Однако, несмотря на огромную важность введенных Фарадеем понятий электромагнитных полей, они все же были больше эвристическими, чем математическими. Возможно, из-за обрывочного образования, математика не была любимым коньком Фарадея. Но другой английский физик, Джеймс Клерк Максвелл, включил идею Фарадея о поле в уравнения классической теории электромагнетизма. Максвелл был выдающимся ученым, в круг многочисленных интересов которого входили оптика и учение о цвете, математика овалов, термодинамика, кольца Сатурна, измерение широты с помощью чашки с патокой и вопрос о том, почему кошки приземляются на лапы, сохраняя угловой момент, хотя их бросают вверх тормашками[81].
Самым важным вкладом Максвелла в физику была система уравнений описывающих то, каким образом можно узнать значения электрического и магнитного полей, зная распределение зарядов и токов2. Из этих уравнений он вывел существование электромагнитных волн, т. е. волн всех видов электромагнитного излучения, существующих в вашем компьютере, телевизоре, микроволновой печи и во многих других удобных устройствах современного мира.
Однако Максвелл совершил одну ошибку. Как все другие физики его времени, он воспринял идею поля слишком материально. Он предполагал, что поле возникает благодаря колебаниям эфира, т. е. придерживался той идеи, которую, как мы увидим далее, окончательно развенчал Эйнштейн. Тем не менее Эйнштейн связывал имя Максвелла с происхождением специальной теории относительности: электромагнитная теория Максвелла позволила Эйнштейну понять идею о постоянстве скорости света, вызвавшую к жизни его монументальный труд.
Фотон
Классическая электромагнитная теория Максвелла привела к большому числу успешных предсказаний, но она была создана до квантовой механики и поэтому, очевидно, не включала квантовых эффектов. В наши дни физики изучают электромагнитное взаимодействие в рамках физики частиц. Основанная на ней теория электромагнетизма включает не только хорошо изученные и хорошо проверенные предсказания классической теории Максвелла, но и предсказания квантовой механики. Поэтому она является более полной и более точной теорией электромагнетизма, чем ее классическая предшественница. Действительно, квантовая теория электромагнетизма позволила получить невероятно точные предсказания, проверенные с неслыханной точностью в одну миллиардную долю[82].
Квантовая теория электромагнетизма объясняет электромагнитное взаимодействие обменом частицей по имени фотон — квантом света, который мы рассматривали в предыдущей главе. Происходит это следующим образом: начальный электрон испускает фотон, который подлетает к другому электрону, передает ему электромагнитное воздействие и затем исчезает. Благодаря такому обмену фотоны передают или переносят электромагнитную силу. Они производят такой же эффект, как конфиденциальные письма, которые передают информацию от одного адресата к другому, но после этого немедленно уничтожаются.
Мы знаем, что электрическая сила может иногда быть притягивающей, а иногда — отталкивающей: в случае притяжения взаимодействуют противоположно заряженные тела, в случае отталкивания заряды тел имеют одинаковый знак, положительный или отрицательный. Силу отталкивания, передаваемую фотоном, можно представить себе как взаимодействие между двумя конькобежцами, которые попеременно бросают друг другу шар для боулинга. Каждый раз, как один из конькобежцев ловит шар, он немного скользит по льду в сторону от своего партнера. С другой стороны, возникновение сил притяжения напоминает двух новичков, бросающих друг другу «фрисби» [83]; в противоположность конькобежцам, удаляющимся все дальше друг от друга, начинающие игроки в фрисби будут с каждым удачным броском приближаться друг к другу.
Фотон — это первый пример калибровочного бозона, фундаментальной элементарной частицы, ответственной за перенос конкретного взаимодействия. (Слово «калибровочный» звучит страшнее, чем оно есть на самом деле; физики начали использовать его в конце 1800-х годов, благодаря отдаленной аналогии с калибровкой железнодорожной колеи для определения расстояния между рельсами. Сто лет назад сам термин был намного известнее.) Другими примерами калибровочных бозонов являются слабые бозоны и глюоны. Эти частицы являются переносчиками слабых и сильных взаимодействий соответственно.
В период между концом 1920-х и 1940-ми годами английский физик Поль Дирак, американцы Ричард Фейнман и Юлиан Швингер, а также Син-Итиро Томонага, работавший независимо в послевоенной Японии, разработали квантово-механическую теорию фотона. Созданную ими область квантовой теории они назвали квантовой электродинамикой (КЭД). Эта область науки включает все предсказания классической теории электромагнетизма, а также вклад частиц (квантов) в физические процессы, т. е. взаимодействия, порождаемые обменом или рождением квантовых частиц.
КЭД предсказывает, как обмен фотоном порождает электромагнитное взаимодействие. Например, в процессе, изображенном на рис. 47, два электрона влетают в область взаимодействия, обмениваются фотоном, а затем возникают в конечном состоянии (например, с конечной скоростью и направлением движения) за счет влияния сообщенной им электромагнитной силы. Теория поля сопоставляет каждому элементу диаграммы определенные числа, так что саму диаграмму можно использовать для количественных предсказаний. Эта картинка является примером диаграммы Фейнмана, названной так в честь Ричарда Фейнмана, и представляет собой графический способ описания взаимодействий в квантовой теории поля. (Фейнман был так горд этой выдумкой, что нарисовал некоторые диаграммы на своем фургоне.)
Однако не все процессы КЭД включают фотоны, которые уничтожаются. Кроме эфемерных промежуточных или внутренних частиц[84], как те фотоны, что определяют электромагнитные взаимодействия и которые рождаются и почти сразу же уничтожаются, имеются и реальные внешние фотоны — частицы, входящие в область взаимодействия или покидающие ее. Иногда такие частицы отклоняются, иногда превращаются в другие частицы. В любом случае, частицы, которые входят в область взаимодействия или покидают ее, являются реальными физическими частицами.
Квантовая теория поля
Квантовая теория поля — инструмент, с помощью которого мы изучаем частицы[85], — основана на вечных и вездесущих объектах, которые способны порождать и уничтожать эти частицы. Такими объектами являются «поля» квантовой теории поля. Подобно классическим электромагнитным полям, квантовые поля — это объекты, заполняющие пространство-время. Но квантовые поля играют и другую роль. Они порождают или поглощают элементарные частицы. Согласно квантовой теории поля, частицы могут рождаться или уничтожаться где угодно и в любое время.
Например, электрон или фотон могут возникать или исчезать где угодно в пространстве. Квантовые процессы разрешают числу заряженных частиц во Вселенной изменяться за счет рождения и уничтожения частиц. Каждая частица рождается или уничтожается своим собственным полем. В квантовой теории поля не только электромагнетизм, но все силы и взаимодействия описываются с помощью полей, которые могут создавать новые или уничтожать уже существующие частицы.
Согласно квантовой теории частицы можно рассматривать как возбуждения квантового поля. В то время как вакуум, состояние без частиц, содержит только постоянные поля, состояния с частицами содержат поля с выпуклостями и изгибами, соответствующими частице. Когда в поле появляется выпуклость, рождается частица, когда поле поглощает эту выпуклость, чтобы вновь стать постоянным, частица уничтожается.
Поля, порождающие электроны и фотоны, должны существовать везде, чтобы гарантировать, что все взаимодействия могут происходить в любой точке пространства-времени. Это существенный момент, так как взаимодействия локальны, что означает, что во взаимодействии могут участвовать только частицы, находящиеся в одном месте. Действие на расстоянии скорее напоминает волшебство. Но частицы не обладают экстрасенсорным восприятием — чтобы взаимодействовать, им нужно быть в непосредственном контакте.
Электромагнитные взаимодействия могут происходить и между удаленными зарядами, не находящимися в прямом контакте, однако только благодаря содействию фотона или некоторых других частиц, имеющих непосредственный контакт с обеими взаимодействующими заряженными частицами. В этом случае кажется, что заряды действуют друг на друга мгновенно, но такое впечатление создается только потому, что скорость света столь велика. На самом деле взаимодействие происходит за счет локальных процессов; фотон совмещается сначала с одной из заряженных частиц, а затем с другой. Поэтому поле должно родить и уничтожить фотон точно в тех местах, где находятся заряженные частицы.
