Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Квантовое поле представляет собой сваленные в кучу квантовые колебательные системы – такие, где есть нулевые колебания, а все другие уровни энергии разделены одинаковыми интервалами. «Куча» эта колоссальна: колебательные системы существуют при каждом возможном значении количества движения. Выберите любое количество движения (три числа) – для него есть своя колебательная система. Ее пространственное положение не определено, и можно сказать, что квантовое поле заполняет все пространство. Колебательные системы, которые все вместе составляют поле, – это возможности

для того, чтобы в них происходили колебания: если угодно, это «ниши», которые могут заполняться передаваемой полю энергией. Когда колебания на первом уровне энергии возникают в колебательной системе, отвечающей выбранному количеству движения, в природе появляется электрон (или, в зависимости от некоторых дополнительных подробностей, позитрон) с данным количеством движения. А взаимоотношение всех этих колебательных систем с пространством-временем таково, что никакие сигналы не передаются быстрее скорости света и вообще выполнены все требования специальной теории относительности. Теоретическая конструкция, которая обеспечивает все это, называется квантовой теорией поля.

Резюме, важное нам для дальнейшего: каждая элементарная частица представляет собой проявление более глубокой сущности – является, как говорят, квантом поля. Электрон – квант электрон-позитронного поля, а фотон – квант электромагнитного поля[221]

. И вообще, каждая элементарная частица – квант соответствующего поля, его элементарное, т. е. самое простое, возбуждение; это минимальный способ, которым поле может нести энергию, превосходящую энергию нулевых колебаний. «Напряженность» квантового существования при этом снова в действии: строгая дискретность квантовых колебаний поддерживает все электроны во Вселенной совершенно одинаковыми.

Фундаментальных полей в природе несколько, их надо представлять себе существующими повсюду и совместно – «наложенными» друг на друга в пространстве. Часть из них при этом не замечают друг друга, но некоторые замечают – могут обмениваться энергией между собой; про такие поля говорят, что они взаимодействуют друг с другом. Картину взаимодействующих полей можно в известной степени перевести на язык их квантов. Правда, для этого требуются не просто кванты, а очень на них похожий, но несколько иной способ организации поля. Собственно кванты (например, электрон и фотон) – это возбуждения поля, способные к постоянному и «независимому» существованию, как, например, электрон в атоме, или электрон, работающий в телевизоре образца XX в., или фотон, летящий от светящегося тела. Но поле в целом устроено сложнее, чем набор таких возбуждений, и оно может порождать еще и некоторые «временные» (может быть, лучше говорить «промежуточные») состояния. Эти состояния – возбуждения поля, которые похожи на полноценные кванты всем, кроме одной, довольно радикальной черты: у них нет фиксированной массы, как у всех настоящих квантов (для которых она может быть нулевой, как в случае фотона, или ненулевой, как, например, для электрона, но в любом случае фиксирована, являясь, по существу, свойством поля). Эти «не совсем настоящие кванты» называют виртуальными частицами. Они возникают и исчезают в качестве агентов, которыми обмениваются друг с другом какие-то другие поля. Например, два электрона способны обмениваться такими «временными» возбуждениями электромагнитного поля – виртуальными фотонами; этим и обеспечивается электрическое отталкивание электронов друг от друга. Даже один электрон способен производить, а затем поглощать виртуальные фотоны.