Вселенная может состоять из частиц, а не полей | [Теория поля Белла: 1 часть] (2 фото)
Более 2000 лет назад существовало две теории материи. Греческий философ Артистотель утверждал, что все существующее было сделано из четырех элементов (воздух, вода, земля и огонь), и эта материя была бесконечно делимой. Другой грек Демокрит, однако, предположил, что материя состоит из крошечных неделимых частиц, называемых атомами.
Артистотель настолько высоко почитался в древнем мире и позже в средневековье, что он победил на чистом авторитете.
Лишь в эпоху Просвещения в 18-го веке идеи Демокрита снова приобрели популярность, поскольку натурфилософы, такие как Исаак Ньютон и Роберт Бойл, предложили новые теории материи. В своем трактате по оптике Ньютон даже предложил свою «корпускулярную» теорию света, которая предвосхитила открытие фотонов. Но в то время это были только догадки.
Только в начале 19-го века Роберт Далтон поставил атомарную теорию на научную основу. Его теории легли в основу современной химии. Тем временем итальянский ученый Авогадро развил свое понимание того, как частицы соотносятся с химическими пропорциями. Из курса школьной химии можно вспомнить о числе Авогадро, описывающем большое количество частиц (6,02214076 × 10²³), составляющих один моль вещества.
С тех пор теория атома оказалась невероятно успешной, и эксперименты продолжали подтверждать это. Позже были обнаружены субатомные частицы, такие как электроны и протоны. В начале 20-го века были разработаны ускорители частиц, которые могли разбивать их друг об друга, чтобы наблюдать еще больше частиц.
Это был мир частиц.
Затем появилась квантовая механика, которая показала, что частицы также могут быть волнами, и это произошло как раз тогда, когда модель частиц начала давать сбои. Если частицы были волнами, то они были больше похожи на поля, как предположил Артистотель. В зависимости от того, как мы за ними наблюдали, они действовали как волны или частицы. Это была дуальность частиц-волн.
Так прав ли был Артистотель?
Многие учебники физики говорят, что и да и нет. Но это не совсем то, что говорит математика современной физики. Она решительно говорит - да, и это проблема!
Что же случилось?
В 1930-х и 40-х годах такие физики, как Дирак, Фейнман, Швингер и другие, работали над созданием теории квантовой механики, которая могла бы объяснить, что происходит внутри ускорителей частиц, когда материя движется так быстро, что необходимо задействовать специальную теорию относительности Эйнштейна, которая описывает материю, движущуюся с околосветовой скоростью. Они придумали то, что стало золотым стандартом для теорий материи, сил и энергии: квантовая теория поля.
Квантовая теория поля (КТП) со своим более сложным взглядом на частицы, казалось, ответила на вопрос о том, что такое материя. В то время как мы можем измерять частицы или волны, оба состояния действительно являются проявлениями полей (отсюда и название). Когда мы наблюдаем поле как частицу, это происходит потому, что поле «находится на оболочке массы», что означает, что оно имеет необходимое количество энергии, равное массе частицы этого типа. Когда частицы действуют как волны, это происходило из-за суммарного влияния поля на оболочку массы и за ее пределами.
Часть полей за пределами оболочки массы не обнаруживается, и их называют полями «виртуальных частиц», но в данной модели они вообще не являются. Это просто сплошные поля. Хуже того, с точки зрения математики они «мнимые».
Онтология (теория о том, что существует) в квантовой теории поля состоит в том, что поля являются скрытой реальностью, а частицы - это проявления полей, которые имеют определенные конфигурации.
Эта онтология не устраивала некоторых людей. В частности, это не понравилось Дэвиду Бому, который разработал «механику Бома» в 1950-х годах. Это не понравилось и Джону Беллу, который разработал свою знаменитую теорему о квантовой вероятности. Белл и Бом настаивали на том, что правильная онтология все еще принадлежит Демокриту. Частица была скрытой реальностью, а не полем, а волна была отдельной, но связанной сущностью.
К сожалению, теория Бома не работает так же хорошо, как КТП. Она объяснила только квантовую механику, теорию четко определенных, медленно движущихся частиц, а не частиц, врезающихся друг в друга в ускорителе.