3.4 Релятивистская квантовая механика

Квантовая механика получила за короткое время интенсивное развитие и была обобщена до теории, описывающей поведение микрообъектов в микромире. Это оказалось возможным благодаря синтезу квантовой механики и специальной теории относительности, благодаря созданию релятивист­ской квантовой механики.

В 1927 году английский физик П. Дирак, рассмат­ривая уравнение Шредингера, обратил внимание на его нерелятивистский характер. При этом квантовая механика описывает объекты микромира, и хотя к 1927 году их было известно только три: электрон, протон и фотон (даже нейт­рон был экспериментально обнаружен только в 1932 году), было ясно, что движутся они со скоростями, весьма близ­кими к скорости света или равными ей, и более адекват­ное описание их поведения требует применения специаль­ной теории относительности.

Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов и квантовой механики и теории относительности Эйнш­тейна, и получил формулу для энергии электрона, которой удовлетворяли два решения: одно решение давало извес­тный электрон с положительной энергией, другое — неизве­стный электрон-двойник, но с отрицательной энергией. Так возникло представление о частицах и соответствующих им античастицах, о мирах и антимирах.

К этому же времени была разработана квантовая электродинамика. Суть ее состоит в том, что поле больше не рассматривается как континуалистская непрерывная среда. Дирак приме­нил к теории электромагнитного поля правила квантова­ния, в результате чего получил дискретные значения поля. Обнаружение античастиц углубило представление о поле. Считалось, что электромагнитного поля нет, если нет кван­тов этого поля — фотонов. Следовательно, в этой области пространства должна быть пустота. Ведь специальная те­ория относительности «изгнала» из теории эфир, можно сказать, что победила точка зрения о вакууме, о пустоте.

Но пуст ли вакуум, — вот вопрос, который вновь возник в связи с открытием Дирака. Сейчас хорошо известны факты, доказывающие, что вакуум пуст только в среднем. В нем постоянно рождается и исчезает огромное количе­ство виртуальных частиц и античастиц. Собственно представление о вакууме как непрерывной активности содержащихся в нем виртуальных частиц со­держится в принципе неопределенности Гейзенберга. Прин­цип неопределенности Гейзенберга имеет, кроме приведенного выше, еще и такое выражение:

∆Е·∆t ≥h.

Согласно этому, квантовые эффекты могут на время нарушать закон сохранения энергии. В течение короткого времени ∆t энер­гия, взятая как бы «взаймы», может расходоваться на рож­дение короткоживущих частиц, исчезающих при возвра­щении «займа» энергии. Это и есть виртуальные частицы. Возникая из «ничего», они снова возвращаются в «ничто». Так что вакуум в физике оказывается не пустым, а пред­ставляет собой море рождающихся и тут же гасящихся всплесков.

Квантовая теория поля является ядром всей современ­ной физики, представляет собой общий подход ко всем известным типам взаимодействий. Одним из важнейших результатов ее является представление о вакууме, но уже не пустом, а насыщенным всевозможными флуктуациями всевозможных полей. Вакуум в квантовой теории поля определяется как наинизшее энергетическое состояние квантованного поля, энергия которого равна нулю только в среднем.