41. Релятивистская квантовая физика. Античастицы и виртуальныечастицы

В 1927 г. английский физик П.Дирак, рассматривая урав­нение Шрёдингера, обратил внимание на его нереляти­вистский характер. При этом квантовая механика описывает объекты микромира, и хотя к 1927 г. их было известно толь­ко три: электрон, протон и фотон (даже нейтрон был экспе­риментально обнаружен только в 1932 г.), 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 полупил 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 континуалистская 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 эффекты, 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 быбесконечности. 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:

∆Е . ∆t > h.

Согласно этому, квантовые эффекты могут на время нару­шать закон сохранения энергии. В течение короткого времени ∆t 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.

42. Физический вакуум в квантовой теории поля

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 насы­щенном всевозможными флуктуациями всевозможных полей Вакуум в квантовой теории поля определяется как наинизшее энергетическое состояние квантованного поля, энергия ко­торого равна нулю только в среднем. Так что вакуум — это «Нечто» по имени «Ничто».

Релятивистская квантовая теория поля, которая началась ра­ботами П. Дирака, В. Паули, В. Гейзенберга в конце двадца­тых годов нашего столетия, была продолжена в трудах Р. Фейнмана, С. Томонаги, Дж. Швингера и других ученых, давая все более полное представление о физической неразложимости мира, о несведении его к отдельным элементам. Здесь прин­цип целостности находит свое выражение в 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.

Создание квантово-полевой исследовательской программы полностью изменили наши представления о мире, наш под­ход к структуре физических законов. В итоге создана новая квантовомеханическая картина мира, выработан новый стиль мышления ученых, новый тип научной рациональности, на­зываемый неклассическим, в котором есть место случайно­сти, вероятности, целостности.