Квантовые теории Введение

Всего в природе известно четыре вида фундаментальных взаимодействий. ОТО описывает одно из этих взаимодействий – гравитационное. Три других вида взаимодействий – электромагнитное, слабое и сильное – описываются квантовыми теориями. Квантовая теория гравитации находится в стадии разработки. В рамках данного курса мы кратко затронем квантовые теории, играющие фундаментальную роль в современной физике: квантовую механику, квантовую теорию поля и такие ее разделы как квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика и теории слабого взаимодействия.

Классическая картина мира в начале XX в. основывалась на представлениях о двух типах физических объектах: частиц и полей. Квантовая механика рассматривает объекты микромира как частицы, а квантовая теория поля – как кванты полей. Такие теории, как квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика и теория электрослабого взаимодействия, описывающие, соответственно, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие, представляют собой воплощение идей квантовой теории поля.

Квантовая механика должна объяснять как корпускулярные, так и волновые свойства вещества и рассматривает элементарные частицы как волновые пакеты. Квантовая или волновая механика описывает законы движения микрочастиц, связывая характеристики как частиц (энергия, импульс), так и волн (частота, длина волны). Квантовая механика применима лишь для описания систем с неизменным числом частиц, но не для описания их рождения или уничтожения. Задачи об испускании и поглощении частиц описываются квантовой теорией поля.

Квантовая теория поля рассматривает второй элемент классической картины мира – поля. Эта теория является релятивистской квантовой теорией физических систем с бесконечным числом степеней свободы. Эта теория построена для описания одного из самых общих свойств микромира – взаимной превращаемости элементарных частиц. Для описания такого рода процессов требовался переход к квантовому волновому полю. Квантовая теория поля с необходимостью является релятивистской, поскольку если система состоит из медленно движущихся частиц, то их энергия может оказаться недостаточной для образования новых частиц с ненулевой массой покоя. Квантовая теория поля описывает три типа фундаментальных взаимодействий и, соответственно, состоит из трех частей: квантовой электродинамики, квантовой хромодинамики и теории электрослабого взаимодействия.

Квантовая электродинамика, (авторы С. Томонога, Ю.С. Швингер, Р.Ф. Фейнман) сформировавшаяся к началу 1950 г., является теорией электромагнитного взаимодействия и входит в состав теории поля. Квантовая электродинамика – та часть квантовой теории поля, в которой рассматривается взаимодействие электромагнитного поля и заряженных частиц (или электронно-позитронного поля). Квантовая электродинамика описывает взаимодействие квантованных электромагнитных полей, заряженных частиц друг с другом, а также взаимодействие излучения с веществом. Электромагнитное взаимодействие рассматривается как обмен квантами электромагнитного поля – фотонами, любая заряженная частица создает поле, непрерывно излучая и поглощая виртуальные фотоны. Квантовая хромодинамика является теорией сильного взаимодействия, которое описывает взаимодействия между нуклонами (протонами и нейронами) в атомном ядре, а также между частицами, из которых состоят протоны, нейроны и другие адроны – кварками. Кварки могут быть разных типов (ароматов), их состояние описывается посредством 3-х зарядов (цветов). Сильное взаимодействие осуществляется посредством частиц-переносчиков сильного взаимодействия глюонов, обладающих единичным спином и нулевой массой покоя.

Теория электрослабого взаимодействия Слабое взаимодействие – один из четырех видов взаимодействий, оно слабее сильного и электромагнитного, но гораздо сильнее гравитационного на малых расстояниях. Первым обнаруженным процессом, протекающим с участием слабого взаимодействия является -распад. В слабом взаимодействии участвуют и тяжелые частицы – адроны и легкие частицы – лептоны. Оно является единственным типом взаимодействий, в которых участвуют нейтрино. Единая теория электромагнитного и слабого взаимодействия была предложена в 1967-1968 гг. А. Саламом и С. Вайнбергом.

Прежде чем перейти к более подробному обсуждению упомянутых теорий, рассмотрим появление понятия кванта.