В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Сосредоточившись в нашем примере на электронах, мы можем нарисовать простую диаграмму Фейнмана, которая будет показывать, как электрон движется в пространстве и во времени, сталкивается с фотоном и меняет свое направление, а затем испускает фотон и отскакивает в сторону в другом направлении. Фотоны чрезвычайно важны для этого описания поведения частиц, поскольку они выступают в качестве переносчиков электрической силы. Когда два электрона сближаются, они отталкиваются друг от друга и снова начинают двигаться в разные стороны из-за электрической силы между их одинаковыми зарядами. На диаграмме Фейнмана такое взаимодействие изображается в качестве двух сходящихся мировых линий электронов, фотона, вылетающего из одного из электронов (который отскакивает в сторону) и поглощаемого другим электроном (который толкается в другом направлении)49.

Это, конечно, существенное упрощение. Следует представлять пару электронов, которая при взаимодействии обменивается многими фотонами. Точно так же далее я говорю о «фотоне», создающем пару позитрон - электрон, в то время как в реальности мы бы имели дело с несколькими фотонами, возможно, с парой сталкивающихся гамма-частиц или даже с более сложной ситуацией.

Рис. 9.5.

Слева: гамма-луч создает пару электрон - позитрон, после чего позитрон встречается с другим электроном и вместе они аннигилируют, чтобы выпустить еще один фотон. Справа: одиночный электрон движется в пространстве-времени зигзагами и взаимодействует с двумя фотонами, ровно как на рис. 9.4. Но некоторую часть своей жизни этот электрон движется назад во времени. Математически два графика эквивалентны.

Фотоны - это переносчики электрического поля. Но они способны на большее. Дирак продемонстрировал, что имеющий достаточное количество энергии фотон может создавать электрон и позитрон из вакуума, превращая энергию в массу. Позитрон («дырка» на месте отрицательно заряженного электрона) существует недолго, поскольку он в скором времени обречен встретить другой электрон и вместе они аннигилируют, давая выплеск сильного излучения, который мы для простоты можем представить в качестве одного фотона.

И снова все это взаимодействие можно представить в качестве диаграммы Фейнмана. Фотон, движущийся в пространстве и времени, спонтанно создает пару электрон - позитрон; электрон движется своим путем; позитрон встречает другой электрон и пропадает; вылетает еще один фотон. Но в 1949 году Фейнман сделал поразительное открытие, которое заключается в том, что пространственно-временное описание позитрона, движущегося вперед во времени, является точным эквивалентом такого же математического описания электрона, движущегося назад во времени по тому же пути на диаграмме Фейнмана. Кроме того, так как фотоны являются своими же античастицами, в этом описании нет разницы между фотоном, который движется во времени вперед, и фотоном, который движется во времени назад. В практических целях можно убрать стрелки с путей фотона на диаграмме и направить стрелку на пути позитрона в обратном направлении, чтобы превратить его в электрон. Та же самая диаграмма Фейнмана теперь рассказывает нам другую историю. Электрон, движущийся в пространстве и времени, встречается с обладающим энергией фотоном, поглощает его и отскакивает назад во времени, пока не испустит фотон и не отскочит таким образом, чтобы снова двигаться во времени вперед. Вместо трех частиц, двух электронов и позитрона, участвующих в сложном танце, у нас остается только одна частица, один электрон, который зигзагами движется в пространстве и времени, время от времени сталкиваясь на пути с фотонами.

Рис. 9.6. В целом аннигиляция пары частица - античастица может быть также названа процессом настолько сильного рассеяния, что он отправляет частицу назад во времени.

С точки зрения геометрии диаграмм есть явное сходство между примером с электроном, который поглощает обладающий малой энергией фотон и слегка отклоняется с пути, а затем испускает фотон и снова изменяет направление, и электроном, который так сильно рассеивается взаимодействием с фотоном, что часть своей жизни движется во времени назад. В обоих случаях на диаграмме получается кривая с тремя прямыми секциями и двумя углами. Различие состоит в том, что во втором случае углы гораздо острее, чем в первом. Джон Уилер первым догадался о том, что обе кривые относятся к сходным событиям, но только Фейнман доказал точное математическое соответствие двух этих случаев.

Здесь многое нужно понять - гораздо больше, чем изначально бросается в глаза. Давайте разберемся во всем медленно, шаг за шагом.