З усіх революційних ідей, якими захоплюється наука, найхимернішою і найконтрінтуїтивнішою є концепція квантової механіки.
Раніше вчені припускали, що Всесвіт детермінований, а закони фізики дають змогу з ідеальною точністю передбачити, як у часі розвивається будь-яка система.
Ми припускали, що наш редукціоністський підхід - коли шукаємо найдрібніші складові реальності та намагаємося зрозуміти їхні властивості - призведе до остаточного пізнання речей.
Якби ми знали, з чого складаються речі, і могли визначити правила, які ними керують, ніщо б не сховалося від нашої особливості передбачати.
Але коли мова зайшла про квантовий Всесвіт, це припущення виявилося неправильним.
Коли ви зведете реальність до її найдрібніших компонентів, ви виявите, що всі форми матерії та енергії можна розділити на неподільні частини - кванти. Однак ці кванти більше не поводяться детерміновано, тільки ймовірно.
І навіть із цим доповненням залишається ще одна проблема: вплив, який ці кванти чинять один на одного. Наші класичні уявлення про поля і сили не в змозі відобразити реальні ефекти квантово-механічного Всесвіту, що свідчить про необхідність їх подальшого квантування.
Квантова механіка недостатня для пояснення сущого; для цього необхідна квантова теорія поля. І ось чому.
Можна уявити собі Всесвіт, де взагалі нічого не квантовано, де немає потреби в чомусь, що виходить за рамки фізики другої половини 19 століття.
Ви скільки без обмежень можете ділити матерію на маленькі шматочки. Ви ніколи не зіткнетеся з фундаментальним, неподільним будівельним блоком. І якщо у вашому розпорядженні буде досить гострий або сильний "дільник", ви завжди зможете рухатися далі.
Однак на початку XX століття було показано, що ця ідея несумісна з реальністю.
- Випромінювання від нагрітих об'єктів не випускається на всіх частотах, а скоріше, квантується на окремі "пакети", кожен з яких містить певну кількість енергії.
- Електрони можуть бути іонізовані тільки світлом, довжина хвилі якого коротша (або частота вища) за певний поріг.
- А частинки, що випускаються під час радіоактивного розпаду, під час пострілу в тонкий шматок золотої фольги іноді рикошетять у зворотному напрямку, ніби там були тверді "шматки" матерії, через які вони не можуть пройти.
У підсумку вчені припустили, що матерія та енергія не є безперервними. Швидше, вони діляться на дискретні сутності - кванти.
Початкова ідея квантової фізики народилася з розуміння того, що Всесвіт не є повністю класичним; методологічно він зводиться до неподільних частинок, які, як виявилося, грають за своїми власними, іноді химерними, правилами.
Що більше ми експериментували, то більше незвичайної поведінки ми виявляли, зокрема:
- атоми здатні поглинати або випромінювати світло тільки на певних частотах, тому енергетичні рівні квантовані;
- квант, пропущений через подвійну щілину, демонструватиме хвилеподібну, а не часткоподібну поведінку;
- між певними фізичними величинами існує внутрішній зв'язок невизначеності, і більш точне вимірювання однієї з них збільшує невизначеність, притаманну іншій;
- результати вимірювань не є детерміністично передбачуваними, можуть бути передбачені тільки ймовірнісні розподіли дослідів.
Такого роду відкриття окреслили не тільки філософські, а й фізичні проблеми.
Наприклад, між положенням та імпульсом будь-якого кванта матерії або енергії існує внутрішній зв'язок невизначеності. Що краще ви вимірюєте одне з них, то більш невизначеним за своєю природою стає інше.
Інакше кажучи, положення й імпульс не можна вважати винятково фізичною властивістю матерії, їх слід розглядати як квантовомеханічні оператори, які дають лише ймовірнісний розподіл результатів.
Звідки виникає проблема?
Тому що ці дві величини, вимірювані в будь-який момент часу за нашим вибором, залежні від часу. Позиції, які ви вимірюєте, або моменти, якими, за вашими припущеннями, володіє частка, змінюються й еволюціонують із часом.
Це було б чудово саме по собі, але є ще одна концепція, яка прийшла до нас зі спеціальної теорії відносності: поняття часу різне для різних спостерігачів. Тому закони фізики, які ми застосовуємо до систем, мають залишатися релятивістськи інваріантними. Зрештою, вони не повинні змінюватися тільки тому, що ви рухаєтеся з іншою швидкістю, в іншому напрямку або перебуваєте не там, де були раніше.
У початковому формулюванні квантова фізика не була релятивістськи інваріантною теорією; її передбачення варіювалися для різних спостерігачів. Знадобилися роки розробок, перш ніж було сформовано першу релятивістськи інваріантну версію квантової механіки, що сталося тільки наприкінці 1920-х років.
Якщо ми вважали передбачення первісної квантової фізики дивними, з їхнім індетермінізмом і фундаментальними невизначеностями, то в релятивістськи інваріантній версії з'явилася ціла низка нових передбачень. Вони включають:
- притаманну квантам кількість кутового моменту, відому як спін;
- магнітні моменти для цих квантів;
- властивості тонкої структури;
- нові передбачення про поведінку заряджених частинок у присутності електричних і магнітних полів;
- і навіть існування негативних енергетичних станів, які на той час були загадкою.
Пізніше негативні енергетичні стани були ідентифіковані з "рівним і протилежним" набором квантів, існування яких було доведено: антиматеріальні аналоги відомих частинок.
Великий стрибок уперед - отримати релятивістське рівняння, яке описує найбільш ранні фундаментальні частинки, такі як електрон, позитрон, мюон та інші.
Однак нове розуміння не пояснювало ВСЕ. Радіоактивний розпад усе ще залишався загадкою. Фотон мав неправильні властивості частинки, а теорія могла пояснити взаємодію електрона з електроном, але не взаємодію фотона з фотоном.
Очевидно, що якийсь важливий компонент історії все ще був відсутній.
Ось вам ілюстрація: уявіть собі електрон, що проходить через подвійну щілину. Якщо ви не вимірюєте, через яку щілину проходить частинка, тоді він поводиться як хвиля: частина його проходить через обидві щілини, і ці два компоненти інтерферують, створюючи хвильову картину.
Електрон якимось чином інтерферує із самим собою на своєму шляху, і ми бачимо результати цієї інтерференції, коли виявляємо електрони наприкінці експерименту.
Навіть якщо ми посилаємо ці електрони по одному через подвійну щілину, властивість інтерференції зберігається; вона властива квантово-механічній природі всієї фізичної системи.
Тепер поставте собі запитання: що відбувається з його електричним полем, коли він проходить через щілини?
Раніше квантова математика замінила наші уявлення про такі величини, як положення та імпульс частинок, які були просто величинами зі значеннями, на те, що ми називаємо квантовомеханічними операторами. Ці математичні функції "оперують" квантовими хвильовими функціями і створюють імовірнісний набір результатів спостереження.
Коли ви проводите спостереження, насправді це означає лише те, що ви змушуєте певний квант взаємодіяти з іншим квантом. Ефекти якого ви потім виявляєте, інтерпретуються як значення квантів. Однак самими квантами (або операторами квантів) вони не є.
Але що робити, якщо у вас є квант, який генерує поле, але поводиться як децентралізована, нелокалізована хвиля? Це зовсім інший сценарій, ніж той, який проявляється в класичній фізиці або в квантовій фізиці. Ви не можете просто розглядати електричне поле, створюване цим хвилеподібним, рознесеним електроном, як таке, що виходить з однієї точки і підпорядковується класичним законам рівнянь Максвелла.
Якби ви помістили іншу заряджену частинку, наприклад, другий електрон, він мав би реагувати на дивну квантову поведінку, яку викликає ця квантова хвиля.
У старій, класичній теорії, поля тиснуть на частинки, що перебувають у певних положеннях, і змінюють імпульс кожної частинки.
Але якщо положення й імпульс частинки за своєю природою невизначені, і якщо частинка, що генерує поля, сама невизначена в положенні та імпульсі, тоді й поля не можуть розглядатися аналогічно: так, начебто вони є якимось статичним "фоном", на який накладаються квантові ефекти інших частинок.
Якщо ми це зробимо, ми упустимо себе, упустимо "квантовість" полів, що лежать в основі.
У цьому полягав величезний прогрес квантової теорії поля, яка не просто просувала певні фізичні властивості як квантові оператори, але просувала самі поля як квантові оператори.
Звідси також походить ідея другого квантування: адже квантуються не тільки матерія та енергія, а й поля.
Раптово розгляд полів як квантовомеханічних операторів дав змогу пояснити величезну кількість явищ, які вже спостерігалися, зокрема:
- створення й анігіляція частинок і античастинок;
- радіоактивні розпади;
- квантове тунелювання, що призводить до створення електрон-позитронних пар;
квантові поправки до магнітного моменту електрона.
За допомогою квантової теорії поля всі ці явища набули сенсу, і багато інших пов'язаних із ними явищ тепер можна передбачити, включно з розбіжністю між експериментальними результатами для магнітного моменту мюона, включно з різними теоретичними методами його обчислення: непертурбативними, які узгоджуються з експериментом, і пертурбативними, які не узгоджуються.
Одна з ключових речей звичайної квантової механіки - це можливість взаємодії поля і поля, а не тільки пари частинка-частинка або частинка-поле.
Більшість із нас можуть усвідомити, що частинки взаємодіють з іншими частинками, тому що ми звикли до того, що два предмети стикаються один з одним: м'яч, що розбивається об стіну, - це взаємодія частинка-частинка.
Більшість із нас також можуть прийняти, що частинки і поля взаємодіють, наприклад, коли ви підносите магніт до металевого предмета.
Хоча це суперечить вашій інтуїції, квантовий Всесвіт насправді не звертає жодної уваги на те, як ми сприймаємо Всесвіт макроскопічний. Набагато менш інтуїтивно думати про взаємодію поля з полем, але з фізичної точки зору вона не менш важлива. Без чого неможливі:
Фотон-фотонні зіткнення, які є життєво важливою частиною створення пар матерія-антиматерія;
глюон-глюонні зіткнення, відповідальні за більшість високоенергетичних подій на Великому адронному колайдері;
наявність як безнейтринного подвійного бета-розпаду, так і подвійного нейтринного подвійного бета-розпаду (останній уже спостерігали, а перший усе ще перебуває у стадії пошуку).
Всесвіт, на фундаментальному рівні, складається не тільки з квантованих пакетів матерії та енергії, а й полів, які пронизують космос. Саме тому практично кожен фізик очікує, що на якомусь рівні гравітацію також квантують.
Загальна теорія відносності, наша сучасна теорія гравітації, функціонує так само, як і класичне поле старого типу: вона викривляє фон простору, а потім у цьому викривленому просторі відбуваються квантові взаємодії.
Однак без квантованого гравітаційного поля ми можемо випустити з уваги квантові гравітаційні ефекти, які повинні існувати, навіть якщо ми не впевнені, що вони є.
Сама по собі квантова механіка фундаментально недосконала. Це не тому, що вона принесла з собою щось дивне або моторошне, а тому, що вона не була достатньо дивною, щоб врахувати ВСІ фізичні явища, які відбуваються в реальності.
Частинки справді мають притаманні їм квантові властивості, але не забуваємо про поля: вони релятивістськи інваріантні.
Навіть за відсутності сучасної квантової теорії гравітації можна з упевненістю сказати, що всі аспекти Всесвіту, як частинки, так і поля, є квантовими за своєю природою. Що це означає для реальності, ми і намагаємося розгадати.
Джерело: Big Thimk
