КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Так называют теорию взаимодействия электронов, позитронов и фотонов. Квантовая электродинамика была создана усилиями целого ряда физиков-теоретиков — В. Гейзенберга, В. Паули, П. Дирака, Р. Фейнмана и других. В основе ее, как и любой иной квантовой теории поля, лежит представление о заполняющем пространство поле, в котором возможны элементарные возбуждения — кванты (см. Поля и частицы).

Фотон — это квант электромагнитного поля, а электроны и позитроны — кванты элект-рон-позитронного поля (обычно термин «квант» применяют только к фотонам).

Квантовая электродинамика — релятивистская теория, т. е. ее уравнения подчиняются принципам теории относительности: они одинаково выглядят и в покоящейся, и в равномерно движущейся системах координат. Другое важное свойство квантовой электродинамики — локальность. Оно состоит в том, что элементарное взаимодействие — испускание или поглощение фотона электроном или позитроном — происходит мгновенно и в бесконечно малой области пространства. Причем локальное взаимодействие происходит не в пустоте, а в физическом вакууме. Присутствующие в физическом вакууме виртуальные частицы (фотоны и электрон-позитронные пары) перераспределяются при внесении реальной частицы и в процессе локального взаимодействия.

Этот эффект — поляризация вакуума — весьма мал, но он имеет принципиальное значение, поскольку вносит вклад во все процессы взаимодействия и должен учитываться квантовой теорией поля. Долгое время не удавалось вычислить поляризацию вакуума из-за так называемых ультрафиолетовых расходи-мостей. Дело в том, что число виртуальных частиц в вакууме не ограничено. Не ограничен и вклад в поляризацию вакуума виртуальных частиц с большими импульсами, т. е. с малыми (ультрафиолетовыми) длинами волн де Бройля. Все это приводило при расчете ряда физических величин, таких, как масса частицы, ее заряд и т. д., к бессмысленным результатам — бесконечностям.

Успех в преодолении этой трудности в квантовой электродинамике был достигнут физиком-теоретиком X. Бёте, заметившим, что соотношения между непосредственно наблюдаемыми величинами, например, сдвигом уровней атома от поляризации вакуума и наблюдаемыми массой и зарядом электрона, не содержат бесконечных величин. Вклады ультрафиолетовых виртуальных частиц при этом взаимно компенсируются. Была разработана специальная математическая техника, позволившая устранить из теории квантовой электродинамики бесконечные величины. Эта техника получила название метода перенормировок. При разработке более общей теории необходимо было бы учитывать, что кроме электронов и фотонов есть и другие частицы, виртуально возникающие в физическом вакууме, и другие силы, кроме электромагнитных. И следовало бы найти настоящую, физическую причину для ограничения импульсов виртуальных частиц, а не вводить это ограничение как математический прием.

Теоретики предполагают, что физические причины ограничения импульсов виртуальных частиц связаны с ростом их гравитационного поля и возникают при импульсах порядка 10¹⁹ ГэВ/ с. Но для исследования явлений на наблюдаемых масштабах энергий можно не вникать в детали этих сложных и неизученных процессов, подобно тому как в небесной механике можно не вникать в детали строения вещества. Оказалось, что наблюдаемые величины в квантовой электродинамике не зависят от распределения по импульсам ультрафиолетовых виртуальных частиц.

Предсказания квантовой электродинамики согласуются с опытом с огромной точностью (так, например, определены 11 десятичных знаков для магнитного момента электрона). Область ее применения весьма широка — это и атомная физика, и астрофизика, и теория плазмы, и теория лазера.

В современной физике элементарных частиц квантовая электродинамика объединяется с теорией слабых взаимодействий в единую теорию электрослабых сил (см. Единство сил природы). Кроме фотонов, электронов и позитронов эта теория рассматривает другие лептоны, кварки и так называемые W^±-, Z- и H-Бозоны. Последние два типа частиц пока не обнаружены на опыте.