Чому фотони віддаляються від свого джерела?
Насправді це питання зачіпає найбільш фундаментальні принципи сучасної фізики.
Існує доволі пряма відповідь, заснована на розв'язанні рівняння Максвелла у вакуумі з додаванням деякого квантового соусу. Але така відповідь не пояснить, що відбувається на фундаментальному рівні.
А вся проблема в тому, що Ейнштейн називав "моторошною дією на відстані".
Тут дія означає процес, який спричиняє зміну в системі. Отже, дія на відстані - це певний процес, який спричиняє зміну на деякій відстані.
І?
Принцип збереження імпульсу вимагає, щоб початковий і кінцевий імпульси системи залишалися незмінними. Однак імпульси компонентів системи можуть бути змінені.
Процес - це перестановка моментів у системі, яка визначається як "сила".
Тепер у нас є спосіб розпакувати твердження "дія на відстані". Йдеться про перестановку моментів системи на відстані під дією сили.
Звучить не так уже й погано. Однак як швидко може відбутися перебудова?
Ми можемо вимагати, щоб взаємодія була миттєвою або як завгодно швидкою. Доти, доки зберігається імпульс, усе має бути добре.
Але проблема виникає, коли ми розглядаємо систему з погляду спеціальної теорії відносності: у такому разі ми більше не можемо визначити "миттєвість" на будь-якій відстані!
Виникає інший принцип - принцип локальності.
Дія може бути визначена тільки як локальна взаємодія. Дія на відстані порушує принципи, характерні для СТО.
Принцип локальності - дуже важлива концепція у фізиці. Він стверджує, що світло і, зокрема, фотони поширюються від джерела. Однак він має набагато ширші наслідки. Той факт, що дії мають бути локальними, пояснює, чому всі фундаментальні сили мають пов'язані з ними частинки.
Частковий опис сил також дає змогу побудувати добре відомі діаграми Фейнмана.
Той факт, що в них беруть участь частинки, означає, що кожна вершина взаємодії відповідає локальній дії. Таким чином, діаграми Фейнмана, настільки поширені у фізиці частинок, насправді говорять нам про те, що квантова механіка - це теорія локальної дії, а не дії на відстані.
Звідси випливає очевидне внутрішнє протиріччя квантової механіки. Відомо, що квантова теорія є нелокальною теорією. Тому Ейнштейн говорив про "моторошну дію на відстані".
Однак той факт, що будь-яка дія, описувана квантовою механікою, може бути описана за допомогою діаграм Фейнмана, демонструє, що операціонально вона задовольняє принципу локальності.
А той факт, що нелокальна за своєю суттю теорія описує тільки локальні взаємодії, є однією з найважчих для розуміння речей у квантовій теорії.
Обговоривши основи локальної дії, давайте подивимося, як цей принцип може бути застосований до електромагнетизму.
Розглянемо електричне поле. Наявність електрополя означає, що поблизу є вільні заряди. Ці заряди є джерелом поля. Проте, поле - це нелокальне явище, яке поширюється в просторі далеко від зарядів.
Закон сили Лоренца говорить нам, що заряд в електричному полі відчуває якусь силу. Сила викликає зміну. Вона діє на відстані. У підсумку, поля нелокальні.
Розглянемо пробний заряд у полі, створюваному віддаленим розподілом заряду.
Використовуючи наш польовий механізм дії на відстані, ми повинні впливати на пробний заряд через зміну розподілу заряду на відстані.
Однак будь-яка зміна в розподілі віддаленого заряду буде фактично являти собою струм, який пов'язаний з магнітним полем.
Таким чином, зміна електричного поля пов'язана зі зміною магнітного поля. Ми можемо вирішити рівняння Максвелла, щоб знайти математичний опис мінливих полів. І ми виявимо, що в просторі між зарядами мінливе поле поширюється в бік від зміни зі швидкістю світла.
Здавалося б, наш ідеальний експеримент "Дія на відстані" реагує тільки на деякі зміни в розподілі зарядів зі швидкістю світла. Що безпосередньо випливає з рівнянь Максвелла.
А також сумісно з принципом локальності, тому що деяка локальна дія на розподіл заряду призводить до дії на відстані тільки після затримки поширення.
Іншими словами, хоча поле має нелокальний опис, воно все ще задовольняє принципу локальності дії.
Ми говорили те саме про квантову механіку.
Фотон - це фундаментальний квант режиму електромагнітного поля. Уся теорія електромагнетизму може бути квантована.
Квантова теорія світла, як і раніше, задовольняє рівнянням Максвелла в класичній межі.
Тому поширення світла в бік від деякої локальної дії відтворюється як поширення фотонів у бік від деякої локальної дії.
Тому той факт, що світло поширюється в бік від джерела, насправді свідчить про принцип локальності, або про те, що фізика не допускає дії на відстані.
Але фактично встановлює швидкість світла як "межу швидкості".
