Квантовая теория поля. Виртуальный механизм взаимодействия элементарных частиц

11. Квантовая теория поля

Вакуумноесостояние. Нерелятивистская квантовая механика позволяет описывать поведение неизменного числа частиц под воздействием того или иного поля. В отличие от нерелятивистской механики квантовая теория поля учитывает рождения и поглощения (уничтожения) частиц. В силу этого аппарат квантовой теории содержит два оператора: оператор рождения и оператор поглощения частиц. Именно в этой связи выясняется весьма необычное обстоятельство. Оказывается, что операторы числа частиц не коммутируют с операторами, выражающими особенности тех или иных полей, например с операторами напряженности электрического Е и магнитного Н полей. Это означает, что число частиц связано с характеристиками поля соотношениями неопределенностей. Согласно квантовой теории поля, невозможно такое состояние, когда нет и поля, и частиц, т.е. невозможна пустота. Строго говоря, поле не может перестать существовать, в своем наинизшем энергетическом состоянии оно выступает как вакуум. Для вакуума характерны не свободные, самостоятельные, наблюдаемые, а виртуальные частицы, порождаемые и сразу же поглощаемые им. Вакуум — это облако виртуальных частиц, вполне реальная физическая среда. Понятие вакуума является одним из основных в квантовой теории поля. Очень многие физические явления нельзя объяснить без привлечения понятия «вакуум». Вакуум — это один из активнейших неустранимых физических агентов, который как бы сопровождает, «обволакивает» любые невиртуальные частицы: протоны, электроны, мезоны ит.д.

Виртуальный механизм взаимодействия элементарных частиц. Представление о взаимодействии элементарных частиц кажется чуть ли не самоочевидным, но понять его механизм совсем не просто. Известно из физической классики, что элементарные частицы взаимодействуют посредством полей. Но что представляют собой сами поля? Неясно. Таким образом, необходимо как-то уяснить себе механизм взаимодействия частиц. Актуальной является в этой связи следующая мысль.

Может быть, взаимодействие между частицами осуществляется так: одна частица испускает (порождает) квант взаимодействия, а другая его поглощает? Но свободная частица не меняет значения своих параметров, следовательно, она не может испустить квант, ибо у нее нет ресурсов на такой акт. Приведенное в последнем предложении рассуждение неверно, оно никак не учитывает соотношения неопределенностей, столь характерного для квантовых явлений. В свете соотношения неопределенностей всякая частица «имеет право» испустить виртуальный квант взаимодействия, например по направлению х, такой энергии и импульса и на такое время и расстояние, которые должны быть связаны соотношениями:

DEDt > ħ, Dp_xDx > ħ.

Природа виртуальных частиц такова, что они, возникнув, через время Dt должны быть поглощены. Итак, в свете соотношения неопределенностей механизм взаимодействия элементарных частиц действительно предстает как обмен квантами взаимодействия. Существенно, однако, что кванты взаимодействия являются виртуальными частицами. В квантово-полевом смысле поле есть не что иное, как совокупность виртуальных частиц.

Не вдаваясь в подробности анализа соотношений неопределенностей, отметим, что чем больше масса (а следовательно, и энергия) кванта взаимодействия, тем меньшее расстояние Dх он успевает пройти до своего поглощения.

Механизм квантово-полевого взаимодействия показывает, что оно совершается в полном соответствии с концепцией близкодействия. Взаимодействие осуществляется не мгновенно, как считается в концепции дальнодействия, а за конечный промежуток времени.