Квантовая теория поля

Квантовая механика позволяла описать многие атомные явления при помощи дискретного набора значений энергии, момента, но электромагнитное поле по-прежнему описывалось классическими уравнениями Максвелла, т.е. рассматривалось как непрерывное поле. В квантовой теории поля, в отличие от классической электродинамики, поле рассматривается, как состоящее из виртуальных частиц – квантов. Эта особенность обуславливает второе отличие полей от частиц: поле может порождаться и поглощаться, в то время как идея возникновения и уничтожения частиц чужда квантовой механике. В квантовой теории поля испускание и поглощение электромагнитных волн описывается как рождение и уничтожение фотона.

Рождаться и исчезать могут не только фотоны, взаимопревращаемость частиц является универсальным свойством микромира. В результате столкновений при высоких энергиях одни частицы превращаются в другие. Квантовая механика является низкоэнергетическим приближением квантовой теории поля, когда энергии недостаточно для взаимопревращений частиц. Чтобы определить количество энергии, достаточной для превращения частиц, нужно воспользоваться отношением между массой и энергией, установленным в специальной теории относительности:

.

Энергия, необходимая для образования новой частицы не может быть меньше . Если система состоит из медленно движущихся частиц, то их энергия недостаточна для образования новых частиц. Сказанное относится к массивным частицам, но у фотона масса покоя равна нулю и для его образования не требуется больших релятивистских энергий. В квантовой теории поля фотон играет особую роль – он является частицей-переносчиком взаимодействия.

Кванты – переносчики взаимодействия

В классической электродинамике взаимодействие между зарядами осуществляется через поле, каждый заряд создает поле и это поле действует на другие заряды. В квантовой теории поле представляется как поток фотонов, взаимодействие между зарядом и полем выглядит как поглощение и испускание кванта поля – фотона.

Зададимся вопросом: как возможно испускание фотонов, если частица при этом теряет энергию и может быть нарушен закон сохранения энергии. Чтобы объяснить возможность обмена фотонами с энергетической точки зрения, следует учесть принцип неопределенности Гейзенберга. Отношение неопределенности связывает энергию частицы со временем ее существования: Если рассматривается взаимодействие посредством обмена фотоном, то за принимается продолжительность одного акта обмена. Энергия частицы не является точно определенной, поэтому законы сохранения энергии и импульса не препятствуют испусканию и поглощению квантов взаимодействия, если только эти кванты существуют в течении времени

Понятие вакуумного состояния. Минимальная энергия поля

В квантовой механике поле представляется как поле фотонов, которое имеет запас энергии и может отдавать ее порциями. Уменьшение энергии поля на величину означает исчезновение одного фотона частоты , т.е. переход поля в состояние с уменьшением числа фотонов на единицу. Если процесс исчезновения фотонов будет продолжаться, то образуется состояние, в котором число фотонов равно нулю и дальнейшая отдача энергии не возможна.

С точки зрения квантовой теории поля, электромагнитное поле не перестает существовать, а находится в состоянии с минимальной энергией. Поскольку в данном состоянии фотонов нет, его естественно называть вакуумным состоянием электромагнитного поля или фотонным вакуумом. Вакуум – низшее энергетическое состояние поля, но согласно принципу неопределенности, нельзя считать энергию поля нулевой. Физический вакуум не «пустота», а особое состояние, которое проявляет определенные физические свойства. Если полю в вакуумном состоянии сообщить достаточную энергию, то происходит его возбуждение, т. е. рождение частицы – кванта поля.