научная статья по теме МОЯ ЖИЗНЬ СРЕДИ КВАНТОВЫХ ПОЛЕЙ. ДОКЛАД ЛАУРЕАТА БОЛЬШОЙ ЗОЛОТОЙ МЕДАЛИ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА 2013 ГОДА АКАДЕМИКА Л.Д. ФАДДЕЕВА Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «МОЯ ЖИЗНЬ СРЕДИ КВАНТОВЫХ ПОЛЕЙ. ДОКЛАД ЛАУРЕАТА БОЛЬШОЙ ЗОЛОТОЙ МЕДАЛИ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА 2013 ГОДА АКАДЕМИКА Л.Д. ФАДДЕЕВА»

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 84, № 9, с. 797-804

ОБЩЕЕ СОБРАНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

БО1: 10.7868/80869587314090096

МОЯ ЖИЗНЬ СРЕДИ КВАНТОВЫХ ПОЛЕЙ

ДОКЛАД ЛАУРЕАТА БОЛЬШОЙ ЗОЛОТОЙ МЕДАЛИ ИМЕНИ МБ. ЛОМОНОСОВА 2013 ГОДА

АКАДЕМИКА Л.Д. ФАДДЕЕВА

Слово "поле" имеет в русском языке, как и в других языках, много значений. Так, увидев название книги "Мезоны и поля", одна интеллигентная дама сказала: "Ах, что это за роман о пейзанской жизни?" Наши новые коллеги из РАСХН тоже имеют свою интерпретацию этого слова. Однако в физике термин "поле" закреплён за физической реальностью, распространённой по всему нашему трёхмерному пространству. Поле описывается одной или несколькими функциями от пространственной переменной х ив классической физике задаёт механическую систему с бесконечным числом степеней свободы. Переменная х играет роль номера степени свободы подобно тому, как индекс I нумерует координаты

фазового пространства р, д' для конечномерной механической системы.

Важнейшим и исторически первым примером поля является электромагнитное поле, описываемое напряжённостями Е (X), Н (X) или векторным потенциалом ЛЦ(Х), ц = 0, 1, 2, 3. Второе фундаментальное поле — поле тяготения Эйнштейна — вошло в физику в начале прошлого века.

Квантовая механика системы с конечным числом степеней свободы получила законченную формулировку в середине 1920-х годов. Естественно, возник вопрос и о квантовании электромагнитного поля, удовлетворительно решённый в работах П. Дирака, В. Гейзенберга и В. Паули. Большая роль в этом развитии принадлежала нашему соотечественнику В.А. Фоку. Его имя связано с понятием градиентной инвариантности (о которой будет рассказано ниже) и конструкцией пространства состояний квантово-полевой системы — пространства Фока.

Первым важнейшим достижением квантовой электродинамики явилось разрешение исторического конфликта между корпускулярной и волновой теорией света. Возбуждения квантового электромагнитного поля получили интерпретацию частицами — фотонами.

Далее последовали удовлетворительные расчёты элементарных процессов — эффекта Компто-на, рассеяния Мёллера и т.д. — в низшем порядке

по заряду электрона. Однако попытки получить радиационные поправки столкнулись с трудностями — расходящимися интегралами. В современных обозначениях типичный расходящийся интеграл по четырёхмерному пространству импульсов имеет вид

р2 + т2)((р - к)2 + т2)

и расходится на бесконечности. Если ограничить область интегрирования шаром |р| < Л, то этот интеграл содержит слагаемое, пропорциональное 1п Л, то есть логарифмически расходится. В результате, несмотря на усилия многих выдающихся исследователей, квантовая электродинамика не получила удовлетворительной формулировки и интерес к ней к концу 1930-х годов угас. А затем Вторая мировая война заставила физиков перейти к оборонной тематике. Так произошёл первый кризис квантовой теории поля на протяжении её драматического развития со взлётами и падениями.

Во время войны весь цвет европейской теоретической физики оказался в США. В общении с мэтрами выросли молодые американские учёные, среди них Дж. Швингер и Р. Фейнман. И вот, после окончания войны, освобождённые от работы над атомной бомбой, все они с радостью и энтузиазмом вернулись к нормальной работе. Квантовая электродинамика опять вышла на первое место. Замеченное ещё до войны явление сдвига атомных уровней водорода получило бесспорное экспериментальное подтверждение в опытах У. Лэмба. Радиационные поправки должны были дать объяснение этого факта.

Важнейшей вехой в истории стала конференция в Шелтер-Айленде весной 1947 г. В ней участвовали 25 человек, как знаменитые европейцы, так и молодые американцы. В результате обсуждения был выработан новый взгляд на бесконечности, радиационные поправки меняли значения параметров теории — электрического заряда е и массы элетрона т, и все бесконечности собирались в этом переопределении. Остающиеся ко-

Рис. 1. Вершина

Рис. 2. Линии

Рис. 3. Рассеяние заряженных частиц

В течение двух лет после нового успеха квантовой электродинамики Дж. Швингером и Р. Фейн-маном были разработаны два варианта теории, полностью удовлетворяющие требованию явной релятивистской инвариантности. Техническое усовершенствование состояло в том, что электроны также описывались своим полем. Таким образом, концепция поля стала универсальной. Ничего другого нет, вся физика начинается с теории поля.

Швингер разработал операторный формализм. Фейнман создал метод, основанный на функциональном интеграле. Оказалось, что японский физик С. Томонага также сформулировал сходные идеи.

В варианте Фейнмана квантовые ответы получаются усреднением функционала exp{iS} по

Н

всем конфигурациям полей, где £ — классическое

действие, / и Ь — константа Планка. В элек-

тродинамике £ зависит от электронно-позитрон-ного поля (у(х),у(х)) и электромагнитного поля, заданного вектор-потенциалом А^х), ц = 0, 1, 2, 3.

^ = 4^2 4х + |(ууц(5ц + А)у + 4х, (1) где / — напряжённость электромагнитного поля:

— д | АУ д V А|

Этот функционал содержит квадратичную форму полей и одно слагаемое Ац у третьей степени. В интеграле

I / ПБ А)

П ( V ( у (1А

Рис. 4. Рассеяние электрона на фотоне

нечные результаты давали физический эффект и подтверждали сдвиг Лэмба.

Принято считать, что основной вклад в идею и первый расчёт был сделан Г. Бете, однако должную роль сыграли и предложения Х. Крамерса, В. Вайскопфа, Дж. Швингера и других. Так родилась теория перенормировок, которая развивается до сих пор, привлекая всё более изощрённую математику. На начальном её этапе важную роль сыграли работы Н.Н. Боголюбова и его ученика О.С. Парасюка.

можно разложить экспоненту с этой кубической формой в ряд, и тогда возникающие гауссовы интегралы явно считаются. Фейнман предложил запись для этих ответов в терминах графов, вершины которых отвечают форме Ац у и изображены на рисунке 1, а линии отвечают функциям Грина операторов □ = дц<дц и уцдц + т (рис. 2). Простейшие диаграммы отвечают рассеянию заряженных частиц (электронов и позитронов, рис. 3) и рассеянию фотона на заряженной частице (рис. 4).

Наглядный характер диаграмм Фейнмана очень импонировал специалистам, громоздкие формулы старых нерелятивистских вычислений приобрели компактный и красивый вид. В результате их вывод через функциональный интеграл был забыт, а сами диаграммы абсолютизированы как "лаборатория теоретической физики", по словам М. Гелл-Манна. Более того, Ф. Дайсон привёл альтернативный вывод диаграмм из более знакомого операторного формализма.

Следует сказать, что действие £ (у, у, Л) является функцией классов эквивалентных полей по отношению к преобразованию

V '9

V ^ e

— v -9—

V ^ e V,

A ^ A + д д

(2)

где 0(х) — произвольная вещественная функция. Именно это преобразование было обнаружено В.А. Фоком и названо им градиентным преобразованием. В современной литературе, следуя Г. Вейлю, его называют калибровочным преобразованием. Влияние калибровочного преобразования на формулировку функционального интеграла будет рассмотрено ниже.

После этого исторического введения я могу начать рассказ о моей научной жизни. Я поступил в Ленинградский государственный университет в 1951 г. на физический факультет и на третьем курсе выбрал специализацию "математическая физика", которая только что была организована. В это время вышла книга А.И. Ахиезера и В.Б. Бере-стецкого "Квантовая электродинамика" и составленный Д. Д. Иваненко том "Новейшее развитие квантовой электродинамики", в который вошли статьи Фейнмана, Швингера, Томонаги и Дайсо-на. Для моих приятелей из группы "теоретическая физика" эти книги стали своего рода библией. Все вокруг меня суммировали диаграммы, проводили перенормировку и т.д. Однако я получил другой импульс от своего студенческого руководителя О.А. Ладыженской. Её научные интересы были связаны с уравнениями в частных производных и пересекались с работами американских математиков из института Куранта в Нью-Йорке с традиционным интересом к физике, идущей от гёттингенской школы Д. Гильберта. В 1952 г. К. Фридрихс организовал для своих коллег семинар по основам квантовой теории поля. Его лекции были опубликованы в журнале "Communications in pure and applied mathematics" и вскоре вышли в виде монографии "Математические основы квантовой теории поля". Ладыженская решила организовать студенческий семинар по этой книге, и вся наша группа — двое юношей и три девушки — принялись разбирать книгу Фридрихса. Я думаю, что это было полезно только для меня, я помню как Ольга Александровна в начале каждого семинара, где я докладывал, спрашивала "Людвиг, напомните нам, что такое оператор рождения". Но я получил хорошую тренировку и стал мечтать, что когда-нибудь смогу начать серьёзно заниматься квантовой теорией поля. Однако, поскольку кроме счёта диаграмм не было ничего, за что можно было бы зацепиться, я весьма прагматично решил подождать и заняться более реальными задачами квантовой теории рассеяния. Мне удалось найти оригинальный подход к квантовой задаче трёх тел, довольно рано защитить докторскую диссертацию и получить международное признание.

А тем временем квантовая теория поля опять попала в трудное положение. Л.Д. Ландау, А.А. Абрикосов и И.М. Халатников, суммируя диаграммы, показали противоречие в программе перенормировки квантовой электродинамики. В реалистическом подходе Ландау считалось, что перенормировка состоит в том, что затравочные параметры теории — масса т0 и заряд электрона е0 — являются функциями от импульса обрезания Л и вместе с радиационными поправками определяют физические значения тг, ег. Ландау и соавторы получили формулу для ег через е0 и Л

1 1 , m Л - = - + р In-,

er e0 ^

(3)

где ц — фиксированная константа. Коэффициент р оказался положительным. Таким образом, каково бы ни было значение е0(Л), перенормированный

заряд ег обращается в нуль при Л ^ да. Это замечание сыграло "убийственную" роль для теории поля. Множество других моделей для мезонной теории ядерных сил и четырёхфермионных моделей для слабых взаимодействий имели тот же эффект, что и кванто

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком