Ричард Фейнман - КЭД – странная теория света и вещества

Все атомы – более ста их разновидностей – состоят из определенного числа протонов, которые обмениваются фотонами с таким же числом электронов. Способы расположения электронов сложны и обеспечивают громадное разнообразие свойств веществ: существуют металлы и изоляторы, газы и кристаллы. Одни вещества мягкие, другие твердые, одни окрашены, другие прозрачны. И все это колоссальное разнообразие, как из рога изобилия, вытекает из принципа запрета и повторения снова, и снова, и снова трех очень простых действий: Р ( А – В ), Е ( А – В ) и j . (Если бы у электронов не было поляризации, все атомы в мире имели бы очень похожие свойства: электроны собирались бы вместе, вблизи ядра своего атома, и не притягивались бы к другим атомам, образуя химические связи.)

Вам может показаться странным, каким образом такие простые действия могут создать столь сложный мир. Дело в том, что наблюдаемые нами явления представляют собой результат сложнейшего переплетения огромного числа обменов фотонами и интерференции. Знание трех фундаментальных действий – это только самое-самое начало в исследовании любой реальной ситуации, когда мы сталкиваемся с таким множеством обменов фотонами, что рассчитать их невозможно – надо приобрести опыт, чтобы научиться выделять наиболее важные возможности. Поэтому мы изобретаем такие понятия, как «показатель преломления» или «сжимаемость», или «валентность» – они помогают проводить расчеты приближенно, когда огромное количество деталей не просматривается. Это как игра в шахматы: одно дело знать основные правила, которые просты, и совсем другое – хорошо играть, тут надо понимать характер каждой позиции и природу разных положений, а это гораздо сложнее.

Разделы физики, изучающие вопросы типа «почему железо (с 26 протонами) является магнетиком, а медь (с 29 протонами) – нет» или «почему один газ прозрачен, а другой нет», называются «физикой твердого тела», «физикой жидкости» – в общем, настоящей физикой. Раздел физики, открывший три простых маленьких действия (самая простая часть), называется «фундаментальной физикой» – мы похитили это название, чтобы другие физики чувствовали себя неуютно! Совершенно очевидно, что самые интересные задачи, притом имеющие, конечно, наибольшее практическое значение, возникают сегодня в физике твердого тела. Но кто-то сказал, что нет ничего более практического, чем хорошая теория, а квантовая электродинамика – это определенно хорошая теория!

В заключение я хотел бы вернуться к числу 1,00115965221 – я говорил на первой лекции, что есть число, измеренное и вычисленное с очень большой точностью. Это число характеризует отклик электрона на внешнее магнитное поле – нечто, называемое «магнитным моментом». Когда Дирак впервые разрабатывал правила нахождения этого числа, он использовал формулу для Е ( А – В ) и получил очень простой ответ, равный 1 в нашей системе. Диаграмма, по которой магнитный момент электрона вычисляется в этом первом приближении, очень проста: электрон летит из точки в точку в пространстве-времени и взаимодействует с фотоном из магнита (см. рис. 73).

Впоследствии было обнаружено, что эта величина не равна 1, что она чуть больше – примерно 1,00116. Эта поправка была вычислена Швингером в 1948 г.; она равняется j×j , деленному на 2π, и обусловлена альтернативным способом попадания электрона из точки в точку: по пути электрон внезапно излучает фотон, а затем (о ужас!) его же и поглощает (см. рис. 74). Может быть, в этом и есть нечто «безнравственное», но электрон это делает! Чтобы вычислить стрелку для этого случая, мы должны рассчитать стрелки для всех точек пространства-времени, где фотон может быть излучен или поглощен. То есть появятся две дополнительных Е ( А – В ), одна Р ( А – В ) и два j , которые надо перемножить. Студенты учатся делать это простое вычисление на втором курсе, изучая элементарную квантовую электродинамику.

Рис. 73. Диаграмма для вычисления дираковского вклада в магнитный момент электрона очень проста. Величина, со-ответствующая этой диаграмме, принимается равной единице.

Но постойте! Эксперименты дают настолько точную картину поведения электрона, что в наших расчетах мы должны учитывать еще и другие возможности: все пути, которыми электрон попадает из точки в точку с четырьмя дополнительными взаимодействиями. На рис. 75 показаны три способа, которыми электрон может излучить и поглотить два фотона.

Имеется также и новая интересная возможность (показанная на рис. 75 справа): будучи излученным, фотон превращается в электрон-позитронную пару, которая – опять, если вы подавите свое «моральное» негодование, – аннигилирует и превращается в новый фотон, который затем поглощается электроном. Такую возможность тоже надо учитывать!

Рис. 74. Лабораторные эксперименты показывают, что настоящее значение магнитного момента электрона не равно, а несколько превышает 1. Это связано со следующей возможностью: электрон может испустить фотон, а затем поглотить его. Для описания этого процесса необходимы две дополнительных Е ( А – В ), одна Р ( А – В ) и два j. Швингер рассчитал, что учитывающая эту возможность поправка равна j × j /2π. Поскольку на опыте эта возможность неотличима от основного способа распространения электрона (см. рис. 73) – и там, и там электрон вылетает из точки 1 и попадает в точку 2 – стрелки обеих возможностей складываются, и возникает интерференция.

Рис. 75 . При современной точности экспериментов необходимо учитывать диаграммы, содержащие четыре дополнительных взаимодействия (во всех возможных точках пространства-времени). Некоторые из таких диаграмм показаны на рисунке. Диаграмма справа содержит фотон, распадающийся на электрон-позитронную пару (см. рис. 64), аннигилирующую с образованием нового фотона, который и поглощается электроном.

Две группы физиков в течение двух лет независимо вычисляли этот следующий вклад и еще год искали ошибку: у экспериментаторов получалось несколько иное значение. Какое-то время казалось, что теория впервые не соответствует эксперименту. Но нет, ошибка была арифметической. Как могли две группы сделать одинаковую ошибку? Оказалось, что к концу работы обе группы сравнили свои расчеты и сгладили имевшиеся в них расхождения. Так что эти расчеты на самом деле не были совсем независимыми.