На чём базируются фундаментальные основы квантовой физики

Квантовая теория поля (КТП) является фундаментальной теорией в физике, объединяющей принципы квантовой механики и специальной теории относительности. Она описывает поведение элементарных частиц и их взаимодействие посредством квантования физических полей, заполняющих пространство-время.

1.2.1. Основные принципы и методы квантовой теории поля:

Основные принципы:

* Квантование полей: Ключевым элементом КТП является квантование физических полей. Вместо классических полей, которые могут иметь любые значения, в КТП поля представлены как совокупность квантов, имеющих дискретные значения.

* Принцип суперпозиции: Состояния квантовых полей могут быть представлены как суперпозиция различных состояний. Это означает, что поле может находиться в нескольких состояниях одновременно.

* Принцип неопределенности Гейзенберга: КТП включает принцип неопределенности Гейзенберга, который устанавливает ограничения на точность одновременного измерения некоторых физических величин. Например, невозможно одновременно точно знать как импульс, так и положение частицы.

* Релятивистская инвариантность: КТП описывает физические явления в рамках специальной теории относительности, что означает, что физические законы должны быть одинаковыми для всех наблюдателей в инерциальных системах отсчета.

Методы:

* Диаграммы Фейнмана: Диаграммы Фейнмана – это графическое представление процессов взаимодействия частиц в КТП. Они позволяют наглядно представить обмен виртуальными частицами между реальными частицами.

* Метод вторичного квантования: Этот метод позволяет описать квантовые системы с переменным числом частиц. Вместо того, чтобы рассматривать фиксированное число частиц, метод вторичного квантования позволяет создавать и уничтожать частицы в пространстве-времени.

* Калибровочная инвариантность: КТП использует калибровочные преобразования для описания фундаментальных взаимодействий. Калибровочные преобразования позволяют описать фундаментальные взаимодействия как результат требования инвариантности системы относительно определенных преобразований.

1.2.2. Проблема квантования гравитации и поиск теории квантовой гравитации:

Одной из самых больших загадок в физике является объединение квантовой теории поля с общей теорией относительности (ОТО), описывающей гравитацию.

Проблемы объединения:

* Несогласованность масштабов: КТП работает на микроскопических масштабах (атомы, элементарные частицы), а ОТО работает на макроскопических масштабах (планеты, звезды, галактики).

* Неопределенность гравитации на квантовом уровне: В ОТО гравитация описывается как искривление пространства-времени, которое вызвано массой и энергией. Однако, квантование гравитации приводит к появлению неопределенности в пространстве-времени, что делает описание гравитации в рамках КТП крайне сложным.

Поиск теории квантовой гравитации:

* Супергравитация: Супергравитация – это теория, которая пытается объединить квантовую механику с теорией относительности Эйнштейна, используя концепцию суперсимметрии.

* Петлевая квантовая гравитация (LQG): LQG предполагает, что пространство-время дискретно, то есть состоит из отдельных, квантованных «петель».

* Теории струн: Теории струн предполагают, что элементарные частицы не являются точечными, а представляют собой вибрирующие струны в многомерном пространстве.

1.2.3. Роль вакуума в квантовой теории поля:

Вакуум в КТП не является пустым пространством, как его представляют в классической физике. Вместо этого, вакуум является квантовым состоянием с минимальной энергией, которое может рождать виртуальные частицы.

Свойства вакуума:

* Динамический характер: Вакуум в КТП является динамическим объектом, который может взаимодействовать с реальными частицами.

* Виртуальные частицы: В вакууме постоянно возникают и исчезают виртуальные частицы, которые не могут быть непосредственно наблюдаемы.

* Флуктуации: Вакуум подвержен флуктуациям, которые могут влиять на реальные частицы, например, вызывать эффект Казимира.

* Поляризация вакуума: Вакуум может быть поляризован под действием внешних полей, что может влиять на поведение реальных частиц.

Примеры влияния вакуума на физические явления:

* Эффект Казимира: Это явление, при котором две близкорасположенные металлические пластины притягиваются друг к другу из-за изменения энергии вакуума между ними.

* Поляризация вакуума: Это явление, при котором вакуум может быть поляризован под действием внешних полей, например, электрического поля.

1.2.4. Заключение

Квантовая теория поля является одной из самых успешных теорий в современной физике, но она не может объяснить некоторые фундаментальные явления, такие как гравитация. Поиск единой теории, объединяющей квантовую механику и общую теорию относительности, является одной из главных задач современной физики.

1.3. Теории струн и М-теория:

Теории струн предполагают, что элементарные частицы являются не точечными объектами, а вибрирующими струнами в многомерном пространстве.

1.3.1. Основные идеи и концепции теорий струн:

* Многомерность: Теории струн предполагают существование дополнительных пространственных измерений, недоступных нашему восприятию.

* Суперсимметрия: Теории струн включают в себя концепцию суперсимметрии, согласно которой каждой частице соответствует суперсимметричная частица с другим спином.

* Квантование гравитации: Теории струн предлагают путь к квантованию гравитации.

1.3.2. Попытки объединения всех фундаментальных взаимодействий в рамках этих теорий:

Теории струн стремятся объединить все фундаментальные взаимодействия в рамках единой теории. Они предполагают, что все фундаментальные частицы являются различными вибрационными модами одной и той же основной струны.

1.3.3. Проблема экспериментальной проверки теорий струн:

Теории струн являются очень сложной и абстрактной теорией. Экспериментальная проверка их предсказаний является крайне сложной задачей, поскольку она требует достижения энергий, недоступных современным ускорителям частиц.

1.3.4. М-теория:

М-теория является обобщением теории струн, включающая в себя 11 измерений. Она предлагает более полное и общее описание фундаментальных взаимодействий.

1.4. Заключение

Стандартная модель физики элементарных частиц является наиболее успешной теорией, описывающей все известные фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы. Однако она имеет ряд ограничений, включая отсутствие описания гравитации и неспособность объяснить темную материю, темную энергию и массу нейтрино.

Теории струн и М-теория предлагают альтернативный подход к пониманию фундаментальных основ физики, включая в себя идеи многомерности, суперсимметрии и квантования гравитации. Однако экспериментальная проверка их предсказаний является крайне сложной задачей.

Поиск новой теории, которая смогла бы объединить все известные фундаментальные взаимодействия и объяснить существующие парадоксы квантовой физики, остается одной из главных задач современной теоретической физики.

ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ ДИСКРЕТНОГО ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ ИЗ ДВУМЕРНЫХ КВАНТОВЫХ МЕМБРАН

В этой главе мы представим модель дискретного пространства-времени, основанную на концепции двумерных квантовых эфирных мембран. Эта модель предлагает альтернативный подход к пониманию фундаментальных основ физики, выходя за рамки традиционных представлений о непрерывном пространстве-времени.