Квантовая теория поля (полей) - это область современной физики, которая описывает основные процессы и свойства взаимодействия элементарных частиц, из которых построены все физические объекты мира.
Главные положения этой теории сформулированы в середине двадцатого века. Здесь произошло объединение ряда релятивистских представлений, которые были развиты А. Эйнштейном в квантовых идеях и теории относительности, а также появившихся в физике с рождением теории атома, созданной в 1920-х гг. рядом исследователей:
- В. Гейзенбергом;
- Н. Бором;
- П. Дираком;
- Э. Шредингером.
Квантовая теория поля заложила представление о существовании элементарных свойств, частиц описывающихся в теории относительности. Они происходят в физических процессах, в микромире, уничтожаются и рождаются как единое целое. Учитывая все величины физических характеристик, они строго квантованы, фиксированы.
Статья: Квантовая теория передачи взаимодействий
Взаимодействие между частицами
Нестабильность ряда элементарных частиц есть проявлением их общего свойства взаимопревращаемости и, при этом является следствием общего взаимодействия их фундаментальных составляющих. В наши годы известны 4 базовых типа взаимодействия:
- электромагнитное;
- сильное;
- слабое;
- гравитационное.
Они различаются по силе взаимодействия.
Квантовые поля
Термин квантового поля сформировался в физике как синтез представлений о физических полях наподобие полей вероятностей и электромагнитного поля Фарадея — Максвелла, описываемых в квантовой механике волновыми функциями. Стоит отметить, что физические поля были введены, когда появилась необходимость полностью отказаться от принципа мгновенного действия сил, который существовал в механике Ньютона.
Было введено, что пространство между взаимодействующими частицами (например, двумя электрическими зарядами) полностью заполнено полем. Оно является переносчиком взаимодействия частиц (с одной на другую), при этом перенос происходит с определенной скоростью. При передаче электромагнитного поля все действия отправляются одной заряженной частице на другую двигаясь со скоростью света и служит переносчиком для электромагнитного взаимодействия находящегося между частицами.
Учитывая квантовые поля, происходит процесс передачи взаимодействия, он поступает квантами — порциями, где в качестве последних выступают уже элементарные частицы. Они имеют фиксированные характеристики массы, заряда, спина и др. Подобным образом, с одной стороны, взаимодействующие частицы имеют общие квантованные характеристики массы, заряда, спина, а с иной стороны, передается взаимодействие между ними квантовым полем определенного типа с квантованными характеристиками.
Квантовая теория слабого взаимодействия
В середине 1960-х гг. квантовая теория для слабого взаимодействия аналогична квантовой электродинамике. В физике относят к слабым процессам бета-распад элементарных частиц (например, нейтрона) и ядер, где происходит рождение позитрон-нейтринных или электрон-нейтринных (анти нейтринных) пар, процессы захвата ядрами мюонов или электронов, и процессы рассеяния нейтрино, находящихся на протонах, электронах или в ядрах атомов (существуют подобные процессы слабого рассеяния электронов). Учитывая КТП, элементарным актом слабого взаимодействия, стал процесс рождения нуклоном (нейтроном или протоном), а также электроном (тау-мезоном, мюоном) тяжелого нейтрального ($Z0$), заряженного ($W+$, $W-$) и бозона, который мгновенно распадается на пару частиц.
Тяжелый промежуточный бозон служит подобным же передаточным звеном, каким является в электромагнитном процессе виртуального гамма-кванта. В отличие от последнего, бозоны также имеют огромную массу, и радиус взаимодействия, который оказывается довольно малым, около 10-17 сантиметров. Это есть радиус слабого взаимодействия. При этом тот факт, что физическая картина слабого и электромагнитного взаимодействий оказывается аналогичной, помог физикам создать общую теорию, где два взаимодействия объединяются в единое электрослабое, при довольно высоких энергиях частиц. Возникает различие между ними во время перехода от больших энергий к малым, в сфере же высоких энергий оно фактически исчезает.
Теория сильного взаимодействия
По подобному же принципу была построена квантовая теория для сильного взаимодействия, которая лежит в основе современных представлений касательно структуры элементарных частиц. Учитывая эту теорию, элементарные частицы — барионы и мезоны, наблюдаются во время эксперимента, — они были построены из кварков.
Происходит взаимодействие между ними путем обмена глюонами, которые имеют массу 0 и спин 1. При этом кварки имеют спин $\frac {1}{2}$ и даже отличную от нуля массу, они составляет электрический заряд кварков $+\frac {2}{3}$ или $-\frac {1}{3}$ заряда электрона, при этом они обладают уже дополнительными зарядами, которые называются «изоспаном», «цветом», «странностью» и др. Обмен глюонами при общем действии также изменяет их «цветовую» характеристику. Есть шесть типов различных кварков: $u$, $d$, $s$, $c$, $b$, $t$.
Стоит выделить, что структурно барионы (например, нейтроны или протоны) построены из 3 кварков разных цветов, но в целом бесцветны (т. е. они имеют нулевой цветовой заряд), а мезоны — из антикварков и кварков и также как целое полностью бесцветны. В теоретических схемах предполагается, что кварки находятся лишь внутри элементарных частиц — барионов и мезонов, и не существуют в свободном виде.
Исключением является определенное состояние материи при высоких давлениях и температурах, когда мезонов и барионов не существует, а составляющие их глюонные и кварковые поля образуют кварк-глюонную плазму — особенное состояние, которое, существовало во Вселенной в первые минуты после Большого Взрыва. В дальнейшем плазма распалась на элементарные частицы, из которых были построены атомы, ядра и все иные объекты Вселенной. Их огромное количество, поэтому ученым всего мира еще предстоит изучить данные явления.
