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

На создание нового метода Фейнмана вдохновил, как он сам признался в своей нобелевской речи, звонок его научного руководителя Джона Уилера, раздавшийся осенью 1940 года: «Фейнман, я знаю, почему все электроны одинаково заряжены и имеют одинаковую массу». «Почему?» — спросил Фейнман. «Потому все они — это один и тот же электрон!» — ответил Уилер.

В поле ограниченного обзора стрелка дорог несколько, хотя на самом деле она одна.

Согласно почти абсурдной идее Уилера, единственный электрон, петляя в пространстве и времени, мог наблюдаться в конкретный момент как множество электронов в разных местах. Этот феномен можно объяснить с помощью военной аналогии: оптический прицел. Когда стрелок смотрит в прицел, он видит лишь небольшую часть всего пространства, которое находится перед ним. Представим, что в определенный момент он осматривает неровную зону, а по ней проходит извилистая дорога, которую мы фотографируем в прицеле стрелка (см. рисунок). При рассматривании фотографии у нас складывается впечатление, что мы видим разные дороги, тогда как на самом деле она одна.

Тогда возникает вопрос: как выглядит электрон, перемещающийся в прошлое? Все просто: как позитрон, передвигающийся в будущее. Таким образом, позитроны — это не что иное, как электроны, которые перемещаются в прошлое. Данная идея содержала серьезный недостаток, который Фейнман быстро обнаружил: согласно этому предположению, Вселенная в определенный момент времени должна содержать столько же электронов, сколько и позитронов. Но это противоречило наблюдениям. Наш мир состоит из материи, и антиматерия появляется только при взаимодействии космического излучения с атмосферой Земли (так позитрон и был обнаружен в первый раз), а также в созданных относительно недавно ускорителях частиц. Где находятся все эти дополнительные позитроны? Уилер ответил, что, возможно, они спрятаны в протонах. Идея о существовании единственного электрона во Вселенной не убедила Фейнмана, но, тем не менее, он сохранил в памяти: позитрон является электроном, который перемещается в прошлое. «Это именно то, к чему я стремился!» — заявит он позже. В 1949 году Фейнман официально представил свою интерпретацию антиматерии.

РИС. 1

Томонага и Швингер создали первый реально действующий метод перенормировки. В первый раз теоретики смогли просчитать действие виртуальных частиц надежным способом и сравнить свои результаты с экспериментальными данными. Но расчеты, которые вызвали такую радость физиков, были сложными в реализации. До того как Швингер и Томонага сделали свой вклад, Бете сказал: «Расчеты в релятивистском случае нелегки... Нужно интегрировать около двадцати различных величин». На следующий день после конференции в Поконо ситуация почти не изменилась. Некоторые даже считали, что новые расчеты в КЭД сложнее, чем предыдущие.

РИС. 2

РИС.З

РИС. 4

Тем не менее Фейнман не отказался от своей идеи. Он принялся создавать простые схемы, которые должны были помочь ему в продвижении его уравнений. Эти схемы, которые скоро были названы «диаграммами Фейнмана», дали миру науки то, чего методы Швингера и Томонаги были не способны дать: простоту и скорость расчета. Диаграммы Фейнмана перевернули представления о методах изучения физики.

В первый раз Фейнман представил свои диаграммы в Поконо, но они остались непонятыми. Ничего удивительного в этом нет: он шел в направлении, весьма отличном от всего, что практиковалось в то время. Чтобы лучше понять, рассмотрим белый лист бумаги, на котором мы чертим две перпендикулярные оси. Время мы отмечаем на вертикальной оси, а положение частиц в пространстве — на горизонтальной. Таким образом, мы получаем «проекцию» трехмерного мира квантовых взаимодействий в одном измерении. Это было именно то, чего добивался Фейнман в своих исследованиях: визуализация. В данном случае — визуализация фотонов и электронов в пространстве и времени, которые появляются в виде стрелок на диаграммах. Поэтому Бор отверг эту презентацию, хотя позднее он вынужден был извиниться перед Фейнманом за то, что не понял ее в Поконо.

Что происходит, когда два электрона взаимодействуют и обмениваются виртуальным фотоном? На этот вопрос отвечает приведенная диаграмма, которую создал Фейнман.

В данном случае фотон испущен в точке (6) и поглощен в точке (5) (точки, в которых встречаются электрон и фотон, называются вершины).

Но эта же диаграмма позволяет изучить другую ситуацию: фотон поглощен в точке (6) и выпущен в точке (5). Если прошлое находится внизу диаграммы, а будущее — вверху, тогда диаграмма означает, что он поглощен до того, как был выпущен, а значит, виртуальный фотон перемещается назад во времени. Но вернемся к способу, которым два электрона отталкиваются. Электрон слева имеет некоторую вероятность переместиться из х 1в х 5, и Фейнман это записывает в виде К +(5.1). Другой электрон может переместиться из х 2в х 6, это записано как К +(6.2) . Этот второй электрон может испустить виртуальный фотон в х 6. Вероятно, фотон может переместиться из х 6в х 5, что Фейнман формулирует в виде δ+(s* 6). Прибывая в х 5, фотон может быть поглощен электроном. Вероятность, что электрон сможет излучить или поглотить виртуальный фотон, также имеет математическое выражение, сформулированное еще в довоенных исследованиях, и может быть записана в виде e γμ, где е — это заряд электрона, a γμ— это величина, сформулированная в теории Дирака. Электрон справа, передавая часть своей энергии и своего импульса (произведение его массы на скорость), изменит свое движение из х 6в х 4(как в случае, когда охотник ощущает эффект отдачи при стрельбе из своего ружья). Электрон слева, поглотив фотон и получив его энергию и импульс, начинает двигаться из х 5в х 3. В руках Фейнмана эта диаграмма приобретает вид следующего уравнения:

е²d 4x sd 4x 6K +(3,5)K +(4,6)γ μδ +(s² 56)γ μK+(5,1)K +(6,2).

Таким образом, какое-либо событие, как, например, сидение на скамейке в муниципальном саду в 14.00, может быть представлено точечно, так как оно происходит в определенном месте и в определенное время (рисунок 1). Теперь представим, что эта точка является электроном. Перемещению электрона из пункта А в пункт В в течение какого-то времени соответствует рисунок 2. Линия, соединяющая точку А, откуда приходит электрон, с точкой В, куда он направляется, называется функцией распространения. Такая же диаграмма применима и в случае с фотонами (рисунок 3).