Квантовая теория поля
В теоретической физике квантовая теория поля ( КТП ) представляет собой теоретическую основу, объединяющую классическую теорию поля , специальную теорию относительности и квантовую механику . [1] : xi QFT используется в физике элементарных частиц для построения физических моделей субатомных частиц и в физике конденсированного состояния для построения моделей квазичастиц .
КТП рассматривает частицы как возбужденные состояния (также называемые квантами ) лежащих в их основе квантовых полей , которые являются более фундаментальными, чем частицы. Квантовое поле частицы определяется минимизацией лагранжиана, функционала полей, связанных с частицей. Взаимодействия между частицами описываются условиями взаимодействия в лагранжиане , включающими соответствующие им квантовые поля. Каждое взаимодействие может быть визуально представлено диаграммами Фейнмана в соответствии с теорией возмущений в квантовой механике .
Квантовая теория поля возникла в результате работы поколений физиков-теоретиков на протяжении большей части 20-го века. Его развитие началось в 1920-х годах с описания взаимодействий между светом и электронами , кульминацией которого стала первая квантовая теория поля — квантовая электродинамика . Вскоре последовало серьезное теоретическое препятствие с появлением и сохранением различных бесконечностей в пертурбативных вычислениях, проблема была решена только в 1950-х годах с изобретением процедуры перенормировки . Вторым серьезным препятствием стала очевидная неспособность КТП описать слабые и сильные взаимодействия ., вплоть до того, что некоторые теоретики призвали отказаться от теоретико-полевого подхода. Развитие калибровочной теории и завершение Стандартной модели в 1970-х годах привели к возрождению квантовой теории поля.
Квантовая теория поля является результатом сочетания классической теории поля , квантовой механики и специальной теории относительности . [1] : xi Далее следует краткий обзор этих теоретических предшественников.
Самая ранняя успешная классическая теория поля возникла из закона всемирного тяготения Ньютона , несмотря на полное отсутствие концепции полей в его трактате 1687 года « Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» . Сила гравитации, описанная Ньютоном, представляет собой « действие на расстоянии » — ее воздействие на удаленные объекты происходит мгновенно, независимо от расстояния. Однако в переписке с Ричардом Бентли Ньютон заявил, что «невероятно, чтобы неодушевленная грубая материя без посредничества чего-то другого, не являющегося материальным, воздействовала на другую материю и воздействовала на нее без взаимного контакта». [2] : 4 Только в 18 веке физики-математики открыли удобное описание гравитации, основанное на полях — числовая величина ( вектор в случае гравитационного поля ), приписываемая каждой точке пространства и указывающая на действие гравитации на любую частицу в этой точке. . Однако это считалось просто математическим трюком. [3] : 18
Поля начали обрести собственное существование с развитием электромагнетизма в 19 веке. Майкл Фарадей ввел английский термин «поле» в 1845 году. Он ввел поля как свойства пространства (даже когда оно лишено материи), оказывающего физическое воздействие. Он выступал против «действия на расстоянии» и предположил, что взаимодействие между объектами происходит через заполняющие пространство «силовые линии». Это описание полей сохранилось и по сей день. [2] [4] : 301 [5] : 2
