Наука. Величайшие теории: выпуск 6: Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика - Мигуэль Сабадел

Но это не единственный довод: если мы запустим по прямой линии электрически заряженную частицу, например электрон, и внимательно проанализируем ее траекторию, тогда четко увидим, что, как и в случае с грушей, «что-то» изменяет ее путь, но это не гравитация. Исследовав данное явление, мы поймем, что это «что-то» имеет влияние только на частицы, обладающие зарядом, и не затрагивает нейтральные частицы. Таким образом, мы обнаружили существование другого поля, электромагнитного. Откуда берется это поле? Оно представляет собой совокупность разных полей: электромагнитного поля Земли, электромагнитных полей, создаваемых антеннами мобильной связи, телевизорами и радио, линиями электропередач, кухонными электроприборами и так далее.

Очень слабый свет подразумевает лишь малое количество фотонов. Но увидеть электроны означает изменить их.

Ричард Фейнман

Вернемся к Дираку. Его уравнение описывает поведение электрона в движении в классическом электромагнитном поле. В классической физике поля постоянны. Для полного понимания того, что происходит в микромире, необходимо было осуществить квантование электромагнитного поля.

Так же как электромагнитное излучение состоит из фотонов, электромагнитное поле можно представить состоящим из «кусочков». Дирак создал метод «вторичного квантования» и таким образом заложил основу квантовой электродинамики. В 1927 году ученый применил этот способ к электромагнитному полю и обнаружил, что оно превратилось в море частиц. Таким образом, с одной стороны, мы имеем частицы материи, а с другой — частицы поля, которые позволяют осуществлять электромагнитное воздействие одной частицы материи на другую. Фактически они действуют как посланники, которые несут информацию об электромагнитном взаимодействии. Когда электроны отталкиваются, квантовая электродинамика предполагает, что частица-посредник служит для осуществления взаимодействия между ними. Электрическое отталкивание электронов есть не что иное, как обмен между частицами. Можно сравнить электроны с двумя конькобежцами, которые перебрасываются тяжелым мячом.

Сообщая мячу импульс при броске и получая импульс с принятым мячом, они отталкиваются друг от друга. Механизм отталкивания электронов работает похожим образом.

Если конькобежцы являются электронами, тогда кто играет роль мяча? Фотон (в любом случае мы знаем, что фотоны не имеют массы) — частица-посредник во время электромагнитного взаимодействия. Согласно квантовой электродинамике, электромагнитное поле — это бесконечная совокупность фотонов, каждый из которых ведет себя как гармонический осциллятор. Как в случае с морем Дирака, фотоны распределяются по всему пространству, но остаются невидимыми нашему глазу или какому-либо другому детектору. Они носят название виртуальных фотонов (см. рисунок). Мы можем познакомиться с их существованием только опосредованно, благодаря эффекту, во время которого они вызывают взаимодействие двух заряженных частиц между собой.

Согласно квантовой электродинамике, электростатическое отталкивание между двумя электронами связано с их обменом виртуальными фотонами.

Проблемы электрона

Никогда такая маленькая частица не приносила столько хлопот. Электрон создавал проблемы даже в относительно спокойном мире классической физики. Мы знаем, что речь идет о заряженной частице, но есть ли у нее размер? Если мы будем рассматривать ее как маленький шарик, то как объяснить, что он не разрушается из-за отталкивания между его составными частями? Не сумев ответить на данный вопрос, мы могли бы заявить, что электрон является не шариком, а безразмерной точкой. Увы, это тоже не решение, потому что вместе с безразмерностью в уравнениях об электромагнетизме появляется деление на ноль: в игру вступает бесконечность — верный знак присутствия ошибки в теории. Проблема энергии электрона после его воздействия на себя являлась головоломкой.

В 1929 году Гейзенберг и Паули, изучавшие проблему собственной энергии электрона с квантовой точки зрения, получили первые результаты, из которых следовало: энергия электрона бесконечна. Это объясняется тем фактом, что в квантовой электродинамике электрон не является просто частицей, а сопровождается облаком виртуальных фотонов. Речь идет о выпущенных фотонах, которые затем поглощаются этим же электроном, и так до тех пор, пока они не будут обнаружены наблюдателем. Принцип неопределенности Гейзенберга позволяет электрону испускать фотоны, обладающие сколь угодно большой энергией...

Стало быть, существует теория, позволяющая детально рассчитать собственную энергию электрона при его взаимодействии со своим полем, но когда мы ее применяем, внезапно со всех сторон возникают бесконечные величины. Израсходовав все свои возможности, физики больше не знали, что делать. Блистательный Гейзенберг должен был признать себя побежденным: он оставил эту тему и посвятил себя изучению сегнетоэлектричества.

Фейнман изучал этот вопрос с разных сторон еще в то время, когда был студентом МТИ. Осенью 1940 года он возобновил свои попытки и спросил себя: почему бы не исключить эти бесконечные величины, предположив, что электрон не взаимодействует со своим собственным полем? Он даже выдвинул еще более дерзкую идею: а что если явление, которое мы называем электромагнитным полем и которое возникло в результате обмена виртуальными фотонами, было фикцией? Не мог ли электромагнетизм быть простым взаимодействием между заряженными частицами, не требующим для своего существования никакого поля? Как он заявил впоследствии в своей нобелевской речи:

«Мне казалось очевидным, что идея частицы, которая воздействует сама на себя, не является необходимой; это было даже глупо. Именно тогда я подумал, что электроны не могут взаимодействовать сами с собой, а только с другими электронами. Это означало, что не существует никакого поля. Речь идет о прямом взаимодействии между зарядами, правда, с известными оговорками».

Такие идеи были очень рискованными, но именно по этой причине они не оставили равнодушным Уилера. Если речь шла об исследовании новых горизонтов, трудно представить лучшего тандема, чем Фейнман и Уилер. Они были из тех, кто не боится рисковать.

Плевать на мины. Полный вперед!

Заявление Фейнмана, которое перекликается с фразой американского адмирала Дэвида Фаррагута, произнесенной во время Гражданской войны в США

Фейнман знал, что у его идеи был существенный изьян: сопротивление излучения. Когда заряженная частица ускоряется, она испускает излучение и теряет энергию. Поэтому модель атома Резерфорда была непонятной с точки зрения Классической физики: электрон, вращаясь вокруг атома, обладает центростремительным ускорением. Именно сопротивление излучения заставило Бора ввести понятие квантовой орбиты.

Чтобы электрон начал двигаться, на него должна действовать сила. И сила, действующая на заряженный электрон, должна отличаться от той, которая действует на незаряженный.

Эта сила была названа сопротивлением излучения, и согласно принятым взглядам, она создавалась электроном, взаимодействующим с самим собой. Гипотеза же Фейнмана утверждала, что электрон действует только на другие электроны. Но если бы существовал единственный электрон в мире, испускал бы он излучение? А если бы существование сопротивления излучения требовало присутствия какой-то другой частицы? Фейнман заинтересовался этим вопросом, представив, что в мире существует только два электрона. Предположим, что первый начинает двигаться: в таком случае, согласно законам электромагнетизма, он оказывает воздействие на второй, что заставляет его тоже двигаться и в результате оказывать воздействие на первый. Могло бы это предположение объяснить сопротивление излучения?

Эта гипотеза очаровала Уилера, но он быстро обнаружил важное обстоятельство: эффект зависит от расстояния до другого электрона и от его заряда, чего быть не должно. К тому же Фейнман не учел обязательную задержку во времени — воздействие на первый электрон произойдет через какой-то временной интервал, так как, согласно теории относительности, ничто не движется быстрее, чем свет. И тогда Уилер предложил еще более сумасшедшую идею: а что если электромагнитная сила, оказываемая второй частицей, действует вспять во времени? Такое предложение походило больше на научную фантастику, чем на физику, но важным в этом подходе является то, что законы электромагнетизма позволяют существовать как волнам, выпущенным до того, как они будут поглощены (опоздание волны), так и волнам, поглощенным до того, как они будут выпущены (опережение волны). Иными словами, ничто в уравнениях не противоречило этому предположению. Единственное возражение носило философский характер: необходимо было считаться с принципом причинности, согласно которому причина должна предшествовать последствию. Например, поезд должен покинуть вокзал, с которого он отправляется, до того, как он прибудет на конечную станцию, или мяч должен попасть в цель после того, как игрок по нему ударит, а не наоборот. Но согласно предложению Уилера, если мы перемещаем заряд, другой заряд начнет двигаться немного раньше.