Квантовые поля

Во времена Ньютона цель физики состояла в изучении движения обычных предметов — камней, пушечных ядер, планет — и полученные им уравнения прекрасно служили этой цели. Законы движения Ньютона — это математический способ выразить движение реальных тел, если их толкнуть, потянуть или бросить. В течение более чем столетия данный подход давал прекрасные результаты. Однако в начале XIX века английский учёный Майкл Фарадей ввёл в обиход трудное для понимания, но эффективное понятие поля.

Возьмите мощный магнит и разместите его в сантиметре от канцелярской скрепки. Вы знаете, что произойдёт. Скрепка подпрыгнет вверх и прилипнет к поверхности магнита. Этот опыт настолько распространён, настолько хорошо известен, что легко проглядеть, насколько он невероятен. Магнит заставляет двигаться канцелярскую скрепку, даже не прикоснувшись к ней. Как такое возможно? Каким образом передаётся влияние магнита на скрепку без какого-либо контакта? Эти и другие вопросы привели Фарадея к постулату, что хотя магнит в буквальном смысле слова не касается скрепки, он производит нечто, что касается. Это нечто было названо Фарадеем магнитным полем.

Поля, порождённые магнитом, нельзя увидеть, нельзя услышать, ни одно из наших чувств восприятия не настроено на них. Однако это всего лишь физиологические ограничения. Так же как от пламени идёт тепло, так и от магнита исходит магнитное поле. Находясь за пределами физической границы твёрдого магнита, магнитное поле является некоей «дымкой» или «эссенцией», которая наполняет пространство и действует по распоряжению магнита.

Кроме магнитных есть и другие поля. Заряженные частицы порождают другой тип — электрические поля, подобные тем, из-за которых можно получить удар током, прикоснувшись к металлической ручке двери комнаты, устланной шерстяными коврами. Эксперименты Фарадея совершенно неожиданно показали, что электрические и магнитные поля внутренне связаны: было обнаружено, что изменение электрического поля порождает магнитное и наоборот. В середине XIX века Джеймс Клерк Максвелл подвёл мощный математический фундамент под эти эксперименты, описав электрические и магнитные поля в виде чисел, приписанных каждой точке пространства, причём значения этих чисел характеризуют способность поля оказывать влияние в данной точке. В точках пространства, где численные значения магнитных полей велики, например в томографической камере, металлические предметы будут испытывать сильное отталкивание или притяжение. В точках пространства, где велики численные значения электрических полей, например внутри грозового облака, могут происходить сильные электрические разряды, такие как молнии.

Максвелл вывел уравнения, впоследствии названные в его честь, которые описывают изменение силы электрических и магнитных полей в пространстве от точки к точке и от одного момента времени к другому. Именно эти уравнения описывают море электрических и магнитных полей — так называемые электромагнитные волны, окружающие нас со всех сторон. Включите сотовый телефон, радио или беспроводной компьютер, и получаемые сигналы будут лишь крохотной крупицей из электромагнитного потока, молчаливо обтекающего нас каждую секунду. А более всего потрясает то, что и видимый свет, согласно уравнениям Максвелла, является электромагнитной волной, такой, которую научились воспринимать в процессе эволюции наши глаза.

Во второй половине XX столетия физики присоединили концепцию поля к быстро развивающемуся пониманию микромира, основанному на квантовой механике. В итоге квантовая теория поля стала математическим аппаратом для создания самых точных теорий материи и сил в природе. С её помощью физики установили, что помимо электрических и магнитных полей существует целый набор других полей, таких как сильные и слабые ядерные поля, электронные, кварковые, и нейтринные поля. Поле, которое является теоретическим фундаментом инфляционной космологии[7], называется полем инфлатона. Однако на настоящий момент его статус остаётся совершенно гипотетическим.