Ещё раз о квантовых полях

Ещё раз о квантовых полях

Давайте начнём с более внимательного рассмотрения классической квантовой тории поля, оказавшейся настолько удачной. Это послужит подготовкой к дискуссии струнного объединения, также поможет выявить главные связи меж этими 2-мя подходами к формулировке законов природы.

В главе 3 дискуссировалось, что традиционная физика обрисовывает поле как нечто типа тумана, который пронизывает область места и Ещё раз о квантовых полях может переносить возмущения в виде ряби и колебаний. Если б Максвелл описывал свет, к примеру, освещающий на этот момент этот текст, он бы с экстазом говорил об электрических волнах, которые исходят от солнца либо от настольной лампы и колеблются в пространстве, направляясь к этой страничке. Он стал бы математически обрисовывать Ещё раз о квантовых полях движение волн при помощи чисел, изображающих силу поля и направление поля в каждой точке места. Колеблющееся поле соответствует колеблющимся числам: численное значение поля в каждой данной точке временами возрастает и миниатюризируется.

Вовлечение в квантовую механику понятия поля приводит к квантовой теории поля, обладающей 2-мя значительно новыми качествами Ещё раз о квантовых полях. Мы встречались с ними ранее, но стоит напомнить. Во-1-х, квантовая неопределённость принуждает значение поля в каждой точке случаем колебаться — вспомните флуктуирующее поле инфлатона в инфляционной космологии. Во-2-х, подобно воде, состоящей из молекул H2O, квантово-механическое поле состоит из нескончаемо малых частиц, узнаваемых как кванты поля. Кванты Ещё раз о квантовых полях электрического поля — это фотоны, и потому квантовая физика изменяет традиционное описание вашей настольной лампы, данное Максвеллом, — сейчас лампа испускает устойчивый поток из 100 млрд млрд фотонов за секунду.

Десятилетия последующих исследовательских работ установили, что эти характеристики квантовой механики, применённые к полям, являются совсем общими. Каждое поле подвержено квантовым флуктуациям. Каждое поле сопоставляется какому Ещё раз о квантовых полях-то виду частиц. Электроны — это кванты электрического поля. Кварки — это кванты кваркового поля. В качестве (очень) приближённого приятного вида физики время от времени задумываются о частичках как об узлах либо плотных частицах соответственного поля. Но вроде бы вы не представляли частички, в рамках квантовой теории поля они математически описываются Ещё раз о квантовых полях как крошечные крапинки либо точки, не имеющие пространственного размера и внутренней структуры.{27}

Наша вера в квантовую теорию поля обоснована одним значимым фактом: ни один опыт не противоречит её пророчествам. Напротив, данные подтверждают, что уравнения квантовой теории поля обрисовывают поведение частиц с замечательной точностью. Более впечатляющим примером является Ещё раз о квантовых полях квантовая теория поля электрических сил, квантовая электродинамика. С её помощью физики провели подробные вычисления магнитных параметров электрона. Работа довольно трудоёмкая, и четкие результаты востребовали десятилетий вычислений. Но это того стоило. Приобретенные результаты совпадают с реальными измерениями с точностью до 10 символов после запятой, что является совсем немыслимым согласием теории Ещё раз о квантовых полях и опыта.

После такового фуррора можно ждать, что квантовая теория поля является математическим фундаментом для осознания всех сил в природе. Многие известные физики делили такую точку зрения. В итоге упрямого труда многих из их к концу 1970-х было установлено, что слабенькое и сильное ядерные взаимодействия вправду отлично описываются квантовой теорией поля. Оба Ещё раз о квантовых полях взаимодействия аккуратненько описаны в определениях полей — сильные и слабенькие поля, — распространяющихся и взаимодействующих согласно математическим правилам квантовой теории поля.

Но, как указывалось выше в историческом обзоре, многие из упомянутых физиков стремительно сделали вывод, что ситуация с четвёртым взаимодействием в природе — гравитацией, еще тоньше. Как уравнения общей теории относительности соединяются Ещё раз о квантовых полях воединыжды с уравнениями квантовой теории, математика начинает бунтовать. Совместное внедрение уравнений для вычисления квантовой вероятности неких физических процессов — таких как возможность того, что два электрона оттолкнуться друг от друга, притом что они электромагнитно притягиваются и гравитационно отталкиваются, — обычно, приводит к ответу бесконечность. И хотя некие вещи во Вселенной Ещё раз о квантовых полях и могут быть нескончаемыми, к примеру протяжённость места и количество заполняющего его вещества, но вероятности нескончаемыми быть не могут. По определению, значение вероятности должно находиться меж 0 и 1 (меж 0 и 100, если считать в процентах). Нескончаемая возможность совершенно не значит, что нечто вероятнее всего произойдёт, либо определённо случится; быстрее напротив Ещё раз о квантовых полях — это абракадабра, как гласить об одиннадцатом яичке в 10-ке. Нескончаемая возможность шлёт тривиальный математический намёк: совместное внедрение уравнений глупо.

Физики узнали, что неувязка коренится в дрожании и флуктуациях из-за квантовой неопределённости. Математические способы квантовой теории поля были разработаны для анализа флуктуаций сильных, слабеньких и электрических полей, но, при их применении Ещё раз о квантовых полях к гравитационному полю — полю, которое определяет кривизну пространства-времени, — оказалось, что они никчемны. Появились различные математические противоречия, такие как нескончаемые вероятности.

Чтоб осознать, почему так происходит, представьте, что вы обладатель старенького дома в Сан-Франциско. Если кто-то из ваших жильцов устраивает очень бурные вечеринки, вам, наверняка, придётся Ещё раз о квантовых полях поднатужиться, чтоб привести жильцов в чувство, но вы точно сможете не волноваться, что пирушка нарушит устойчивость самого строения. Но, если начнётся землетрясение, вы столкнётесь с более серьёзной неувязкой. Флуктуации трёх негравитационных полей — полей, что населяют здание пространства-времени, — подобны неутомимым участникам вечеринок. Целое поколение физиков боролось с Ещё раз о квантовых полях квантовыми флуктуациями, и к началу 1970-х годов были развиты математические способы, правильно описывающие квантовые характеристики негравитационных полей. Но флуктуации гравитационного поля отменно другие. Они больше похожи на землетрясение. Так как гравитационное поле вплетено в саму ткань пространства-времени, квантовые флуктуации сотрясают всю его структуру повдоль и поперёк. Математические способы, применяемые Ещё раз о квантовых полях для анализа таких всеобъятных квантовых флуктуаций, перестают работать.{28}

В течение многих лет физики смотрели через пальцы на эту делему, так как она появляется только при очень экстремальных критериях. Гравитация вступает в игру, когда объекты очень массивны, а квантовая механика — когда их размер очень мал. Изредка бывает, чтоб предмет Ещё раз о квантовых полях был сразу и мощный, и малым, так что для его описания нужно завлекать как квантовую механику, так и общую теорию относительности. Но подобные ситуации появляются. Когда гравитация и квантовая механика используются для описания либо Огромного взрыва либо чёрных дыр, другими словами когда вправду большущая масса вещества сжимается до маленьких размеров Ещё раз о квантовых полях, математические способы перестают работать в самый критичный момент анализа, оставляя без ответа вопросы, касающиеся того, как Вселенная родилась и как она, может быть, умрёт в центре чёрной дыры.

Более того — и это вправду впечатляюще, — отвлекаясь от озвученных примеров чёрных дыр и Огромного взрыва, можно вычислить, как мощным и Ещё раз о квантовых полях малым должна быть физическая система, для того чтоб и гравитация, и квантовая механика игрались существенную роль. Ответ таковой — масса, приблизительно в 109 раз превосходящая массу протона, так именуемая масса Планка, сжатая до фантастически малого объёма приблизительно 10−99 кубического сантиметра (грубо говоря, это сфера с радиусом 10−33 сантиметра с так именуемой планковской длиной, как показано Ещё раз о квантовых полях на рис. 4.1).{29} Таким макаром, расстояние, на котором квантовая гравитация вступает в права, в миллион млрд раз наименьшее расстояния, достижимого на самых массивных в мире ускорителях. Такая большая неисследованная территория просто может быть населена новыми полями и их частичками — и кто знает, чем ещё. В целях объединения гравитации и квантовой механики Ещё раз о квантовых полях будет нужно совершить огромное количество переходов, сталкиваясь с известным и неведомым на всей этой огромной местности, которая по большей части остаётся экспериментально труднодоступной. Такая задачка очень амбициозна и многие учёные были убеждены, что она нерешаема.

Рис. 4.1. Планковская длина, на которой сходятся гравитация и квантовая механика, приблизительно Ещё раз о квантовых полях в 100 млрд млрд раз меньше, чем неважно какая область, когда-либо исследованная экспериментально. На схеме каждое огромное деление соответствует уменьшению размера в 1000 раз; благодаря этому данная схема полностью умещается на одной страничке, что, но, зрительно понижает масштабность этого большущего спектра. Для наилучшего осознания укажем, что если прирастить атом до размеров наблюдаемой Ещё раз о квантовых полях Вселенной, то планковская длина будет равна размерам обыденного дерева

Потому вы сможете представить то удивление и недоверие, когда посреди 1980-х годов в физическом обществе поползли слухи, что в направлении объединения произошёл серьёзный теоретический прорыв в рамках подхода, нареченного теорией струн.

Теория струн

Хотя теория струн имеет репутацию сложной теории Ещё раз о квантовых полях, её основная мысль очень ординарна. Мы лицезрели, что стандартная точка зрения, до теории струн, состояла в том, что фундаментальные составляющие являются точечными частичками — точками без внутренней структуры, — которые описываются уравнениями квантовой теории поля. С каждым типом частиц связан собственный тип поля. Теория струн кидает вызов такому представлению, утверждая, что частички Ещё раз о квантовых полях не являются точечными. Заместо этого в теории струн предлагается рассматривать их как крохотные, струноподобные вибрирующие нити, как на рис. 4.2. Присмотритесь ближе к хоть какой частичке, которая ранее числилась простой, и вы увидите, как того просит теория, крошечную вибрирующую струнку. Загляните глубже в электрон и вы обнаружите струну, загляните глубже в Ещё раз о квантовых полях кварк и вы снова обнаружите струну.

Рис. 4.2. Согласно струнному разъяснению устройства природы, на планковских расстояниях фундаментальные составляющие материи имеют вид струноподобных нитей. Но из-за ограниченности разрешающей возможности нашего оборудования мы лицезреем эти струны как точки

При более детализированном рассмотрении, гласит теория, вы увидите, что струны в частичках Ещё раз о квантовых полях различного типа неразличимы — лейтмотив всей теории струн, — но вибрируют они по-разному. Электрон наименее массивен чем кварк, и согласно теории струн это значит, что струна электрона вибрирует наименее энергично, чем струна кварка (еще одно проявление эквивалентности энергии и массы, воплощённое в уравнении E = mc2). Электрон также обладает электронным зарядом, величина которого превосходит Ещё раз о квантовых полях величину заряда кварка, и эта разница разъясняется другими, более тонкими, различиями в струнном вибрационном поведении каждого из их. Разные характеристики частиц объясняются различным вибрационным поведением нитей в теории струн, подобно тому как различные вибрации гитарных струн порождают звучание различных музыкальных нот.

На самой деле, теория вдохновляет Ещё раз о квантовых полях нас мыслить, что вибрирующие струны не просто порождают характеристики частицы-хозяина, а что они и есть сама частичка. Из-за нескончаемо малого размера струны, порядка планковской длины — 10−33 сантиметра, даже самые четкие современные опыты не могут подтвердить либо опровергнуть протяжённую структуру струны. Большой адронный коллайдер, на котором частички сталкиваются вместе Ещё раз о квантовых полях при энергиях, превосходящих в 10 триллионов раз энергию покоящегося протона, может добраться до расстояний приблизительно 10−19 сантиметра; это миллионная от миллиардной толики толщины волоса, но всё же оно очень велико, на много порядков больше планковских расстояний. Потому струны смотрятся как точки, даже если их учить на самых массивных в мире ускорителях Ещё раз о квантовых полях частиц, подобно тому как Земля смотрится как точка, если на неё глядеть с Плутона. Все же, согласно теории струн, частички являются струнами.

В этом, в 2-ух словах, и заключается теория струн.


esli-v-zachete-uchastvuet-pyat-par-i-menshe-to-organizacionnij-komitet-mozhet-prinyat-reshenie-ob-obedinenii-zachetov.html
esli-vam-otkazivayut-v-garantijnom-remonte-v-avtoservise-oficialnogo-dilera.html
esli-vas-chto-to-zainteresovalo-iz-visheupomyanutogo-ne-polenites-uznat-o-nalichie.html