Забудьте на время слово «квант». Откуда мы знаем, что поля, такие как электромагнитное поле, существуют?
Возьмем, к примеру, магнит. Очевидно, что он влияет на окружающие его вещи: другие магниты, железные предметы и тому подобное. Можно даже попытаться соединить северные полюса двух магнитов и почувствовать их сильное сопротивление, которое мешает (или, по крайней мере, очень затрудняет) им вступить в контакт. Таким образом, совершенно очевидно, что мы можем подтвердить своими собственными чувствами, что объект, который мы называем магнитом, окружен невидимым полем, которое влияет на поведение некоторых других вещей поблизости.
Итак, если вы соглашаетесь с тем, что такой эксперимент доказывает, что поля существуют, остается только увидеть, являются ли эти поля «квантовыми» или нет.
Что такое поля? Это просто способ описания действия на расстоянии, которое мы наблюдаем как в гравитационном, так и в электромагнитном взаимодействии. Поведение теплового излучения «черного тела» и фотоэлектрический эффект, по-видимому, требуют, чтобы взаимодействие материи с электромагнитным полем происходило дискретными количествами или квантами, а квантовое электромагнитное поле — это всего лишь математический формализм, который описывает это.
Оказывается, существует математическая эквивалентность между теорией переменного числа «фотонов» и «квантованием» классической электромагнитной теории. Кроме того, тот факт, что взаимодействие с излучением также может привести к созданию электронно-позитронных пар, описывается моделью переменного числа таких частиц, которую также можно рассматривать как теорию поля. И то же самое относится к любому другому типу частиц, которые когда-либо были обнаружены.
И для большинства физиков тот факт, что квантовая теория поля обеспечивает способ точного предсказания всех их экспериментальных результатов, — это все, что они имеют в виду, заявляя, что квантовые поля существуют.
К тому же квантовые поля являются основой Стандартной модели физики элементарных частиц. Эта модель описывает поведение и взаимодействие известных частиц природы в мельчайших деталях. И довольно успешно. Она настолько хорошо описывает окружающий мир, что трудно представить, что эта модель может быть неправильной.
Есть ли в ней проблемы? Конечно, и довольно много. Например, о темной материи нечего сказать. У Стандартной модели нет объяснения, почему существует 3 поколения каждого типа частиц. Или почему существует дисбаланс частиц и античастиц. Головная боль от силы тяжести. К тому же ее нельзя использовать для расчета энергии вакуума – любая попытка сделать это приводит к абсурдным ответам, абсолютно не согласующимся с наблюдением.
Но мы не отказываемся от Стандартной модели из-за этих нерешенных вопросов. Слишком много фактов о природе она объясняет с огромным успехом. Следовательно, разумно предположить существование квантовых полей.
Но физики всегда оставляют за собой право уточнить или переопределить теорию, или отказаться от нее в пользу лучшей, если потребуется.
Вот откуда мы знаем, что квантовые поля существуют.
