Электроны движутся быстрее света и назад во времени?

В физике элементарных частиц математическая структура, которая используется в настоящее время, известна как квантовая теория поля . Примером такой теории является квантовая электродинамика , которая занимается взаимодействием между фотонами и электронами.

Выполняя вычисления в квантовой теории поля, вы сталкиваетесь с множеством (иногда очень сложных) формул. Фейнман нашел способ красиво представить эти формулы в виде диаграмм. Два примера диаграмм Фейнмана :

Если вы изучаете физический процесс и хотите сделать прогноз о нем, есть рецепт для выполнения ваших расчетов:

Нарисуйте все диаграммы Фейнмана, соответствующие рассматриваемому процессу. Каждая диаграмма имеет связанную с ней математическую формулу. Сложив их все, можно получить физический ответ.

Есть также некоторые правила (известные как правила Фейнмана ), которые используются для рисования диаграмм. В общем, что вам нужно сделать, это:

Для каждого входящего фотона нарисуйте слева волнистую линию, для каждого входящего электрона или позитрона — сплошную линию (стрелка влево означает позитрон, а вправо — электрон) и то же самое для улетающих частиц. Затем используйте правила Фейнмана, чтобы построить разрешенную диаграмму.

Мы могли бы остановиться здесь. Диаграммы Фейнмана — это просто хороший способ представления некоторых сложных формул. Мы знаем, как использовать их, чтобы получить экспериментально проверяемые ответы на вопросы физики электронов и фотонов. Результаты, которые могут быть получены таким образом, впечатляюще точно описывают природу (как в случае лэмбовского сдвига, некоторого эффекта в атоме водорода).

Однако, поскольку каждая входящая и исходящая линия представляет собой частицу, возникает соблазн сказать, что внутренние линии диаграммы также являются частицами. Физики иногда называют их виртуальными частицами , но понятие виртуальной частицы имеет очень мало общего с понятием частицы. Обратите внимание, что диаграмма Фейнмана даже не описывает физический процесс. Это просто способ представления некоторой математической формулы.

Почему же тогда физики используют это имя? Ответ заключается в том, что, говоря о вычислениях в квантовой теории поля, его можно использовать как полезную метафору . Вы можете говорить о диаграммах естественным образом, как если бы они были физическими процессами, в которых время изображалось как текущее слева направо, а частицы сталкивались, рождались, разрушались и т. д.

В этой метафоре виртуальные частицы могут двигаться, например, быстрее скорости света . Тем не менее, когда вы переводите этот метафорический язык в реальные формулы и добавляете их ко всем диаграммам, результаты согласуются со специальной теорией относительности. Настоящие частицы никогда не могут двигаться быстрее света.

В первой из диаграмм, приведенных выше, внутренние вершины можно перемещать так, чтобы одна находилась слева от другой, поэтому в нашей метафоре одна появляется раньше другой. Затем мы можем переместить их снова и сделать то, что было слева, теперь справа. Затем внутренняя сплошная линия, представляющая электрон, изменится с движения вперед во времени на движение назад . Метафора прекрасно сочетается с этим и позволяет нам увидеть электрон, движущийся назад как позитрон (поскольку оба они представлены сплошной линией со стрелкой влево). Опять же, ничего из этого не реально, это просто хороший способ рассказать о некоторых вычислениях.

На второй диаграмме вы видите пример виртуального рождения и аннигиляции электрон-позитронной пары из фотона и обратно. Это просто причудливый способ рассказать об одной диаграмме из набора диаграмм Фейнмана, описывающих распространение фотона.

Итак, подведем итоги и будем предельно ясны:

В квантовой теории поля специальная теория относительности не нарушается , и ни одна частица (в частности, электрон) не может двигаться быстрее скорости света или назад во времени.