Теории элементарных частиц

Квантовая электродинамика

Квантовая механика позволяет описывать движение элементарных частиц, но не их возникновения или уничтожения, то есть применяется только для описания систем с неизменным количеством частиц. Обобщением квантовой механики является квантовая теория поля - это квантовая теория систем с бесконечным числом степеней свободы (физических полей), которая учитывает требования и квантовой механики и теории относительности. Потребность в такой теории объясняется квантово-волновым дуализмом, существованием волновых свойств у всех частиц. В квантовой теории поля взаимодействие трактуют как результат обмена квантами поля, а полевые величины объявляются операторами, которые связывают с актами рождения и уничтожения квантов поля, то есть частиц.

В середине XX в. была создана теория электромагнитного взаимодействия - квантовой электродинамике (КЭД). Это продуманная до мельчайших деталей и оснащена совершенным математическим аппаратом теория взаимодействия заряженных элементарных частиц (прежде всего, электронов или позитронов) путем обмена фотонами. В КЭД для описания электромагнитного взаимодействия используется понятие виртуального фотона. Эта теория удовлетворяет основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности.

В центре теории - анализ актов излучения или поглощения одного фотона одной заряженной частицей, а также аннигиляции электрон-позитронной пары в фотон или порождение фотонами такой пары.

Если в классическом описании электроны представляются в виде твердой точечной шарики, то в КЭД электромагнитное поле, которое окружает электрон, рассматривается как облако виртуальных фотонов, неотступно движется вместе с электроном, окружая его квантами энергии. Фотоны возникают и исчезают очень быстро, а электроны движутся в пространстве не по вполне определенных траекториям. Еще можно тем или иным способом определить начальную и конечную точки пути - до и после рассеяния, но сам путь в промежутке между началом и концом движения остается невизначепим.

Рассмотрим, например, акт излучения (виртуального) фотона электроном. После того, как электрон излучает фотон, то порождает (виртуальную) электрон-позитронных пар, может аннигилировать с образованием нового фотона. Последний может быть поглощенным исходным электроном, но может породить новую пару и т.д. Таким образом, электрон покрывается облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов,


Описание взаимодействия с помощью частицы-носителя в КЭД привел к расширению понятия фотона. Вводятся понятия реального (кванта видимого нами света) и виртуального (скоротечного, призрачного) фотона, который "видят" только заряженные частицы, которые испытывают рассеяния.

Чтобы проверить, как согласуется теория с реальностью, физики сосредоточили внимание на двух эффектах, которые вызвали особый интерес. Первый касался энергетических уровней атома водорода - простейшего атома. Согласно КЭД, уровни должны быть слегка смещенный относительно положения, которое 6 они занимали при отсутствии виртуальных фотонов. Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки относительно собственного магнитного момента электрона. Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпадают чрезвычайно точно - более девяти знаков после запятой. Столь впечатляющая соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из всех имеющихся естественнонаучных теорий. За создание КЭД С. Томанага, Р. Фейнман и Дж. Швингер были удостоены Нобелевской премии за 1965 Большой вклад в становление КЭД относится и выдающемуся физику-теоретику Л. Д. Ландау

После подобного триумфа КЭД было принято как модель для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий. Разумеется, полям, связанным с другими взаимодействиями, должны соответствовать другие частицы-носители.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >