Що таке квантове поле?

Загальними словами, в фізиці полем описують якусь властивість або річ у Всесвіті, що знаходиться всюди у просторі. Вона повинна мати якусь величину — властивість, характерну для поля. Поле також може мати або не мати якийсь пов’язаний з ним напрям. А розглядаючи класичні поля нашого світу, ми додамо сюди й джерело, яке повинно обов’язково бути у поля.

Та в квантовій фізиці цей очевидний факт є вже невірним. Адже замість таких величин класичної фізики як позиція, кількість, імпульс та ін., ми отримуємо квантову дивність.

Величини, подібні до електронів, більше не мають чітко визначеної позиції або імпульсу. Для них властива така собі хвильова функція, що змальовує розподіл випадковостей всіх можливих положень та імпульсів. А це означає… що електрон не є частинкою взагалі. Ви не можете на нього спиратися й стверджувати, що він є саме в конкретній точці простору та рухається з конкретною швидкістю. Ви можете лише вказати, які загальні властивості простору, в якому існує електрон.

І це не дуже схоже на частку. Це більше схоже на визначення поля: якась властивість Всесвіту, що є всюди у просторі. Й так виходить тому, що в квантовій теорії поля (QFT) квантові поля не генеруються речовиною. Натомість, те, що ми інтерпретуємо як “матерія”, саме по собі є квантовим полем. І ці квантові поля складаються з часток.

• Електромагнітне поле — це частки фотонів.
• Сильне ядерне поле — частки глюонів.
• Слабке ядерне поле — W- та Z-бозони.
• Та й гравітаційне поле, якщо ми спробуємо сформувати квантову версію гравітації, складається з гравітонів, бо навіть плавні та неперервні гравітаційні хвилі, виявлені LIGO, мають бути створені з квантових часток.

Причина, за якою ці терміни для часток та полів є взаємозамінними в QFT, полягає в тому, що самі квантові поля кодують всю інформацію для всього. Хочете знищити частинку або античастинку? Це описується рівно-протилежними хвилюваннями квантового поля. Хочете описати спонтанне утворення пар часток-античасток? Це також пов’язано з хвилюваннями квантового поля.

Навіть самі частки, подібні до електронів, є просто збудженим станом квантового поля. Кожна частка у Всесвіті, спираючись на наше розуміння її, є просто пульсацією, хвилюванням, або пучком енергії основного квантового поля.

Фундаментальні квантові поля: скільки їх

Кількість квантових полів залежить від того, як ви дивитеся на теорію. В найпростішій QFT є лише 2 квантові поля: електромагнітне та електричне, котрі взаємодіють між собою. Коли ж ми беремо всі сили, які розуміємо (тобто без гравітації), то переходимо до передбачень стандартної моделі.

Саме тут виникає ідея про 12 ферміонних та 12 бозонних полів. Ці поля є хвилюваннями, які містяться в стандартній моделі, котра загалом описує відомий нам Всесвіт. Вони включають:

• 6 кварків та їх аналоги — антикварки.
• 3 заряджені (електрони, мюони, тау) та три нейтральні (нейтрино, мюон-нейтрино, тау-нейтрино) лептони та їх двійники з антиматерії.
• 8 глюонів (через 8 можливих комбінацій кольорів).
• 2 слабких (W- та Z-) бозони.
• 1 електромагнітний фотонний бозон.
• 1 бозон Хіггса.

Кварки та лептони є ферміонами, тому вони мають двійників в антиматерії. А у W-бозона є два однаково-протилежні різновиди (позитивно та негативно заряджені). Проте, як було сказано, існує 24 унікальні фундаментальні хвилювання квантових полів, звідки бере свої витоки ідея про “24” поля.

Виходячи за межі частинок

А як щодо більш складних систем, таких як атоми, молекули та ін.? Оскільки 24 поля — це, насправді, хвилювання, що лежать в основі QFT, яка описує нашу фізичну реальність, ці складні системи є чимось більшим, ніж комбінація полів. Більш точним буде розглядати весь наш Всесвіт як складне квантове поле, яке, власне, й містить в собі всю фізику. Частинки, античастинки, всілякі хвилювання полів постійно виникають та зникають. Й ця реальність кардинально відрізняється від нашої звичної картини гладкого, неперервного та чіткого Всесвіту. Й хоча квантові поля зародилися як математична конструкція, вони описують нашу видиму фізичну реальність точніше за будь-що вигадане нами раніше.