Вихман Э. Квантовая физика (1185110), страница 93
Текст из файла (страница 93)
Классическая электромагнитная теория является прекрас- ным примером такой ситуации: положения и скорости всех заряжен- ных частиц в данный момент времени не определяют однозначным образом электромагнитное поле. Начальные условия должны вклю- чать в себя и значения электромагнитного поля в любой точке про- странства. Электромагнитное поле требует, однако, для своего описания бесконечно большого числа параметров, и наша система не является больше системой с конечным числом степеней свободы.
В этом глубокое различие между релятивистскими и нерелятивистс- кими теориями. 39. Обратим внимание на другую особенность (классической) релятивистской теории: в любой момент времени часть полной энергии системы заключена в поле. Это свойство любой теории, в которой взаимодействие переносится полем.
Рассмотрим, напри- мер, две частицы А н В, взаимодействующие друг с другом, и пусть частица А внезапно сталкивается с частицей С, которая не депйсдв!ет непо:рс!:г.щ но иа частицу В. Состояние гз,.женпя ча. стицы А измен пгя. и с:ечением времени это пз!!Овен!!с проявится Каи НЗ' ' ипЕНИЕ ПОЛЯ СОЗЛ !званого Ча,'Ип и ! В Неьтс !)аСПОЛОЖЕН'гЯ рис. авд, с.нинок обра.санния н р спада ггейтраггьяо'г д.яа типы и нейтрально о К.ме'онэ в пу ы! ..вой камер З верхи н прагаотг углу д . сте.; события Видна ые следы. Иекунн левине мй нитным полем, прггнадлежат яяряагсппгем яьгтяпаьг ггейтрвльные настины были обра' г„кы в рсакпнн р и .— де-'-К, ксгораг я ясгс.
приысран ситьного втви гсдейст. вня Р,.льды проггсходят бл "одаоя слабому ваап гсдс гствию, Отрипатетьный ьгйои, нсггу. щеяггьг.. тггг распаде к!Цгстшг;г. е свою оясрсдь рвссютустсгг на электрон, нептрнио п югтинейт- рньо Послсднгс дпс ы ггг гы неятральны и пе оста' лают следа в г,етыре частицы В. В конце концов состояние движения част!щы В тоже изменится; в частности, может измениться се кинетическая энергия. Таким путем между частицами А и В произойдет обмен энергией, осуществленный чере. посредство поля.
Если мы хотим построить теор!!ю, в которой пчеет смысл понятие о полной энерпгн спет мы в 313 данный момент времени н сохраняется полная энергия изолированной системы, то мы должны спросить себя, где находилась энергия, переданная частице В,между моментом столкновения частиц А н С и последующим моментом, когда частица В почувствовала изменение состояния частицы А. Мы вынуждены считать, что эта энергия была заключена в поле. 40.
Эти размышления позволяют сделать еще один интересный вывод. Допустим, что ситуация не изменилась, но частица В отсутствует. В тот момент, когда частицы А и С столкнулись, поле, создаваемое частицей Л, изменилось, и некоторая часть энергои частицы А перешла в поле. Это та же часть энергии, которая имелась в присутствии частицы В, так как частица А не «знает», что частица В, которая может воспринять энергию, отсутствует. 11о если частицы В нет, куда исчезает энергия, передаваемая полю? Она куда-то уходит, н одна из возможностей ее исчезновення— излучецие в пространство. Именно это и происходит в электромагнитной теории: если заряженная частица Л сталкивается с другой частицей С (которая может быть и нейтральной), то частица А испускает электромагнитные волны, которые могут перенести энергию «в бесконечность>, если нет других частиц, способных поглотить часть этой энергии.
Мы пришли, таким образом, к весьма общему выводу: если взаимо"ействие между частицами осуществляется полем, то поле должно проявить себя в виде свободно распространяющихся и переносящих энергию волн. 41. Рассмотрим теперь проблему взаимодействия частиц с точки зрения квантовой механики. Еще в первых главах книги мы пришли к заключению, что с каждой частицей связана волна и что, с другой стороны, каждая волна имеет некоторые свойства частицы. Можно сказать, что квантовомеханическая волна идентична квантовомеханической частице: это один и тот же объект, поведение которого не совпадает ни с поведением классической частицы, ни с поведением классического волнового пакета.
Такая точка зрения приводит к замечательному упрощению наших концепций. В классической физике мы имеем дело с двумя типами объектов — с частицами и волнами, осуществляющими взаимодействия между частицами. В квантовой физике удается избежать этой двойственности, рассматривая ечастнцы» и волны как различные проявления свойств одного и того же объекта. Мы формулируем теорию поля, описывающую распространение волн-полей, которые представляют собой дебройлевские волны частиц. Такая теория поля описывает также и взаимодействие между волнами, сводя к нему эффективные силы, действующие между частицами.
Это весьма привлекательная идея, и она является основой квантовой теории поля. В теории Шредингера силы между частицами должны быть заданы. Задав их, можно предсказать движение частиц, но сама теория Шредингера не дает никакого кобъяснения», почему силы таковы. С другой стороны, в квантовой теории поля существование и природа сил тесно связаны с существованием частиц: мы 374 единым образом описываем часпщы, волны и силы. Квантовая эл китовая электродинамика, которая является одной из теорий поля, дает нам хнам хороншй пример этих свойств теории.
Действительно, силы между электронами (и позитронами) возникают как проявление электромагнитного поля, а кванты электромагнитного поля (фотоны) нспускаются взаимодействующими электронами. 42. Сделаем обзор основных идей квантовой теории поля. Квантовые поля вводятся для описания частиц и взаимодействия между ппми. Поля зависят от координат и времени и описывают то, что называют локальным состоянием вакуума '). Волновой аспект материи вводится в теорию с самого начала: решения уравнений квантовой теории поля являются волнами.
Волны имеют также свойства частиц. Хорошо локализованная частица соответствует концентрированному волновому пакету: частицу легче всего найти в той области пространства-времени, в которой амплитуда поля велика. Уравнения поля пелинейны, и поэтому онп могут описывать азиимодейсгпвия между волновыми пакетами (частицами). Нелинейность проявляет себя лишь в тех случаях, когда амплитуда поля велика. Если амплитуды малы, то волны распространяются приблизительно так же, как и в линейной теории.
Если два волновых пакета, соответствующие двум частицам, перекрываются в донный -момент времени в некоторой части пространства, нелинейность становится существенной и две волны влияют друг на друга. В классической картине это соответствует взаимодействию между двумя частицами. С другой стороны, если волны не перекрываются, между ними иет заметного взаимодействия, и это отвечает классической картине двух частиц, очень слабо взаимодействующих, если расстояние между ними велико. 43.
Квантовая теория поля является существенным образом теорией д»ногих чпсгпиц: она дает единый метод, пригодный для описания состояний с любым числом частиц данного типа. Рождение п исчезновение частиц представляют собой естественные и обычные для этой теории процессы. Их существование связано с нелинейным характером уравнений поля. Два волновых пакета (отвечающие двум частицам) могут перекрываться, взаимодействовать и создавать новые волновые пакеты (соответствующие новым частицам). Например, при столкновении двух электронов испускаются электромагнитные волны. Мы говорим, что происходит рождение фотона. 44. В соответствии с этими идеями были сформулированы многие более или менее глубокие квантовые теории поля.
Классическим примером такой теории является квантовая электродинамика, которая достигла замечательных успехов в описании электромаг- ') Поля не являются больше чобычными» комплексными функциями, аависяшими от координат и времени. Они представля ют собой математические обьеяты, опРеделяемые операторами. Для наших целей можно, однако, считать нх обычными фуннцаями.
375 нитных взаимодействий заряженных частиц, и осооспцо в атомной физике. Спепнальпые предположения, лежащие в осноое других теорий поля, призванных объяснить слабые и сильные ззапмодейСтнип, ОКаЗаЛИСЬ МЕНЕЕ УСПЕПП:ЫМИ. Эти тЕОР4Щ ДВЛП ИЗУГ Пясииаинв Рис. 44А. Фотюрсфзя обгзтоваг кя н поссслуюпгс~о р юпгдз пары с "чод, — ьтилячбдв. В верхнем'правов углу ггагга схема соСытия Входиюн ~ а ка геру юппсротон стз,юпзается о протоном и образует. пару лямбда — юпил анода обе зтн ас-и гы»ентргльиы и ~гг оставляйв видвимх следов в камере. Лячбда-частина распадается (эа сыт слабых и~ и тз леч;твггд) нв протон и отрицательныв пион.
а антилямблз-юстица обра угт при рзсгюсгг з|тнпргттон и пвложительиып пион. затем антипротон стьлкнвается с протоном и йпгю илнрует прн этим ° бразуются пионы, четыре из которых заряжень1 и аст:.злюот зядпчыс слепы Мы приводим Эту ФОтснгафИЮ В СГРЕДИНЕ ОССУжДспия КзантазОП те рнп ~ Оля Одипя И З.ХЗЧ т.чГОП тЕОРВН является объяспсгпс подобных явлении некоторых, весьма общих свойс~в злемеитарных частиц, но ие привели, однако, к существенным предсказаш,ям, проверяемым иа опыте. В случае сильных взаимодействий метод последовательных 376 приближений, на котором основаны успехи квантовой э.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
