Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика

Мы не отдаем себе в этом отчет, но пространство, которое нас окружает, содержит не только материю. Например, если бы мы освободили комнату от всей находящейся в ней материи до последней пылинки и до последней молекулы воздуха, мы все равно не могли бы утверждать, что в ней совсем ничего нет.

Железные опилки и магниты

То, что мы обычно называем силой (какой бы она ни была, гравитационной, электрической или магнитной), является не чем иным, как действием, которое оказывает поле на помещенное в него тело. Что еще более важно: материя обладает свойствами (мы уже открыли два — массу и заряд), которые делают ее чувствительной к различным полям. Если материя лишена одного из них (например, если электрический заряд равен нулю), соответствующее поле не оказывает на нее никакого действия, как если бы его вовсе не было. Фарадей выявил существование этих полей посредством опыта, который мы часто проводим в школах. Итак, положим железные опилки на листок бумаги и поместим снизу магнит. Опилки начнут перемещаться, образуя характерный узор, соответствующий силовым линиям магнитного поля. Если мы уберем магнит и немного потрясем бумагу, образовавшийся узор исчезнет. Это означает, что магнитное поле, появившееся благодаря магниту, изменяет свойства пространства.

Если разместить железные опилки около магнита, они соберутся вокруг него особым образом, демонстрируя наличие магнитного поля в этой области пространства.

Самое наглядное доказательство этому: если мы поместим туда грушу, она упадет на пол. Следовательно, «что-то» в комнате заставляет ее упасть. И не важно, с какой стороны мы ее кинем: груша упадет прямо на пол. Даже пустая, комната наполнена тем, что мы называем гравитацией. Другими словами, наша комната находится в гравитационном поле. Как объяснить его присутствие? По всей очевидности, источником этого поля является наша планета.

Но это не единственный довод: если мы запустим по прямой линии электрически заряженную частицу, например электрон, и внимательно проанализируем ее траекторию, тогда четко увидим, что, как и в случае с грушей, «что-то» изменяет ее путь, но это не гравитация. Исследовав данное явление, мы поймем, что это «что-то» имеет влияние только на частицы, обладающие зарядом, и не затрагивает нейтральные частицы. Таким образом, мы обнаружили существование другого поля, электромагнитного. Откуда берется это поле? Оно представляет собой совокупность разных полей: электромагнитного поля Земли, электромагнитных полей, создаваемых антеннами мобильной связи, телевизорами и радио, линиями электропередач, кухонными электроприборами и так далее.

Очень слабый свет подразумевает лишь малое количество фотонов. Но увидеть электроны означает изменить их.

Ричард Фейнман

Вернемся к Дираку. Его уравнение описывает поведение электрона в движении в классическом электромагнитном поле. В классической физике поля постоянны. Для полного понимания того, что происходит в микромире, необходимо было осуществить квантование электромагнитного поля.

Так же как электромагнитное излучение состоит из фотонов, электромагнитное поле можно представить состоящим из «кусочков». Дирак создал метод «вторичного квантования» и таким образом заложил основу квантовой электродинамики. В 1927 году ученый применил этот способ к электромагнитному полю и обнаружил, что оно превратилось в море частиц. Таким образом, с одной стороны, мы имеем частицы материи, а с другой — частицы поля, которые позволяют осуществлять электромагнитное воздействие одной частицы материи на другую. Фактически они действуют как посланники, которые несут информацию об электромагнитном взаимодействии. Когда электроны отталкиваются, квантовая электродинамика предполагает, что частица-посредник служит для осуществления взаимодействия между ними. Электрическое отталкивание электронов есть не что иное, как обмен между частицами. Можно сравнить электроны с двумя конькобежцами, которые перебрасываются тяжелым мячом.

Сообщая мячу импульс при броске и получая импульс с принятым мячом, они отталкиваются друг от друга. Механизм отталкивания электронов работает похожим образом.

Если конькобежцы являются электронами, тогда кто играет роль мяча? Фотон (в любом случае мы знаем, что фотоны не имеют массы) — частица-посредник во время электромагнитного взаимодействия. Согласно квантовой электродинамике, электромагнитное поле — это бесконечная совокупность фотонов, каждый из которых ведет себя как гармонический осциллятор. Как в случае с морем Дирака, фотоны распределяются по всему пространству, но остаются невидимыми нашему глазу или какому-либо другому детектору. Они носят название виртуальных фотонов (см. рисунок). Мы можем познакомиться с их существованием только опосредованно, благодаря эффекту, во время которого они вызывают взаимодействие двух заряженных частиц между собой.

Согласно квантовой электродинамике, электростатическое отталкивание между двумя электронами связано с их обменом виртуальными фотонами.

Проблемы электрона

Никогда такая маленькая частица не приносила столько хлопот. Электрон создавал проблемы даже в относительно спокойном мире классической физики. Мы знаем, что речь идет о заряженной частице, но есть ли у нее размер? Если мы будем рассматривать ее как маленький шарик, то как объяснить, что он не разрушается из-за отталкивания между его составными частями? Не сумев ответить на данный вопрос, мы могли бы заявить, что электрон является не шариком, а безразмерной точкой. Увы, это тоже не решение, потому что вместе с безразмерностью в уравнениях об электромагнетизме появляется деление на ноль: в игру вступает бесконечность — верный знак присутствия ошибки в теории. Проблема энергии электрона после его воздействия на себя являлась головоломкой.

В 1929 году Гейзенберг и Паули, изучавшие проблему собственной энергии электрона с квантовой точки зрения, получили первые результаты, из которых следовало: энергия электрона бесконечна. Это объясняется тем фактом, что в квантовой электродинамике электрон не является просто частицей, а сопровождается облаком виртуальных фотонов. Речь идет о выпущенных фотонах, которые затем поглощаются этим же электроном, и так до тех пор, пока они не будут обнаружены наблюдателем. Принцип неопределенности Гейзенберга позволяет электрону испускать фотоны, обладающие сколь угодно большой энергией...

Стало быть, существует теория, позволяющая детально рассчитать собственную энергию электрона при его взаимодействии со своим полем, но когда мы ее применяем, внезапно со всех сторон возникают бесконечные величины. Израсходовав все свои возможности, физики больше не знали, что делать. Блистательный Гейзенберг должен был признать себя побежденным: он оставил эту тему и посвятил себя изучению сегнетоэлектричества.

Фейнман изучал этот вопрос с разных сторон еще в то время, когда был студентом МТИ. Осенью 1940 года он возобновил свои попытки и спросил себя: почему бы не исключить эти бесконечные величины, предположив, что электрон не взаимодействует со своим собственным полем? Он даже выдвинул еще более дерзкую идею: а что если явление, которое мы называем электромагнитным полем и которое возникло в результате обмена виртуальными фотонами, было фикцией? Не мог ли электромагнетизм быть простым взаимодействием между заряженными частицами, не требующим для своего существования никакого поля? Как он заявил впоследствии в своей нобелевской речи: