Вселенная может состоять из частиц, а не полей || [Теория поля Белла: 2 часть]

14 July 2020
609 full reads
3 min.
936 story viewsUnique page visitors
609 read the story to the endThat's 65% of the total page views
3 minutes — average reading time
(Иллюстрация: pixabay/geralt)
(Иллюстрация: pixabay/geralt)
(Иллюстрация: pixabay/geralt)

Продолжение. Начало "Вселенная может состоять из частиц, а не полей | [Теория поля Белла: 1 часть]"

Чтобы решить эту проблему, Белл взял теорию Бома и разработал версию, предназначенную для конкуренции с КТП. При этом он впервые создал то, что сейчас называют теориями «поля типа Белла», таким типом КТП, в которой поля являются проявлениями многих, многих частиц и связанных с ними волн. Частицы - вот фундаментальная реальность, по аналогии с водой, воздухом и другими вещами, которые мы знаем в химии.

Беллу и его преемникам пришлось столкнуться с несколькими проблемами, чтобы проделать эту работу. Основное преимущество КТП перед теорией Бома, - это то, что в ускорителе частиц частицы могут быть созданы и уничтожены. В этом весь смысл ускорителей частиц! Ученые хотят обнаруживать частицы, которые они никогда раньше не видели, такие как бозон Хиггса. Они тратят миллиарды долларов на строительство все большего и большего ускорения для создания новых частиц. Теория, которая не может принять это во внимание, бесполезна в физике высоких энергий.

Поля легко создают новые частицы, потому что они в значительной степени создают все свои частицы из ничего (на самом деле, не из ничего, а просто из поступающей энергии и вещества, которые впоследствии можно игнорировать). Взаимодействия полей могут генерировать любые частицы, которые допустимы при условии соответствующей энергии. Это одно из преимуществ теорий поля.

В теории частиц нужно явно моделировать создание и разрушение частиц. Белл и его последователи делают это, моделируя частицы как так называемые траектории «прыжка». Траектория прыжка - это просто способ для частицы появиться, которая некоторое время следует траектории, а затем исчезает. Он также позволяет частице двигаться вперед, полностью переместиться на новое место и продолжить движение, как и раньше.

Хотя такое не происходит в нашем мире, но это происходит в квантовой механике все время. Это похоже как если бы при игре в боулинг шар мгновенно исчез и оказался на парковке. Или какой-то шар, которого раньше не было, внезапно появился на дорожке, ударил по кеглям и исчез. Или по дорожке катился мяч, разделившийся на два теннисных мяча, которые снова столкнувшись, образовали шар для боулинга. Бред!? В квантовом царстве это норма.

Теории поля «типа Белла» работают, по сути, со случайным процессом, который заставляет частицы появляться и исчезать, прыгая в своем «пространстве конфигурации» или пространстве всех возможных конфигураций частиц. Этот случайный процесс, называемый марковским процессом (Markov process), позволяет новым частицам появляться точно так же, как в стандартной КТП.

Можно взять пример: для квантовой электродинамики предположим, что у нас есть три типа частиц: электроны, позитроны и фотоны.

Предположим, надо заставить два электрона взаимодействовать и создать пару позитронов электронов, которая появляется и затем исчезает.

В теории поля можно было бы просто взять «возмущающий член» теории поля, который включает эти взаимодействия (термин возмущение является своего рода сценарием взаимодействия одной частицы в теории поля). С возмущающим членом связана диаграмма Фейнмана, наподобие этой:

Два электрона двигаются сверху, взаимодействуют с фотонами. Фотоны создают электронно-позитронную пару в центре, которая исчезает. Электроны движутся вниз. (Изображение: Tim Andersen)
Два электрона двигаются сверху, взаимодействуют с фотонами. Фотоны создают электронно-позитронную пару в центре, которая исчезает. Электроны движутся вниз. (Изображение: Tim Andersen)
Два электрона двигаются сверху, взаимодействуют с фотонами. Фотоны создают электронно-позитронную пару в центре, которая исчезает. Электроны движутся вниз. (Изображение: Tim Andersen)

Диаграмма Фейнмана не является отображением того, что происходит во времени. Она отражает хронологический порядок сверху вниз, но на самом деле не говорит, когда каждая частица будет создана или уничтожена. Вместо этого диаграмма - это просто изображение одного из бесконечного числа событий, которые поле производит в любое время.

Однако в теории поля «типа Белла» можно моделировать траекторию каждой частицы во времени. Сначала будет два электрона. Затем электрон испускает фотон. Фотон некоторое время путешествует, исчезает, и появляется электронно-позитронная пара. Они совместно путешествуют некоторое, а затем сталкиваются друг с другом. Вновь фотон появляется и переходит к другому электрону, где он поглощается. Другой электрон проделывает то же самое в противоположном направлении. В результате электроны расходятся, отталкивая друг друга.

В итоге, теория поля «типа Белла» и КТП могут делать одни и те же предсказания с одинаковой достоверностью. Но при этом, трудно рассуждать обо всех других вопросах, относящихся к полям, которые невозможно измерить, так же как виртуальные частицы. Также как не имеет смысла предлагать невидимые математические конструкции, которые невозможно интерпретировать с точки зрения физики, чтобы их прогнозы можно было проверить.

(Перевод статьи "Bell-type Field Theory: the universe may be made of particles not fields" Тима Андерсена/Tim Andersen)