Есть ли реальность за вашей спиной? О квантовой физике простым языком - Катрина Арье

Участники слабого взаимодействия – все элементарные частицы.

Это довольно странное взаимодействие, с помощью которого одни частицы превращаются в другие. Возьмём, например, нейтрон (напомню, что это элементарная частица, т. е. его нельзя разделить на части). С помощью слабого взаимодействия нейтрон может превратиться в протон, электрон и ещё одну очень лёгкую частицу – антинейтрино. В ядре нейтронам это сделать трудно: им мешает сильное взаимодействие. А вот когда нейтрон находится не в ядре (говорят: «свободный нейтрон»), он легко делает такое превращение. В свободном состоянии нейтроны существуют около 15 минут, а потом распадаются.

Но иногда такое превращение случается и в ядре. Это называется бета-распадом. Благодаря слабому взаимодействию наше Солнце поддерживает внутри себя ядерные реакции, и поэтому все живые организмы на планете Земля спокойно развиваются, а не замерзают.

Я с детства любила обниматься. Ну, даже больше не обниматься, а прижиматься к любимым людям. Обе мои бабушки были мягкие, уютные, мне нравилось сидеть у них на коленях. Я клала голову на плечо дедушки, когда он рассказывал мне о космосе. Ну а с мамой мне нравилось спать, прижавшись к ней. Когда мне было шесть лет, мы с мамой возвращались домой в Москву с моря. Удалось достать билет только в общий вагон. Он был ужасно забит пассажирами, но нам удалось занять верхнюю полку. Почти двое суток мы лежали и разговаривали, прижавшись друг к другу, снизу места вообще не было. Эти дни вспоминаются как одни из самых счастливых в жизни.

Я всегда представляла себе, как частицы моего тела буквально соприкасаются с частицами тела другого человека или как, если иду по пляжу, частицы моих ног соприкасаются с частицами песка. И я испытала огромное разочарование, когда узнала, что никакие частицы не соприкасаются. Всё вокруг – это практически пустое пространство с точки зрения материи. А всё, что мы ОЩУЩАЕМ как прикосновение, – это взаимодействие частиц моего тела и тела другого человека, и оно происходит на расстоянии. Электроны атомов поверхности моей кожи отталкиваются от электронов другого человека. Это и есть прикосновение.

Но, если подумать, это ведь настоящее волшебство! Физика взаимодействий открывает перед нами великолепный мир, где кажущаяся сложность и многообразие происходящего сводятся к нескольким универсальным принципам. Все процессы, начиная от движения планет до объятий, от улыбки малыша до взаимодействия частиц в микромире, подчинены этим великим силам. Таким образом, наблюдая мир вокруг, мы видим танец взаимодействий, создающих удивительное единство в физическом мире.

Глава 4

Поля

Мы вспомнили, что такое частицы и волны, какие бывают фундаментальные взаимодействия в природе. И сейчас я расскажу о полях.

На этой теме существует больше всего спекуляций.

Думаю, вы не раз слышали фразы: «Существуют квантовые поля, и я пошлю своё желание в квантовое поле», «Вселенная обязана исполнить любое желание». Разберёмся, так ли это.

Поле – это достаточно математическое понятие в физике; поле нематериально, его невозможно потрогать. Слово «поле» используется в двух значениях.

1. Поле – это физическая величина, определённая во всех точках пространства.

Например, температура. В каждой точке пространства есть своя температура воздуха. В Москве она одна, в Лондоне другая, в Париже третья. Отметим на карте температуру для каждого города. В каждой точке пространства карты будет существовать своё значение. И мы назовём это полем температуры. Можно создать поле влажности, поле давления.

Но вместе с тем мы же понимаем, что температура существует. Никакого ПОЛЯ температуры в физическом смысле нет. Есть распределение температуры, которое называется полем.

2. Поле – это область пространства, передающая взаимодействия.

Это как раз те четыре фундаментальных взаимодействия, которые мы рассматривали в главе 3. Никаких других взаимодействий в природе нет. Поэтому есть гравитационное поле, электромагнитное поле и поле, отвечающее за слабое и сильное взаимодействие, т. е. за взаимодействие частиц внутри атома.

Есть специальная наука, которая исследует это взаимодействие, называется она квантовой теорией поля. Её изучают на кафедрах теоретической и ядерной физики.

Обратите внимание на название: «квантовая теория поля». Не «теория квантового поля»! «Квантовое поле» в русском языке говорить безграмотно!

Откуда это словосочетание вообще пришло в русский язык? Подозреваю, что так же, как и слово «вибрации», когда англоязычную научную литературу переводили переводчики без технического образования. В английском языке эта теория называется quantum field theory. В русском языке можно сказать «квантованное поле», хотя это понятие не так часто используется. Конечно, физики не обладают монополией на использование слова «квантовый». Поэтому вы можете сказать «квантовое поле», но не тогда, когда говорите о физике; вам надо указать, что именно вы имеете в виду. Замечаю, что часто под этим термином понимают коллективное бессознательное. Однако не говорите так в научной среде, иначе вас не будут серьёзно воспринимать.

Основная идея квантовой теории поля: частица – это элементарное возбуждение в некотором поле. Наша реальность – полевая; никаких частиц самих по себе не существует.

В квантовой физике мы рассматриваем частицы не как маленькие шарики, а как возмущения поля. В следующей главе вы узнаете, что любая частица может быть как частицей, так и волной, и из-за этого возникала путаница; введение понятия поля упростило ситуацию. К тому же квантовая теория поля позволяет делать серьёзные математические расчёты.

В физике элементарных частиц есть свой аналог таблицы Менделеева – это стандартная модель. В ней размещены все известные элементарные частицы. Ещё раз обращу ваше внимание на официальные названия кварков: прелестный, истинный, очарованный, странный… Очень мило, не правда ли?

Можно сказать, что существуют поля каждой элементарной частицы из этой таблицы. Изучением взаимодействия этих полей занимается наука квантовая теория поля.

В теоретической физике также есть много гипотетических полей. Они относятся к теориям,