ПОЛЯ И ЧАСТИЦЫ
Как разнообразны волновые явления в природе! Даже на воде бывает много типов волн. Волны могут рождаться, сталкиваться, рассеиваться, подобно частицам. А может быть, и частицы — это волны, только, конечно, не в воде, а в какой-то невидимой среде?
Подобные мысли приходили людям в голову много раз в истории физики. Особенно жаркие споры разгорелись в XVII в. между сторонниками корпускулярной теории света, считавшими его потоком частиц, и сторонниками волновой теории, считавшими свет волнами в невидимом эфире. Кто же оказался прав? Никто, или, вернее, и те, и другие.
Действительно, свет — это поток частиц — квантов или фотонов, несущих определенные порции энергии и импульса. С другой стороны, свет — это волны электромагнитного поля (см. Электромагнитные волны), обладающие энергией и импульсом и распространяющиеся в пространстве со скоростью света.
Для того чтобы совместить эти два столь различных понятия — волна и частица,— пришлось пересмотреть ньютоновскую механику.
В квантовой механике любой частице соответствует волна. А когда частиц много? С точки зрения квантовой механики можно было бы сопоставить каждой частице свое поле. Скажем, можно было бы в принципе считать, что каждому электрону в пучке из ускорителя соответствует свое поле. Однако опыт свидетельствует о полной неразличимости тождественных частиц. Конечно, у электронов могут быть разные энергии и импульсы, но при одних и тех же параметрах электроны одинаковы.
Итак, если все частицы одинаковы, как волны в одной и той же среде, то, значит, эта среда, т. е. поле, является более фундаментальным понятием. В этом смысле сторонники теории эфира оказались ближе к истине.
Что же такое поле? С математической точки зрения поле — это произвольная функция или набор функций, координат → = x, y, z и времени t. Например, фотон описывается электрическим полем E→(r→, t) и магнитным полем H→(r→, t), гармонически, т. е. синусоидально, зависящим от координат и времени. Очень важно, что электромагнитное поле фотона является гармонической функцией определенной комбинации пространственных координат и времени: E→ (или H→) = E→(k→r→ — ωt). Это означает, что фотон — квант поля электромагнитной волны, распространяющейся в пространстве со скоростью ω/k = с и характеризующейся длиной волны (деленной на 2π) λ=1/k. Здесь k→=kn→=(1/λ)n→ (n→ = k→/k - единичным вектор, направленный в сторону распространения волны) носит название волнового вектора. Импульс фотона р→=ħk→=(ħω/c)•n→, а его энергия Е=ħω.
Кроме переменных полей в физике играют важную роль постоянные, так называемые статические электрические и магнитные поля, например магнитное поле Земли, электрическое поле в грозовой туче и т. д.
Все это разные формы проявления электромагнитного поля.
В природе известны и другие поля. Со времен Ньютона мы знаем гравитационное поле, создаваемое материальными телами. Гравитационное поле пропорционально энергии тела. Для покоящихся или медленно движущихся тел энергия совпадает с массой, умноженной на квадрат скорости света: Е = mс2, так что гравитационное поле пропорционально массе (закон Ньютона, см. Тяготение). Согласно общей теории относительности, гравитационное поле может зависеть от времени и распространяться со скоростью света.
Гравитационные волны пока экспериментально не обнаружены, поскольку они очень слабо взаимодействуют с веществом. Поиски их ведутся во многих лабораториях мира.
Электронам тоже соответствует поле — так называемое электронно-позитронное. Здесь возникает новое понятие — античастица (см. Антивещество). Одно и то же поле описывает как частицы (электроны), так и античастицы (позитроны). Частицы и античастицы в процессе аннигиляции превращаются в другие частицы, например фотоны. Возможен и обратный процесс — рождения электронно-позитронных пар электромагнитным полем. Все эти процессы описываются квантовой электродинамикой. В квантовой электродинамике электронно-позитронное поле связано с электромагнитным полем так, что энергия и импульс могут перетекать туда и обратно.
Это и соответствует рождению и аннигиляции пар.
