Kvantová mechanika, nehovoriac o kvantovej teórii poľa, má povesť podivnej, skľučujúcej a neintuitívnej vedy. Vo vedeckej komunite sú ľudia, ktorí to dodnes neuznávajú. Teória kvantového poľa je však jedinou experimentálne potvrdenou teóriou, ktorá môže vysvetliť interakciu mikročastíc pri nízkych energiách. Prečo je to dôležité? Andrey Kovtun, študent MIPT a zamestnanec katedry zásadné interakcie, hovorí, ako sa pomocou tejto teórie dostať k hlavným prírodným zákonom alebo si ich vymyslieť sám.

Ako viete, všetky prírodné vedy dodržiavať určitú hierarchiu. Biológia a chémia majú napríklad fyzikálne základy. A ak sa pozriete na svet lupou a zakaždým zvýšite jeho silu, čím znížite znalosti, pomaly sa dostaneme k kvantovej teórii poľa. Ide o vedu, ktorá popisuje vlastnosti a interakcie najmenších častíc matky, z ktorých sme zložení - častíc, ktoré sa zvyčajne nazývajú elementárne. Niektoré z nich - napríklad elektrón - existujú samy osebe, zatiaľ čo iné kombinujú a vytvárajú zložené častice. Známe protóny a neutróny sú práve také - pozostávajú z kvarkov. Samotné kvarky sú však už elementárne. Úlohou fyzikov je teda porozumieť a vyvodiť všetky vlastnosti týchto častíc a odpovedať na otázku, či existuje ešte niečo, čo leží hlbšie v hierarchii základných fyzikálnych zákonov.

Naša realita je pole, skladá sa z polí a my sme len elementárne excitácie týchto polí

Pre radikálnych vedcov je konečným cieľom úplná redukcia znalostí o svete, pre menej radikálnych vedcov - hlbší prienik do jemností mikrosveta alebo supermikrokozmu. Ako je to však možné, keď máme do činenia iba s časticami? Odpoveď je veľmi jednoduchá. Len ich vezmeme a narazíme, doslova ich zlomíme o seba - ako deti, ktoré chcú vidieť zariadenie nejakej zábavnej maličkosti, jednoducho ho hodia na zem a potom študujú úlomky. Tiež zrážame častice a potom sa pozrieme na to, ktoré nové častice sú získané pri zrážke a ktoré sa rozpadajú po dlhej ceste v nádhernej izolácii. Všetky tieto procesy v kvantovej teórii sú popísané takzvanou pravdepodobnosťou rozpadu a rozptylu. Výpočtom týchto veličín sa zaoberá kvantová teória poľa. Ale nielen nimi.

Vektory namiesto súradníc a rýchlostí

Hlavný rozdiel kvantová mechanika- že už nebudeme opisovať fyzické telá pomocou súradníc a rýchlostí. Základným konceptom v kvantovej mechanike je stavový vektor. Toto je škatuľka kvantovo mechanických informácií o fyzickom systéme, ktorý študujeme. A používam slovo „systém“, pretože stavový vektor je vec, ktorá môže opísať stav elektrónu a babičky, okusujúc slnečnicové semená na lavičke. To znamená, že tento koncept má veľmi široký rozsah pokrytia. Chceme nájsť všetky vektory stavu, ktoré by obsahovali všetky potrebné informácie o študovanom objekte.

Ďalej je prirodzené položiť si otázku „Ako môžeme nájsť tieto vektory a potom z nich extrahovať to, čo chceme?“ Tu nám prichádza na pomoc ďalší dôležitý koncept kvantovej mechaniky - operátor. Toto je pravidlo, podľa ktorého je jeden stavový vektor spojený s iným. Operátory musia mať určité vlastnosti a niektoré z nich (ale nie všetky) extrahujú informácie zo stavových vektorov o fyzikálne veličiny Oh. Takýmto operátorom sa hovorí operátor fyzických veličín.

Zmerajte to, čo je ťažké zmerať

Kvantová mechanika dôsledne rieši dva problémy - stacionárny a evolučný a následne. Podstatou stacionárneho problému je určiť všetky možné vektory stavu, v ktorých je možné opísať fyzický systém tento momentčas. Takéto vektory sú takzvanými vlastnými vektormi operátorov fyzikálnych veličín. Keď ich identifikujeme v počiatočnom okamihu, je zaujímavé sledovať, ako sa budú vyvíjať, to znamená, že sa budú v priebehu času meniť.

Muon je nestabilná elementárna častica s negatívom nabíjačka a roztočte 1⁄2. Antimuon je antičastica s kvantovými číslami (vrátane náboja) opačného znamienka, ale s rovnaká hmotnosť a točiť.

Pozrime sa na evolučný problém z hľadiska teórie elementárne častice... Predpokladajme, že chceme zraziť elektrón a jeho partnera - pozitrón. Inými slovami, máme vektor stavu-1, ktorý popisuje pár elektrón-pozitrón so špecifickými momentmi v počiatočnom stave. A potom chceme zistiť, s akou pravdepodobnosťou sa po zrážke elektrónu a pozitrónu narodí mión a anti-mión. To znamená, že systém bude popísaný stavovým vektorom, ktorý obsahuje informácie o mióne a jeho antičasti, tiež s určitou hybnosťou v konečnom stave. Toľko k vášmu evolučnému problému - chceme zistiť, s akou pravdepodobnosťou náš kvantový systém skočí z jedného stavu do druhého.

Vyriešme tiež problém prechodu fyzického systému zo stavu-1 do stavu-2. Povedzme, že máte loptu. Chce sa dostať z bodu A do bodu B a existuje veľa mysliteľných ciest, po ktorých by sa mohol vydať na túto cestu. Ale každodenná skúsenosť ukazuje, že ak hodíte loptou pod určitým uhlom a určitou rýchlosťou, potom má iba jednu skutočnú cestu. Kvantová mechanika hovorí niečo iné. Hovorí, že lopta cestuje súčasne po všetkých týchto trajektóriách. Každá z dráh prispieva k pravdepodobnosti prechodu z jedného bodu do druhého (viac či menej).

Polia

Teória kvantového poľa sa nazýva, pretože nepopisuje samotné častice, ale niektoré všeobecnejšie entity nazývané polia. Častice v kvantovej teórii poľa sú elementárnymi nosičmi polí. Predstavte si vody svetových oceánov. Nech je náš oceán pokojný, na jeho hladine nič nevrie, žiadne vlny, pena a podobne. Náš oceán je pole. Teraz si predstavte osamotenú vlnu - iba jeden hrebeňový hrebeň vo forme šmykľavky, ktorý sa narodil v dôsledku nejakého vzrušenia (napríklad pri dopade do vody) a ktorý teraz cestuje po rozsiahlych plochách oceánu. Je to častica. Táto analógia ilustruje Hlavná myšlienka: častice sú excitácie elementárneho poľa. Naša realita je teda poľnou realitou a pozostávame iba z elementárnych excitácií týchto polí. Keďže sa narodili v rovnakých poliach, ich kvantá obsahujú všetky vlastnosti ich predkov. Toto je úloha častíc vo svete, v ktorom je súčasne veľa oceánov, nazývaných polia. Z klasického hľadiska sú samotné polia bežnými numerickými funkciami. Môžu pozostávať iba z jednej funkcie (skalárne polia), alebo môžu pozostávať zo sady (vektorové, tenzorové a spinorové polia).

Akcia

Teraz je načase si znova pripomenúť, že každá trajektória, po ktorej fyzický systém prechádza zo stavu-1 do stavu-2, je tvorený určitou amplitúdou pravdepodobnosti. Americký fyzik Richard Feynman vo svojich prácach naznačil, že príspevky všetkých trajektórií sú rovnako veľké, ale líšia sa fázou. Jednoducho povedané, ak vaša vlna (v tomto prípade vlna kvantovej pravdepodobnosti) cestuje z jedného bodu do druhého, fáza (delená faktorom 2π) ukazuje, koľko oscilácií sa zmestí na túto dráhu. Táto fáza je číslo, ktoré sa vypočítava pomocou určitého pravidla. A toto číslo sa nazýva akcia.

V srdci vesmíru je v skutočnosti koncept krásy, ktorý sa odráža v pojme „symetria“

S činnosťou je spojený základný princíp, na ktorom sú teraz postavené všetky rozumné modely popisujúce fyziku. Toto je princíp najmenej akcie, a stručne povedané, jeho podstata je nasledovná. Predpokladajme, že máme fyzický systém - môže to byť bod aj lopta, ktoré sa chce pohybovať z jedného miesta na druhé, alebo to môže byť nejaký druh konfigurácie poľa, ktorý sa chce zmeniť a stať sa inou konfiguráciou. Môžu to urobiť rôznymi spôsobmi. Častica sa napríklad pokúša dostať z jedného bodu do druhého v gravitačnom poli Zeme a vidíme, že vo všeobecnosti existuje nekonečne veľa spôsobov, ako to môže urobiť. Život nám však hovorí, že v skutočnosti, vzhľadom na počiatočné podmienky, existuje iba jedna trajektória, ktorá mu umožní dostať sa z jedného bodu do druhého. Teraz - k podstate princípu najmenšej akcie. Každej trajektórii priradíme číslo nazývané akcia podľa určitého pravidla. Potom porovnáme všetky tieto čísla a vyberieme iba tie trajektórie, pre ktoré bude akcia minimálna (v niektorých prípadoch maximálna). Pomocou tejto metódy výberu ciest najmenšieho účinku môžete získať Newtonove zákony pre klasickú mechaniku alebo rovnice popisujúce elektrinu a magnetizmus!

Zostáva zvyšok, pretože nie je celkom jasné, čo je toto číslo za akciu? Ak sa nepozriete pozorne, potom je to abstraktná matematická veličina, ktorá na prvý pohľad nemá nič spoločné s fyzikou - okrem toho, že náhodne vypľuje výsledok, ktorý poznáme. V skutočnosti je všetko oveľa zaujímavejšie. Princíp najmenšej akcie bol pôvodne získaný ako dôsledok Newtonových zákonov. Potom boli na jeho základe formulované zákony šírenia svetla. Dá sa to tiež získať z rovníc opisujúcich zákony elektriny a magnetizmu a potom v opačnom smere - od princípu najmenšej akcie, aby sme prišli k rovnakým zákonom.

Je pozoruhodné, že zdanlivo odlišné teórie získavajú rovnakú matematickú formuláciu. A to nás privádza k nasledujúcemu predpokladu: dokážeme sami vymyslieť niektoré prírodné zákony pomocou princípu najmenšej akcie a potom ich hľadať v experimente? Môžeme a môžeme! Toto je zmysel tohto neprirodzeného a ťažko pochopiteľného princípu. Ale funguje to, vďaka čomu to považujeme za isté fyzicka charakteristika systémov, a nie ako abstraktnú matematickú formuláciu modernej teoretickej vedy. Je tiež dôležité poznamenať, že nemôžeme písať žiadne akcie, ktoré nám hovorí naša predstavivosť. Pri snahe zistiť, ako by mala vyzerať činnosť ďalšej teórie fyzického poľa, používame symetrie, ktoré má fyzická povaha, a spolu so základnými vlastnosťami časopriestoru môžeme použiť mnoho ďalších zaujímavých symetrií, ktoré teória skupiny navrhuje nás (časť všeobecnej algebry, ktorá študuje algebraické štruktúry nazývané skupiny a ich vlastnosti. - Ed.).

O kráse symetrie

Je úžasné, že sme dostali nielen súhrn zákonov, ktoré niektoré opisujú prirodzený fenomén, a to spôsob, ako teoreticky získať zákony, ako sú Newtonovské alebo Maxwellove rovnice. A hoci kvantová teória poľa popisuje elementárne častice iba na nízkej energetickej úrovni, už slúžila fyzikom na celom svete a stále je jedinou teóriou, ktorá rozumne popisuje vlastnosti najmenších stavebných kameňov, ktoré tvoria náš svet. Vedci vlastne chcú napísať takú akciu, iba kvantovú, ktorá by súčasne obsahovala všetky možné prírodné zákony. Aj keď by sa to podarilo, nevyriešilo by to všetky otázky, ktoré nás zaujímajú.

V srdci hlbokého porozumenia prírodným zákonom sú niektoré entity, ktoré majú čisto matematickú povahu. A teraz, aby sa človek pokúsil preniknúť do hlbín vesmíru, musí opustiť kvalitatívne a intuitívne argumenty. Keď hovoríme o kvantovej mechanike a teórii kvantového poľa, je veľmi ťažké nájsť jasné a intuitívne analógie, ale najdôležitejšia vec, ktorú by som chcel sprostredkovať, je, že vesmír je v skutočnosti založený na koncepte krásy, ktorý sa odráža v termíne „symetria“. Symetria je nedobrovoľne spojená s krásou, ako to bolo napríklad u starých Grékov. A práve symetria spolu so zákonmi kvantovej mechaniky sú základom usporiadania najmenších stavebných blokov na svete, na ktoré sa fyzikom doteraz podarilo dosiahnuť.

Popisuje interakciu elementárnych častíc na základe univerzálneho konceptu kvantovaného fyzikálneho poľa. Na základe tejto časti fyziky bola vytvorená klasická teória poľa, ktorá je dnes známa ako Planckova konštanta.

Poznámka 1

Základom študovanej disciplíny bola myšlienka, že absolútne všetky elementárne častice sa stali kvantami zodpovedajúcich polí. Pojem kvantové pole vznikol na základe formovania myšlienok o tradičnom poli, časticiach, ich syntéze, ako aj záverov v rámci kvantovej teórie.

Teória kvantového poľa funguje ako teória s nekonečným počtom stupňov voľnosti. Hovorí sa im aj fyzické polia. Akútnym problémom kvantovej teórie bolo vytvorenie jednotnej teórie, ktorá by zjednotila všetky kvantové polia. V Teórii sú v súčasnosti najzákladnejšie polia polia, ktoré sú spojené s bezštruktúrnymi základnými časticami. Tieto mikročastice sú kvarky a leptóny, ako aj polia súvisiace s nosičmi kvanta štyroch základných interakcií. Výskum sa uskutočňuje s medziľahlými bozónmi, gluónmi a fotónmi.

Častice a polia kvantovej teórie

Pred viac ako sto rokmi sa zrodili základné pojmy atómovej fyziky, v ktorých sa postupom času pokračovalo kvantová fyzika formulácia teórie poľa. Rozlišujte medzi dualitou klasickej teórie. Vznikla na začiatku 20. storočia. V tom čase sa o časticiach uvažovalo ako o malých hrudkách energie, ktoré tvorili hmotu. Všetci sa pohybovali podľa známych zákonov klasickej mechaniky, ktoré boli predtým podrobne popísané v jeho dielach britským vedcom Isaacom Newtonom. Potom Faraday a Maxwell mali ruku v ďalšom výskume. Vytvoril zákony dynamiky elektromagnetického poľa.

Planck zároveň prvýkrát predstavil do fyzikálnej vedy koncept časti, kvanta a žiarenia, aby vysvetlil zákony tepelného žiarenia. Potom fyzik Albert Einstein zovšeobecnil túto Planckovu predstavu o diskrétnosti žiarenia. Naznačil, že takáto diskrétnosť nie je spojená so špecifickým mechanizmom interakcie medzi žiarením a hmotou, ale je inherentná vnútornej úrovni samotného elektromagnetického žiarenia. Množstvo je elektromagnetické žiarenie. Také teórie čoskoro dostali experimentálne potvrdenie. Na ich základe boli vysvetlené zákonitosti fotoelektrického javu.

Nové objavy a teórie

Približne pred 50 rokmi sa niekoľko fyzikov novej generácie pokúsilo použiť podobný prístup pri opise gravitačnej interakcie. Podrobne nielen popísali všetky procesy prebiehajúce v podmienkach planéty, ale tiež nasmerovali svoje názory na problémy vzniku vesmíru a formulovali teóriu Veľkého tresku.

Teória kvantového poľa sa stala zovšeobecnením kvantovej mechaniky. Kvantová mechanika sa konečne stala kľúčom k pochopeniu najdôležitejšieho problému atómu, vrátane otvorenia dverí pre ostatných vedcov, aby preskúmali záhady mikrosveta.

Kvantová mechanika vám umožňuje popísať pohyb elektrónov, protónov a iných častíc, ale nie ich generovanie alebo ničenie. Ukázalo sa, že jeho aplikácia je správna iba na opis systémov, v ktorých počet častíc zostáva nezmenený. Bol dokázaný najzaujímavejší problém v elektrodynamike emisie a absorpcie elektromagnetických vĺn nabitými časticami. To zodpovedá produkcii alebo zničeniu fotónov. Ukázalo sa, že teória nespadá do rámca jej výskumu.

Na základe počiatočných znalostí sa začali brať do úvahy ďalšie teórie. V Japonsku bola teda kvantová elektrodynamika predložená ako najsľubnejší a najpresnejší smer. vedecké činnosti v posledných rokoch... V. ďalší vývoj získal smer chromodynamiky a kvantovej teórie elektroslabých interakcií.

Kvantová teória poľa považuje za základné nasledujúce teórie:

• voľné polia a dualizmus vlnových častíc;
• interakcia polí;
• teória poruchy;
• divergencia a renormalizácia;
• funkčný integrál.

Kvantované voľné pole má zásobu voľnej energie a v určitých častiach ju dokáže rozdať. Keď sa energia poľa zníži o, automaticky to znamená zmiznutie jedného fotónu inej frekvencie. Dochádza k prechodu poľa do iného stavu s poklesom o jednu jednotku fotónu. Po takýchto postupných prechodoch sa v dôsledku toho vytvorí stav, v ktorom je počet fotónov nulový. Návrat energie z poľa je nemožný.

Pole môže existovať vo vákuovom stave. Táto teória nie je úplne jasná, ale je úplne podložená z fyzického hľadiska. Elektromagnetické pole vo vákuovom stave nemôže byť dodávateľom energie, ale vákuum sa nemôže vôbec prejaviť.

Definícia 1

Fyzické vákuum je stav s potrebnými a významnými vlastnosťami, ktoré sa prejavujú v skutočných procesoch.

To platí pre ostatné častice. A môže to byť reprezentované ako najnižšia energetická poloha týchto častíc a ich polí. Keď zvažujeme interakciu polí, vákuum sa nazýva stav najnižšej energie v celom systéme týchto polí.

Problémy teórie kvantového poľa

V kvantovej elektrodynamike dosiahli vedci veľa úspechov, ale nie vždy je možné pochopiť, ako boli zobrazené. Všetky tieto úspechy vyžadujú ďalšie vysvetlenie. Teória silných interakcií sa začala formovať a rozvíjať analogicky s kvantovou elektrodynamikou. Potom bola úloha nosičov interakcie prisúdená časticiam, ktoré majú pokojovú hmotnosť. Existuje tiež problém renormalizovateľnosti.

Nedalo sa to považovať za konzistentnú konštrukciu, pretože sa v nej objavujú nekonečne obrovské hodnoty pre určité fyzikálne veličiny a nerozumie sa, čo s nimi robiť. Myšlienka zmeny normalizácií nielen vysvetľuje skúmané efekty, ale tiež dáva celej teórii vlastnosti logického uzavretia, čím sa od neho odstraňujú odchýlky. Vedci čelia špecifickým výzvam v rôznych fázach výskumu. Na ich odstránenie bude venovaných veľa času, pretože presné ukazovatele v kvantovej teórii poľa stále neexistujú.

Fyzika nám dáva objektívne pochopenie sveta okolo nás a jej zákony sú absolútne a ovplyvňujú všetkých ľudí bez výnimky bez ohľadu na sociálne postavenie a osobu.

Takéto chápanie tejto vedy však nebolo vždy. V. neskorý XIX storočia boli podniknuté prvé nekonzistentné kroky k vytvoreniu teórie žiarenia čierneho fyzického tela na základe zákonov klasickej fyziky. Zo zákonov tejto teórie vyplývalo, že látka je povinná dávať isté elektromagnetické vlny pri akejkoľvek teplote znížte amplitúdu na absolútnu nulu a stratte jej vlastnosti. Inými slovami, tepelná rovnováha medzi žiarením a konkrétnym prvkom nebola možná. Takéto tvrdenie však bolo v rozpore so skutočnou každodennou skúsenosťou.

Kvantová fyzika môže byť podrobnejšie vysvetlená a zrozumiteľná nasledovne. Existuje definícia čierneho telesa, ktoré je schopné absorbovať elektromagnetické žiarenie akéhokoľvek spektra vlnových dĺžok. Dĺžka jeho žiarenia je určená iba jeho teplotou. V prírode nemôžu existovať absolútne čierne telá, ktoré by zodpovedali nepriehľadnej uzavretej látke s dierou. Po zahriatí začne ktorýkoľvek prvok prvku svietiť a s ďalším nárastom stupňa je zafarbený najskôr na červeno a potom na bielo. Farba prakticky nezávisí od vlastností látky; pre absolútne čierne telo sa vyznačuje výlučne svojou teplotou.

Poznámka 1

Ďalšou fázou vývoja kvantového konceptu bolo učenie A. Einsteina, ktoré je známe pod Planckovou hypotézou.

Táto teória umožnil vedcovi vysvetliť všetky zákony jedinečného fotoelektrického efektu, ktoré nezapadajú do hraníc klasickej fyziky. Podstatou tohto procesu je zmiznutie hmoty pod vplyvom rýchlych elektrónov elektromagnetického žiarenia. Energia emitovaných prvkov nezávisí od koeficientu absorbovaného žiarenia a je určená jeho charakteristikami. Počet emitovaných elektrónov však závisí od nasýtenia lúčov.

Opakované experimenty čoskoro potvrdili Einsteinovo učenie, a to nielen s fotoelektrickým efektom a svetlom, ale aj s röntgenovým a gama lúčom. Efekt A. Comptona, ktorý bol nájdený v roku 1923, predstavil verejnosti nové skutočnosti o existencii určitých fotónov prostredníctvom usporiadania elastického rozptylu elektromagnetická radiácia na voľných malých elektrónoch sprevádzané zvýšením dosahu a vlnovej dĺžky.

Teória kvantového poľa

Táto doktrína vám umožňuje definovať proces implementácie kvantové systémy v rámci, vo vede nazývanom stupne voľnosti, za predpokladu určitého počtu nezávislých súradníc, ktoré sú mimoriadne dôležité pre označenie všeobecného pohybu mechanického konceptu.

Jednoducho povedané, tieto ukazovatele sú hlavnými charakteristikami pohybu. Stojí za zmienku, že zaujímavé objavy v oblasti harmonickej interakcie elementárnych častíc urobil výskumník Steven Weinberg, ktorý objavil neutrálny prúd, a to princíp vzťahu medzi leptónmi a kvarkmi. Za svoj objav v roku 1979 získal fyzik Nobelovu cenu.

V kvantovej teórii sa atóm skladá z jadra a konkrétneho oblaku elektrónov. Základ tohto prvku zahŕňa takmer celú hmotnosť samotného atómu - viac ako 95 percent. Jadro má extrémne pozitívny náboj, ktorý ho určuje chemický prvok, ktorého súčasťou je samotný atóm. Najneobvyklejšie na štruktúre atómu je, že jadro, aj keď tvorí takmer celú hmotnosť, obsahuje iba jednu desaťtisícinu svojho objemu. Z toho vyplýva, že v atóme je naozaj veľmi málo hustých hmôt a zvyšok priestoru zaberá elektrónový mrak.

Interpretácie kvantovej teórie - princíp komplementarity

Rýchly rozvoj kvantovej teórie viedol k radikálnej zmene klasických konceptov týchto prvkov:

• štruktúra hmoty;
• pohyb elementárnych častíc;
• príčinná súvislosť;
• priestor;
• čas;
• povaha poznania.

Takéto zmeny vo vedomí ľudí prispeli k radikálnej transformácii obrazu sveta na jasnejší koncept. Klasická interpretácia hmotnej častice bola charakterizovaná náhlym uvoľnením z prostredia, prítomnosťou vlastného pohybu a konkrétnym umiestnením v priestore.

V kvantovej teórii sa elementárna častica začala prezentovať ako najdôležitejšia časť systému, do ktorého bola zaradená, ale zároveň nemala vlastné súradnice a hybnosť. Pri klasickom poznávaní pohybu bolo navrhnuté prenášať prvky, ktoré zostali identické samy sebe, po vopred naplánovanej trajektórii.

Nejasná povaha štiepenia častice si vyžiadala opustenie takejto vízie pohybu. Klasický determinizmus ustúpil vedúcej pozícii v štatistickom smere. Ak bol skôr celok v prvku vnímaný ako celkový počet zložiek, potom kvantová teória určovala závislosť jednotlivých vlastností atómu od systému.

Klasické chápanie intelektuálneho procesu priamo súviselo s chápaním hmotného objektu, ktorý sám osebe úplne existuje.

Kvantová teória ukázala:

• závislosť znalostí o objekte;
• nezávislosť výskumných postupov;
• úplnosť pôsobenia na niekoľko hypotéz.

Poznámka 2

Význam týchto pojmov nebol spočiatku ani zďaleka jasný, a preto hlavné ustanovenia kvantovej teórie vždy dostali rôzne interpretácie, ako aj rôzne interpretácie.

Kvantová štatistika

Súbežne s vývojom kvantovej a vlnovej mechaniky sa rýchlo rozvíjali aj ďalšie prvky kvantovej teórie - štatistika a štatistická fyzika kvantových systémov, ktoré zahŕňali veľké množstvočastice. Na základe klasických metód pohybu konkrétnych prvkov bola vytvorená teória správania sa ich integrity - klasická štatistika.

V kvantovej štatistike neexistuje žiadna možnosť rozlíšiť dve častice rovnakej povahy, pretože dva stavy tohto nestabilného konceptu sa navzájom líšia iba permutáciou častíc s rovnakou silou vplyvov na samotnom princípe identity. Toto je hlavný rozdiel medzi kvantovými systémami a klasickými vedeckými systémami.

Dôležitým výsledkom objavu kvantovej štatistiky je ustanovenie, že každá častica, ktorá je súčasťou akéhokoľvek systému, nie je totožná s rovnakým prvkom. Preto nasleduje význam úlohy určenia špecifík hmotného objektu v konkrétnom segmente systémov.

Rozdiel medzi kvantovou fyzikou a klasickou

Postupný odklon kvantovej fyziky od klasickej spočíva v odmietnutí vysvetliť jednotlivé udalosti vyskytujúce sa v čase a priestore a v použití štatistickej metódy s vlnami pravdepodobnosti.

Poznámka 3

Cieľom klasickej fyziky je popísať jednotlivé objekty v určitej oblasti a sformulovať zákony, ktorými sa riadi zmena týchto objektov v čase.

Kvantová fyzika v globálnom chápaní fyzikálnych myšlienok zaujíma vo vede osobitné miesto. Medzi najpamätnejšie výtvory ľudskej mysle patrí teória relativity - všeobecná a špeciálna, čo je úplne nový koncept smerov, ktorý kombinuje elektrodynamiku, mechaniku a teóriu gravitácie.

Kvantová teória dokázala konečne prerušiť väzby s klasickými tradíciami a vytvoriť nový, univerzálny jazyk a neobvyklý štýl myslenia, ktorý vedcom umožňuje preniknúť do mikrokozmu s jeho energetickými zložkami a dať mu ho. Úplný popis zavedením špecifík, ktoré v klasickej fyzike chýbali. Všetky tieto metódy v konečnom dôsledku umožnili podrobnejšie porozumieť podstate všetkých atómových procesov a zároveň táto teória priniesla do vedy prvok náhodnosti a nepredvídateľnosti.

Fockov priestor, opisujúci všetky druhy excitácií kvantového poľa. Analógom kvantovo-mechanickej vlnovej funkcie v QFT je operátor poľa (presnejšie „pole“ je generalizovaná funkcia oceňovaná operátorom, z ktorej sa až po konvolúcii s hlavnou funkciou získa operátor pôsobiaci v Hilbertovom priestore stavov), ktoré sú schopné pôsobiť na vákuový vektor Fockovho priestoru (pozri vákuum) a generovať jednočasticové excitácie kvantového poľa. Fyzické pozorovania tu tiež zodpovedajú operátorom zloženým z terénnych operátorov [ štýl!] .

Celá fyzika elementárnych častíc je založená na teórii kvantového poľa.

Pochopenie podstaty fenoménu renormalizácie bolo kľúčovým bodom pri konštrukcii kvantovej teórie poľa.

História pôvodu

Hlavná rovnica kvantovej mechaniky - Schrödingerova rovnica - je relativisticky neinvazívna, čo je zrejmé z asymetrického zadávania časových a priestorových súradníc do rovnice. V roku 1926 bola navrhnutá relativisticky invariantná rovnica pre voľnú časticu (bez spinov alebo s nulovým spinom) (Kleinova - Gordonova - Fockova rovnica). Ako je známe, v klasickej mechanike (vrátane nerelativistickej kvantovej mechaniky) energia (kinetická, pretože potenciál sa považuje za nulový) a hybnosť voľnej častice spolu súvisia. Relativistický pomer energie a hybnosti má formu. Za predpokladu, že operátor hybnosti v relativistickom prípade je rovnaký ako v nerelativistickej oblasti, a pomocou tohto vzorca na analogické zostavenie relativistického hamiltoniánu získame Klein -Gordonovu rovnicu:

alebo skrátene pomocou prírodných jednotiek navyše:

Problém tejto rovnice však spočíva v tom, že je ťažké interpretovať vlnovú funkciu ako amplitúdu pravdepodobnosti, a to len preto, že - ako je možné ukázať - hustota pravdepodobnosti nebude pozitívnou určitou veličinou.

Diracova rovnica, ktorú navrhol v roku 1928, má trochu iné opodstatnenie. Dirac sa pokúsil získať diferenciálnu rovnicu prvého rádu, v ktorej je zaistená rovnosť časových súradníc a priestorových súradníc. Pretože operátor hybnosti je vzhľadom na súradnice úmerný prvej derivácii, Diracov Hamiltonián musí byť v hybnom operátori lineárny.

a berúc do úvahy vzorec pre vzťah medzi energiou a hybnosťou, obmedzenia sú uložené na druhou mocninu tohto operátora, a teda aj na „koeficienty“ - ich štvorce sa musia rovnať jednej a musia byť navzájom nekomutatívne. Rozhodne to teda nemôže byť číselné koeficienty. Môžu to však byť matice a dimenzia je najmenej 4 a „vlnová funkcia“ - štvorzložkový objekt nazývaný bispinor. V tomto prípade má Diracova rovnica formálne tvar zhodný so Schrödingerovou rovnicou (s Diracom Hamiltoniánom).

Táto rovnica, podobne ako Kleinova -Gordonova rovnica, má však riešenia s negatívnymi energiami. Táto okolnosť bola dôvodom predikcie antičastíc, ktorá bola neskôr experimentálne potvrdená (objav pozitrónu). Prítomnosť antičastíc je dôsledkom relativistického vzťahu medzi energiou a hybnosťou.

Súčasne, do konca 20. rokov 20. storočia, bol vyvinutý formalizmus pre kvantový opis mnohočasticových systémov (vrátane systémov s premenlivým počtom častíc), založený na operátoroch vytvárania a ničenia častíc. Ukazuje sa, že aj kvantová teória poľa je založená na týchto operátoroch (vyjadrených v nich).

Rovnice Klein - Gordon a Dirac by sa mali považovať za rovnice pre funkcie operátora poľa pôsobiace na stavový vektor systému kvantových polí spĺňajúcich Schrödingerovu rovnicu.

Podstata kvantovej teórie poľa

Lagrangeovský formalizmus

V klasickej mechanike možno mnohočasticové systémy opísať pomocou Lagrangeovho formalizmu. Lagrangeus mnohočasticového systému sa rovná súčtu Lagrangiány jednotlivých častíc. V teórii poľa môže podobnú úlohu hrať Lagrangeova hustota (hustota Lagrangeových) v danom mieste v priestore. Lagrangian systému (pole) sa teda bude rovnať integrálu Lagrangianovej hustoty v trojrozmernom priestore. Akcia, ako v klasickej mechanike, sa predpokladá, že sa časom rovná integrálu Lagrangeových. V dôsledku toho je možné akciu v teórii poľa považovať za integrál Lagrangeovej hustoty v štvorrozmernom časopriestore. Podľa toho je možné na tento štvorrozmerný integrál aplikovať princíp najmenšieho (stacionárneho) pôsobenia a získať pre pole pohybové rovnice-Euler-Lagrangeove rovnice. Minimálna požiadavka na Lagrangian (Lagrangianova hustota) je relativistická invariancia. Druhou požiadavkou je, aby Lagrangian neobsahoval deriváty funkcie poľa vyššie ako prvý stupeň, aby boli pohybové rovnice „správne“ (zodpovedajú klasickej mechanike). Existujú aj ďalšie požiadavky (lokalita, unitarita atď.). Podľa Noetherovej vety nemennosť akcie vzhľadom na transformácie k-parametrov vedie ku k invariantom dynamického poľa, to znamená k zákonom zachovania. Najmä nemennosť akcie vzhľadom na preklady (posuny) vedie k zachovaniu 4-hybnosti.

Príklad: skalárne pole s Lagrangianovou

Pohybové rovnice pre dané pole vedú k Klein-Gordonovej rovnici. Na vyriešenie tejto rovnice je užitočné prejsť na reprezentáciu impulzov prostredníctvom Fourierovej transformácie. Z Klein-Gordonovej rovnice je ľahké vidieť, že Fourierove koeficienty podmienku splnia

Kde je ľubovoľná funkcia

Funkcia delta vytvára vzťah medzi frekvenciou (energiou), vlnovým vektorom (impulzný vektor) a parametrom (hmotnosťou) :. Preto pre dve možné znaky máme dve nezávislé riešenia v reprezentácii hybnosti (Fourierov integrál)

Je možné ukázať, že vektor hybnosti bude

Funkciu preto možno interpretovať ako priemernú hustotu častíc s hmotnosťou, hybnosťou a energiou. Po kvantizácii sa tieto produkty zmenia na operátory s celočíselnými vlastnými hodnotami.

Kvantizácia poľa. Operátory kvantovej tvorby a anihilácie

Kvantizácia znamená prechod z polí na operátory pôsobiace na vektor (amplitúdu) stavu Φ ... Analogicky s bežnou kvantovou mechanikou vektor stavu úplne charakterizuje fyzický stav systémy kvantovaných vlnových polí. Stavový vektor je vektor v nejakom lineárnom priestore.

Hlavným postulátom kvantizácie vlnových polí je, že operátory dynamických premenných sú vyjadrené v operátoroch poľa rovnakým spôsobom ako pre klasické polia (berúc do úvahy poradie násobenia)

Pre kvantový harmonický oscilátor sa získa známy vzorec kvantizácie energie. Ukazuje sa, že vlastné funkcie zodpovedajúce uvedeným vlastným hodnotám hamiltoniánu sú navzájom spojené niektorými operátormi - operátor zdvíhania, - spúšťania. Je potrebné poznamenať, že títo operátori sú nekomutatívni (ich komutátor sa rovná jednému). Použitie rastúceho alebo klesajúceho operátora zvyšuje kvantové číslo n o jedna a vedie k rovnakému zvýšeniu energie oscilátora (ekvidištančné spektrum), ktoré možno interpretovať ako zrodenie nového alebo zničenie kvantového poľa energiou. Práve táto interpretácia umožňuje podobné použitie vyššie uvedených operátorov operátory vytvárania a ničenia kvanta daného poľa. Hamiltonovský harmonický oscilátor je vyjadrený v zmysle uvedených operátorov nasledovne, kde - operátor kvantového čísla polia. Je ľahké ukázať, že vlastné hodnoty tohto operátora sú počet kvant. Akýkoľvek stav n-častíc poľa je možné získať pôsobením operátorov tvorby na vákuum

Pre vákuový stav je výsledok použitia anihilačného operátora nulový (to možno brať ako formálnu definíciu vákuového stavu).

V prípade N oscilátorov sa hamiltonián systému rovná súčtu hamiltoniánov jednotlivých oscilátorov. Pre každý takýto oscilátor môžete definovať svoje vlastné operátory tvorby. Preto je možné ľubovoľný kvantový stav takéhoto systému opísať pomocou vyplňte čísla- počet operátorov daného druhu k pôsobiacich vo vákuu:

Takýto pohľad sa nazýva reprezentácia čísiel výplne... Podstatou tejto reprezentácie je, že namiesto určenia funkcie, funkcie súradníc ( súradnicová reprezentácia) alebo ako funkciu impulzov (zobrazenie impulzov) je stav systému charakterizovaný počtom excitovaného stavu - počtom okupácií.

Je možné ukázať, že napríklad Klein-Gordonovo skalárne pole môže byť reprezentované ako sada oscilátorov. Rozširovaním funkcie poľa v nekonečnej Fourierovej sérii z hľadiska trojrozmerného vektora hybnosti je možné ukázať, že z Klein-Gordonovej rovnice vyplýva, že amplitúdy expanzie uspokojujú klasické Diferenciálnej rovnice druhého rádu pre oscilátor s parametrom (frekvenciou). Uvažujme ohraničenú kocku a uložme podmienku periodicity v každej súradnici s bodkou. Podmienka periodicity vedie k kvantifikácii prípustných hybností a energie oscilátora:

Poľné operátory, dynamické operátory premenných

Fockova reprezentácia

Bose-Einsteinova a Fermiho-Diracova kvantifikácia. Pripojenie odstreďovania.

Komutačné vzťahy Boseho a Einsteina sú založené na obyčajnom komutátore (rozdiel medzi „doprednými“ a „inverznými“ produktmi operátorov) a Fermiho-Diracove komutačné vzťahy sú založené na antikomutátore (súčet „dopredného“ a „inverzné“ produkty operátorov). Kvantá prvých polí sa riadia štatistikami Bose-Einsteina a nazývajú sa bozóny a kvantá druhých sa riadia štatistikou Fermi-Diraca a nazývajú sa fermióny. Bose-Einsteinova kvantizácia polí sa ukazuje ako konzistentná pre častice s celočíselným spinom a pre častice s polovičným celočíselným spinom sa Fermiho-Diracova kvantizácia ukazuje ako konzistentná. Fermióny sú teda častice s polovičným celočíselným spinom a bozóny sú s celým číslom.

S-matrix formalizmus. Feynmanov diagramy

Problém rozdielov a spôsoby ich riešenia

Axiomatická teória kvantového poľa

pozri tiež

Literatúra

• Teória kvantového poľa - fyzikálna encyklopédia (vedúci redaktor A.M. Prochorov).
• Richard Feynman„Povaha fyzikálnych zákonov“ - M., Nauka, 1987, 160 s.
• Richard Feynman, „QED - zvláštna teória svetla a hmoty“ - M., Nauka, 1988, 144 s.
• Bogolyubov N.N., Shirkov D.V.Úvod do teórie kvantovaných polí. - Moskva: Nauka, 1984.- 600 s.
• Wentzel G.Úvod do kvantová teória vlnové polia. - M.: GITTL, 1947.- 292 s.
• Itzikson K., Zyuber J.-B. Teória kvantového poľa. - M.: Mir, 1984- T. 1.- 448 s.
• Ryder L. Teória kvantového poľa. - M.: Mir, 1987.- 512 s.

Fyzika je najzáhadnejšou zo všetkých vied. Fyzika nám umožňuje porozumieť svetu okolo nás. Fyzikálne zákony sú absolútne a platia pre každého bez výnimky, bez ohľadu na osobu a sociálne postavenie.

Tento článok je pre ľudí starších ako 18 rokov.

Už máš 18?

Základné objavy v kvantovej fyzike

Isaac Newton, Nikola Tesla, Albert Einstein a mnoho ďalších sú veľkými sprievodcami ľudstva v báječný svet fyzici, ktorí podobne ako proroci odhalili ľudstvu najväčšie tajomstvá vesmíru a možnosti ovládania fyzikálnych javov. Ich svetlé hlavy preťali temnotu nevedomosti nerozumnej väčšiny a ako vodiaca hviezda ukázali v tme noci cestu ľudstvu. Jedným z týchto sprievodcov vo svete fyziky bol Max Planck, otec kvantovej fyziky.

Max Planck je nielen zakladateľom kvantovej fyziky, ale aj autorom svetoznámej kvantovej teórie. Kvantová teória je najdôležitejšou súčasťou kvantovej fyziky. Jednoducho povedané, táto teória popisuje pohyb, správanie a interakciu mikročastíc. Zakladateľ kvantovej fyziky nám priniesol aj mnoho ďalších vedecké práce ktoré sa stali základnými kameňmi modernej fyziky:

• teória tepelného žiarenia;
• špeciálna teória relativity;
• výskum v oblasti termodynamiky;
• výskum v oblasti optiky.

Teória kvantovej fyziky o správaní a interakcii mikročastíc sa stala základom pre fyziku kondenzovaných látok, fyziku elementárnych častíc a fyziku vysokých energií. Kvantová teória nám vysvetľuje podstatu mnohých javov v našom svete - od fungovania elektronických počítačov až po štruktúru a správanie sa nebeských telies. Max Planck, tvorca tejto teórie, vďaka svojmu objavu nám umožnil pochopiť skutočnú podstatu mnohých vecí na úrovni elementárnych častíc. Vytvorenie tejto teórie však nie je zďaleka jedinou zásluhou vedca. Stal sa prvým, kto objavil základný zákon vesmíru - zákon zachovania energie. Prínos Maxa Plancka pre vedu je ťažké preceňovať. Stručne povedané, jeho objavy sú neoceniteľné pre fyziku, chémiu, históriu, metodológiu a filozofiu.

Teória kvantového poľa

Stručne povedané, kvantová teória poľa je teóriou opisu mikročastíc, ako aj ich správania vo vesmíre, vzájomnej interakcie a interkonverzie. Táto teória študuje správanie kvantových systémov v takzvaných stupňoch voľnosti. Toto krásne a romantické meno mnohým z nás vlastne nič nehovorí. U figurín sú stupne voľnosti počtom nezávislých súradníc, ktoré sú potrebné na označenie pohybu mechanického systému. Jednoducho povedané, stupne voľnosti sú charakteristikami pohybu. Zaujímavé objavy v oblasti interakcie elementárnych častíc vyrobil Steven Weinberg. Objavil takzvaný neutrálny prúd - princíp interakcie medzi kvarkmi a leptónmi, za ktorý dostal nobelová cena v roku 1979.

Kvantová teória Maxa Plancka

V deväťdesiatych rokoch osemnásteho storočia sa nemecký fyzik Max Planck začal zaoberať štúdiom tepelného žiarenia a nakoniec získal vzorec na distribúciu energie. Kvantová hypotéza, ktorá sa zrodila v priebehu týchto štúdií, položila základ kvantovej fyziky, ako aj kvantovej teórie poľa, objavenej v roku 1900. Planckova kvantová teória hovorí, že pri tepelnom žiarení je vyrobená energia emitovaná a absorbovaná nie neustále, ale epizodicky kvantovo. Rok 1900, vďaka tomuto objavu Maxa Plancka, bol rokom zrodu kvantovej mechaniky. Za zmienku stojí aj Planckov vzorec. Stručne povedané, jeho podstata je nasledovná - je založená na pomere telesnej teploty a jej žiarenia.

Kvantovo mechanická teória štruktúry atómu

Kvantovo mechanická teória štruktúry atómu je jednou zo základných teórií konceptov v kvantovej fyzike a vo fyzike všeobecne. Táto teória nám umožňuje porozumieť štruktúre všetkého hmotného a otvára rúško tajomstva nad tým, z čoho veci vlastne pozostávajú. A závery, založené na tejto teórii, sú celkom neočakávané. Stručne zvážime štruktúru atómu. Z čoho teda atóm vlastne pozostáva? Atóm sa skladá z jadra a oblaku elektrónov. Základ atómu, jeho jadro, obsahuje takmer celú hmotnosť samotného atómu - viac ako 99 percent. Jadro vždy má kladný náboj a definuje chemický prvok, ktorého súčasťou je atóm. Na jadre atómu je najzaujímavejšie, že obsahuje takmer celú hmotnosť atómu, ale zároveň zaberá iba jednu desaťtisícinu svojho objemu. Čo z toho vyplýva? A záver je celkom nečakaný. To znamená, že hustá hmota v atóme je iba jedna desaťtisícina. A čo zaberá zvyšok? A všetko ostatné v atóme je elektrónový mrak.

Elektronický cloud nie je trvalou a dokonca ani hmotnou látkou. Elektrónový mrak je iba pravdepodobnosť výskytu elektrónov v atóme. To znamená, že jadro zaberá iba jednu desaťtisícku v atóme a všetko ostatné je prázdnota. A ak vezmeme do úvahy, že všetky objekty okolo nás, od zrniek prachu po nebeské telesá, planéty a hviezdy, sú zložené z atómov, potom sa ukáže, že všetok materiál v skutočnosti pozostáva z viac ako 99 percent prázdnoty. Táto teória sa zdá byť úplne neuveriteľná a jej autor je prinajmenšom bludný človek, pretože veci, ktoré existujú okolo, majú pevnú konzistenciu, majú váhu a je možné sa ich dotýkať. Ako sa môže skladať z prázdnoty? Vkradla sa chyba do tejto teórie štruktúry hmoty? Ale tu nie je žiadna chyba.

Všetky hmotné veci sa zdajú byť husté iba vďaka interakcii medzi atómami. Veci majú pevnú a hustú konzistenciu iba vďaka príťažlivosti alebo odpudivosti medzi atómami. To zaisťuje hustotu a tvrdosť kryštálovej mriežky. chemické látky, z ktorého pozostáva všetko materiálne. Ale, zaujímavý moment„pri zmene napríklad teplotných podmienok prostredia môžu oslabiť väzby medzi atómami, to znamená ich príťažlivosť a odpudivosť, čo vedie k oslabeniu kryštálovej mriežky a dokonca k jej zničeniu. To vysvetľuje zmenu fyzikálne vlastnosti látky pri zahrievaní. Napríklad, keď sa železo zahreje, stane sa tekutým a môže mať akýkoľvek tvar. A keď sa ľad topí, deštrukcia kryštálovej mriežky vedie k zmene stavu látky a z pevnej látky sa zmení na kvapalinu. to živé príklady oslabenie väzieb medzi atómami a v dôsledku toho oslabenie alebo zničenie kryštálovej mriežky a umožnenie amorfnosti látky. A dôvod takýchto záhadných metamorfóz je práve v tom, že iba jedna desaťtisícová látka pozostáva z hustej hmoty a všetko ostatné je prázdnota.

A látky sa zdajú byť pevné len kvôli silným väzbám medzi atómami, ktorých oslabením sa látka upravuje. Kvantová teória štruktúry atómu vám teda umožňuje pozrieť sa na svet okolo nás úplne iným spôsobom.

Zakladateľ teórie atómu Niels Bohr predložil zaujímavý koncept, že elektróny v atóme nevyžarujú energiu neustále, ale iba v okamihu prechodu medzi svojimi trajektóriami. Bohrova teória pomohla vysvetliť mnohé intraatómové procesy a prelomila aj v oblasti vedy, ako je chémia, a vysvetlila hranicu tabuľky vytvorenej Mendelejevom. Podľa posledného prvku, ktorý môže existovať v čase a priestore, má poradové číslo stotridsaťsedem a prvky začínajúce od stotridsaťosem nemôžu existovať, pretože ich existencia je v rozpore s teóriou relativity. Bohrova teória tiež vysvetlila povahu takého fyzikálneho javu, akým sú atómové spektrá.

Toto sú spektrá interakcie voľných atómov vyplývajúcich zo žiarenia energie medzi nimi. Takéto javy sú typické pre plynné, parné látky a látky v stave plazmy. Kvantová teória teda urobila revolúciu vo svete fyziky a umožnila vedcom napredovať nielen v oblasti tejto vedy, ale aj v oblasti mnohých príbuzných vied: chémie, termodynamiky, optiky a filozofie. A tiež umožnilo ľudstvu preniknúť do tajomstiev podstaty vecí.

Ešte stále je potrebné veľa toho obrátiť k ľudstvu vo svojom vedomí, aby si uvedomilo podstatu atómov, pochopilo princípy ich správania a interakcie. Keď to pochopíme, budeme schopní porozumieť povahe sveta okolo nás, pretože všetko, čo nás obklopuje, počnúc prachovými zrnami a končiac samotným slnkom a my sami - všetko pozostáva z atómov, ktorých povaha je tajomná a úžasné a skrýva v sebe veľa tajomstiev.