Ранние релятивистские квантовые поля

Две теории за одним столом

Квантовая механика отлично работала с атомами, спектрами и переходами между состояниями. Специальная относительность столь же уверенно задавала правила для пространства, времени, скорости света и энергии быстрых объектов. Неловкость начиналась там, где требовалось, чтобы обе системы правил действовали одновременно. Физика не любит дипломатические соглашения, в которых каждая теория права только по нечётным дням.

Релятивистская квантовая теория полей выросла из попыток решить именно эту задачу. Поле в таком подходе — не просто фон, на котором летает одна частица, а квантовый объект, способный описывать процессы рождения, исчезновения и взаимодействия частиц. В учебном наброске можно представить поле как распределённую величину, определённую во многих точках пространства и времени; квантовая теория предписывает, как обращаться с возможными состояниями этой величины. Но за этим наброском стояли серьёзные математические трудности.

Проблема не сводилась к красивому объединению двух названий на обложке. Требовалось, чтобы расчёты уважали релятивистскую структуру причинности и в то же время сохраняли квантовый характер наблюдаемых процессов. Если на языке формул получался ответ, зависящий от произвольно выбранной системы отсчёта, теория теряла главный экзаменационный билет. Если же исчезала квантовая структура, получалась уже другая физика.

Коллективная лаборатория идей

В Лейпциге Гейзенберг работал со своими сотрудниками над релятивистской квантовой теорией полей; параллельно Паули и его цюрихские коллеги занимались той же широкой проблемой. Такая формулировка важнее, чем кажется. Она не позволяет превратить раннюю теорию полей в одиночный подвиг с торжественным прожектором и молчащими помощниками за кулисами.

Американский институт физики относит эту коллективную работу к важным шагам на пути объединения квантовой механики и теории относительности. «Шаги» — точное слово. Оно не обещает, что к определённому году была собрана окончательная конструкция, в которой каждая деталь встала на место. В фундаментальной физике часто сначала появляется ряд надёжных опор, а лестницу между ними приходится строить следующему поколению.

Сам Гейзенберг включал Дирака и других исследователей в круг тех, кто закладывал основания высокоэнергетических исследований. В Нобелевской лекции он также перечислял Дирака, Паули, Йордана, Клейна, Вигнера и Ферми среди физиков, изучавших формализм квантовой теории волновых полей. Такой перечень не служит списком победителей; он показывает сеть идей, школ и методов, из которой складывалась новая область.

Почему поле оказалось удобным языком

Для медленных и сравнительно простых задач удобно думать о фиксированном числе частиц. Высокие энергии меняют картину: взаимодействие способно сопровождаться появлением новых объектов, а описание обязано учитывать такую возможность. Полевая формулировка оказалась естественным кандидатом, поскольку способна связывать частицы с возбуждениями соответствующих полей, а не относиться к каждому новому объекту как к незваному гостю в ранее закрытой бухгалтерской книге.

Однако естественность идеи ещё не делает её завершённой теорией. Нужно определить допустимые величины, правила их связи, способ вычислять наблюдаемые результаты и условия, при которых выводы не нарушают релятивистские требования. Ранний формализм приходилось проверять не только на изящество, но и на способность порождать осмысленные результаты для процессов с излучением и быстрыми частицами.

В Нобелевской лекции Гейзенберг считал согласование требований специальной относительности и квантовой теории открытой задачей. Он подчёркивал и то, что возможности формализма квантовой теории волновых полей ещё не исчерпаны. Это не жест отчаяния и не разрешение считать любой ответ верным. Скорее, честное признание: удачный язык уже найден, но его грамматика и область применимости ещё требуют работы.

Не фундамент одного человека

Поздний рассказ легко строится вокруг известного имени: Гейзенберг был знаменит благодаря матричной механике, значит, всё, к чему он прикасался, хочется назвать очередным законченным переворотом. Документы рисуют другую, более интересную картину. В Лейпциге существовала исследовательская программа, в Цюрихе работала другая группа, а развитие полевой теории шло через вклад многих авторов.

Такой взгляд не уменьшает участия Гейзенберга. Его место состоит в работе внутри программы, которая переносила квантовую физику в релятивистский и высокоэнергетический мир, а также в ясном понимании незавершённости задачи. В науке особенно ценна способность видеть не только найденную дверь, но и стену, в которой её ещё предстоит прорезать.

Ранние релятивистские квантовые поля поэтому лучше понимать как строительную площадку с уже возведёнными несущими конструкциями. Квантовая теория и относительность были слишком сильны, чтобы одна из них уступила другой; их нужно было научить работать вместе. Гейзенберг участвовал в этой работе наряду с Дираком, Паули, Йорданом, Клейном, Вигнером, Ферми и коллегами из нескольких школ — без одиночного лаврового венка, зато с реальной исторической ролью.