Квантовые миры и возникновение пространства-времени

Если суммировать все это вместе, то волновая функция первого возбужденного состояния в квантовой теории поля выглядит в точности так же, как волновая функция отдельной частицы, выраженная как функция импульса, а не координаты. Как правило, в ней будут составляющие от волн разной длины, которые мы интерпретируем как разные импульсы в волновой функции частицы. Важнее всего, что состояние, устроенное таким образом, проявляет корпускулярные свойства, когда мы его наблюдаем: если мы измерим количество энергии в некоторой точке пространства (и ответом будет «я только что видел здесь частицу»), то чрезвычайно вероятно, что, посмотрев примерно туда же через секунду, вы зафиксируете такое же количество энергии, даже если изначально волновая функция была сильно распределена в пространстве. В конечном итоге вы будете наблюдать локализованную вибрацию, которая распространяется в поле и оставляет трек в приборе-детекторе, как это происходило бы с частицей. Если это выглядит как частица и крякает, как частица, то, скорее всего, это частица.

Можно ли в квантовой теории поля получить такую волновую функцию, чтобы некоторые присутствующие в ней моды находились в самом низком энергетическом состоянии, а другие – в первом возбужденном состоянии? Конечно же это будет суперпозиция состояний с нулем частиц и с одной частицей, описывающая состояние без определенного количества частиц.

Как вы могли догадаться, следующая по величине энергии волновая функция квантовой теории поля выглядит как волновая функция двух частиц. Та же история продолжается для квантовых состояний поля, соответствующих трем, четырем или любому числу частиц. Равно как мы наблюдаем кота Шрёдингера только в одном из двух состояний – он либо спит, либо бодрствует, – но не наблюдаем его в суперпозиции этих состояний, так мы наблюдаем скопления частиц, когда измеряем слабую вибрацию квантовых полей. Выражаясь в терминологии предыдущей главы, поскольку поля вибрируют не слишком бурно, «устойчивые состояния» в квантовой теории поля выглядят как наборы из определенного количества частиц. Это мы и видим, когда смотрим на мир.

Более того, квантовая теория поля может описывать переходы между состояниями с различным числом частиц, так же как электрон в атоме может перескакивать как на более высокий, так и на более низкий энергетический уровень. В обычной квантовой механике, где центральное место отводится частицам, их количество является фиксированным. Но квантовая теория поля без проблем описывает и те частицы, которые распадаются, или аннигилируют, или рождаются при столкновениях других частиц. Это хорошо, так как подобные события происходят постоянно.

Квантовая теория поля представляет собой одну из самых триумфальных унификаций в истории физики, так как связывает воедино, казалось бы, противоположные идеи частиц и волн. Стоит нам осознать, что при квантовании электромагнитного поля возникают подобные частицам фотоны – и уже не так удивительно, что другие частицы, например электроны и кварки, тоже возникают из квантованных полей. Электроны – это колебания поля электронов, различные типы кварков – это колебания различных типов кварковых полей и так далее.

Во введении в квантовую механику частицы и волны иногда противопоставляются как две стороны одной медали, но едва ли это честная схватка. Поля более фундаментальны, именно поля дают нам лучшее представление о том, из чего состоит Вселенная. Частицы – это только то, что мы видим, рассматривая поля в подходящих обстоятельствах. Иногда обстоятельства неподходящие. Хотя мы часто говорим о кварках и глюонах как об отдельных частицах, внутри протона или нейтрона их правильнее трактовать как диффузные поля. Так, почти без риторического преувеличения, физик Пол Дэвис назвал одну из своих статей «Частиц не существует».

⚪ ⚪ ⚪

Нас в данном случае интересует базовая парадигма квантовой реальности, а не конкретные закономерности, связанные с частицами, их массами и взаимодействиями. Нас волнует запутанность, эмерджентность, а также ответ на вопрос о том, как классический мир возникает из ветвящейся волновой функции. К счастью, для ответов на эти вопросы можно сосредоточиться на рассмотрении вакуума в квантовой теории поля – на физике пустого пространства, где не летают никакие частицы.

Чтобы заострить внимание на примечательности вакуума в теории поля, давайте обратимся к одному из наиболее интересных его аспектов – его энергии. Соблазнительно предположить, что энергия вакуума по определению равна нулю. Но мы осторожно уйдем от такого утверждения: вакуум – это «состояние с самой низкой энергией», но не обязательно с «нулевой энергией». На самом деле эта энергия может быть вообще любой, это одна из констант природы, такой параметр Вселенной, который не определяется никаким другим набором измеримых параметров. В случае квантовой теории поля нужно просто взять и измерить, какова энергия вакуума.