7. Теория поля.

Исходные представления квантовой механики иногда называют нерелятивистской квантовой механикой. Теория поля является завершением релятивистских идей в квантовой механике. Поэтому ее называют еще квантовой теорией поля. Она формируется как результат исследования корпускулярно-волнового дуализма. На её повлияли: учение о мировом эфире, представления квантовой механики и открытия и исследования различных видов полей.

К ним относятся: электромагнитные, гравитационное, ядерное (сильное и слабое), волновое, электронно-позитронное и др. Но если эти поля рассматривались как результат взаимодействий частиц, то квантовая теория поля создает противоположную концепцию: частица – результат напряжения поля.

Поле – не только непрерывная среда, а элементарные частицы – не только частицы. У поля есть способность обладать частицами – квантами, фотонами – частицами как импульсами, волнами. Элементарные частицы имеют полевую природу, они есть особые образования («осколки») обычных, наблюдаемых в физике полей: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого.

То, что является частицей, рассматривается как квант, а значит, как единство корпускулы и волны. Поле – это то, что обеспечивает особый механизм взаимодействия частиц. Между частицей и полем (средой) нет жесткого разграничения. Частица – не масса или объем, а тип поведения. Поведение частицы неразрывно связано с напряжением поля и описывается единой математической функцией.

В квантовой механике описывается поведение неизменного числа частиц под воздействием того или иного поля. Квантовая теория поля учитывает рождение и поглощение частиц. Число частиц неопределенно. И, значит, не может существовать пустоты. Есть лишь особое состояние материального мира – вакуум. Это облако виртуальных частиц. Вакуум «обволакивает» частицы невиртуальные.

Вакуум – это не пустое пространство – а потенция материи. Виртуальные частицы – это сгустки вакуума, являющиеся потенциями соответствующих типов элементарных частиц. Это «вакуумные корни мироздания», частицы готовые к рождению, но не рождающиеся в самостоятельные частицы. Они проявляются лишь в определенной системе элементарных частиц.

При определенных условиях они вырываются из вакуума и, просуществовав исчезающе малые промежутки времени, превращаются в «нормальные» элементарные частицы, или, лучше сказать, перерождаются в них. Эти частицы оказываются уже относительно независимыми от породившей их среды.

Модель поведения-порождения частиц приобретает очень необычный вид: в центрах перерождения виртуальных частиц происходит рассеяние более обычных элементарных частиц; эти центры называют кварками; сам объем. Пространство, в котором происходит это рассеяние, именуется адроном. Начиная с этого уровня можно говорить о принадлежности частицы к одному из известных полей.

Процесс рождения частицы можно уподобить фейерверку: невидимая в темноте ракета, образует светящуюся точку, она разрывается в облако искр, искры гаснут, твердея в привычной вещественной форме, разносятся ветром и падают. Идущее из древности представление о «частице» как «первокирпичеке» заменяется пониманием ее как «момента порождения».

Взаимодействие между частицами осуществляется виртуальными квантами, поскольку на испускание реального кванта у них нет ресурсов. Характеристики виртуальных квантов определяются соотношением неопределенностей. Виртуальная частица как бы создана для передачи взаимодействия, поскольку она по своей природе не может существовать самостоятельно. Она существует как часть чего-то, точнее для чего-то, возникнув на исчезающе малый промежуток времени, она должна быть поглощена.

Классификация частиц. Важнейшей характеристикой частицы является собственный момент импульса – спин. Частицы с полуцелым импульсом называются фермионами, частицы с целочисленным импульсом – бозонами.

По массе покоя частицы делятся на барионы (тяжелые), мезоны (средние) и лептоны (легкие). Особое положение занимает фотон.

Основные параметры частиц (квантовые числа) – электрический заряд, барионный заряд, странность, очарование, красота, «проекция» изоспина.

Существует четыре типа взаимодействий частиц: электромагнитное, гравитационное и два внутриядерных – сильное и слабое. Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях называются адронами, и к ним относятся барионы и мезоны.

В квантовой теории поля соотношение между понятиями массы и силы (и энергии) оказывается совершенно противоположным классической ньютоновской интерпретации. Не масса, действуя, создает силу и реализует энергию, а наоборот, сила действия, энергии поля «выделяет», фактически образует предметную массу. Сила изначально состоит в создании поля, распространяющегося по способу континуума и действующего на любое тело, помещенное в данном поле, которое только таким образом и испытывает на себе действие другого тела.

В соответствии с этим всякая энергия одновременно представляет собой некоторую массу и, наоборот. Энергия, которой обладает масса, описывается в законах еще ньютоновской физики. Массу же, которой обладает энергия, описывает современная теория поля, приравнивая ее к массе электрона (которая не является массой покоя). Понятия массы и энергии сливаются в едином понятии поля. Объекты макроуровня, обладающие обычной массой могут быть интепретированы как точки особого максимального напряжения поля.

Общая картина мира может быть представлена, в таком случае, следующим образом. Пустое само по себе пространство обладает единственной способностью содержать в себе поля. Все мироздание предстает игрой и перетеканием напряжений этих полей, в результате чего возникают все вещественные феномены. Когда в какой-то узкой области пространства напряжение поля возрастает, подходя по всем параметрам к экстремальному значению, образуются энергетические узлы поля (сингулярности), которые и есть то, что мы называем элементарными частицами, составляющими основу всего остального мира.

Такая картина мира создает в современной науке программу Великого объединения взаимодействий, которая позволила бы создать единую научную теорию мироздания. Она предполагает свести в единое теоретическое построение теорию относительности и квантовую теорию поля, микромир и мегамир. Важнейшим инструментом решения этой задачи является математика, которая при этом также принципиально меняется. Говоря метафорически, она превращается в геометрию смыслов.

Возможность этого связывается с тем, что процессы порождения и поведения частиц, моделируемые в науке на ускорителях, в природе осуществляются в звездах. Для звезд пространство Вселенной своеобразное «поле» и «вакуум». Можно сказать, что микромир и мегамир пульсируют в едином режиме, по одной модели. Звезды выступают как своеобразная кузница атомов. На периферии и в окрестностях звезд, при понижении температуры, а также в результате выбросов вещества из звезд при взрывах, возникают атомы, а далее молекулы, макротела, планеты.

Действительная реализация этой программы пока связана только с одной, но глобальной теорией современной науки – теории эволюции Вселенной. Опираясь на успехи математики, современная космология утверждает наличие в мире различных типов бесконечностей и создает различные модели порождения Вселенной, не только пространственно бесконечные, но и пространственно конечные, замкнутые. Наиболее признанная на сегодняшний день инфляционная концепция, опирающаяся на теорию Большого взрыва.

Существует также ряд идей, не имеющих статуса признанной научной теории, такие как: идея параллельных вселенных, идея сверхструн (м-теория), идеи о размывании границ материи и сознания, универсальная космическая программа и другие. Начиная с 80-х годов прошлого века, этим темам посвящено большое количество литературы, написанной известными авторами, такими как: П. Дейвис, Дж. Браун, Дж. Вулф, Р. Пенроуз, К. Торн, Б. Грин, В.В. Налимов и др.