Квантовая электродинамика

Квантовая электродинамика

Физики решили объяснять поля в терминах частиц потому, что понятие частицы было приемлемым в физике. Физики объясняют поля с помощью квантовой электродинамики (КЭД) – одной из самых полезных и общепринятых физических теорий. Квантовая электродинамика представляет собой соединение квантовой механики, теории относительности и теории электрического поля. Она объясняет, что две заряженные частицы, например два электрона, отталкиваются друг от друга не из-за электрического «поля» между ними, а потому, что каждый электрон испускает «виртуальные» частицы, и эти виртуальные частицы отталкивают друг друга.

Благодаря, в основном, работам Ричарда Фейнмана, КЭД прекрасно объясняет, как действует химия, как электроны обмениваются виртуальными частицами, именуемыми фотонами. Эта теория не совершенна, но пока остается во многих отношениях наилучшей. Со временем в физике будут разработаны новые идеи, идущие дальше КЭД (например, теория суперструн), но этим новым теориям предстоит пройти долгий путь, прежде чем они смогут говорить нам так много о мире, как КЭД.

История развития идеи виртуальных частиц как воображаемых объяснений полей чрезвычайно интересна. Возьмем две заряженных частицы любого типа – отрицательно заряженные электроны или положительно заряженные протоны. Воображаемый ответ на вопрос, почему эти частицы отталкивают друг друга, состоит в том, что из ничего создаются виртуальные частицы. Согласно этому представлению, один из протонов испускает виртуальные частицы, ударяющиеся в другой протон. В левой части рис. 33.2 мы видим отталкивание «объясняемое» электрическим полем, которое в правой части заменяется ударами виртуальных частиц.

Рис. 33.2. Полевое и корпускулярное объяснение электрических полей

Заряженные частицы, показанные на рисунке справа, содержат в себе виртуальные частицы, и эти виртуальные частицы ударяются в другие заряженные частицы, тем самым вызывая отталкивание. Но откуда берутся эти виртуальные частицы?

В корпускулярной картине материи считается, что обычная материя, например, протон «содержит» в себе сгусток виртуальный частиц, наподобие маленьких частиц света, которые испускаются и тут же снова поглощаются основной частицей. В этой картине вещей, виртуальные частицы, как то мгновенно существующие фотоны света, выходят из большей заряженной частицы, например, протона, и снова поглощаются им, прежде чем их можно увидеть, измерить, или взвесить.

Ситуация заряженной частицы похожа на ситуацию человека, вроде меня или вас, который задумавшись идет по улице. Рисунок из комикса мог бы изображать человека, из головы которого выходит множество идей и всего прочего и тут же снова уходит обратно.

Физики представляют себе заряженную частицу наподобие такой головы, из которой выходит и тут же снова поглощается обратно масса всякой всячины. Их воображение предполагает, что когда две заряженные частицы сближаются, виртуальные частицы каждой из них не испускают заряды, а ударяются в другую заряженную частицу, тем самым ее отталкивая. Таков ответ квантовой электродинамики о том, как положительные или отрицательные заряды отталкивают друг друга.

В действительности, квантовая электродинамика даже еще шире, чем я сказал. Согласно КЭД, частицы обмена (как иногда называют виртуальные частицы) могут двигаться вперед и назад во времени. Мы не можем определить, какой из протонов первым испускает свою виртуальную частицу, сталкивающуюся с другим протоном. Мы только знаем, что в квантовом мире существуют неопределенности в отношении времени, пространства и измерения. Однако нам даже нет нужды беспокоится об измерении виртуальных частиц, поскольку мы не можем этого делать; они существуют слишком короткое время.

Как же физикам может сходить с рук такая дикая теория? Объяснения КЭД начинают звучать почти как психологические, поскольку психологи тоже придумывают воображаемые фигуры сновидений, чтобы объяснять человеческое поведение. Возможно, вы удивляетесь, как же дозволяются подобные психологические или физические теории? Идея виртуальных частиц, налетающих на реальные, дозволяется потому, что виртуальные частицы не могут быть измерены.

Виртуальные частицы движутся так быстро, что их защищает принцип неопределенности. Их невозможно измерить или увидеть. Реальные частицы тоже нельзя увидеть непосредственно. Помните квантовую теорию? Вы можете видеть частицы, например электроны, только когда они вызывают щелчки счетчиков электронов на экране, в который они попадают. Кроме того, можно прослеживать частицы в конденсационной камере, наблюдая следы, которые за ними остаются. Результаты частиц можно видеть, но сами частицы не поддаются непосредственному наблюдению.

Мы никогда не сможем слышать щелчки или находить следы виртуальных частиц, однако считается, что они существуют. Почему? Есть несколько причин. Во-первых, как мы увидим в следующих главах, потому, что они подчиняются законам физики. Во-вторых, потому что людям нравится понятие частицы. И в-третьих, потому что идея виртуальных частиц – это полезный инструмент мышления для объяснения поведения измеримых, технологических эффектов (например, рентгеновских лучей, как мы увидим в главе 34). Виртуальные частицы дают понятные объяснения вещей, которые невозможно измерить.

Виртуальные частицы представляют собой интересный возможный мост между физической и нефизической сферами. С помощью понятия виртуальной частицы, физики используют свое воображение НОР для объяснения феноменов ОР. Они используют одно магическое объяснения – «виртуальные частицы» – для объяснения другого, а именно, полей. Частицы – это магическое объяснение, зависящее от мировоззрения, которое считает, что все можно сводить к вещи: эта невидимая маленькая вещь создает тот эффект.

Виртуальные частицы в значительной степени основаны на соответствующей модели жизни. Никому еще не удалось сфотографировать электрон, хотя можно, по крайней мере, видеть след электрона в конденсационной камере. Однако люди верят, что из электронов выходят виртуальные фотоны, или частицы света, несмотря на то что виртуальные фотоны невозможно прослеживать таким образом. Мы могли бы сказать, что вся история или, скорее, теория субатомных частиц – это просто проекция.

Теория квантовой электродинамики представляет собой одно из мест, где физика пересекается с психологией. Нам нужно защищаться от необщепринятых реальностей, чтобы понимать наш общепринятый мир. Природа следует большинству наших проекций, поскольку реальность возникает из сновидения НОР. Но поскольку одни и те же феномены могут описывать несколько проекций, как, например, поля и виртуальные частицы, наилучшей проекцией или теорией будет та, что объясняет больше всего. Проекции становятся приемлемыми лишь постольку, поскольку от согласуются с другими правилами физики и с поведением материи, которое мы можем видеть, а также с текущими представлениями об общепринятой реальности. Иными словами, при изменении этой общепринятой реальности будут меняться и наши представления о природе и материи.

Помните, что, если вам не нравится концепция виртуальных частиц, вы всегда можете предложить лучшую идею. Вы никогда не обязаны понимать что бы то ни было в физике или соглашаться с этим. Если вы можете придумать что-нибудь лучшее, то восставайте против того, чему вас учили до сих пор, и доказывайте свои идеи. В физике нет ничего окончательного. Если что-то в вас отказывается понимать что-либо в физике, возможно, что все остальные ошибаются и что-то упущено.

Так или иначе, в настоящий момент картина виртуальной реальности, которая согласуется с измерениями в общепринятой реальности посредством конденсационных камер, рентгеновских лучей и других вещей, а также подчиняется законам физики выглядит следующим образом.

Рис. 33.3. Заряженная частица с точки зрения КЭД

Зараженная частица считается окруженной множеством виртуальных частиц, которые образуют своего рода облако фотонов. Считается, что эта заряженная частица испускает и снова поглощает эти фотоны, которые невозможно измерить.

Говорят, что эти частицы происходят из ниоткуда или, вернее, что они происходят из флуктуаций энергии. Они представляют собой приемлемые призраки, защищаемые законами физики. Согласно законам энергии, если заряженная частица достаточно возбуждена, то виртуальный фотон приобретает так много энергии, что излучается и действительно покидает заряженную частицу. Когда виртуальный фотон набирает достаточно сил, он улетает, и это означает, что вы можете его видеть форме света! Флуктуации энергии создают виртуальные частицы, но они превращаются в видимый свет, только если получают больше энергии.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.