16
Когда речь заходит о точности в науке, мы обычно ожидаем, что речь пойдёт о миллиметрах, наносекундах или, в крайнем случае, о нескольких знаках после запятой. Но в физике есть теория, чья точность выходит за рамки интуиции - она предсказывает результаты с точностью до 12 десятичных знаков. Это как измерить расстояние от Земли до Проксимы Центавры с погрешностью меньше толщины человеческого волоса. Эта теория - квантовая электродинамика, или КЭД (QED).Она описывает, как свет взаимодействует с материей, как электроны рассеивают фотоны, как атомы излучают свет и почему вещи вообще не проваливаются друг сквозь друга. И при этом она не просто работает - она работает с такой точностью, что любая попытка оспорить её экспериментально до сих пор заканчивалась лишь подтверждением.
Почему КЭД заслуживает титула самой точной физической теории? Чтобы понять это, нужно не просто посмотреть на цифры - нужно разобраться, как эта теория устроена, что она предсказывает, и почему её успех ставит перед физиками новые, ещё более глубокие вопросы.
От классики к кванту: как рождалась КЭДЕщё в XIX веке Джеймс Клерк Максвелл создал теорию, объединившую электричество и магнетизм в единую картину электромагнитного поля. Его уравнения были красивы, универсальны и предсказывали существование света как электромагнитной волны. Но они описывали мир классически - как непрерывный, предсказуемый и детерминированный.
К началу XX века стало ясно: на микроскопическом уровне эта картина рушится. Электроны в атомах не ведут себя как маленькие планеты, а свет оказывается не только волной, но и потоком частиц - фотонов. Возникла Квантовая механика, но она описывала поведение частиц в заданном поле, не объясняя, как это поле само квантуется.
Первые попытки построить квантовую теорию электромагнитного поля появились в 1920–30-х годах. Дирак, Гейзенберг, Паули - все пытались согласовать Квантовую механику с релятивистской инвариантностью и описанием излучения. Но теория быстро натыкалась на проблему: при расчётах появлялись бесконечности. Например, собственная энергия электрона - из-за его взаимодействия с собственным полем - оказывалась бесконечной. Это было нонсенсом.
Только в 1940-х годах, благодаря работам Ричарда Фейнмана, Джулиана Швингера, Синъитиро Томонаги и Фримана Дайсона, появилась согласованная, перенормируемая формулировка - квантовая электродинамика. Они не просто "починили" теорию, а переосмыслили сам подход к вычислениям.
Как считать в КЭД: диаграммы Фейнмана и перенормировкаГлавная революция КЭД - не в новых уравнениях, а в новом способе думать о взаимодействиях. Фейнман предложил наглядный язык - диаграммы Фейнмана. Каждая линия и вершина на такой диаграмме соответствует математическому члену в разложении амплитуды процесса.
Например, когда два электрона отталкиваются, они обмениваются виртуальным фотоном. В диаграмме - две линии электронов, одна фотонная линия между ними. Но это лишь первое приближение. На самом деле, электрон может испустить и снова поглотить фотон, создав "петлю". Или фотон может на мгновение превратиться в пару электрон-позитрон. Каждое такое дополнительное взаимодействие - это поправка высшего порядка, и каждая вносит свой вклад в итоговый результат.
Чем больше петель, тем сложнее расчёт. Но оказывается, что вклад этих поправок быстро уменьшается - потому что они умножаются на степени постоянной тонкой структуры α ≈ 1/137. Это маленькое число - ключ к успеху КЭД: теория допускает теорию возмущений, где можно последовательно учитывать вклады всё более сложных процессов.
Но как быть с бесконечностями? Здесь вступает в игру перенормировка - один из самых непонятых, но фундаментальных инструментов теоретической физики.
Суть в следующем: бесконечности, возникающие в расчётах, не являются физическими. Они - артефакт того, что мы пытаемся описать взаимодействие на всех масштабах сразу, включая нереалистично малые расстояния. Перенормировка позволяет "переопределить" наблюдаемые величины - массу и заряд электрона - через их эффективные значения, измеренные при определённых условиях. Всё, что не наблюдается напрямую, поглощается в эти параметры.
Это не "подгонка", как иногда думают. Это строгая математическая процедура, доказанная Дайсоном: в КЭД все бесконечности можно последовательно устранить, и результат остаётся конечным и предсказуемым.
Самый точный расчёт в истории: магнитный момент электронаСамый яркий пример точности КЭД - расчёт магнитного момента электрона.
У электрона есть спин - внутренний угловой момент. В классической физике частица с зарядом и вращением ведёт себя как крошечный магнит. В Квантовой механике Дирака магнитный момент определяется так: g = 2.
Но эксперименты показали: g чуть больше 2. Это отклонение - аномальный магнитный момент.
Именно это маленькое отклонение и стало полигоном для КЭД. Оно возникает из-за виртуальных процессов: электрон постоянно испускает и поглощает виртуальные фотоны, и даже виртуальные пары частиц. Каждый такой "квантовый шум" слегка меняет его магнитные свойства.
Теоретики посчитали вклад этих процессов - с учётом тысяч диаграмм Фейнмана, включая сложные структуры со многими петлями. Современный теоретический результат равен 0.001159652181643(764).
Число в скобках - не погрешность, а неопределённость расчёта. То есть расчет верен, но как бы не завершен, не является предельно полным. Иными словами, можно сказать, что результат равен 0.001159652181643±0.000000000000764.
Теперь - эксперимент. В ловушке Пеннинга, где электрон удерживается магнитным и электрическим полями, измеряют частоту его прецессии. Современное значение равно 0.00115965218059(13).
Различие - на уровне одной части из 10^12.
Повторим: теория и эксперимент совпадают в 12 знаках после запятой. Это как если бы вы предсказали количество песчинок на всём побережье Тихого океана с ошибкой в одну песчинку.
Почему это важно? Не только ради точностиТакая точность - не просто повод для гордости. Она означает, что КЭД - не приближение, а рабочая модель реальности на масштабах от 10^-18 метра и выше. Она работает в атомной физике, лазерах, полупроводниках, магнитных резонансах - всюду, где есть электромагнитные взаимодействия.
Но есть и другая сторона: если бы в природе существовали какие-то новые, неучтённые частицы или взаимодействия, они могли бы повлиять на магнитный момент электрона. Различие между теорией и экспериментом - даже на уровне 13-го знака - могло бы стать сигналом "новой физики".
Сейчас согласие настолько хорошее, что КЭД фактически используется как эталон. Когда в других экспериментах (например, с мюонами) появляются аномалии, физики сначала проверяют, не ошиблись ли они в расчётах КЭД. Если нет - только тогда начинают говорить о возможном нарушении Стандартной модели.
Где КЭД заканчивается?Несмотря на успех, КЭД - не теория всего. Она описывает только электромагнитное взаимодействие. Слабое и сильное - описываются другими квантовыми теориями поля (электрослабая теория и КХД). А гравитация - так и остаётся за бортом.
Кроме того, КЭД - перенормируемая теория, но это не значит, что она корректна при любых энергиях. На масштабах порядка планковской энергии (~10^19 ГэВ) она, вероятно, теряет смысл. Там, где квантовые флуктуации пространства-времени становятся значимыми, КЭД уже не работает.
Также есть вопрос: почему постоянная тонкой структуры равна 1/137? Почему заряд электрона именно такой? КЭД не объясняет этого - она принимает эти значения как входные параметры. Это - загадка, лежащая за пределами теории.
КЭД и будущее физикиСегодня КЭД - не просто глава учебника. Она продолжает развиваться. Теоретики считают вклады с 7–8 петлями, используя суперкомпьютеры и алгебраические методы. Экспериментаторы стремятся измерить g-2 (аномальный магнитный момент) электрона и мюона с ещё большей точностью.
Интересно, что мюон, более тяжёлый брат электрона, демонстрирует небольшое, но устойчивое расхождение между теорией и экспериментом. Это может быть признаком новой физики - но чтобы это утверждать, нужно сначала убедиться, что КЭД-вклад посчитан абсолютно точно. И вот здесь - на переднем крае - КЭД снова становится центром внимания.
Триумф и скромностьКвантовая электродинамика - это не просто успешная теория. Это демонстрация того, насколько глубоко мы можем понять природу, даже когда она ведёт себя нелогично, абсурдно, противоречиво.
Она работает с поразительной точностью не потому, что мы "подогнали" формулы, а потому, что математическая структура теории - её симметрии, принципы калибровочной инвариантности, релятивистская ковариантность - отражает реальные законы Вселенной.
И в этом её величие. КЭД не пытается объяснить всё. Она объясняет одно - но объясняет так, что любое отклонение становится событием мирового масштаба.
Когда мы говорим, что КЭД - самая точная теория в истории науки, мы не хвалим математику. Мы признаём, что Вселенная устроена настолько логично, что её поведение можно предсказать с точностью, превосходящей любые практические нужды. А мы - способны это увидеть.
И в этом - подлинный триумф науки.
yaplakal.com