26
Глава 1.
квантовой статистике, как и вообще в квантовой теории систем многих частиц, важную роль играет принцип тождественности одинаковых частиц. Система таких частиц с нулевым или целочисленным спином -бозонов описывается статистикой Бозе-Эйнштейна, системы с частицами с полуцелым спином - фермионами подчиняются принципу Паули, а системы этих частиц описываются статистикой Ферми-Дирака.
Развитие квантовой теории привело созданию квантовой теории поля КТП [11], в которой квантовые принципы распространены на физические поля, рассматриваемые как системы с бесконечным числом степеней свободы. В квантовой теории поля отражен принцип корпускулярно-волнового дуализма частиц, а сами частицы описываются с помощью квантованных полей, представляющих собой совокупность математических операторов (физические поля представляют собой набор математических операций?!) рождения и поглощения частиц в различных квантовых состояниях. Взаимодействие квантованных полей приводит к различным процессам испускания, поглощения и превращения частиц. Любой процесс в КТП рассматривается как уничтожение одних частиц в определенных состояниях и появление других частиц в новых состояниях. Сам физический процесс уничтожения и появления частиц в КТП не рассматривается.
Первоначально КТП была построена применительно к взаимодействию электронов, позитронов и фотонов, в таком виде теория получила наименование квантовой электродинамики [12-14]. Согласно квантовой электродинамике взаимодействие между заряженными частицами осуществляется путем обмена фотонами, причем электрический заряд е частицы представляет собой константу, характеризующую связь поля заряженных частиц с электромагнитным полем - полем фотонов. На этой основе Ферми в 1974 г. был описан р-распад радиоактивных ядер как частный случай слабого взаимодействия. Согласно КТП такой процесс можно представить как результат контактного взаимодействия в одной точке квантованных полей, соответствующих четырем частицам со спином Vi : протону, нейтрону, электрону и антинейтрино, т. е. четырехфермионным взаимодействиям.
По современным представлениям КТП является основой для описания элементарных взаимодействий, существующих в природе. Однако из-за бесконечного числа степеней свободы у поля
Структура и основные положения теоретической физики
27
взаимодействия частиц - квантов поля - эта теория приводит к математическим трудностям, которые до сих пор не удалось преодолеть. В квантовой электродинамике любую задачу можно решить приближенно, и результаты расчетов основных эффектов находятся в хорошем согласии с экспериментом. Тем не менее, положение в этой теории нельзя считать благополучным, так как для ряда физических величин - массы, электрического заряда при вычислениях по теории возмущений получаются бесконечные выражения (расходимости). Их исключают искусственно, используя так называемую технику перенормировок, заключающуюся в том, что бесконечно большие значения для массы и заряда частиц заменяются их наблюдаемыми значениями. Это означает, что поскольку здесь теория ничего предсказать не может, несмотря на всю свою стройность, там, где ею практически пользоваться нельзя, от нее просто отказываются. Разработанные в квантовой электродинамике методы в дальнейшем пытались применить для расчетов процессов слабого и сильного ядерных взаимодействий, однако и здесь возникали некоторые проблемы.
После экспериментально установленного факта не сохранения свойства зеркальной симметрии микрочастиц - пространственной четности в процессах слабого взаимодействия была предложена так называемая универсальная теория слабых взаимодействий [15]. Однако в отличие от квантовой электродинамики эта теория не позволяла вычислить поправки в высших порядках теории возмущений, т. е. теория оказалась не перенормируемой. Успех в перенормировке был достигнут на основе так называемых калибровочных теорий. Согласно этим теориям в модели, объединяющей слабые и электромагнитные взаимодействия, наряду с фотоном - переносчиком электромагнитных взаимодействий между заряженными частицами должны существовать переносчики слабых взаимодействий - так называемые промежуточные векторные бозоны. Однако в эксперименте эти частицы обнаружены не были. Справедливость новой едином теории электромагнитных и слабых взаимодействий нельзя считать доказанной.
Трудности же создания теории сильных взаимодействий [16] связаны с тем, что из-за большой константы связи между нуклонами методы теории возмущений оказываются неприемлемыми. Вследствие этого, а также из-за наличия огромного экспериментального материапа,
