Большая Советская Энциклопедия (КВ)

устойчивый. Физической причиной неустойчивости возбуждённых уровней и спонтанных квантовых переходов, согласно К. т. п., является взаимодействие атома с фотонным вакуумом. Образно говоря, взаимодействие с фотонным вакуумом трясёт, раскачивает атомный электрон — ведь при испускании и поглощении каждого виртуального фотона электрон испытывает толчок, отдачу; без этого электрон двигался бы устойчиво по орбите (ради наглядности, примем этот полуклассический образ). Один из таких толчков заставляет электрон «упасть» на более устойчивую, т. е. обладающую меньшей энергией, орбиту; при этом освобождается энергия, которая идёт на возбуждение электромагнитного поля, т. е. на образование реального фотона.

  То, что взаимодействие электронов с фотонным вакуумом обусловливает саму возможность переходов в атомах (и в др. излучающих фотоны системах), а значит, и излучение, — это наибольший по масштабу и по значению эффект в квантовой электродинамике. Однако есть и другие, гораздо более слабые, «вакуумные эффекты», очень важные в принципиальном отношении; некоторые из них будут обсуждены в разделе III.

  7. Электронно-позитронный вакуум. В 1928 английский физик П. Дирак, решая задачу о релятивистском квантовом уравнении движения электрона, предсказал, что у электрона должен быть «двойник» — античастица, отличающаяся от электрона знаком электрического заряда. Такая частица, названная позитроном, вскоре была обнаружена экспериментально. Позитрон не может порождаться в одиночку — это исключается, например, законом сохранения электрического заряда. Электроны и позитроны могут появляться и исчезать (аннигилировать) лишь парами. Для рождения электронно-позитронной пары необходима достаточно большая энергия (не меньше удвоенной энергии покоя электрона), которую может поставить, например, «жёсткий», т. е. имеющий большую энергию, фотон (гамма-квант), налетающий на какую-либо заряженную частицу. Однако рождение пары может происходить и виртуально. Тогда образовавшаяся пара, просуществовав очень недолгое время Dt, аннигилирует. Квантовый разброс энергий DE ~, если Dt очень мало, делает такой процесс энергетически разрешенным.

  Графически процесс рождения и аннигиляции виртуальной электронно-позитронной пары изображен на рис. 8: фотон в точке 1 исчезает, порождая пару, которая затем аннигилирует в точке 2, в результате чего вновь образуется фотон. (Позитрон изображается такой же сплошной линией, как и электрон, на которой условно стрелка направлена в противоположную сторону, т. е. «вспять» во времени.)

  То обстоятельство, что электроны и позитроны не могут появляться и исчезать порознь, а возникают и уничтожаются только парами, показывает глубокое физическое единство электронно- позитронного поля. Электронное и позитронное поля выглядят как обособленные лишь до тех пор, пока не рассматриваются процессы, связанные с изменением числа электронов и позитронов.

  Античастицы есть не только у электронов. Установлено, что каждая частица (кроме так назывемых истинно нейтральных частиц, например фотона и нейтрального пи-мезона) имеет свою античастицу. Процессы, подобные виртуальному рождению и аннигиляции электронно-позитронных пар, существуют для любых пар частица-античастица.

  III. Метод возмущений в квантовой теории поля

  1. Математическая и физическая частица. Полевая масса. Перенормировка массы. Для описания взаимодействующих полей часто применяется следующий метод (который фактически уже был использован выше). Сначала рассматриваются кванты свободных полей (частицы). Это так называемое нулевое приближение, в котором взаимодействие вообще не учитывается. Затем в рассмотрение вводится взаимодействие — частицы перестают быть независимыми, появляется возможность их рассеяния, порождения и уничтожения в результате взаимодействия. Последовательное увеличение числа учитываемых процессов, обусловленных взаимодействием, математически достигается применением так называемого метода возмущений. Ввиду большой роли, которую играет этот метод в теории, обсудим его физический смысл подробнее. Процедура последовательного уточнения вклада от взаимодействий фактически применяется и в классической электродинамике. Поясним это на примере электрона и создаваемого им электромагнитного поля. Электрон выступает в теории как носитель определённой массы m₀. Но так как он порождает электромагнитное поле, имеющее энергию Еэл, а следовательно (согласно релятивистскому соотношению E = mc², и массу Еэл/c², то, ускоряя электрон, нужно преодолевать и инерцию его электромагнитного (в простейшем случае — кулоновского) поля.

  Т. о., вводя в рассмотрение взаимодействие между электроном и электромагнитным полем, к «неполевой», или «затравочной», массе m₀ необходимо добавить «полевую» часть массы m_пол = Еэл/c². Вычисление полевой массы для точечной частицы (а именно такими приходится считать рассматриваемые в нулевом приближении «затравочные» частицы) приводит к лишённому физического смысла результату: m_пол оказывается бесконечно большой. Действительно, энергия кулоновского поля частицы, имеющей заряд е и протяжённость а, равна Е_кул = ke²/a (k — множитель порядка единицы, численное значение которого зависит от распределения заряда); переход к точечной частице (a ® 0) приводит Е_кул ® ¥.

  Бесконечное значение (расходимость) полевой массы (хотя и в несколько измененном, «ослабленном» виде) сохраняется и при переходе от классической теории к квантовой. Больше того, появляются и расходимости др. типов. Анализ встречающихся здесь трудностей привёл к появлению идеи так называемых перенормировок. Деление массы на полевую и неполевую возникает (как видно из предыдущего) из-за принятого метода рассмотрения: вначале вводится свободная «затравочная» частица, а затем «включается» взаимодействие. В эксперименте, конечно, нет ни «затравочной», ни полевой массы, там проявляется только общая масса частицы. В теории, что очень существенно, эти массы также выступают лишь в сумме, а не порознь, Объединение полевой и неполевой массы и использование для суммарной массы значения, получаемого не теоретически, а из опыта, называется перенормировкой массы.

  Традиционный путь построения теории в рамках метода теории возмущений таков: вначале формулируется теория свободных (не взаимодействующих) частиц, а затем вводится в рассмотрение взаимодействие между ними. Так, например, сначала строится теория свободных электронов (или электронно-позитронного поля), а затем рассматривается взаимодействие этих «математических», или «голых», электронов с электромагнитным полем. Однако реально существующие в природе «физические» электроны, в отличие от «математических», всегда взаимодействуют с фотонами (хотя бы с виртуальными), и «выключить» это взаимодействие можно только умозрительно. Важной частью идеи перенормировок является указание на необходимость построения теории, в которой выступали бы не математические, а физические частицы.

  Любопытно, что природа в какой-то мере даёт возможность увидеть различие между частицей со «включенным» и «выключенным» электромагнитным взаимодействием. Например, известны три пи-мезона: с положительным (p⁺), отрицательным (p^–) и нулевым (p°) электрическими зарядами. Это различные зарядовые состояния одной и той же частицы, Заряженные мезоны (p ⁺ и p^–) имеют большую массу, чем нейтральный (p°); очевидно, здесь проявляется добавка, обусловленная полевой (электромагнитной) массой, хотя теория пока не может достаточно четко объяснить этого явления количественно.

  В К. т. п. процесс «облачения» математической частицы, т. е, её превращение в физическую, выглядит сложнее, чем в классической электродинамике, где всё сводится к «пристёгиванию» к частице кулоновского «шлейфа». В квантовой теории физическая частица отличается от математической «шубой», гораздо более сложной по своему строению: её образуют «облака» рождаемых и вслед затем поглощаемых частицей виртуальных квантов. Это могут быть кванты любого из полей, с которыми частица находится во взаимодействии (электромагнитного, электронно-позитронного, мезонного и т.д.). «Шуба» не есть нечто застывшее, — образующие её кванты непрерывно порождаются и поглощаются. «Шуба» пульсирует, т. е. несущая её частица как бы проводит часть времени в «облачённом», а часть — в «голом» состоянии. Какую именно часть — это определяется степенью интенсивности взаимодействий. Например, мезонные взаимодействия нуклонов более чем в сто раз интенсивнее