Квантовая механика имеет репутацию, которая опережает её. Практически каждый, кто сталкивался с квантовым миром — будь то на уроке физики, в лаборатории или в научно-популярных статьях, — приходит к мысли: «Это действительно странно». Для некоторых это «странно и чудесно», для других — «странно и тревожно».
Чип Себенс, профессор философии в Калифорнийском технологическом институте, который задаётся фундаментальными вопросами о физике, относится ко второму лагерю. «Философы физики обычно очень расстраиваются, когда люди просто говорят: „Хорошо, вот квантовая механика. Она будет странной. Не волнуйтесь. Вы можете делать с ней правильные предсказания. Вам не нужно пытаться понять её слишком глубоко, просто научитесь её использовать“. Такие вещи выводят меня из себя», — говорит Себенс.
Одной из особенно странных и тревожных областей физики для таких людей, как Себенс, является теория квантового поля. Она выходит за рамки квантовой механики, объединяя специальную теорию относительности и позволяя числу частиц изменяться со временем (например, когда электрон и позитрон аннигилируют друг друга и создают два фотона).
Классическая физика против квантовой теории поля
Электромагнитное поле классической физики заменяется квантовым полем, которое колеблется и танцует, создавая видимость квантовых частиц, фотонов. Или, с другой точки зрения, можно сказать, что реальность состоит из роёв квантовых частиц, которые иногда выглядят как поля.
Себенс продолжает сосредотачиваться на одном вопросе в своей работе: являются ли поля или частицы более фундаментальными для природы. Это похоже на вопрос о том, будет ли вода в стакане продолжать выглядеть как жидкость или вместо этого обнаружится, что она состоит из молекул. В этом случае учёные знают, что молекулы более фундаментальны, чем жидкость, но в области физики, объясняет Себенс, «идут споры о том, является ли квантовая теория поля в конечном счёте теорией частиц или полей».
Магнитный момент электрона
Электрон — это отрицательно заряженная частица, но он также действует как крошечный стержневой магнит с северным и южным полюсами. Магнитный момент электрона количественно определяет, насколько сильным является этот магнит.
Квантовая теория поля вычисляет это значение «с гиперточностью до многих знаков после запятой», говорит Себенс, но неясно, как она это делает. Себенс подошёл к этой проблеме, обратившись к классической физике — физике, которая обычно описывает более крупные объекты в нашем мире, такие как пушечные ядра и линии электропередач.
В частности, он смоделировал электрон, используя классическое поле (подобное электромагнитному полю), называемое полем Дирака, и рассчитал значение магнитного момента электрона, используя уравнение Дирака, названное в честь британского физика Поля Дирака. Его недавнее исследование опубликовано в журнале «Foundations of Physics».
Уравнение Дирака обычно рассматривается как часть квантовой теории, где оно управляет тем, как волновая функция, обозначенная символом ψ (пси), эволюционирует во времени. Но вы можете интерпретировать уравнение Дирака по-разному, говорит Себенс, не как уравнение, управляющее квантовой волновой функцией ψ, а как уравнение, управляющее классическим полем ψ.
«Волновые функции дают вам вероятности того, что разные вещи произойдут при измерении. Классическое поле не похоже на это. Оно описывает распространение разных вещей, происходящих в разных местах одновременно», — объясняет Себенс.
Стандартный способ расчёта магнитного момента электрона с использованием уравнения Дирака приводит к значению, известному как боровский магнетон, названный в честь датского физика Нильса Бора. К сожалению, это рассчитанное значение несколько не соответствует экспериментально определённому значению магнитного момента электрона, которое немного сильнее. Квантовая теория поля, с другой стороны, получает гораздо более точное значение, каким-то образом учитывая дополнительный, или «аномальный», магнитный момент, упущенный уравнением Дирака.
Себенс надеялся, что, внеся ключевые поправки в расчёты, которые дают оценку боровского магнетона, он найдёт другой путь к точному предсказанию магнитного момента электрона, которое в настоящее время достигается с помощью квантовой теории поля, или, по крайней мере, лучшую оценку.
«Когда вы посмотрите более внимательно на то, что вы можете сделать с уравнением Дирака, оказывается, что вы можете сделать немного больше, не переходя к квантовой теории поля», — говорит Себенс.
Себенс усовершенствовал расчёт магнитного момента электрона из уравнения Дирака, чтобы учесть два явления, влияющих на электроны, которые уже давно являются частью расчётов в квантовой теории поля:
* Само взаимодействие, при котором электрон взаимодействует со своим собственным электромагнитным полем;
* Ренализация массы, способ корректировки массы электрона для учёта электромагнитного поля, которое его окружает.
«Я обнаружил, что если вы позволите электрону самовзаимодействовать, то у него будет магнитная сила, которая зависит от состояния электрона», — говорит Себенс. «Если электрон распространён или комковат, это состояние изменяет магнитную силу».
Усилия Себенса привели к интересному выводу, хотя и не обязательно к тому, который он желал. Корректируя простое получение из уравнения Дирака с учётом самовзаимодействия и перенормировки массы, он действительно пришёл к новому способу расчёта магнитного момента электрона. Но этот альтернативный путь к расчёту магнитного момента электрона не даёт фиксированного значения, предсказанного квантовой теорией поля. Вместо этого это изменяющееся значение, зависящее от состояния электрона.
«Проект, который остаётся, — это объяснить, почему у вас есть определённый магнитный момент в квантовой теории поля, когда в контексте уравнения Дирака магнитный момент варьируется в зависимости от состояния электрона», — говорит Себенс. «Как квантовая теория поля фиксирует то, что является магнитным моментом, зависящим от состояния, когда он рассчитывается из классического поля Дирака?»
Ответ Себенса: «По крайней мере, на данный момент я не уверен, как это делается. Как философ, я стремлюсь тщательно продумать основы этих теорий. Иногда я представляю себе, каково это — если бы философы были на древнем раскопе с физиками, раскапывающими руины обширного подземного храма».