Вихман Э. Квантовая физика (1185110), страница 92
Текст из файла (страница 92)
Основные идеи квантовой теории поля 32. Рассмотрим теперь некоторые теоретические попытки понять взаимодействие частиц. Вернемся к идее, высказанной в и. 9, согласно которой рассеяние следует рассматривать как проявление вза наодействня волны с волной. Классической идее о двух частицах, взаимодействующих с помощью сил, соответствует квантовомеханпческая идея о взаимодействии волн де Бройля. Это означает, что волна де Бройля одной из частиц влияет на распространение волны де Бройля другой частицы.
Таксе влияние возможно лишь в том случае, если среда, в которой распространяются волны де Бройля, нелинсйна, т. е. если «отклик» среды нелинеен. В линейной среде, где распространение волн описывается линейным дифференциальным уравнением, любая линейная суперпозиция двух волн дает возможную волну, и присутствие одной волны не влияет на поведение другой. 33. Обсудим теперь свойства вакуума, или пустого пространства. В Х 1Х веке, когда развивалась электромагнитная теория, вакуум был известен под другим наименованием. Его называли «эфиром>.
Рассуждая о волне, естественно поставить вопрос о том, 368 чтб же «колеблется»; физики прошлого века говорили, что колеблется эфир и что поведение электромагнитных волн в эфире описывается уравнениями Максвелла. Лля физиков того времени было естественным желание понять электромагнетпзм в рамках жеханл«епкпх моделей и считать электромагнитные волны чем-то аналогичным упругим волнам в твердом теле. На создание таких мо .елей было затрачено много усилий. Механические свойства, коточычг пришлось наделить эфир, оказались совершенно отличными от с-ойств любого мыслимого твердого тела или жи:кости, но это са;ю: .. ебе не свидетельствовало против теории. Механическая теория эфира вызывала, однако, серь;"иые возражения принципиального характера. Рассмотрение мех н:ш«ских свейств эфира не вызывалось необходимостью и ничего не дооавляло к пониманию электромагнитных явлений.
Уравнения Максвелла сами по себе, без всякой механической интерпрстзппг, содержат все, что в классической электромагшпной теор;ш имеет значение для эксперимента. Например, если мы хотим описать распространение радиоволн от одной антенны к другой, достаточно решить уравнения Максвелла с соответствующими граничными условиями, а наличие или отсутствие механической модели распространения волн не имеет значения. Постепенно физики поняли> что для электромагнетизма имеют значение лишь уравнения Максвелла. Попытки построения механических моделей поэтому были прекращены, и вопрос о том, «чтб на самом деле колеблется», был признан бессмысленным.
34. Появление специальной теории относительности ускорилп кончину механической теории эфира. Постараемся понять, почему это превзошло. Если свойства эфира в какой-то степени аналогичны свойствам твердого тела или жидкости, то мы вправе ожидать сушествеяания некоторой инерциальной системы, по отношению к которой эфир покоится. С другой стороны, все соответствующие опыты указывали на невозможно«явь определить состояние движения относительно эфира: все инерциальные системы полностью эквивалентны друг другу.
Последнее утверждение является одной из основ спепиальной теории относительности. Если оно справедливо, что не вызывает у нас сомнений, то движущийся эфир должен иметь. те же физические свойства, что и покоящийся. Такими качествами. не может обладать никакое обычное твердое тело или жидкость. В связи с тем, что у эфира оказались фундаментально «немеханические> свойства, бессмысленным было пытаться наделить его другими механическими свойствамп.
' 35. Сегодня механический эфир изгнан из физики и само,слож» «эфир» не встречается больше в учебниках. Мы говорим о «вакууме», демонстрируя тем самым отсутствие интереса к среде, в которой происходит распространение волн. Изучая электромагнитные волны или волны де Бройля, мы не спрашиваем больше о том, «чтб колеблется». Мы ограничиваемся тем, что имеем волновое урааие«им> для этих волн, которое дает нам возможность предсказауь экспериментально наблюдаемые явления. Как мы упоминали, этн волновыв гвяи Збя уравнения должны быть нелинс)н)ь)з(и, если мы хотим огшсать с нх помощью взаимодействие частиц, Получение таких волновых р нс.
ЗЗА. Снпмок обоз озспня н распада нентрз.п нон аптнспгча-ысюзпы з пузырькоаой каМере. В зерьпем правом )члу прппедена сзе зз, пояспяюп(ая иа)зподзетзые реакц ду .'ед а сюзмзе ) е пральч я ~астзпг;- (зптРччзззыслкнчя пз стена) неостааляет нндн. г е е.... ьс,«, ' ' ' яет нднмз о следа а камере. Вздяыые следьз нскпналсяы. так кзк камер,з наззднзся я магннтнпм ззоле, перпенднкулярнам к плоскастзз рпсунка Рсакчня розсдоиня, н которой а результате,столк. поясняя аптнпротонз с протоном образуются " и Л-частнпы, пронсзоднт пследстнне силь. ного нзанмодеастаня Влзгодзрзз м« ьтромагян гному нзанмодсйстяпю Хз-частное распадается на Л часткпу н у кзапт 3: осза чызые р клады, наблюдаемые на гя ямке.
отнегстаенны сла- бые ззанмодейстаня уравнений и извлечение из ннх экспериментальных предсказаний является задачей квантовой теории ноля, которая претендует быть фундаментальной теорией элементарных частиц. В этой теории 370 волны описываются нванаюванноьин полллш, и цо своим идеям оиа является кваитовомехан~ческим обоб1цеппем клпсспчсскоп волновой теории.
Мысль описать взаимодействие чагтпп через кванговапиые поля привлекательна во многих отноше:1пях, и нам с.!сдует попытаться понять широкие перспективы тзкоп теории. К сожалению, для этой цели необходим довольно сложньп' математический аппарат, которым мы еще не владеем, п нам пр~,.ется и.раппчпться изложением основных идей, 1 '4~ 7Х Я нолтера ~»'сч» ,фул»Г Рнс. зай. схема небольшой х ид«сшодородной путырьковон камеры длгноб 25 м.
кз»срз «возбуждается» внезапным уме»*ьшепьем давления, под которым находится жидкий водород При уменьшенном давлении температура ткидкостн оказывается выше то ~кгз кип*яня. по «и- пенне не может ва»этьен неиедленно: в те ~ение короткого интервала времени жидкость оста.
ется в перегретом состоянии Ко~да через жидкость проходит заря»кепи:,и частила. происход»ж испарение. локализованное вдоль траектории прн этом обрэзугтсг след, состоящий и. маленьких пузырьков газа. которы»может быть сйютогргбшрован Затем давление снова увеличивают, п зсв следы»»сааза»от! камера готова к следующему пи~ ау. 1 — резернуар для сбрасывания давления; 2 — клапан сброса давления; 3 — компрессор: 4 — декомпрессируюнгий бачок для охлахгдспвя жидким азотом; 5 — к вакуумному насосу: 5 — вакуумная рубашка; 7 — вакуумированвый бак; 3 — резервуар жидкого водорода; 2 — расширительная линия; !Π— тепловой мост; ! ! — азотныя экран; 12 — нагревателю !3 — затвор; 1! — источник света; !5 — фотоаппарат; !б — подзча водорода; 17 — аварийный «лапак Зб.
Рассмотрим в весьма общем виде проблему взаимодействия между двумя (или несколькими) частицами, оставаясь сначала в рамках классической физики. В нереллтивисгисной теории можно было бы ввести зависящие от положения силы, действующие между частицами. Сила, действующая па данную частицу, зависит от ее положения и от положения другой частицы в тот же момент времени. Таким образом, действие сил в этом случае является мгновенным: если положение частицы внезапно меняется, соответствующее изменение силы мгновенно воспринимается другой частицей.
Мы считаем, что любая фундаментальная теория должна находиться в согласии с принципамн специальной теории относитель- 371 ,,ости. з1сжду тем описанное выше мгновенное взаимодействие полностью им противоречит. Никакой сигнал не может распространяться со скоростью, большей скорости света с, поэтому мгно~~нное действие сил невозможно. Если положение или состояние движения одной пз частиц внезапно меняется, то другая частица почувствует изменение лишь через некоторое время, причем потреоное для этого минимальное время равно времени распространепия светового сигнала между частицами. Создание релятивистской инвариантной теории взаимодействия классических частиц отнюдь не тривиальная задача, Для этого пеооходнмо глубокое изменение нерелятивнстских идей о мгнозен.
пом действии на расстоянии, 37. Возможный способ решения такой задачи заключается в поня~ни с (классическом) поле. Каждая частица является источником поля, которое способно распространяться в пространстве со скоростью, не превышающей скорость света с, и это поле в.шяег на движение других частиц. В релятивистской классической теории такого типа мы имеем дело как с частицами, так н с полямп. Взаимодействие заряженных частиц, осуществляемое через электромагнитное поле, является хорошим примером такой теории: заряд представляет собой источник электромагнитного поля, и это иоле в свою очередь влияет на движение заряженных частиц.
38. Рассмотрим проблему взаимодействия часпгц с пиой сгороны. В классической нерслятивистской теории, где взаимодспствие частиц сводится к мгновенно действующим силам, буду;цее поведение изолированной системы из нескольких частиц однозначно определено. если заданы положения и скорости всех этих частиц в некоторый момент времени. Другими словами, если мы имеем Л' частиц, то их состояние движения определяется 6У параметрами: система имеет конечное число степеней свободы. С другой стороны. в релятивистской теории, в которой взаимодействие описывается полями, недостаточно указать положения и скорости частиц в за- данный момент времени. Мы должны еще указать и состояние поля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
