квантовая теория поля это:

квантовая теория поля
ква́нтовая тео́рия по́ля
релятивистская квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы (релятивистских полей). Квантовая теория поля является основным аппаратом физики элементарных частиц, их взаимодействий и взаимопревращений. Включает теорию электромагнитного (квантовую электродинамику) и слабого взаимодействий, выступающих в современной теории как единое целое (электрослабое взаимодействие), и теорию сильного (ядерного) взаимодействия (квантовую хромодинамику).
* * *
КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ
КВА́НТОВАЯ ТЕО́РИЯ ПО́ЛЯ (полей) (КТП), область современной физики, описывающая основные свойства и процессы взаимодействия элементарных частиц, из которых построены все физические объекты мира. Основные положения этой теории были сформулированы в середине 20 в. В ней произошло объединение релятивистских представлений, развитых А. Эйнштейном (см. ЭЙНШТЕЙН Альберт) в теории относительности (см. ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ТЕОРИЯ), и квантовых идей, появившихся в физике с рождением теории атома, созданной Н. Бором (см. БОР Нильс), В. Гейзенбергом (см. ГЕЙЗЕНБЕРГ Вернер), Э. Шредингером (см. ШРЕДИНГЕР Эрвин) и П. Дираком (см. ДИРАК Поль) в 1920-х гг. В основе КТП лежит представление о существовании элементарных частиц, свойства которых описываются теорией относительности, и которые в физических процессах, происходящих в микромире, рождаются и уничтожаются как целое, при этом величины их физических характеристик строго фиксированы, квантованы.
Характеристики частиц
Важнейшей физической характеристикой элементарных частиц является их масса. Сегодня массы измерены с большой точностью. Например, масса электрона имеет величину me = 9,1093897(54)•10-28 г = 0,51099906(15) Мэв/с2, а масса протона (ядра атома водорода) — mp = 1,6726231(10)•10-24 г = 938,27231(28) Мэв/с2.
Второй важной физической характеристикой частицы является ее собственный механический момент, называемый спином (см. СПИН). Спины частиц квантованы — они всегда кратны половине величины, называемой постоянной Планка ђ= 1,05457266(63)•10-27эрг•с = 6,5821220(20)•10-22 Мэв•с, так что они могут быть либо целыми (0, 1, 2…), либо полуцелыми (1/2, 3/2, 5/2…). Частицы с целыми спинами называют бозонами (см. БОЗОН), с полуцелыми — фермионами (см. ФЕРМИОН), их статистические свойства резко отличаются: количество бозонов, которые могут находиться в одинаковых состояниях, не ограничено, а два фермиона занимать одно и то же состояние не могут. Первые описываются статистикой Бозе — Эйнштейна (см. БОЗЕ — ЭЙНШТЕЙНА СТАТИСТИКА), вторые — статистикой Ферми — Дирака (см. ФЕРМИ-ДИРАКА СТАТИСТИКА).
Электрические заряды элементарных частиц всегда квантованы и кратны величине элементарного заряда е = 1,60217733(49)•10-19 кулона или его определенной части (в случае кварков — 1/3 е).
Важной характеристикой элементарной частицы является ее время жизни. Среди наблюдаемых элементарных частиц в настоящее время стабильными (с бесконечно большим временем жизни) считаются: электрон (см. ЭЛЕКТРОН (частица)), фотон (см. ФОТОН (элементарная частица)), нейтрино (см. НЕЙТРИНО) (разных типов) и протон (см. ПРОТОН (элементарная частица)), причем в ряде моделей предполагается, что последний может быть нестабильным. Остальные частицы нестабильны и распадаются по экспоненциальному закону, так что за время t их количество убывает в e-t/t раз, при этом их время жизни t для разных частиц варьируется в очень широком диапазоне (например, у нейтрального пиона (см. ПИ-МЕЗОНЫ) — 10-16 с, а у нейтрона — 10 мин).
Взаимодействие между частицами
Нестабильность элементарных частиц есть одно из проявлений их общего свойства взаимопревращаемости и является следствием взаимодействия их фундаментальных составляющих. Сегодня известны четыре базовых типа взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное, различающиеся по силе (константе) взаимодействия. Взаимодействие между частицами ведет либо к превращению одних частиц в другие, либо к возникновению составных комплексов, таких как ядра атомов, атомы и молекулы, причем такие процессы подчиняются определенным законам сохранения. Это — законы сохранения энергии-импульса (см. ЭНЕРГИИ СОХРАНЕНИЯ ЗАКОН), момента количества движения, связанные с симметрией пространственно-временного континуума, а также сохранения электрического и других типов зарядов, относящиеся к различным, так называемым внутренним симметриям физических систем. При этом с каждым типом базового взаимодействия связаны свои законы сохранения, позволяющие различать их в практических экспериментах.
Квантовые поля
Понятие квантового поля возникло в физике как синтез представлений о физических полях типа электромагнитного поля (см. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ) Фарадея — Максвелла и полей вероятностей, описываемых волновыми функциями в квантовой механике. Физические поля были введены, когда возникла необходимость отказаться от принципа мгновенного действия сил, существовавшего в механике Ньютона (см. КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА). Предполагается, что пространство между двумя взаимодействующими частицами (например, двумя электрическими зарядами) заполнено полем, которое служит переносчиком взаимодействия с одной из частиц на другую, причем перенос этот идет с определенной скоростью. Так электромагнитное поле передает действие одной заряженной частицы на другую со скоростью света и тем самым служит переносчиком электромагнитного взаимодействия между частицами. В случае квантовых полей происходит тот же процесс передачи взаимодействия, но и он происходит квантами — порциями, при этом в качестве последних выступают элементарные частицы, имеющие строго фиксированные характеристики массы, спина, заряда и др. Таким образом, с одной стороны, сами взаимодействующие частицы имеют квантованные характеристики массы, спина, заряда, а с другой стороны, взаимодействие между ними передается квантовым полем специального типа со своими квантованными характеристиками.
Квантовая электродинамика
Исторически первой физической теорией, созданной на основе этих представлений, стала квантовая электродинамика, построенная в конце 1940-х гг. С. Томонагой (см. ТОМОНАГА Синъитиро), Р. Фейнманом (см. ФЕЙНМАН Ричард Филлипс) и Дж. Швингером (см. ШВИНГЕР Джулиус). Она описывает процессы электромагнитного взаимодействия, в которых участвуют элементарные электрически заряженные частицы: электроны (см. ЭЛЕКТРОН (частица)) (и/или их античастицы — позитроны (см. ПОЗИТРОН)) и гамма-кванты (см. ГАММА-КВАНТ) (частными примерами которых являются видимый свет, радиоволны и гамма-излучение (см. ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ), испускаемое радиоактивными ядрами). Первые из них имеют спин 1/2 и отличную от нуля массу, одинаковую для электронов и позитронов. Вторые характеризуются спином, равным единице и нулевой массой.
Простейшим примером электромагнитных процессов является рассеяние одного электрона (позитрона) на другом, происходящее с обменом гамма-квантом. Очевидно, что он физически эквивалентен процессу обычного кулоновского рассеяния, при этом обменный гамма-квант, не регистрируемый явно на эксперименте, называют виртуальным. Именно с такими квантами связывается кулоновское поле, при этом свойство его дальнодействия (точнее, бесконечного радиуса действия) есть прямое следствие того, что масса гамма-кванта равна нулю. Другим важным примером является процесс рождения электрон-позитронной пары из гамма-кванта в кулоновском поле ядер атомов или обратный этому процесс аннигиляции позитрона с электроном с рождением двух или трех гамма-квантов.
Для описания таких элементарных и более сложных процессов в квантовой электродинамике была разработана специальная техника фейнмановских диаграмм — графических рисунков, на которых свободные частицы описываются линиями, а их взаимодействие — пересечениями линий, узлами. Устанавливается строгое соответствие между диаграммой (любой степени сложности) и математическим выражением, которое позволяет рассчитать все физические характеристики описываемого этой диаграммой процесса. При этом элементарный акт электромагнитного взаимодействия, соответствующий рождению электроном (позитроном) реального или виртуального гамма-кванта, связывается с электрическим зарядом электрона е. При расчете физических характеристик процессов это приводит к появлению в их выражениях базовой константы электромагнитного взаимодействия б («постоянная тонкой структуры»), имеющей величину a = е2/4pђc= 1/137,0360037(33). Эта универсальная константа фактически определяет силу электромагнитного взаимодействия и является его главной характеристикой.
Квантовая теория слабого взаимодействия
Построенная позже, в середине 1960-х гг., квантовая теория слабого взаимодействия во многом аналогична квантовой электродинамике. К слабым процессам в физике относят процессы бета-распада ядер и элементарных частиц (например, нейтрона), в которых происходит рождение электрон-нейтринных (точнее, антинейтринных) или позитрон-нейтринных пар, процессы захвата ядрами электронов или мюонов, а также процессы рассеяния нейтрино на электронах, протонах или ядрах атомов (существуют также аналогичные процессы слабого рассеяния электронов). С точки зрения КТП элементарным актом слабого взаимодействия является процесс рождения нуклоном (протоном или нейтроном) или электроном (мюоном, тау-мезоном) тяжелого заряженного (W+, W-) или нейтрального (Z0) бозона, который затем мгновенно распадается на пару легких частиц, наблюдаемых в этом процессе экспериментально. При этом тяжелый промежуточный бозон служит в слабом процессе таким же передаточным звеном, каким в электромагнитном процессе является виртуальный гамма-квант. Однако, в отличие от последнего, бозоны имеют большую массу, и радиус их взаимодействия оказывается чрезвычайно малым, порядка 10-17 см. Это и есть радиус слабого взаимодействия. Вместе с тем тот факт, что физическая картина электромагнитного и слабого взаимодействий оказывается аналогичной, позволил физикам создать объединенную теорию, в которой оба взаимодействия при высоких энергиях частиц соединяются в единое, электрослабое. Различие между ними возникает при переходе от больших энергий к малым, в области же высоких энергий оно практически исчезает. При этом все четыре бозона (g-квант, W+, W-, и Z0-бозон), ответственных за процессы переноса обменных полей, становятся членом единого семейства, обладающего определенной внутренней симметрией и соответствующими ей зарядами.
Теория сильного взаимодействия
По этому же принципу построена квантовая теория сильного взаимодействия, лежащая в основе современных представлений о структуре элементарных частиц. Согласно этой теории, элементарные частицы — мезоны (см. МЕЗОНЫ) и барионы (см. БАРИОНЫ), наблюдаемые во время эксперимента, — построены из кварков, взаимодействие между которыми происходит путем обмена так называемыми глюонами (см. ГЛЮОНЫ), имеющими массу 0 и спин 1. Кварки (см. КВАРКИ) имеют спин 1/2 и отличную от нуля массу, электрический заряд кварков составляет -1/3 или +2/3 заряда электрона, кроме того они обладают дополнительными зарядами, называемыми «цветом», «изоспином», «странностью» и др., причем обмен глюонами при взаимодействии изменяет их «цветовую» характеристику. Существует 6 типов различных кварков: u, d, s, c, b, t. Структурно барионы (например, протоны или нейтроны) построены из трех кварков разных цветов, но в целом бесцветны (т. е. имеют нулевой цветовой заряд), а мезоны — из кварков и антикварков и также как целое бесцветны. В современных теоретических схемах предполагается, что кварки всегда находятся только внутри элементарных частиц — мезонов и барионов — и в свободном виде не существуют. Исключением является специальное состояние материи при максимально высоких температурах и давлениях, когда барионов и мезонов не существует, а составляющие их кварковые и глюонные поля образуют так называемую кварк-глюонную плазму — особое состояние, которое, согласно современным представлениям, существовало во Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва (см. БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ). При понижении температуры эта плазма распалась на отдельные элементарные частицы, из которых в дальнейшем были построены ядра, атомы и все другие объекты Вселенной.
Стандартная модель
Квантовая теория сильного взаимодействия на уровне кварков может быть объединена с теорией электрослабого взаимодействия в общую теоретическую схему, называемую Стандартной моделью (Ш. Глэшоу (см. ГЛЭШОУ Шелдон), А. Салам (см. САЛАМ Абдус), С. Вайнберг (см. ВАЙНБЕРГ Стивен)). В такой модели кварки образуют общее семейство с лептонами (см. ЛЕПТОНЫ), в число которых входят электрон, мюон, тау-мезон и три типа нейтрино (см. НЕЙТРИНО) (называемых соответственно электронным, мюонным и тауонным), а гамма-квант и три промежуточных бозона, ответственных за слабое взаимодействие, объединяются в общее семейство с глюонами — переносчиками сильного.
Будущее КТП
Эта модель, основанная на общих постулатах квантовой теории поля, позволила объяснить массу экспериментальных фактов, однако в конце 1990-х и в начале 2000-х гг. были открыты новые явления, не описываемые Стандартной моделью, что указывает на необходимость дальнейшего развития квантово-теоретических представлений. Предполагается, что они будут связаны с открытием новых типов симметрии квантового микромира, например, симметрии между фермионами — частицами спина 1/2, играющими роль базовых, и бозонами — частицами спина 1, исполняющими роль передающих взаимодействия. В этом случае возникают теоретические схемы, называемые суперсимметричными. Однако новых частиц, предсказываемых ими, пока экспериментально не найдено.
Наряду с этим сегодня широко исследуются возможности объединения Стандартной модели с квантовой теорией гравитации, в которой силы тяготения описываются как поля своих «элементарных частиц» — гравитонов.
Пройдя путь от квантовой электродинамики до Стандартной модели элементарных частиц, квантовая теория поля доказала, что она является одним из важнейших инструментов познания мира, соединяющим физические модели с высшими областями математики. Сегодня она применяется не только в физике микромира — она используется во многих областях теоретической физики: теории твердого тела, физике полимеров, теории турбулентности, теории критических явлений, статистической физике и других.

Энциклопедический словарь. 2009.

Смотреть что такое "квантовая теория поля" в других словарях:

  • Квантовая теория поля —          Квантовая теория поля квантовая теория систем с бесконечным числом степеней свободы (полей физических (См. Поля физические)). К. т. п., возникшая как обобщение квантовой механики (См. Квантовая механика) в связи с проблемой описания… …   Большая советская энциклопедия

  • КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ — (КТП), релятивистская квант. теория физ. систем с бесконечным числом степеней свободы. Пример такой системы эл. магн. поле, для полного описания к рого в любой момент времени требуется задание напряжённостей электрич. и магн. полей в каждой точке …   Физическая энциклопедия

  • КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ. — КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ. Содержание:1. Квантовые поля ................. 3002. Свободные поля и корпускулярно волновой дуализм .................... 3013. Взаимодействие полей .........3024. Теория возмущений ............... 3035. Расходимости и… …   Физическая энциклопедия

  • КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ — релятивистская Квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы (релятивистских полей). Квантовая теория поля является основным аппаратом физики элементарных частиц, их взаимодействий и взаимопревращений. Включает теорию… …   Большой Энциклопедический словарь

  • КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ — (КТП), релятивистская квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы; основной аппарат физики элементарных частиц, их взаимодействий и взаимопревращений. Включает теорию электромагнитного (квантовую электродинамику) и… …   Современная энциклопедия

  • КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ — КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ, теория, охватывающая все элементарные частицы и взаимодействия между ними. Представляет собой результат приложения КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ к системам с бесконечным числом степеней свободы. Каждый тип частиц характеризуется… …   Научно-технический энциклопедический словарь

  • Квантовая теория поля — Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей. Квантовая теория поля (КТП) раздел физики, изучающий поведение квантовых систем с бесконечно большим числом степ …   Википедия

  • квантовая теория поля — kvantinė lauko teorija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. quantized field theory; quantum field theory vok. Quantenfeldtheorie, f; Quantentheorie der Wellenfelder, f rus. квантовая теория волновых полей, f; квантовая теория поля, f pranc …   Fizikos terminų žodynas

  • КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ — теория релятивистских квантовых систем. Возникновение К. т. п. связано с задачами о взаимодействии вещества с излучением и с попытками построения релятивистской квантовой механики [П. Дирак (P.A.M. Dirac, 1927), В. Гейзенберг (W. Heisenberg), В.… …   Математическая энциклопедия

  • Квантовая теория поля — релятивистская квантовая теория физических взаимодействий микрообъектов, посредством 1) квантов электромагнитного поля (квантовая электродинамика), 2) квантов слабого (обусловливающего распад микрообъектов) взаимодействия, объединенных в… …   Начала современного естествознания

Книги

  • Квантовая теория поля, Д. Я. Петрина. В пособии изложена теория классических и квантованных полей. Изучены свободные квантованные поля как операторы в пространствах состояний, построены представления канонических коммутационных и… Подробнее  Купить за 946 руб
  • Квантовая теория поля, Петрина Д.Я.. В пособии изложена теория классических и квантованных полей. Изучены свободные квантованные поля как операторы в пространствах состояний, построены представления канонических коммутационных и… Подробнее  Купить за 810 руб
  • Квантовая теория поля, . В пособии изложена теория классических и квантованных полей. Изучены свободные квантованные поля как операторы в пространствах состояний, построены представления канонических коммутационных и… Подробнее  Купить за 630 руб
Другие книги по запросу «квантовая теория поля» >>


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»