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

Объясняясь на жаргоне, специалисты часто опускают слово «виртуальный», но помнить про него необходимо; обмен виртуальными фотонами между электроном и протоном мало похож на то, как если бы эти двое «светили друг в друга фонариками». Между протонами в атомном ядре и электронами в этом же атоме не летают туда-сюда «частицы света», но тем не менее обмен виртуальными фотонами обеспечивает притяжение электронов к ядру. Каждая виртуальная частица, проскакивающая между квантами каких-либо полей, переносит между ними некоторый набор чисел: заряды, энергию и количество движения. Когда квант какого-нибудь поля испускает виртуальную частицу, он отдает ей часть своих энергии и количества движения (а если она несет заряд, то и заряд), а когда другой квант поглощает виртуальную частицу, он забирает себе все, что она принесла. Энергия, количество движения и заряды сохраняются на каждом этапе, и в этом смысле виртуальные частицы воплощают собой способ бухгалтерского учета всех этих величин, передаваемых от одного поля другому. Какую именно величину энергии и количества движения берет на себя каждая отдельная виртуальная частица, никак при этом не регламентировано. Взаимодействие, которое возникает как результат их посреднической деятельности, представляет собой своего рода сумму вкладов виртуальных частиц со всевозможными значениями энергии и количества движения. (Кстати, если бы у виртуальных частиц была фиксирована определенная масса, они не справились бы с этой ролью: нарушились бы законы сохранения при их испускании и поглощении.) В какой же мере виртуальная частица похожа на настоящий квант? В некоторой: прежде всего тем, что ее порождает то же квантовое поле, которое порождает настоящие кванты; и тем, что она несет все квантовые числа настоящих квантов, кроме массы. Но из-за этого последнего обстоятельства она мало похожа на

частицу.

Не регламентирована не только энергия, которую переносит каждая виртуальная частица, но и само количество виртуальных частиц, участвующих в процессе обмена. Всякое взаимодействие полей представляет собой обмен не одной виртуальной частицей, а неопределенным – любым

 – их количеством. Здесь, впрочем, видна и некоторая ограниченность идеи виртуальных частиц. Дело в том, что взаимодействуют все-таки поля, а представление этого взаимодействия на языке квантов, в виде дискретного набора возможностей (обмен одной виртуальной частицей, обмен двумя виртуальными частицами, обмен тремя и т. д.) – это до некоторой степени приближение. Оно дает прекрасные результаты в тех случаях, когда обмен второй виртуальной частицей приводит к заметно меньшим эффектам, чем обмен первой, а обмен третьей – меньшим, чем в случае первых двух, и т. д. Тогда последовательный учет все большего числа виртуальных частиц дает все более точную картину взаимодействия. Но если учет каждой следующей виртуальной частицы сильно меняет общий результат, то, значит, полная картина взаимодействия не сводится к дискретным актам обмена виртуальными частицами, а само понятие виртуальной частицы тогда оказывается довольно бесполезным.

Возвращаясь к «настоящим» квантам фундаментальных полей, я предвижу легкое недоумение относительно того, в чем же происходят все те колебания, которые составляют каждое из полей, что это за «среда»,

что там колеблется и чем порождается «упругость», требуемая для поддержания колебаний. Ответ оказывается очень коротким, потому что не предполагает объяснений одной вещи через другую (все

объяснения должны когда-то останавливаться, и сейчас как раз такой момент). Все эти колебания в квантовом исполнении – свойство самих полей. Согласно современным представлениям, эти колебания и есть фундаментальная физическая реальность. Им не нужна никакая среда, они ни из чего не состоят; наоборот, все остальное состоит из них.

*****