Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе

Развитие этих представлений при углублении в структуру материи постепенно привело к созданию самой точной на сегодня физической теории – Стандартной модели элементарных частиц. Такое название, впрочем, передает ее содержание из рук вон плохо: вся Стандартная модель сформулирована в терминах не частиц, а именно квантовых полей. Они представляют собой самую фундаментальную известную нам форму материи. Собственно же элементарные частицы (электроны, нейтрино, кварки, фотоны и т. д.) оказываются специальными проявлениями соответствующего квантового поля – проявлениями, несущими минимальное количество энергии, которое у поля в принципе можно отнять и которое полю можно передать. Они называются квантами поля. Электроны и позитроны – кванты электрон-позитронного поля (для него нет отдельного названия), а фотоны – кванты электромагнитного поля (название которого утвердилось задолго до открытия квантов). Кстати, все элементарные частицы одного вида (скажем, электроны) одинаковы во всей Вселенной именно потому, что это минимальные возбуждения одного и того же поля.

Фундаментальные поля в некотором роде присутствуют во Вселенной постоянно, во всяком случае в виде своего вакуумного состояния, где никаких квантов/частиц нет. Вакуум представляет собой «пустоту» в смысле отсутствия всяких возбуждений, но это и физическое явление – состояние поля без квантов, из которого, однако, могут родиться кванты при поступлении необходимой энергии.

Ключевая составляющая Стандартной модели – взаимодействие полей. Оно выражается в обмене энергией, импульсом и другими сохраняющимися физическими величинами (например, электрическим зарядом): сколько прибавилось у одного поля, столько же отнялось у другого. Не все поля способны к таким обменам со всеми другими, и вопрос о том, какие именно участвуют в каких взаимодействиях, – это вопрос про устройство доставшейся нам Вселенной: ответ надо извлекать из наблюдений{113}.

Подробности взаимодействия полей удается довольно наглядно выразить на языке их квантов, которые несут и передают друг другу энергию, импульс и другие величины. Элементарные акты взаимодействия выглядят как рождение и/или поглощение одних квантов другими. Например, все многообразие электромагнитных взаимодействий складывается из многократного комбинирования нескольких таких элементарных актов: электрон (или позитрон) испускает или поглощает фотон; пара электрон – позитрон превращается в фотон, или происходит обратный процесс{114}.

Наш мир, таким образом, составлен не только из элементарных объектов, но и из элементарных актов с их участием. Каждый акт испускания, поглощения или превращения квантов – элементарный в том самом прямом смысле, что ни через что другое не объясняется. Когда электрон испускает фотон, этот фотон не содержался ранее «внутри» электрона; он просто рождается, забирая себе часть энергии и импульса электрона; когда нестабильная элементарная частица мюон «распадается» на электрон и два (анти)нейтрино, три новые частицы тоже рождаются, распределяя между собой энергию, импульс и заряд исчезнувшего мюона{115}.

Кванты полей до некоторой степени являются их «представителями»: поля часто характеризуют по свойствам их квантов, главные из которых – масса, заряд(ы) и спин. Последний сейчас потребует нашего внимания из-за своей особой роли: он, оказывается, отвечает за характер массового поведения.

Спин кванта – это число, выражающее его «степень раскрутки», один из атрибутов вращения (глава 7). Числа, отвечающие за степень раскрутки, собственно, и называются спином, и они бывают только целыми (0, 1, 2) или полуцелыми (1/2, 3/2). Фотоны, например, несут спин 1, а электроны и позитроны – спин 1/2. Для квантов спин определяет доступное им внутреннее разнообразие, а в терминах поля спин связан с количеством его компонент: в общем, чем больше спин, тем их больше, хотя простого единого правила тут нет{116}.

Спин играет определяющую роль в устройстве Вселенной, потому что кванты любого поля с целым спином – бозоны, а с полуцелым – фермионы. Это опытный факт, но, знаменательным образом, одновременно и содержание теоремы, которую доказал Паули. Как мы видели в предыдущей главе, бозоны и фермионы определяются тем, как волновая функция одинаковых частиц откликается на их перестановку: если возникает лишний знак, то перед нами фермионы, а если нет, то бозоны. Для фермионов отсюда получается уже обсуждавшийся принцип запрета (сформулированный тем же Паули, но задолго до теоремы) – нетерпимость к себе подобным. А для бозонов, наоборот, определенная склонность к коллективизму: чем больше частиц уже находится в одном состоянии, тем охотнее (с большей вероятностью) к ним присоединяется еще одна. Теорема Паули привязывает характер массового поведения к спину.