Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

Развитие этой идеи привело к выводу, что электрон (как и любая элементарная частица) – не самый фундаментальный объект, а представляет собой проявление чего-то более фундаментального, что уже совсем не похоже на частицы. Оно, это более фундаментальное, само распоряжается появлением и исчезновением электронов и позитронов, следя при этом за выполнением и законов сохранения, и принципа относительности, и квантовых принципов, включая и принцип неопределенности. Теоретическая конструкция, в рамках которой удалось совместно реализовать набор непростых требований, получилась несколько вычурной математически, но с этим приходится мириться, потому что более простой придумать не удается, а эта, кроме того, продемонстрировала феноменальную – не превзойденную нигде в науке – степень согласия теоретических предсказаний с наблюдениями. На фундаментальном уровне, согласно этим идеям, мир состоит из квантовых полей – распределенных в пространстве сущностей, которые способны нести энергию, но содержат в своей природе непримиримость, инспирированную постоянной Планка ħ.

Квантовое поле представляет собой сваленные в кучу квантовые колебательные системы – такие, где есть нулевые колебания, а все другие уровни энергии разделены одинаковыми интервалами. «Куча» эта колоссальна: колебательные системы существуют при каждом возможном значении количества движения. Выберите любое количество движения (три числа) – для него есть своя колебательная система. Ее пространственное положение не определено, и можно сказать, что квантовое поле заполняет все пространство. Колебательные системы, которые все вместе составляют поле, – это возможности для того, чтобы в них происходили колебания: если угодно, это «ниши», которые могут заполняться передаваемой полю энергией. Когда колебания на первом уровне энергии возникают в колебательной системе, отвечающей выбранному количеству движения, в природе появляется электрон (или, в зависимости от некоторых дополнительных подробностей, позитрон) с данным количеством движения. А взаимоотношение всех этих колебательных систем с пространством-временем таково, что никакие сигналы не передаются быстрее скорости света и вообще выполнены все требования специальной теории относительности. Теоретическая конструкция, которая обеспечивает все это, называется квантовой теорией поля.

Резюме, важное нам для дальнейшего: каждая элементарная частица представляет собой проявление более глубокой сущности – является, как говорят, квантом поля. Электрон – квант электрон-позитронного поля, а фотон – квант электромагнитного поля[221]. И вообще, каждая элементарная частица – квант соответствующего поля, его элементарное, т. е. самое простое, возбуждение; это минимальный способ, которым поле может нести энергию, превосходящую энергию нулевых колебаний. «Напряженность» квантового существования при этом снова в действии: строгая дискретность квантовых колебаний поддерживает все электроны во Вселенной совершенно одинаковыми.

Фундаментальных полей в природе несколько, их надо представлять себе существующими повсюду и совместно – «наложенными» друг на друга в пространстве. Часть из них при этом не замечают друг друга, но некоторые замечают – могут обмениваться энергией между собой; про такие поля говорят, что они взаимодействуют друг с другом. Картину взаимодействующих полей можно в известной степени перевести на язык их квантов. Правда, для этого требуются не просто кванты, а очень на них похожий, но несколько иной способ организации поля. Собственно кванты (например, электрон и фотон) – это возбуждения поля, способные к постоянному и «независимому» существованию, как, например, электрон в атоме, или электрон, работающий в телевизоре образца XX в., или фотон, летящий от светящегося тела. Но поле в целом устроено сложнее, чем набор таких возбуждений, и оно может порождать еще и некоторые «временные» (может быть, лучше говорить «промежуточные») состояния. Эти состояния – возбуждения поля, которые похожи на полноценные кванты всем, кроме одной, довольно радикальной черты: у них нет фиксированной массы, как у всех настоящих квантов (для которых она может быть нулевой, как в случае фотона, или ненулевой, как, например, для электрона, но в любом случае фиксирована, являясь, по существу, свойством поля). Эти «не совсем настоящие кванты» называют виртуальными частицами. Они возникают и исчезают в качестве агентов, которыми обмениваются друг с другом какие-то другие поля. Например, два электрона способны обмениваться такими «временными» возбуждениями электромагнитного поля – виртуальными фотонами; этим и обеспечивается электрическое отталкивание электронов друг от друга. Даже один электрон способен производить, а затем поглощать виртуальные фотоны.

Объясняясь на жаргоне, специалисты часто опускают слово «виртуальный», но помнить про него необходимо; обмен виртуальными фотонами между электроном и протоном мало похож на то, как если бы эти двое «светили друг в друга фонариками». Между протонами в атомном ядре и электронами в этом же атоме не летают туда-сюда «частицы света», но тем не менее обмен виртуальными фотонами обеспечивает притяжение электронов к ядру. Каждая виртуальная частица, проскакивающая между квантами каких-либо полей, переносит между ними некоторый набор чисел: заряды, энергию и количество движения. Когда квант какого-нибудь поля испускает виртуальную частицу, он отдает ей часть своих энергии и количества движения (а если она несет заряд, то и заряд), а когда другой квант поглощает виртуальную частицу, он забирает себе все, что она принесла. Энергия, количество движения и заряды сохраняются на каждом этапе, и в этом смысле виртуальные частицы воплощают собой способ бухгалтерского учета всех этих величин, передаваемых от одного поля другому. Какую именно величину энергии и количества движения берет на себя каждая отдельная виртуальная частица, никак при этом не регламентировано. Взаимодействие, которое возникает как результат их посреднической деятельности, представляет собой своего рода сумму вкладов виртуальных частиц со всевозможными значениями энергии и количества движения. (Кстати, если бы у виртуальных частиц была фиксирована определенная масса, они не справились бы с этой ролью: нарушились бы законы сохранения при их испускании и поглощении.) В какой же мере виртуальная частица похожа на настоящий квант? В некоторой: прежде всего тем, что ее порождает то же квантовое поле, которое порождает настоящие кванты; и тем, что она несет все квантовые числа настоящих квантов, кроме массы. Но из-за этого последнего обстоятельства она мало похожа на частицу.

Не регламентирована не только энергия, которую переносит каждая виртуальная частица, но и само количество виртуальных частиц, участвующих в процессе обмена. Всякое взаимодействие полей представляет собой обмен не одной виртуальной частицей, а неопределенным – любым – их количеством. Здесь, впрочем, видна и некоторая ограниченность идеи виртуальных частиц. Дело в том, что взаимодействуют все-таки поля, а представление этого взаимодействия на языке квантов, в виде дискретного набора возможностей (обмен одной виртуальной частицей, обмен двумя виртуальными частицами, обмен тремя и т. д.) – это до некоторой степени приближение. Оно дает прекрасные результаты в тех случаях, когда обмен второй виртуальной частицей приводит к заметно меньшим эффектам, чем обмен первой, а обмен третьей –