О. Деревенский - Фокусы-покусы квантовой теории

• Название: Фокусы-покусы квантовой теории
• Автор: О. Деревенский
• Жанр: Физика

Квантовая теория приводит в трепет даже многих физиков. Ох, как они горды тем, что всякие там доморощенные опровергатели основ суются со своими умничаниями в самые разные области – и в классическую механику, и в электродинамику, и, в особенности, в теорию относительности – но никто не покушается на квантовую теорию! «Даже этим олухам ясно, - веселятся академики, - что без квантовой теории люди бы до сих пор жили в пещерах и бегали с каменными топорами!» Без квантовой теории, мол, не было бы лазеров – а без лазеров, девочки и мальчики, не было бы у вас таких балдёжных дискотек! Без квантовой теории, мол, не было бы понимания того, как движутся электроны в металлах и полупроводниках – а без этого понимания, девочки и мальчики, не было бы у вас ни компьютеров, ни мобильных телефончиков!

 Откуда девочкам и мальчикам знать, что всё это – шутки? Лазеры, компьютеры, мобильные телефончики – своим появлением они вовсе не обязаны квантовой теории. Эти и целый ряд других примечательных технических устройств были созданы исключительно на основе экспериментальных и технологических прорывов. А то, что называется квантовой теорией – это просто пачка изысканных математических процедур, с помощью которых задним числом описывали эмпирические факты из жизни микромира.

---

Развивали-развивали, а две главные проблемы поля так и остались. Во-первых, полевая энергия заполняет всё пространство сплошняком, а также имеет бесконечно широкий спектр – т.е. поле имеет, как говорится, бесконечное число степеней свободы. А поскольку на каждую степень свободы приходится конкретная тепловая энергия, то оказывается, что, при температурах выше абсолютного нуля (проще говоря, всегда) энергия любого конечного объёма поля – бесконечна! Где вы такое видели, милейшие? Во-вторых, в отличие от эфира, который, как считалось, существовал независимо от зарядов, поле зарядами-то и порождается. До чего красиво: каждый заряд даёт свой скромный вкладец в суммарное поле, а это суммарное поле, в свою очередь, действует на каждый заряд. Выходит, что каждый заряд действует, в том числе, и сам на себя. Шутка, да? Отнюдь: из-за этой «шутки» даже в теории получались жуткие проблемы с расходимостями. Как только с этими расходимостями не боролись: и «обрезали» их, и «перенормировали» - да толку-то? Как уродство ни ретушируй, оно уродством и останется!..

Но вот… чей это вкрадчивый голосочек послышался? «Только я помогу решить ваши проблемы!» - «Кто ты?» - обомлели измученные теоретики. «Не признаёте, что ль? Обидеться могу!» - «Ах, боже ты мой, господа! Это же квантовая теория поля! Долгожданная ты наша!» И там такое началось…

Короче, проквантовали поле начисто: никаких непонятных волн в нём больше не осталось. Стало поле набором квантов, или фотонов. Летают они, друг сквозь друга проходят, друг другу при этом не мешаючи… А почему так? А потому что фотон – это как бы отрезочек волны, понимаете? А для волн это нормально, мол – проходить друг сквозь друга! Слушайте, милейшие: с этим открытием вас, конечно, можно поздравить, но как там дела с предвыборными обещаниями – насчёт решения проблем? Число степеней свободы поля уменьшилось? Да нет, так и осталось бесконечным. Более того: проквантовать поле ухитрились так, что на одну степень свободы, даже при абсолютном нуле температуры, стала приходиться ненулевая энергия! Теперь поле сохранялось даже в немыслимой ситуации – при абсолютном нуле! – имея всё ту же бесконечную энергию! Вот так мы, значит, проблемы решаем? Ну, ну. А действие заряда самого на себя – устранилось? Ну, что вы! Устранится оно здесь, как же. Впрочем, продвиг – налицо: прежнее классическое уродство стало квантовым уродством – теперь оно только специалистам бросается в глаза.

Кстати: как бы не пыжилась квантовая теория поля, помимо квантовой передачи энергии на расстояние есть ещё и передача волновая. В смысле – принципиально волновая. Можно квантовать её до потери пульса, но она от этого не перестанет быть волновой. В ней даже атомы участвуют! Речь о распространении радиоволн – которое никакими квантовыми скачками в атомах не сопровождается. Как можно не видеть принципиальную физическую разницу между волновой и квантовой передачами энергии? Это ведь так просто: в первом случае те или иные колебания зарядов на частоте волны происходят, а во втором случае – не происходят! Зачем же было простирать длань квантующую в область радиоволн? Гулять, так гулять, да? Раз пошла такая пьянка – режь последний огурец? Погуляли, чего уж там. Помните, выше мы говорили о проблемах с размерами фотонов? Так это были ещё пустячки, ведь речь шла о видимом свете, с длинами волн всего-то около полмикрона. А теперь представьте, что вместо радиоволн летают радиокванты – скажем, с метровыми длинами волн. Проблемы с их размерами обостряются, как показывает несложный расчёт, в пару миллионов раз. Радиоинтерферометры со сверхдлинными базами отлично работают – при том, что их приёмные антенны разнесены на межконтинентальные расстояния. Радиоквант при этом должен иметь тысячи километров в поперечнике и ещё больше – в длине. И вот такая тысячекилометровая дура, значит, способна лететь от атома-источника к атому-приёмнику, когда расстояние между ними составляет, скажем, десяток Ангстрем? Причём, эта дура умудряется излучаться и поглощаться мгновенно – согласно постановлению Первого Сольвеевского конгресса? Дяденьки, вы что же – во всё это верите?

А ведь главные достижения квантовой теории поля были ещё впереди. И касались они взаимодействия с полем не атомов, а свободных зарядов – например, электронов. Если поле – это набор фотонов, то, чтобы свободным зарядам взаимодействовать через поле, им пришлось бы обмениваться фотонами. Но свободный электрон не может ни поглотить, ни излучить фотон, поскольку у электрона нет необходимой для этого внутренней структуры. Некоторые теоретики считают, что в фотон может прямо превратиться кинетическая энергия электрона, и пример приводят: рентгеновские лучи, мол, порождаются при резком торможении электронов, бомбардирующих антикатод рентгеновской трубки. Но тогда – ведь тормозиться можно по-разному! – спектр излучения рентгеновской трубки был бы сплошной. А он имеет характеристические пики – свои для каждого материала антикатода. Стало быть, дела такие: налетающие электроны вышибают из атомов антикатода внутренние электроны, и, при сваливании в эти вакансии внешних атомарных электронов, излучаются рентгеновские кванты. Это подтверждается тем, что характеристические пики имеются лишь в рентгеновских спектрах излучения, но не поглощения! Короче: не могут обмениваться фотонами свободные электроны, особенно покоящиеся – при этом нарушался бы закон сохранения энергии.

Как быть? А помните, чему учит квантовая теория: возможны какие угодно большие неопределённости у энергии – правда, на достаточно малых интервальчиках времени. Как говорится, хорошего – понемножку. Но теоретики и этому были рады без ума. Ведь какая прелесть получилась! Если допускать, что основной закон не работает даже в течение короткого периода, и успевать за этот период обтяпывать свои делишки, то можно смело творить что угодно! Ну, и кинулись теоретики наперегонки – тоже творить, значит. И сотворили то, что называется виртуальными фотонами. Для которых «как бы не выполняется закон сохранения энергии» (это официальная формулировка!). Внимание, мистики и спириты! Чтобы не отвечать за это «как бы невыполнение закона сохранения энергии», теоретики постулировали, что виртуальные фотоны принципиально не поддаются детектированию. Этим виртуальные фотоны существенно отличаются от реальных: их «как бы нет»! А в остальном у них всё по науке: они должны переносить вполне реальные энергию и импульс! Это само собой, ведь взаимодействие между двумя электронами рассматривается как испускание виртуального фотона одним электроном и поглощение его другим. Главное, чтобы это проделывалось достаточно быстро – чтобы публика не успевала глазом моргнуть. Ну, а для облегчения публике привыкания к подобным чудесам, разработали схематические комиксы, которые по-научному называются «фейнмановские диаграммы». Тут достаточно научиться отличать волнистые линии от прямых – и сразу начинаешь чувствовать себя крутым специалистом по виртуальной реальности. Вишь, как эта реальность виртуальничает: и прямо тебе, и внахлёст, и стежками тебе, и петельками! И, главное, всё это – неопровержимо, поскольку виртуальная реальность, мол, не поддаётся детектированию! Такие весёлые картинки и самому рисовать можно – «твори, выдумывай, пробуй!» - надо лишь соблюдать единственное правило: при проведении прямой линии, рука не должна дрожать. Нарисуешь твёрдой рукой парочку таких картинок – и само собой приходит убеждение в том, что виртуальная реальность не менее реальна, чем реальность реальная! Студенты просто балдеют…

Втолкуй потом этим фанатам виртуальной реальности, что никакого поля нет! Вон, сегодня медицина совершенно официально говорит о синдроме пристрастия к виртуальной реальности. Медицинские светила дают рекомендации по уходу за больными: контакт с виртуальной реальностью позволять не более часа в день, вести побольше разговоров на разные отвлекающие темы, и т.д. Хватились, Склифософские! Прикиньте, как долго физики буквально вопили о том, что страдают этим самым синдромом – а медицина не приходила им на помощь! Но радует, что процесс наконец-то пошёл!

Тем из фанатов поля, кому трудно сразу представить, что никакого поля нет, можно попробовать справиться с этой задачей в два приёма: для начала освоиться с тем, что нет никаких фотонов. Как уже говорилось, эксперименты показывают следующее. Кванты световой энергии перебрасываются с атома на атом, практически, мгновенно – на расстояния, по крайней мере, в несколько метров. При таком перебросе не происходит передача импульса. Вам мало того, что «фотоны» не летят вообще и не летят со скоростью света в частности, а также не переносят импульс? Ладно, можем продолжить. «Фотоны» не испытывают ни гравитационных, ни квадратично-допплеровских сдвигов частоты – этим сдвигам подвержены лишь уровни энергии в веществе (см. «Фиговые листики…»). «Фотоны», далее, не испытывают и линейно-допплеровских сдвигов частоты: с этими сдвигами работает навигатор квантовых перебросов энергии, но на величине перебрасываемой порции энергии не сказывается то, что отдающий и принимающий атомы как-то там движутся. Наконец, совершенно не по делу к фотону пытаются прицепить ярлык полноценной талантливой частицы, которая способна полностью превращаться в частицы вещества, и обратно. По жизни эти таланты никогда не проявляются! В россказнях про то, как гамма-квант, имеющий достаточную энергию, лихо превращается в пару электрон-позитрон, кое-что умалчивается. А именно: гамма-квант должен попасть в тяжёлое ядро – откуда и вылетит та парочка. Без ядра сей фокус не получается… Вроде дипломированные специалисты – святая наука, мол, то да сё – а на мелком надувательстве ловятся. Что уж говорить про надувательство крупное – насчёт т.н. аннигиляции электрона с позитроном, которые, якобы, исчезают полностью, превращаясь в два кванта по 511 кэВ штука. Дурить нас изволите! Здесь получается один квант на 511 кэВ, а электрон и позитрон не исчезают полностью, а образуют сильно связанную пару – которая может вновь распасться, получив достаточную энергию. Нету у фотонов и частиц вещества взаимопревращаемости. Есть только сказочки о ней. О, на какие хитрости пускались экспериментаторы, чтобы выдавать эти сказочки за действительность (см. «Фиговые листики…»)!