Квант - это что такое? Определение и значение для науки. Кванты полей

Квантовая теория поля
Quantum field theory

Квантовая теория поля (КТП) – теория релятивистских квантовых явлений, описывающая элементарные частицы, их взаимодействия и взаимопревращения на основе фундаментального и универсального понятия квантованного физического поля. КТП – наиболее фундаментальная физическая теория. Квантовая механика является частным случаем КТП при скоростях, много меньших скорости света. Классическая теория поля следует из КТП, если постоянную Планка устремить к нулю.
В основе КТП лежит представление о том, что все элементарные частицы являются квантами соответствующих полей. Понятие квантового поля возникло в результате развития представлений о классическом поле и частицах и синтеза этих представлений в рамках квантовой теории. С одной стороны квантовые принципы привели к пересмотру классических взглядов на поле как на непрерывно распределённый в пространстве объект. Возникло представление о квантах поля. С другой стороны частице в квантовой механике ставится в соответствие волновая функция ψ(x,t), имеющая смысл амплитуды волны, причем квадрат модуля этой амплитуды, т.е. величина | ψ| 2 даёт вероятность обнаружить частицу в той точке пространства-времени, которая имеет координаты x, t. В результате с каждой материальной частицей оказалось связано новое поле – поле амплитуд вероятности. Таким образом, на смену полям и частицам – принципиально разным объектам в классической физике – пришли единые физические объекты – квантовые поля в 4-х мерном пространстве-времени, по одному для каждого сорта частиц. Элементарное взаимодействие при этом рассматривается как взаимодействие полей в одной точке или мгновенное превращение в этой точке одних частиц в другие. Квантовое поле оказалось наиболее фундаментальной и универсальной формой материи, лежащей в основе всех её проявлений.

На основе такого подхода рассеяние двух электронов, испытавших электромагнитное взаимодействие, можно описать следующим образом (см. рисунок). Вначале были два свободных (невзаимодействующих) кванта электронного поля (два электрона), которые двигались навстречу друг другу. В точке 1 один из электронов испустил квант электромагнитного поля (фотон). В точке 2 этот квант электромагнитного поля был поглощён другим электроном. После этого электроны удалялись, не взаимодействуя. В принципе аппарат КТП позволяет рассчитывать вероятности переходов от исходной совокупности частиц к заданной совокупности конечных частиц под влиянием взаимодействия между ними.
В КТП наиболее фундаментальными (элементарными) полями в настоящее время являются поля, связанные с бесструктурными фундаментальными частицами со спином 1/2, - кварками и лептонами, и поля, связанные с квантами-переносчиками четырёх фундаментальных взаимодействий, т.е. фотоном, промежуточными бозонами, глюонами (имеющими спин 1) и гравитоном (спин 2), которые называют фундаментальными (или калибровочными) бозонами. Несмотря на то, что фундаментальные взаимодействия и соответствующие им калибровочные поля имеют некие общие свойства, в КТП эти взаимодействия представлены в рамках отдельных полевых теорий: квантовой электродинамики (КЭД), электрослабой теории или модели (ЭСМ), квантовой хромодинамики (КХД), а квантовой теории гравитационного поля пока не существует. Так КЭД – это квантовая теория электромагнитного поля и электронно-позитронного полей и их взаимодействий, а также электромагнитных взаимодействий других заряженных лептонов. КХД – квантовая теория глюонных и кварковых полей и их взаимодействий, обусловленных наличием у них цветовых зарядов.
Центральной проблемой КТП является проблема создания единой теории, объединяющей все квантовые поля.

Квантом гравитационного поля является гравитон. Однако гравитон пока не установлен экспериментально, равно как и не построена по сей день теория квантовой гравитации.

Квантом электромагнитного поля является фотон . Масса покоя фотона равна 0. Фотон не несет на себе электрического заряда. Это обеспечивает линейный характер электромагнитных взаимодействий и большой радиус их действия.

Квантами слабого взаимодействия являются три бозона - W + , W – , Z 0 -бозоны. Верхние индексы указывают знак электрического заряда этих квантов. Кванты слабого взаимодействия имеют значительную массу, что приводит к тому, что слабое взаимодействие проявляется на очень коротких расстояниях.

Квантами сильного взаимодействия являются восемь глюонов. Свое название глюоны получили от английского слова glue (клей), ибо именно они ответственны за конфайнмент кварков. Массы покоя глюонов равны нулю. Однако глюоны обладают цветным зарядом, благодаря чему они способны к взаимодействию друг с другом, как говорят, к самодействию, что приводит к трудностям описания сильного взаимодействия математически ввиду его нелинейности. Если слабое взаимодействие ответственно за из-менение ароматов кварков, то сильное взаимодействие, осуществляемое посредством обмена глюонами между кварками, приводит к изменению цветов кварков. Так что в ядре постоянно происходят превращения протонов в нейтроны и наоборот - за счет обмена квантами слабого взаимодействия между кварками, вследствие чего u-кварк превращается в d-кварк и наоборот. Кроме этого внутри протонов и нейтронов кварки постоянно меняют свои цвета, испуская и поглощая глюоны. При этом протоны и нейтроны остаются бесцветными. Подобная инвариантность требует существования поля сильного взаимодействия для поддержания цветовой симметрии кварков. Хвост сильного вза-имодействия между кварками внутри протонов и нейтронов обеспечивает силы притяжения между протонами и протонами, протонами и нейтронами, нейтронами и нейтро-нами внутри ядра (ядерные силы).

Следует отметить, что взаимодействия, соответствующие калибровочной симметрии, характерны тем, что их величина определяется величиной заряда соответствующего вза-имодействия. То есть заряд калибровочного взаимодействия одновременно определяет и величину заряда элементарной частицы, и величину («силу») самого взаимодействия, так называемую константу связи. В настоящую эпоху эволюции Вселенной константы связи различных взаимодействий соотносятся следующим образом:

Где a S - константа связи сильного взаимодействия; а Е - константа связи электромагнитного взаимодействия; a W - константа связи слабого взаимодействия; a G - константа связи гравитационного взаимодействия.

С
овременные физики считают, что такое соотношение существовало не всегда. Иными словами, рассматриваемые постоянные не являются постоянными. И существовала эпоха в эволюции Вселенной, когда эти константы были равны. А это означает, что не существовало различий между четырьмя типами физических взаимодействий. Именно это обстоятельство и стимулирует физиков в построении единой теории всех физических взаимодействий - единой теории поля. Однако для того, чтобы понять те физические идеи, на которых базируется построение этой теории, следует сказать, что в действительности физика рассматривает материю не в двух проявлениях - веществе и поле, как это отмечается во многих физических справочниках, словарях и энциклопедиях, а в трех проявлениях. Третьим качественно отличным от вышеназванных двух форм материи является физический вакуум. Дело в том, что все кванты полей, рассмотренные нами ранее, являются векторными калибровочными бозонами. Калибровочными их называют по той причине, что они являются квантами калибровочных полей. Векторными их называют потому, что все они имеют целочисленное значение спина, равного единице (1), за исключением гравитона, спин которого предполагается равным двум (2). Физический вакуум нашей Вселенной рассматривается как коллективные возбуждения хиггсовых скалярных бозонов, спин которых равен нулю (0). Именно физический вакуум является прародителем всех частиц вещества и квантов полей, резервуаром, перекачка энергии из которого обеспечила их возникновение и функционирование. Способность вакуума в ходе эволюции Вселенной изменять свое состояние и привела к многообразию форм физического мира.

Составление представлений о структуре материи на разных этапах эволюции науки представлено ниже.

Постепенно, первоначальное представление о полях - дополнилось ещё более сложным, - т. н. квантовым представлением. Обнаружилось, что любое поле - обладает некими т. н. квантами, - которые объясняются, впрочем, довольно просто: кванты - это волны (локального) изменения напряжённости поля, способные распространяться по полю «подобно тому, как океанские волны - распространяются по поверхности океана». Пример: электромагнитные волны (=фотоны) - это кванты =волны, распространяющиеся «по поверхности» электромагнитных полей. Другие виды полей - тоже имеют свои кванты-волны: кванты «сильных» полей - называются мезонами, кванты гравитационных полей - гравитонами, кванты «слабых» полей - т. н. бозоны, и наконец, квантами глюонных полей - являются глюоны. Любые кванты - это волны, распространяющиеся по соответствующим полям. Поля же - были и остаются непрерывными и безграничными полу-субстанциями.

Теория квантов т. о. показала лишь, что каждое поле - «покрыто» соответствующими квантами, подобно тому, как океан - покрыт океанскими волнами. Океан - неспокоен, так же неспокойно и любое поле!

В целом, суть квантов т. о. довольно проста.

Итак, кванты - это явление, неотрывно связанное с тем, или иным, полем, и существующее лишь при наличии поля (также как океанские волны - существуют лишь при наличии океана). Нельзя оторвать океанскую волну от океана, а квант - от поля. Но при этом океан - не состоит из океанских волн, а поле - не состоит из квантов.

Далее: кванты любого вида полей - способны существовать в двух различных состояниях: т. н. видимом, и невидимом. Невидимость - это особое состояние кванта, когда квант - не может быть обнаружен никакими приборами! (ибо обладает т. н. минимально возможной энергией). А кванты в т. н. видимом состоянии - обладают любой энергией большей, чем минимальной, и поэтому легко обнаружимы (приборами). Например, электромагнитные кванты в видимом состоянии (=видимые фотоны) - это ультрафиолетовые, световые, инфракрасные фотоны, а также радиоволны, и др.

В общем, кванты (=волны в полях) - являются переносчиками взаимодействий (=притяжений и отталкиваний) между частицами. Любые взаимодействия частиц в природе - должны быть опосредованы обменом квантами! Частицы - не способны взаимодействовать непосредственно (ибо все частицы, как уже говорилось, - бесплотны, и не имеют поверхностей).

Электрический заряд электрона - прямо пропорционален числу невидимых фотонов, постоянно образующихся в электромагнитном поле электрона за единицу времени. Это число, среднестатистически - всегда одинаково (у всех электронов, и у всех протонов, и вообще у всех частиц обладающих электрическим зарядом равным плюс/минус единице).

Постоянный обмен невидимыми фотонами, идущий между электронами - создаёт силу взаимного отталкивания электронов, которая, в свою очередь, приводит к силам взаимного отталкивания молекул в макрообъектах. А из-за взаимного отталкивания молекул - макрообъекты обладают свойством плотности (твёрдости). Камень, например, обладает твёрдостью лишь потому, что когда мы его пытаемся сжать, силы электромагнитного отталкивания между молекулами в камне - начинают резко преобладать над силами электромагнитного притяжения. Эти силы (отталкивания) - и не позволяют нам сжать камень, и т. о. - создают у камня твёрдость.

В общем, свойство плотности (твёрдости) у макрообъектов - существует лишь благодаря силам взаимного отталкивания частиц, которые осуществляются посредством обмена невидимыми квантами. Сами же частицы (и поля, их слагающие), как уже говорилось - бесплотны!

Абсолютную бесплотность частиц - можно доказать и экспериментально: например, электроны, разогнанные в ускорителе - способны свободно проходить сквозь эпицентр протона, как будто протон - прозрачен. А так - и есть на самом деле: Частицы, по современным представлениям - плотностью (твёрдостью) - не обладают. Плотность имеется лишь у макрообъектов, т. е. объектов, сложенных из множества частиц, и возникает она - лишь благодаря силам отталкивания между частицами. А в основе любых сил отталкивания - лежат, в конечном итоге, обмены теми или иными, квантами, между теми, или иными, полями, входящими в состав частиц.

Виды полей, существующие в бесконечной Вселенной - бесконечно разнообразны, но все поля - имеют соответствующие (свои) кванты, обмен которыми - может создавать взаимное отталкивание частиц, или же наоборот, взаимное притяжение. Взаимное отталкивание частиц - лежит в основе свойств плотности (твёрдости) и объёмности макрообъектов. А взаимное притяжение частиц - придаёт макрообъектам прочность на разрыв, а также свойство упругости.

Силы притяжения, связывающие, например, протоны и нейтроны в ядре атома - обусловлены обменом постоянно образующимися квантами «сильных» полей, (=невидимыми мезонами) - создающими прочность ядра атома на разрыв. В видимом состоянии, мезоны получены (и изучены) с помощью ускорителей заряженных частиц: при столкновениях ядер атомов, разогнанных в ускорителе, невидимые мезоны - могут обретать дополнительную энергию - и переходить т. о. в т. н. видимое состояние. Существование видимых мезонов - косвенное доказательство в пользу существования и мезонов невидимых. Подобным образом - доказывается существование невидимых квантов и для остальных известных видов полей.

Как уже говорилось, любой квант (=переносчик взаимодействия) - это волна (локального) изменения напряжённости соответствующего поля, распространяющаяся по (соответствующему) полю с определённой скоростью. Например, электромагнитная волна (=фотон) - это волна, распространяющаяся по безграничному электромагнитному полю со скоростью света. Итак, квант (любой) - это волна. А что такое волна? Любая волна - состоит, в общем-то, из движения: например, волна на поверхности океана - это ни что иное как движение, эстафетно передающееся от одних молекул океанской воды к другим, от других - к третьим, и т. д. В общем, океанская волна - это волновое движение, требующее для своего осуществления - наличия океана. Фотон - тоже является (волновым) движением, и это движение - требует наличия электромагнитного поля, по которому это движение (фотон), как волна, сможет распространяться. Подобным образом - устроены и кванты всех других видов полей. Т. е. любые кванты - это волны, бегущие по соответствующим полям. А сутью любых волн - является движение.

У всех классических механических волн (в жидкостях, газах и твердых телах) главный параметр, определяющий энергию волны, - это ее амплитуда (точнее, квадрат амплитуды). В случае света амплитуда определяет интенсивность излучения. Однако при изучении явления фотоэффекта - выбивания светом электронов из металла - обнаружилось, что энергия выбитых электронов не связана с интенсивностью (амплитудой) излучения, а зависит только от его частоты. Даже слабый голубой свет выбивает электроны из металла, а самый мощный желтый прожектор не может выбить из того же металла ни одного электрона. Интенсивность определяет, сколько будет выбито электронов, - но только если частота превышает некоторый порог. Оказалось, что энергия в электромагнитной волне раздроблена на порции, получившие название квантов. Энергия кванта электромагнитного излучения фиксирована и равна

E = h ν ,

где h = 4·10 –15 эВ ·с = 6·10 –34 Дж ·с - постоянная Планка, еще одна фундаментальная физическая величина, определяющая свойства нашего мира. С отдельным электроном при фотоэффекте взаимодействует отдельный квант, и если его энергии недостаточно, он не может выбить электрон из металла. Давний спор о природе света - волны это или поток частиц - разрешился в пользу своеобразного синтеза. Одни явления описываются волновыми уравнениями, а другие - представлениями о фотонах, квантах электромагнитного излучения, которые были введены в оборот двумя немецкими физиками - Максом Планком и Альбертом Эйнштейном.

Энергию квантов в физике принято выражать в электрон-вольтах. Это внесистемная единица измерения энергии. Один электрон-вольт (1 эВ ) равен энергии, которую приобретает электрон, когда разгоняется электрическим полем напряжением 1 вольт. Это очень небольшая величина, в единицах системы Си 1 эВ = 1,6·10 –19 Дж . Но в масштабах атомов и молекул электрон-вольт - вполне солидная величина.

От энергии квантов напрямую зависит способность излучения производить определенное воздействие на вещество. Многие процессы в веществе характеризуются пороговой энергией - если отдельные кванты несут меньшую энергию, то, как бы много их ни было, они не смогут спровоцировать надпороговый процесс.

Немного забегая вперед, приведем примеры. Энергии СВЧ-квантов хватает для возбуждения вращательных уровней основного электронно-колебательного состояния некоторых молекул, например воды. Энергии в доли электрон-вольта хватает для возбуждения колебательных уровней основного состояния в атомах и молекулах. Этим определяется, например, поглощение инфракрасного излучения в атмосфере. Кванты видимого света имеют энергию 2–3 эВ - этого достаточно для нарушения химических связей и провоцирования некоторых химических реакций, например, тех, что протекают в фотопленке и в сетчатке глаза. Ультрафиолетовые кванты могут разрушать более сильные химические связи, а также ионизировать атомы, отрывая внешние электроны. Это делает ультрафиолет опасным для жизни. Рентгеновское излучение может вырывать из атомов электроны с внутренних оболочек, а также возбуждать колебания внутри атомных ядер. Гамма-излучение способно разрушать атомные ядра, а самые энергичные гамма-кванты даже внедряются в структуру элементарных частиц, таких как протоны и нейтроны.

квант поля - lauko kvantas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. field quantum vok. Feldquant, n rus. квант поля, m pranc. quantum de champ, m … Fizikos terminų žodynas

Особая форма материи; физ. система с бесконечно большим числом степеней свободы. Примерами П. ф. могут служить эл. магн, и гравитац. поля, поле яд. сил, а также волновые (квантованные) поля, соответствующие разл. элем. ч цам. Понятие поля… … Физическая энциклопедия

Квант (от лат. quantum «сколько») неделимая порция какой либо величины в физике. В основе понятия лежит представление квантовой механики о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения (говорят, что… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Квант (значения). Квант (от лат. quantum «сколько») неделимая порция какой либо величины в физике. В основе понятия лежит представление квантовой механики о том, что некоторые… … Википедия

- [нем. Quant Словарь иностранных слов русского языка

А; м. [от лат. quantum сколько] Физ. 1. Наименьшее возможное количество, на которое может изменяться дискретная по своей природе величина (действие, энергия, количество движения т.п.). К. световой энергии. К. действия (одна из основных постоянных … Энциклопедический словарь

КВАНТ - частица носитель свойств какого либо физ. поля (К. электромагнитного поля (см.), носитель сильного взаимодействия (см.). К. это минимальная «порция», на которую может изменяться дискретная (см.) по своей природе физ. величина, т. е. целиком… … Большая политехническая энциклопедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Квант (значения). Модуль космической станции МИР КВАНТ … Википедия

квант - а; м. (от лат. quantum сколько); физ. см. тж. квантовый 1) Наименьшее возможное количество, на которое может изменяться дискретная по своей природе величина (действие, энергия, количество движения т.п.) Квант световой энергии. Квант действия… … Словарь многих выражений

- (КТП), релятивистская квант. теория физ. систем с бесконечным числом степеней свободы. Пример такой системы эл. магн. поле, для полного описания к рого в любой момент времени требуется задание напряжённостей электрич. и магн. полей в каждой точке … Физическая энциклопедия

Релятивистская квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы (релятивистских полей). Квантовая теория поля является основным аппаратом физики элементарных частиц, их взаимодействий и взаимопревращений. Включает теорию… … Энциклопедический словарь

Книги

• ИндуктоМеханика , Гребенщиков Г.. В книге представлены модели зарядов и основных взаимодействий - электрического, магнитного, гравитационного, сильного и слабого, представлены модели инертной и гравитационной масс, модель…
• Субчастицы. Частицы. Ядра , Г. К. Гребенщиков. Универсальная субчастица, на основе которой построены модели всех фундаментальных взаимодействий, есть одновременно квант электрического поля, квант массы и гравитационный заряд. Модель…