Релятивистская квантовая физика. Мир античастиц. Квантовая теория поля
Квантовая механика, которая в первых работах Бора, Шредингера, Гейзенберга и других ученых являлась, в основном, теорией атомных спектров, получила за короткое время интенсивное развитие и была обобщена до теории, описывающей поведение микрообъектов в микромире. Физики стали делить окружающий нас мир на три уровня: мега-, макро- и микромир. Это оказалось возможным благодаря синтезу квантовой механики и специальной теории относительности, благодаря созданию релятивистской квантовой механики.
В 1927 году английский физик Поль Дирак, рассматривая уравнение Шредингера, обратил внимание на его нерелятивистский характер. При этом квантовая механика описывает объекты микромира, и хотя к 1927 году их было известно только три: электрон, протон и фотон (даже нейтрон был экспериментально обнаружен только в 1932 году), было ясно, что движутся они со скоростями, весьма близкими к скорости света или равными ей, и более адекватное описание их поведения требует применения специальной теории относительности. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов и квантовой механики и теории относительности Эйнштейна, и получил формулу для энергии электрона, которой удовлетворяли два решения: одно решение давало известный электрон с положительной энергией, другое — неизвестный электрон-двойник, но с отрицательной энергией. Так возникло представление о частицах и соответствующих им
античастицах, о мирах и антимирах. К этому же времени была разработана квантовая электродинамика. Суть ее состоит в том, что поле более не рассматривается как кон-тинуалистская непрерывная среда. Дирак применил к теории электромагнитного поля правила квантования, в результате чего получил дискретные значения поля. Обнаружение античастиц углубило представление о поле. Считалось, что электромагнитного поля нет, если нет квантов этого поля — фотонов. Следовательно, в этой области пространства должна быть пустота. Ведь специальная теория относительности «изгнала» из теории эфир, можно сказать, что победила точка зрения о вакууме, о пустоте. Но пуст ли вакуум, — вот вопрос, который вновь возник в связи с открытием Дирака. Сейчас хорошо известны факты, доказывающие, что вакуум пуст только в среднем. В нем постоянно рождается и исчезает огромное количество виртуальных частиц и античастиц. Даже если мы меряем заряд электрона, то, как оказалось, голый заряд электрона равнялся бы бесконечности. Мы же измеряем заряд электрона в «шубе» окружающих его виртуальных частиц.
Собственно представление о вакууме как непрерывной активности содержащихся в нем виртуальных частиц содержится в принципе неопределенности Гейзенберга. Принцип неопределенности Гейзенберга имеет, кроме приведенного выше, еще и такое выражение: 
Согласно этому квантовые эффекты могут на время нарушать закон сохранения энергии. В течение короткого времени 
энергия, взятая как бы «взаймы», может расходоваться на рождение короткоживущих частиц, исчезающих при возвращении «займа» энергии. Это и есть виртуальные частицы. Возникая из «ничего», они снова возвращаются в «ничто». Так что вакуум в физике оказывается не пустым, а представляет собой море рождающихся и тут же гасящихся всплесков.
Квантовая теория поля является ядром всей современной физики, представляет собой общий подход ко всем известным типам взаимодействий. Одним из важнейших результатов ее является представление о вакууме, но уже не пустом, а насыщенным всевозможными флуктуациями всевозможных полей. Вакуум в квантовой теории поля определяется как наинизшее энергетическое состояние кван-
тованного поля, энергия которого равна нулю только в среднем. Так что вакуум — это «Нечто» по имени «Ничто».
Релятивистская квантовая теория поля, которая началась работами Дирака, Паули, Гейзенберга в конце 20-х годов нашего столетия, была продолжена в трудах Фейнма-на, Томонаги, Швингера и других ученых, давая все более полное представление о физической неразложимости мира, о несведении его к отдельным элементам. Здесь принцип целостности находит свое отражение при рассмотрении взаимодействия микрообъектов с определенным состоянием физического вакуума. Именно в этом взаимодействии все элементарные частицы обнаруживают свои свойства. Вакуум рассматривается как объект физического мира, выражающий как раз момент физической неразложимости его.
Какова судьба понятия «вакуум» в современной физике XXI столетия? Почему наш мир состоит преимущественно из вещества, а «антивещество» долгое время оставалось скрытым от нашего взгляда? На эти и другие вопросы мы постараемся ответить в кратком очерке современного состояния физики элементарных частиц на рубеже третьего тысячелетия, приведенном в следующей главе. Заканчивая же разговор о квантовой физике, отметим, что результаты ее полностью изменили наши представления о мире, наш подход к структуре физических законов. В итоге, выработан новый тип научного мышления, называемый неклассическим, в котором есть место случайности, вероятности, целостности.
Вопросы для самоконтроля
1. Напишите формулу Планка и объясните ее физиче
ский смысл.
2. Какие физические эффекты являются эксперимен
тальным подтверждением гипотезы Планка?
3. В чем состоит гипотеза де Бройля? Чему равна длина
волны де Бройля?
4. Опишите опыт с двумя щелями и поясните, как вы
понимаете волново-корпускулярный дуализм микрообъ
ектов.
5. Сформулируйте принцип неопределенности Гейзен
берга. В чем заключается различие в описании поведения
классических и квантовых объектов?
6. Расскажите о принципе дополнительности Бора.
7. В чем состоит принцип физической целостности
квантовых объектов? Какие выводы можно сделать из ана
лиза парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена?
8. Какая физическая величина характеризует состояние
квантовой системы?
9. В чем заключается различие между динамическими
и статистическими закономерностями в физике с философ
ской точки зрения?
10. Какие новые представления о мире возникают в ре
лятивистской квантовой физике? Расскажите об античас
тицах и о виртуальных частицах.
11. Что представляет собой физический вакуум в кван
товой теории поля?