В понедельник 24 ноября на Фестивале публичных лекций Полит.ру выступил специалист в области математической физики, академик РАН, директор Международного математического института имени Леонарда Эйлера Людвиг Дмитриевич Фаддеев. Тема его лекции: «Поучительная история квантовой теории поля».
Следует помнить различие между квантовой механикой и квантовой теории поля. Квантовая механика описывает поведение объектов микромира (атомов, протонов, электронов, фотонов), которое не в состоянии описать классическая механика. Однако, когда эти частицы имеют очень большую (релятивистскую) энергию, с трудностями сталкивается уже и квантовая механика.
Преодолевает эти трудности квантовая теория поля, которая представляет собой физическую модель, где частицы как выделенные постоянные объекты вообще отсутствуют. Любая элементарная частица рассматривается как возбуждение поля. Поле, в понимании физиков, это физическая величина, определенная во всех точках пространства и принимающая в каждой точке некоторое значение. Значение может изменяться во времени.
Если мы возьмем некоторое тело и измерим температуру каждой его точки, то мы сможем говорить о поле температуры. Если мы определим скорость и направление каждой молекулы в потоке жидкости, то мы определим векторное поле скоростей. Интерес квантовой теории поля сосредоточен на фундаментальных полях, из которых и построен наш мир. Нам хорошо известны гравитационное и электромагнитное поля. Последнее из них, как смогли показать физики, едино с полем, определяющем так называемое слабое взаимодействие, поэтому сейчас его называют электрослабым полем. Отдельно от них есть глюонное поле, которое «отвечает» за сильное взаимодействие. Также существуют фермионные поля, обеспечивающие существование кварков и лептонов.
Для нужд квантовой теории поля необходим особый математический аппарат, который за неполное столетие развития этой теории прошел значительную эволюцию. При этом квантовая теория поля стала ареной интересного взаимодействия между физикой и математикой. С одной стороны нужды физиков вызывали разработку новых математических методов, с другой – было и встречное движение: математические модели, которые в какой-то момент казались исключительно игрой разума, не имеющей отношения к реальности, затем становились важной частью квантовой теории поля. В этом и состоит поучительность истории квантовой теории поля, о которой рассказывалось на лекции.
В целом квантовая механика, подготовленная трудами Планка, Бора, Шрёдингера, де Бройля и других физиков, сложилась к середине 1920-х годов. Решающую роль в ее становлении в этот момент сыграли Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули и Поль Дирак. К 1928 году появилась и квантовая теория поля. Из отечественных ученых важный вклад в эту область тогда внес Владимир Александрович Фок.
Появившись, квантовая физика быстро добилась заметных успехов. Ей удалось подтвердить гипотезу де Бройля, разрешив тем самым противоречие между корпускулярной и волновой теорией света. Экспериментальное изучение ряда эффектов (дифракции медленных электронов, комптоновского рассеяния фотонов на электронах) дало результаты, которые точно согласовывались с теорией.
Но возникли и трудности, связанные с несходимостью интегралов, получаемых в рамках квантовой теории. Преодолеть их удалось при помощи метода перенормировки, начало которому положил Ганс Бете, а затем развивали и другие физики. Позднее более удобный формализм был предложен Джулианом Швингером и Ричардом Фейнманом, а также (независимо от них) японским ученым Синъитиро Томонагой. В результате, в частности, возникли так называемая «формулировка через интеграл по траекториям» и знаменитые диаграммы Фейнмана.
Приходилось квантовой теории поля выходить и из ситуаций, казавшихся и вовсе тупиковыми. В 1950-х Лев Ландау с коллегами установил, что в некоторых используемых квантовой теорией поля формулах заряд неминуемо обращается в ноль. Это привело ученых к выводу, что квантовая теория не имеет отношения к действительности, а следовательно развивать ее не нужно. В статье об этом Ландау даже писал: «Мы пришли к выводу, что гамильтонов метод [то есть квантовая теория поля, использующая оператор Гамильтона] мертв и должен быть похоронен, хотя, конечно, и с должными почестями».
Как заметил Людвиг Фаддеев, Ландау и Паули были двумя цензорами физики той эпохи. Они строго считали, что заниматься надо только тем, что имеет физический смысл, а если это просто математическая конструкция, смыслом не наделенная, то на нее ученые не должны тратить время и силы.
Но в период временного упадка развитие квантовой теории поля не остановилось. Преодолеть кризис удалось во многом благодаря теории Чжэньнина Янга и Роберта Миллса. При этом их работы некоторое время рассматривались именно как математические изыски, не связанные с реальностью. Но потом из их теории вышли такие важные разделы современной физики, как квантовая хромодинамика (теория сильных взаимодействий) и теория электрослабых взаимодействий.
Рассказал Людвиг Фаддеев и о своей работе в 1960-х годах над проблемами квантовой теории поля, которые в то время тоже представлялись многим чисто математической игрой ума, не имеющей физического смысла. Оправданность этих работ выяснилась лишь потом. Людвиг Фаддеев совместно с Виктором Поповым исследовали применение континуального интеграла Фейнмана для квантования полей Янга – Миллса и отправили статью со своими выводами в журнал Physics Letters. Редактор, тоже крупный физик, честно потом признавался, что ничего не понял («I did not understand the article in any detail»), но почувствовал важность результатов, поэтому принял статью. Позднее благодаря работам по квантованию полей Янга – Миллса стало возможным уже упомянутое объединение электромагнитного и слабого взаимодействий.
Перед физиками и математиками, разрабатывающими квантовую теорию поля, стоит еще немало нерешенных проблем. Например, задача решения в общем виде уравнений, описывающих поля Янга – Миллса, включена Математическим институтом Клэя в знаменитый список «Задач тысячелетия».
На "Полит.ру" вы также можете прочитать интервью с Людвигом Фаддеевым и его рассказ об истории советской математики и судьбе Института Эйлера.
