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 публикациях, остаётся с мыслью: «Это действительно странно». Для некоторых это «странно и чудесно», для других — «странно и тревожно».
Чип Себеенс, профессор философии в Калифорнийском технологическом институте, задаётся фундаментальными вопросами о физике и 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 слишком много в ней разобраться, просто научитесь её использовать“. Такие вещи выводят меня из себя», — говорит Себеенс.
Одной из особенно странных и тревожных областей физики для таких людей, как Себеенс, 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).
Поле против частиц
Электромагнитное поле классической физики заменяется квантовым полем, которое колеблется и создаёт видимость квантовых частиц, фотонов. Или, с другой точки зрения, можно сказать, что реальность состоит из роёв квантовых частиц, которые иногда выглядят как поля.
Себеенс продолжает исследовать вопрос о том, являются ли поля или частицы более фундаментальными для природы. Это похоже на вопрос о том, будет ли вода в стакане при увеличении масштаба 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 Себеенс, «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 магнит с северным и южным полюсами. Магнитный момент электрона количественно определяет, насколько сильным магнитом он является.
Квантовая теория поля вычисляет это значение с «гиперточностью до многих знаков после запятой», говорит Себеенс, но неясно, как она это делает.
Себеенс 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), 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, обозначаемая символом ψ (пси), изменяется со временем. Но уравнение Дирака можно интерпретировать по-разному, не как уравнение, управляющее квантовой волновой функцией ψ, а как уравнение, управляющее классическим полем ψ.
«Волновые функции дают вам вероятности различных событий, происходящих при измерении. Классическое поле не такое. Оно описывает распространение различных событий, происходящих в разных местах одновременно», — отмечает Себеенс.
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 расчётное значение несколько ниже экспериментально определённого значения 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.
Коррекция расчётов
Себеенс надеялся, что, внеся ключевые исправления 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, более точную оценку.
«Когда вы более внимательно посмотрите на то, что вы можете сделать с уравнением Дирака, оказывается, что вы можете сделать немного больше, не переходя к квантовой теории поля», — говорит Себеенс.
В частности, Себеенс 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, и перенормировку 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 Себеенс. «Если электрон распространён или комковат, это состояние изменяет магнитную силу».
Усилия Себеенса 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 расчёта магнитного момента электрона не даёт фиксированного значения, предсказанного квантовой теорией поля. Вместо этого это изменяющееся значение, зависящее от состояния электрона.
«Оставшийся проект — объяснить, почему у вас есть определённый магнитный момент в квантовой теории поля, когда в контексте уравнения Дирака магнитный момент изменяется в зависимости от состояния электрона», — говорит Себеенс. «Как квантовая теория поля определяет, что такое зависящий от состояния магнитный момент, когда он рассчитывается из классического поля Дирака?»
Ответ Себеенса: «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 было бы, если бы философы оказались на древнем раскопе вместе с физиками, раскапывающими руины обширного подземного храма».
quantum field theory. Quantum field theory goes beyond quantum mechanics, incorporating the special theory of relativity and allowing the number of particles to change over time (such as when an electron and positron annihilate each other and create two photons).”,”The electromagnetic field of classical physics is replaced by a quantum field that wiggles and dances to produce the appearance of quantum particles, photons. Or, taking an alternative perspective, you might say that reality consists of swarms of quantum particles that sometimes look like fields.”,”One question Sebens continues to focus on in his work is whether the fields or the particles are more fundamental to nature. It’s like asking whether, when you zoom in on the water in a glass, it will continue to look like a fluid or instead reveal itself to be made of molecules. In this case, scientists know that the molecules are more fundamental than the fluid, but in the physics realm, Sebens explains, \”There is debate as to whether quantum field theory is ultimately a theory of particles or fields.”,”\”Ever since I’ve started learning about quantum field theory, I’ve been confused by it in many ways and trying to understand exactly what it says about the world,\” Sebens says. \”Philosophers of physics have been concerned for a long time about ordinary quantum mechanics, and the puzzles just get worse when it comes to quantum field theory.\””,”Quantum field theory is impressive in the predictions it is able to make about phenomena that are later confirmed in the lab. But the way it gets to these successful predictions is, in Sebens’s words, \”A ton of work. These are very complicated, arduous calculations that cannot be done by hand and must be carried out by computers. As a philosopher, I want to get at what is at the bottom of the theory. We have these equations that work, but actually figuring out the core of the theory is not so obvious.\””,”And so Sebens set out to find an alternative, and perhaps simpler, path toward one successful prediction of quantum field theory: the electron’s magnetic strength, or moment. \”The electron is a negatively charged particle, but it also acts like a tiny bar magnet with a north and south pole,\” Sebens explains. \”The magnetic moment of the electron quantifies how strong a magnet it is.\””,”Quantum field theory calculates this value with \”hyper precision to many decimal places,\” Sebens says, but how it does this is not clear. Sebens approached the conundrum by turning to classical physics—the physics that typically describes larger objects in our world, like cannonballs and power lines.”,”Specifically, he modeled the electron using a classical field (like the electromagnetic field) called the Dirac field and calculated the value of the electron’s magnetic moment using the Dirac equation, named after British physicist Paul Dirac. His most recent study is published in the journal Foundations of Physics.”,”\”The Dirac equation is normally taken to be part of a quantum theory, where it governs how a wave function, denoted by the symbol ψ (psi), evolves over time. But you can interpret the Dirac equation in a different way,\” Sebens points out, \”not as an equation governing a quantum wave function ψ but as an equation governing a classical field ψ.”,”\”Wave functions give you probabilities for different things happening upon measurement. A classical field is not like that. It describes a spread of different things happening in different places all at once.\””,”The standard way of calculating the electron’s magnetic moment using the Dirac equation leads to a value known as the Bohr magneton, named after the Danish physicist Niels Bohr. Unfortunately, this calculated value falls somewhat short of the experimentally determined value for the electron’s magnetic moment, which is slightly stronger. Quantum field theory, on the other hand, gets a much more accurate value, somehow accounting for the extra, or \”anomalous,\” magnetic moment missed by the Dirac equation.”,”When he started this project, Sebens hoped that by making key corrections to the calculations that yield the Bohr magneton estimate he might find another way to the precise prediction of the electron’s magnetic moment currently reached through quantum field theory, or at least a better estimate. \”When you look more closely at what you can do with the Dirac equation, it turns out you can actually do a bit more without moving to quantum field theory,\” Sebens says.”,”Specifically, Sebens refined the calculation of the electron’s magnetic moment from the Dirac equation to take account of two phenomena affecting electrons, which have long been a part of the calculations within quantum field theory: self-interaction, in which an electron interacts with its own electromagnetic field, and mass renormalization, a way of adjusting the electron’s mass to account for the electromagnetic field that surrounds it.”,”\”What I found is that if you let the electron self-interact, then it has a magnetic strength that depends on the state of the electron,\” Sebens says. \”If the electron is spread out, or lumpy, this state changes the magnetic strength.\””,”Sebens’s effort yielded an interesting conclusion, though not necessarily the one he desired. By correcting the simple derivation from the Dirac equation to account for self-interaction and mass renormalization, he did indeed arrive at a new way to calculate the electron’s magnetic moment. But this alternative path to the calculation of the electron’s magnetic moment does not yield the fixed value predicted by quantum field theory. Instead, it is a varying one dependent on the electron’s state.”,”\”The project that remains is to explain why you have a particular magnetic moment in quantum field theory when, in the context of the Dirac equation, the magnetic moment varies depending on the state of the electron,\” Sebens says. \”How does quantum field theory nail down what is a state-dependent magnetic moment when calculated from the classical Dirac field?\””,”Sebens’s answer? \”At least at the moment, I’m not sure how the trick is done. As a philosopher, I aim to carefully think through the foundations of these theories. Sometimes, I imagine what it would be like if philosophers were in an ancient dig site with physicists, excavating the ruins of a sprawling underground temple. A typical physicist might run ahead with power tools to dig deeper and uncover new artifacts, always rushing into the next dirt-filled room with treasures to be found. A philosopher might instead stop and try to scrub the last bits of grime off a grand statue.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tCalifornia Institute of Technology\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник