исчезновение частиц представляют собой естественные и обычные для этой теории процессы. Их существование связано с нелинейным характером уравнений поля. Два волновых пакета (отвечающие двум частицам) могут перекрываться, взаимодействовать и создавать новые волновые пакеты (соответствующие новым частицам). Например, при столкновении двух электронов испускаются электромагнитные волны. Мы говорим, что происходит рождение фотона.
44. В соответствии с этими идеями были сформулированы многие более или менее глубокие квантовые теории поля. Классическим примером такой теории является квантовая электродинамика, которая достигла замечательных успехов в описании электромаг-
*) Поля не являются больше «обычными» комплексными функциями, зависящими от координат и времени. Они представля ют собой математические объекты, определяемые операторами. Для наших целей можно, однако, считать их обычными функциями.
375
нитных взаимодействий заряженных частиц, и особенно в атомной физике. Специальные предположения, лежащие в основе других теорий поля, призванных объяснить слабые и сильные взаимодействия, оказались менее успешными. Эти теории 'Ли пи понимание
Рис. 44А. Фотография образования и последующего распада пары лямбда — антилямбда. В верхнем'правом углу дана схема события. Входящим в камеру антипротон сталкивается^С протоном и образует пару лямбда — антилямбда. Обе эти частицы нейтральны и не оставляют видимых следов в камере. Лямбда-частица распадается (за счет слабых взаимодействий) на протон и отрицательный пион, а антилямбда-частица образует при распаде антипротон и положительный пион. Затем антипротон сталкивается с протоном и аннигилирует. При этом образуются пионы, четыре из которых заряжены и оставляют видимые следы. Мы приводим эту фотографию в середине обсуждения квантовой теории поля. Одной из задач такой теории является объяснение подобных явлений
некоторых, весьма общих свойств элементарных частиц, но не привели, однако, к существенным предсказаниям, проверяемым на опыте. В случае сильных взаимодействий метод последовательных
376
приближений, на котором основаны успехи квантовой электродинамики, оказывается неприменимым. Причиной успехов электродинамики несомненно является малость постоянной тонкой структуры, т. е. слабость электромагнитных взаимодействий. Сильные взаимодействия чрезвычайно сильны. Это обстоятельство не позволяет найти решение предложенных уравнений поля, а не имея таких решений, нельзя судить о пригодности самих уравнений. Скорее всего они не годятся. Существуют бесконечные возможности выбора уравнений, и в прошлом единственным руководящим принципом был «принцип простоты». Лишь для квантовой электродинамики путеводной нитью новой теории была классическая аналогия заряженных частиц, взаимодействующих с электромагнитным полем.
45. В настоящее время математические трудности теории непреодолимы и нельзя получить решение уравнений поля, предложенных для описания сильных взаимодействий. Такая ситуация привела к некоторому разочарованию в самих теориях поля как таковых. Раздались голоса, требовавшие отказаться от дальнейших попыток в этом направлении.
Против квантовой теории поля могут быть выдвинуты еще более веские возражения эпистемологического характера. Можно сказать, что основные принципы теории ставятся под сомнение на том основании, что не имеют непосредственного «операционального» значения (operational significance). Например, неясно, как могут быть измерены, хотя бы в принципе, сами поля. Лишь в отдельных специальных случаях эта проблема получила сколько-нибудь удовлетворительное решение. Возникает также вопрос: как ведут себя поля в очень малых областях пространства, с линейными размерами порядка, скажем, 10-100 см? Как и какими «приборами» можно измерить поля в таких областях? Удавалось ли кому-нибудь измерить (в любом значении этого слова) расстояния, меньшие 10-13 см?
Все эти возражения и вопросы действительно серьезны. Но против них следует, однако, заметить, что нет необходимости, чтобы каждое понятие теории имело непосредственный операциональный смысл. Хотя трудно представить себе, как можно «измерить» расстояния порядка 10~100 см, однако можно сохранить пространственно-временные координаты для описания «арены», на которой происходят физические явления. С другой стороны, не исключено, что будущая успешная теория взаимодействия элементарных частиц связана с отказом от некоторых из наших представлений о пространстве и времени. Квантовые теории поля дают детальное описание происходящего в любой точке пространства в любой момент времени. Вполне возможно, что это слишком большое требование и такое описание немыслимо в принципе.
46. Подобные соображения привели Вернера Гейзенберга в 1943 г. к новой теории взаимодействия частиц, названной теорией S-матрицы. В этой теории, которую мы не станем здесь обсуждать, Гейзенберг попытался рассмотреть лишь понятия, которые имеют ясный операциональный смысл. Он следовал, таким образом, тем
