В физике мы регулярно говорим о полях: магнитном поле, электрическом поле, гравитационном поле… В более общем плане можно даже говорить о «квантовых полях», которые используются в квантовой физике для описания мира.
В классической физике, или ньютоновской физике, мы говорим о частицах. Протоны, электроны, все это частицы. Их можно рассматривать как маленькие шарики элементарной материи, из которых состоят все материалы, которые мы видим.
Эта модель хорошо работает на многих вещах, но и она не все объясняет. Она не объясняет, например, как частицы могут мешать друг другу.
Уже около века известно, что все частицы также имеют волновую составляющую. Мы знаем, как дифрактировать электроны, нейтроны …
Считается, что эти элементы обладают двойственностью волны-частицы, хотя это не удобная концепция для работы: если считать, что это частица, часть теории не сработает. И наоборот, если нужно рассматривать частицу как волну, то могут быть применены только определенные уравнения.
В физике это недопустимо: уравнение должно применяться в любое время и в любом месте.
Поэтому квантовая физика ввела понятие волновых пакетов — видов волновых частиц, которые сгруппировали бы две составляющие материи под одной и той же математической моделью. Эти волновые пакеты действуют на квантовые поля.
Понятие квантовых полей
Помимо проблемы физической реальности элементарных частиц, необходимо изучить, как они взаимодействуют.
Например, две частицы массы взаимодействуют через притягивающую силу — гравитационную силу, так как считается, что везде есть гравитационное поле, которое несет информацию о массе, и заставляет две частицы двигаться навстречу друг другу, что мы называем «гравитационной притягивающей силой».
В этом контексте гравитационное поле — это поле. Но что такое поле?
Понятие поля в математике
Возьмите двух- или трехмерный ориентир что угодно. Визуализируйте точку в этом ориентире, любую. Сопоставьте с этой точкой значение, любое. Сделайте то же самое для другого пункта, затем другого. Фактически, с каждой точкой в этой системе координат сопоставьте значение. Когда вы это сделали, у вас есть поле.
Поле представляет собой ориентир, к которому привязано значение для каждой точки.
Например: возьмите комнату, в которой вы находитесь, затем поместите начало координат (0; 0; 0) в один из углов. Теперь у каждого места в комнате есть координаты. Наконец, для каждого места в комнате укажите температуру в этой точке. Затем мы получаем карту температуры в вашей комнате: математически эта карта представляет собой поле: поле температуры.
К одной и той же точке могут быть привязаны несколько значений. В нашем примере, помимо температуры, можно связать атмосферное давление, влажность, чистоту воздуха, скорость выбросов CO2 и т.д. Тогда у нас есть ориентир с множеством полей.
У нас также может быть векторное поле, что позволяет связать вектор с любой точкой в пространстве. Например, если мы свяжем скорость ветра в этой точке с каждой точкой в пространстве, мы получим векторное поле.
Эти различные поля могут быть связаны: таким образом, вектор скорости или даже влажность в точке будут зависеть от давления и температуры воздуха в окружающих точках.
Эта работа является то, что делается в метеорологии: с помощью физических показаний (температура, давление, относительная влажность) можно определить, будет ли ветер, в каком направлении, или предсказать изменения относительной влажности, дождя, короче говоря, прогноз погоды в ближайшие часы или дни.
Реальная погода в том или ином месте может быть разбита на несколько параметров, смоделированных по полям: ветер, температура, давление, влажность и т. д.
Мы также можем ассоциировать тензоры с каждой точкой (более общий объект, чем скаляры и векторы).
Таким образом, поле — это что-то вроде карты значений (скаляров, векторов, тензоров…) в системе координат. Таким образом, каждая контрольная точка имеет определенное значение. Измеряя разные поля для разных величин, мы можем моделировать более сложные явления.
Использование полей в физике
Возьмите температурное поле в помещении: теперь вы знаете, что оно означает: вы видите цифры — температуру — связанные с каждой точкой в помещении.
Теперь, если вы зажжете свечу в одном месте, температура будет очень высокой там, где находится пламя. Это будет учтено в температурном поле со значительно более высокими значениями температуры в координатах, где находится пламя свечи.
И наоборот, если вы посмотрите на температурную карту комнаты и увидите, что в определенном месте температура значительно повышается, вы можете сделать вывод, что кто-то зажег там свечу.
Точно так же, если вы видите, что эта температурная «аномалия» меняет координаты со временем, вы можете сделать вывод, что кто-то перемещает свечу по комнате.
Если эта температурная аномалия внезапно исчезает, значит, свеча погасла.
Это очень простой пример для изучения поля в соответствии с физическим параметром.
Вместо температуры мы можем взять значение электрического заряда в этом месте. Если мы поместим себя в абсолютный вакуум, мы заметим, что электрическое поле и магнитное поле равны нулю во всех точках. Если мы сейчас отправим фотон через вакуум, мы заметим возмущение, которое распространяется в электрическом и магнитном полях. Это возмущение соответствует фотону, пересекающему вакуум.
Концепция квантовых полей в квантовой физике
Выше, в нашем примере вакуума, через который проходит фотон, мы рассматриваем частицу, фотон, и моделируем его возмущением в электромагнитном поле.
Но что, если бы мы поступили наоборот? Если бы мы считали, что фотон в своем наиболее фундаментальном описании был только возмущением полей, и что мы моделировали это возмущение как частицу?
В квантовой физике в квантовой теории поля это то, что мы делаем: рассматриваем частицы уже не как маленькие конденсированные шарики материи, а как возмущения, присутствующие на поверхности квантового поля. В таком случае «маленькая частица» представляет собой упрощенное описание, которое предполагается более интуитивным.
В рамках квантовой теории поля Вселенная заполнена различными полями: электрическими, магнитными, гравитационными, и частице соответствует возбуждение на этих разных полях.
Например:
- положительное возмущение электрического поля и возмущение гравитационного поля, например, соответствует протону;
- если возмущается только гравитационное поле, это нейтрон: действительно, нейтрон имеет массу, но не имеет заряда, и тогда будет возмущено только гравитационное поле;
- если возмущение касается только электрического и магнитного полей, а не гравитационного поля, мы можем сделать вывод, что имеем дело с фотоном, который не имеет массы.
В квантовой физике мы работаем с такими вещами. Мы больше не говорим о частицах как о шарах материи, а как о точечных волнах: известных пакетах волн, возникающих через одно или несколько квантовых полей и реагирующих с ними.
В итоге
Подводя итог, мы можем видеть Вселенную как холст, заполненный разными слоями, соответствующими различным квантовым полям: электрическому полю, магнитному полю, гравитационному полю и т.д.
Поэтому каждая точка в этом пространстве характеризуется значением, соответствующим напряженности электрического, магнитного, гравитационного и т.д. поля в этой точке:
Схема электрического поля для электрона (отрицательного) и позитрона (положительного)
Данная частица, которая войдет в это пространство, изменит различные поля в соответствии со своими физическими параметрами (электрический заряд, масса…). Анализируя значения этих полей в данном месте, мы можем определить, какая частица только что пересекла это пространство.
Это то, что происходит в ускорителях частиц: наши теоретические модели предсказывают появление или существование определенных частиц, а целью является их фактическое обнаружение, для того, чтобы подтвердить теоретическую модель.
Взаимодействия между частицами соответствуют действию возмущения поля на другие возмущения того же поля или других полей, например, помехи.
Каждое взаимодействие одной частицы с другой соответствует передаче энергии от одного поля к другому. Возмущение электрического поля может передаваться магнитному, гравитационному и т.д. Когда пара частица-античастица аннигилирует, масса может быть преобразована в фотон, а значит, в электромагнитную энергию.
В целом энергия сохраняется, но она может переходить из одного поля в другое.
Источник:
