Квантовые поля

Если вас интересуют курсы seo, то мы можем помочь вам. Для этого пройдите по ссылке и узнайте больше.

Давайте начнём с более внимательного рассмотрения традиционной квантовой тории поля, оказавшейся столь успешной. Это послужит подготовкой к обсуждению струнного объединения, а также поможет выявить ключевые взаимосвязи между этими двумя подходами к формулировке законов природы.

Известно, что классическая физика описывает поле как нечто типа тумана, который пронизывает область пространства и может переносить возмущения в виде ряби и колебаний. Если бы Максвелл описывал свет, например, освещающий в данный момент этот текст, он бы с восторгом рассказывал об электромагнитных волнах, которые исходят от солнца или от настольной лампы и колеблются в пространстве, направляясь к этой странице. Он стал бы математически описывать движение волн с помощью чисел, изображающих силу поля и направление поля в каждой точке пространства. Колеблющееся поле соответствует колеблющимся числам: численное значение поля в каждой заданной точке периодически увеличивается и уменьшается.

Вовлечение в квантовую механику понятия поля приводит к квантовой теории поля, обладающей двумя существенно новыми свойствами. Мы встречались с ними ранее, но стоит напомнить. Во-первых, квантовая неопределённость заставляет значение поля в каждой точке случайно колебаться — вспомните флуктуирующее поле инфлатона в инфляционной космологии. Во-вторых, подобно воде, состоящей из молекул H₂O, квантово-механическое поле состоит из бесконечно малых частиц, известных как кванты поля. Кванты электромагнитного поля — это фотоны, и поэтому квантовая физика изменяет классическое описание вашей настольной лампы, данное Максвеллом, — теперь лампа излучает устойчивый поток из 100 миллиардов миллиардов фотонов в секунду.

Десятилетия дальнейших исследований установили, что эти свойства квантовой механики, применённые к полям, являются совершенно общими. Каждое поле подвержено квантовым флуктуациям. Каждое поле сопоставляется какому-то виду частиц. Электроны — это кванты электронного поля. Кварки — это кванты кваркового поля. В качестве (очень) приближённого наглядного образа физики иногда думают о частицах как об узлах или плотных крупицах соответствующего поля. Но как бы вы не представляли частицы, в рамках квантовой теории поля они математически описываются как крохотные крапинки или точки, не имеющие пространственного размера и внутренней структуры.

Наша вера в квантовую теорию поля обусловлена одним существенным фактом: ни один эксперимент не противоречит её предсказаниям. Наоборот, данные подтверждают, что уравнения квантовой теории поля описывают поведение частиц с изумительной точностью. Наиболее впечатляющим примером является квантовая теория поля электромагнитных сил, квантовая электродинамика . С её помощью физики провели подробные вычисления магнитных свойств электрона. Работа достаточно трудоёмкая, и точные результаты потребовали десятилетий вычислений. Но это того стоило. Полученные результаты совпадают с реальными измерениями с точностью до десяти знаков после запятой, что является совершенно невообразимым согласием теории и эксперимента.

После такого успеха можно ожидать, что квантовая теория поля является математическим фундаментом для понимания всех сил в природе. Многие известные физики разделяли такую точку зрения. В результате упорного труда многих из них к концу 1970-х было установлено, что слабое и сильное ядерные взаимодействия действительно прекрасно описываются квантовой теорией поля. Оба взаимодействия аккуратно описаны в терминах полей — сильные и слабые поля, — распространяющихся и взаимодействующих согласно математическим правилам квантовой теории поля.

Однако, как указывалось выше в историческом обзоре, многие из упомянутых физиков быстро пришли к выводу, что ситуация с четвёртым взаимодействием в природе — гравитацией, гораздо тоньше. Как только уравнения общей теории относительности объединяются с уравнениями квантовой теории, математика начинает бунтовать. Совместное использование уравнений для вычисления квантовой вероятности некоторых физических процессов — таких как вероятность того, что два электрона оттолкнуться друг от друга, притом что они электромагнитно притягиваются и гравитационно отталкиваются, — как правило, приводит к ответу бесконечность . И хотя некоторые вещи во Вселенной и могут быть бесконечными, например протяжённость пространства и количество заполняющего его вещества, но вероятности бесконечными быть не могут. По определению, значение вероятности должно находиться между 0 и 1 (между 0 и 100, если считать в процентах). Бесконечная вероятность совсем не означает, что нечто скорее всего произойдёт, или определённо случится; скорее наоборот — это бессмыслица, как говорить об одиннадцатом яйце в десятке. Бесконечная вероятность шлёт очевидный математический намёк: совместное использование уравнений бессмысленно.

Физики выяснили, что проблема коренится в дрожании и флуктуациях из-за квантовой неопределённости. Математические методы квантовой теории поля были разработаны для анализа флуктуаций сильных, слабых и электромагнитных полей, но, при их применении к гравитационному полю — полю, которое определяет кривизну пространства-времени, — оказалось, что они бесполезны. Возникли разные математические противоречия, такие как бесконечные вероятности.

Чтобы понять, почему так происходит, представьте, что вы владелец старого дома в Сан-Франциско. Если кто-то из ваших жильцов устраивает слишком бурные вечеринки, вам, наверное, придётся поднапрячься, чтобы привести жильцов в чувство, но вы точно можете не беспокоиться, что пирушка нарушит устойчивость самого здания. Однако, если начнётся землетрясение, вы столкнётесь с более серьёзной проблемой. Флуктуации трёх негравитационных полей — полей, что населяют здание пространства-времени, — подобны неутомимым участникам вечеринок. Целое поколение физиков боролось с квантовыми флуктуациями, и к началу 1970-х годов были развиты математические методы, адекватно описывающие квантовые свойства негравитационных полей. Однако флуктуации гравитационного поля качественно другие. Они больше похожи на землетрясение. Поскольку гравитационное поле вплетено в саму ткань пространства-времени, квантовые флуктуации сотрясают всю его структуру вдоль и поперёк. Математические методы, используемые для анализа таких всеобъемлющих квантовых флуктуаций, перестают работать.

В течение многих лет физики смотрели сквозь пальцы на эту проблему, потому что она возникает только при весьма экстремальных условиях. Гравитация вступает в игру, когда объекты очень массивны, а квантовая механика — когда их размер очень мал. Редко бывает, чтобы предмет был одновременно и массивный, и малым, так что для его описания необходимо привлекать как квантовую механику, так и общую теорию относительности. Однако подобные ситуации возникают. Когда гравитация и квантовая механика применяются для описания или Большого взрыва или чёрных дыр, то есть когда действительно огромная масса вещества сжимается до небольших размеров, математические методы перестают работать в самый критический момент анализа, оставляя без ответа вопросы, касающиеся того, как Вселенная родилась и как она, возможно, умрёт в центре чёрной дыры.

Более того — и это действительно впечатляюще, — отвлекаясь от озвученных примеров чёрных дыр и Большого взрыва, можно вычислить, насколько массивным и малым должна быть физическая система, для того чтобы и гравитация, и квантовая механика играли существенную роль. Ответ такой — масса, примерно в 10⁹ раз превышающая массу протона, так называемая масса Планка , сжатая до фантастически малого объёма примерно 10⁷²²⁹⁹ кубического сантиметра (грубо говоря, это сфера с радиусом 10⁸⁷²²³³ сантиметра с так называемой планковской длиной. Таким образом, расстояние, на котором квантовая гравитация вступает в права, в миллион миллиардов раз меньшее расстояния, достижимого на самых мощных в мире ускорителях. Такая огромная неисследованная территория легко может быть населена новыми полями и их частицами — и кто знает, чем ещё. В целях объединения гравитации и квантовой механики потребуется совершить множество переходов, сталкиваясь с известным и неизвестным на всей этой гигантской территории, которая по большей части остаётся экспериментально недоступной. Такая задача весьма амбициозна и многие учёные были убеждены, что она нерешаема.

Поэтому вы можете представить то удивление и недоверие, когда в середине 1980-х годов в физическом сообществе поползли слухи, что в направлении объединения произошёл серьёзный теоретический прорыв в рамках подхода, названного теорией струн.