Квантовая теория поля

Какие задачи не удалось решить в рамках квантовой механики? Какое применение нашла квантовая теория поля? И какое значение приобрели диаграммы Фейнмана для квантовой теории поля? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков.

Квантовая механика не может описать то, что при столкновении двух протонов на большом адронном коллайдере рождается множество новых частиц. Для этого понадобился совершенно новый формализм, который описывает системы с переменным и даже с бесконечным числом частиц. Говоря математическим языком, мы должны были перейти от систем с конечным числом степеней и свобод к системам с бесконечным. К середине прошлого века этот формализм был разработан. Называется он «квантовая теория поля», то есть понятие точечной частицы заменило квантовое поле, которое разлито во всем пространстве и времени, и кванты этого поля и есть элементарные частицы.

В конце 40-х-начале 50-х годов прошлого века знаменитый американский физик Ричард Фейнман придумал наглядный язык, на котором мы все теперь и разговариваем, — это язык графики. Оказалось, что вместо того, чтобы писать сложные формулы, можно рисовать простые и наглядные картинки. Например, если частица распространяется из точки А в точку Б, вы рисуете стрелку из точки А в точку Б. Если одна частица распадается на две других, то вы рисуете, как одна стрелка раздваивается на две другие.

В последние годы появились первые модели квантовой теории поля, которые, может быть, являются точно решаемыми, хотя решений пока нет. Эти модели связывают с наличием «новых симметрий» — новых образований, которые оставляют эти модели инвариантными. Есть такая знаменитая симметрия, которая называется «суперсимметрия». Оказалось, что максимальная суперсимметричная квантовая теория поля в четырехмерном пространстве и времени, по всей вероятности, является решаемой моделью.