27 659 subscribers

Квантовая теория поля простыми словами

3,6k full reads
7,8k story viewsUnique page visitors
3,6k read the story to the endThat's 47% of the total page views
4 minutes — average reading time
Квантовая теория поля простыми словами

Концепции квантовой физики появились в начале ХХ века. Именно она заставила нас по-другому посмотреть на мир частиц, заполняющих собой всё и вся.

Учёные выяснили, что элементарных частиц существует огромное множество, а также подтвердилась гипотеза Эйнштейна о том, что энергия переходит в материю, а материя – в энергию, то есть при столкновении элементарных частиц могут рождаться новые частицы. Понятие точечной частицы заменило другое понятие – понятие квантового поля , из которого соткано всё пространство-время, и кванты этого поля – это и есть элементарные частицы.

Например, у нас есть одна колеблющаяся частица. Если рассматривать её в отдельности, то можно изучить её кинетическую и потенциальную энергию. Если мы возьмём поле, занимающее всю Вселенную, то в каждой точке будут находиться такие колеблющиеся частицы. Они могут быть связанными друг с другом (то есть колебания одной частицы будут влиять на другую) – тогда это будет выглядеть как движущаяся волна, так как одна частица будет влиять на вторую, вторая – на третью и так далее. Трудность заключается в том, что если частица, подобно маятнику, будет колебаться вдоль одной оси, то у неё будет только одна степень свободы. А если она будет колебаться вдоль разных осей (например, вдоль оси Х, У и Z ), то у неё будет уже 3 степени свободы. Получается, что поле, как система таких движущихся частиц, имеет бесконечное число степеней свободы, так как в поле, заполняющем собой всю Вселенную, этих частиц огромное количество. Описать математически это очень сложно – это первая трудность квантовой механики.

Вторая трудность заключается в том, что, если в классической механике число частиц было постоянным, то, согласно квантовой механике, одна частица может породить ещё одну. Дело в том, что классическая физика не рассматривала большой энергетический интервал. А вот при движении частиц на очень высоких скоростях они уже будут обладать и высокими энергиями – об этом нам говорит знаменитое уравнение Альберта Эйнштейна:

Квантовая теория поля простыми словами

Соответственно, если на высокой скорости одна частица сталкивается с другой, то может родиться и третья. Число частиц постоянно меняется – они могут не только рождаться, но и уничтожаться. Как же описать такую сложную систему?

Квантовое поле, которым пронизана вся Вселенная, легко можно сравнить с водой. Например, вы сидите на берегу озера, поверхность которого абсолютно безмятежна, её ничто не тревожит – это поле. Бросьте в воду камень, и пойдёт волна – вы увидите её гребень в форме горки, родившийся в результате взаимодействия с камнем, - это частица. Главная идея квантовой теории поля – это то, что частицы являются элементарными возмущениями полей. Таким образом, наша реальность – это поле, а мы состоим из элементарного возмущения полей. Будучи рожденными этими самыми полями, их кванты содержат в себе все свойства своих прародителей. Такова роль частиц в мире, в котором одновременно существует множество океанов, именуемых полями.

Квантовая теория поля простыми словами

Отсюда вытекает и принцип корпускулярно-волнового дуализма: частицы могут вести себя как волны, а волны – как частицы. Согласно квантовой теории поля, вся Вселенная заполнена не одним, а различными полями из-за того, что частицы могут иметь бесконечное число степеней свободы: это электрические поля, магнитные, гравитационные и другие. При этом, частице соответствует возмущение на этих разных полях.

Например, положительное возмущение электрического поля и гравитационного будут соответствовать протону, так как у него положительный заряд. Если идёт возмущение только гравитационного поля, то виновник этому – нейтрон, так как он нейтрален и имеет массу. Если идёт возмущение электрического и магнитного полей, а гравитационное при этом остаётся спокойным, то мы уже будем иметь дело с фотоном, так как у него нет массы.

Представим, что квантовое поле – это набор энергетических уровней, некая слоистая лестница. Каждая точка в таком пространстве будет описываться определённым значением, соответствующим напряженности электрического, магнитного, гравитационного поля в этой конкретной точке. Когда частица входит в пространство, она изменяет его различные поля в соответствии со своими физическими параметрами (например, в соответствии с электрическим зарядом или массой). Анализируя значения этих полей в данном месте, учёные могут определить, какая частица только что пересекла это пространство.

Когда частицы взаимодействуют друг с другом, передаётся и энергия от одного поля к следующему. Так, например, возмущение электрического поля может передаваться магнитному или гравитационному. Когда пара частица-античастица аннигилирует, масса может быть преобразована в фотон, а значит, в электромагнитную энергию. Но Вселенная не спешит растрачивать свою энергию зря: она всегда сохраняется и может переходить из одного поля в другое. Получается, что ничего не исчезает просто так, и конец одного всегда является началом чего-то нового.

Квантовая теория поля простыми словами

Поневоле задумаешься и о том, что происходит в нашей обычной жизни: замечали вы хоть раз, как, будучи в плохом настроении, у нас всё идёт наперекосяк, что-то не получается, с кем-то человек ссорится, на каждом шагу сплошные неудачи, а ведь он просто вышел из дома в плохом настроении – его негативная энергия стала материальной, он пошёл сеять хаос вокруг себя дальше. Если же взять противоположный пример – положительного, добродушного человека, который стремится совершать благородные и правильные поступки, то его же положительная энергия, отданная им в мир, возвращается к нему в виде помощи других людей, удачи или счастливого стечения обстоятельств? Конечно, это не всегда работает, но в большинстве случаев, «что посеешь, то и пожнёшь». Всё взаимосвязано. Уж не замешана ли и здесь квантовая теория поля?

Читайте больше о нашем мире:

А что, если мы - часть какого-то организма?

Теория струн для чайников

Антропный принцип и поиски иных форм жизни

Теория эфира: "за" и "против"

Пятое фундаментальное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие

Слабое фундаментальное взаимодействие

Сильное фундаментальное взаимодействие

Гравитационное взаимодействие