Квантовые миры и возникновение пространства-времени

Просто потому, что говорить о «координате электрона» привычно, физики обычно только и говорят о частицах, хотя нам доподлинно известно, что следует говорить о волновой функции электрона, да и сами физики в курсе, что мир состоит из полей, а не из частиц. Эти ученые даже говорят, что занимаются «физикой частиц», что их с виду ничуть не коробит. Понятно почему: ведь видим мы именно частицы, независимо от того, что происходит на более глубоком уровне.

Хорошая новость – да, так поступать нормально, пока мы отдаем себе отчет в своих действиях. Во многих контекстах вполне допустимо рассуждать о природе так, словно в ней действительно существуют совокупности частиц, перемещающихся в пространстве, сталкивающихся друг с другом, рождающихся и аннигилирующих, иногда возникающих из ниоткуда.

Если обстоятельства располагают, то свойства квантовых полей можно смоделировать как многократные взаимодействия множества частиц. Это может казаться естественным, когда квантовое состояние описывает фиксированное количество частицеподобных вибраций поля, значительно удаленных и находящихся в «блаженном неведении» о существовании друг друга. Но если придерживаться правил, то и на языке частиц можно выразить даже такие ситуации, в которых несколько вибрирующих полей расположены одно над другим, именно тогда, когда «полевые» свойства наиболее важны.

Это важнейшее открытие принадлежит Ричарду Фейнману, разработавшему знаменитый научный аппарат под названием «диаграммы Фейнмана». Создавая первую версию этих диаграмм, Фейнман надеялся таким образом предложить альтернативу квантовой теории поля, базирующуюся на концепции частиц, но у него получилось нечто иное. Диаграммы Фейнмана оказались одновременно поразительно наглядным образным подходом и невероятно удобным вычислительным методом, применимым в рамках общей парадигмы квантовой теории поля.

Диаграмма Фейнмана – это просто рисунок из черточек, на котором представлены движущиеся частицы, взаимодействующие друг с другом. Время на рисунке откладывается слева направо. Здесь есть исходный набор частиц, которые затем перемешиваются, – в ходе этого процесса различные частицы рождаются или исчезают и, наконец, формируется окончательный набор частиц. Физики пользуются этими диаграммами не только для определения допустимости тех или иных процессов, но и для точного расчета той вероятности, с которой может произойти конкретный процесс. Например, если вас интересует, на какие частицы и как быстро может распасться бозон Хиггса, то вам придется провести расчеты с использованием множества диаграмм Фейнмана, каждая из которых описывает небольшой вклад в окончательный ответ. Аналогично с помощью этих диаграмм можно узнать, какова вероятность, что электрон и позитрон рассеются друг на друге.

Вот простая диаграмма Фейнмана. На картинке показано, как электрон и позитрон, обозначенные прямыми линиями, влетают на картинку с левой стороны, сталкиваются и аннигилируют с образованием фотона (волнистая линия), который некоторое время летит дальше, а затем вновь превращается в пару из электрона и позитрона. Существуют конкретные правила, согласно которым физики присваивают определенные числа любой подобной диаграмме, характеризуя таким образом вклад каждой из них в общий процесс «рассеяние электрона и позитрона».

История, которую мы рассказываем, основываясь на диаграммах Фейнмана, – это просто история. Это не совсем верно, что электрон и позитрон превращаются в фотон, а затем возвращаются обратно. Во-первых, фотоны движутся со скоростью света, а электронно-позитронные пары (как сами частицы, так и центры масс каждой такой пары) – нет.

На самом деле поле электронов и поле позитронов постоянно взаимодействуют с электромагнитным полем. Колебания любого поля, обладающего электрическим зарядом, например электронного или позитронного, обязательно сопровождаются и слабыми колебаниями электромагнитного поля. Когда колебания двух таких полей (которые мы интерпретируем как электрон и позитрон) оказываются близко друг к другу или друг на друга накладываются, между всеми полями возникает притяжение и отталкивание, из-за чего исходные частицы рассеиваются в определенном направлении. Озарение Фейнмана заключалось в том, что можно рассчитать происходящие в теории поля события, представив, что перед нами совокупность частиц, разлетающихся в пространстве определенным образом.

Это исключительно удобно при вычислениях. Практикующие специалисты по физике частиц постоянно пользуются диаграммами Фейнмана, иногда они им даже снятся. Однако, занимаясь подобными расчетами, приходится идти на некоторые концептуальные компромиссы. Частицы, находящиеся внутри диаграмм Фейнмана (а не те, которые входят в диаграммы слева или выходят справа), не подчиняются традиционным правилам, характерным для обычных частиц. Например, они не обладают той массой или энергией, которая есть у обычной частицы. Они подчиняются собственному специфическому набору правил.