Квантовая магия

Доронин Сергей Иванович

Чтобы сделать очередной шаг, связывающий статистическую физику и квантовую теорию поля, воспользуемся понятием статистического равновесия. Если в замкнутой макроскопической системе среднее значение полной энергии произвольной подсистемы и самой системы в целом имеют минимальное значение, то говорят, что она находится в состоянии статистического равновесия. Это утверждение является следствием того, что замкнутая система при достаточно большом времени наблюдения находится в состоянии, при котором макроскопические физические величины с большой относительной точностью равны своим средним значениям. Если в начальный момент времени система не находилась в состоянии статистического равновесия (например, испытывала внешнее воздействие, после чего вновь стала замкнутой), то в дальнейшем она должна перейти в состояние равновесия. Промежуток времени, в течение которого происходит переход к статистическому равновесию, называется временем релаксации. Под достаточно большим временем наблюдения подразумеваются большие, по сравнению со временем релаксации, времена.

Данное определение статистического равновесия системы (наличия минимума энергии) устанавливает непосредственную связь между

статистической физикой и квантовой теорией поля, поскольку дает возможность воспользоваться основополагающим принципом, лежащим в основе теории поля (в том числе и квантового). Это так называемый принцип наименьшего действия ( лагранжевформализм) [154] . Он заключается в том, что произвольному объекту ставится в соответствие интеграл D, называемый действием, который имеет минимум, и вариация которого D, следовательно, равна нулю. Важность этого понятия обусловлена тем, что действие Dопределяет физически наблюдаемые свойства системы. Исходя из этого принципа, получают все основные уравнения, характеризующие систему. Например, для системы, состоящей из объекта и внешнего поля, при нахождении уравнения поля считается заданным движение объекта в этом поле, и варьируются потенциалы поля, играющие здесь роль «координат» системы. При нахождении уравнения движения объекта считается заданным поле и варьируется траектория объекта.

154

Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М.Теория поля. М.: Наука, 1973.

Действие обычно записывают в виде интеграла по времени от функции Лагранжа L( t). Функция Лагранжа является функцией времени, зависит от динамических переменных системы и в механике записывается в виде суммы по всем составным частям системы. В случае непрерывной системы типа волнового поля эта сумма заменяется пространственным интегралом от плотности функции Лагранжа L'( x), которая называется лагранжианом(под пространством здесь понимается пространство событий Минковского— четырехмерное пространство-время [155] с элементом объема dx = dx ⁰ dx ¹ dx ² dx ³= с dtd x ). Поэтому в теории поля (как классической, так и квантовой) основную роль играет не функция Лагранжа L( t), а лагранжиан L'( x).

155

Если быть более точным, то пространством Минковскогоназывается псевдоевклидово пространство четырех измерений с сигнатурой ( ) или ( ). То есть квадраты составляющих четырехмерного вектора на временнуюи пространственные оси имеют разные знаки. Вследствие этого четырехмерный вектор, с отличными от нуля составляющими, может иметь нулевую длину. Такая геометрия называется псевдоевклидовой, в отличие от евклидовой, в которой квадрат расстояния между точками равен сумме квадратов проекций вектора, соединяющего эти точки.

Таким образом, есть все основания применить отмеченный выше формализм к нашей модели, которая описывает макроскопические тела в виде совокупности квантовых полей.

Перейдем теперь к более детальному построению модели. Разобьем весь энергетический спектр рассматриваемой системы W _n на интервалы в соответствии с различными видами энергий взаимодействия, указанными выше. Они могут и «накладываться» друг на друга, если это энергии одного порядка (например, в жидкостях энергия взаимодействия молекул и энергия их колебательного движения примерно равны). Выделенные интервалы представляют собой полевые объекты, отличающиесяпрежде всего средним значением плотности энергии, обычно они отделены друг от друга так называемыми энергетическими щелями. Полная внутренняя энергия системы в этом случае будет равна сумме энергий выделенных слоев, а также энергий их взаимодействия между собой. Таким образом, произвольный объект мы моделируем в виде совокупности совмещенных энергетических структур с качественно различными физическими характеристиками. Каждый из выделенных энергетических интервалов по-прежнему является «почти непрерывным», имеет равновесное состояние с минимумом энергии, и к каждому из них можно применить формализм, о котором говорилось выше. Теперь появляется возможность рассчитать значения физических величин и вывести уравнения движения не только для системы в целом, но и для каждой ее составляющей энергетической структуры в отдельности. Следовательно, мы можем описать не имеющие предметного воплощения объекты из менее плотных энергетических составляющих. Можно также описывать взаимодействие этих тонких квантовых структур и учитывать их влияние друг на друга.

Во избежание недопонимания напомню, что мы исходим из непрерывного описания реальности, то есть исходным здесь является понятие поля, в котором нет никаких частиц. В этом случае различные энергии взаимодействия нельзя рассматривать только как результат взаимодействия частиц между собой и делать вывод, что без частиц эти энергетические структуры не существуют. Согласно квантовой теории поля, сами частицы появляются как один из возможных

результатов взаимодействия непрерывных энергетических структур с измерительным прибором (в частности, с наблюдателем). При этом опровергается распространенное предубеждение, что различные энергии взаимодействия возникают лишь при объединении отдельных частиц в единую систему. Частицы как первичные и самодостаточныеэлементы реальности не существуют — это вторичные структуры, которые «проявляются» из нелокального состояния в результате декогеренции окружением. Термин «энергия взаимодействия» здесь не совсем удачен, но я использую его, чтобы было понятно, о чем идет речь, и чтобы согласовать предложенный подход с общепринятым описанием предметного мира.

Такой процесс «проявления» частиц из непрерывных полевых структур имеет четкий физический смысл, достаточно подробно формализован и является одним из наиболее важных разделов квантовой теории поля. Обычно он называется вторичным квантованием [156] полей. Хотя некоторые авторы стараются избегать этого термина. Например, Н. Н. Боголюбов говорит просто о квантовании полей и пишет, что «термин „вторичный“ подразумевает наличие первичного квантования. На самом деле квантование проводится только один раз, и этот термин оказывается дезориентирующим».

156

Термин «вторичный» отражает лишь историческую последовательность событий в процессе развития физики. Поскольку представления о предметном характере окружающего мира, с исторической точки зрения, были первыми, сначала был осуществлен переход частица — волновоеполе, который впоследствии назвали первичным квантованием. И лишь затем был выполнен переход волновое поле — частица (вторичное квантование).

В настоящее время ученые, особенно те, кто работает в области квантовой теории поля, достаточно отчетливо понимают, что одностороннего, предметного описания реальности недостаточно для полноценной характеристики объектов. Например, Х. Хакенв « Квантовополевойтеории твердого тела» пишет: «Как при первичном, так и при вторичном квантовании понятие частицы никоим образом не заменяется полностью понятием поля, и понятие поля никоим образом не заменяется понятием частицы. Более того, появляется новое двойственное представление: в зависимости от экспериментальных условий (в частном случае, при нашем восприятии окружающего мира.— С. Д.) проявляется либо корпускулярный, либо волновой характер поля».

Однако продолжим построение модели. Ситуация, когда физический объект моделируется как совокупность совмещенных энергетических структур, является не совсем обычной, поскольку в каждой точке мы имеем несколько наборов физических величин, каждый из которых относится к своей структуре. Подобная ситуация с успехом разрешается в механике сплошной среды при описании многофазных смесей (аэрозолей, суспензий, газовзвесей, пузырьковых жидкостей и т. д.). Делается это при помощи введения понятия многоскоростного континуума [157] , который представляет собой совокупность континуумов — каждый из них относится к своей фазе (твердой, жидкой или газообразной), входящей в состав многофазной среды, и характеризуется собственным набором физических величин. Если состав гетерогенной смеси удовлетворяет определенным ограничениям, то многофазную среду можно моделировать как совокупность непрерывных фаз в виде взаимопроникающих континуумов. Каждый элемент объема в этом случае содержит несколько плотностей, скоростей и других величин, относящихся к своей фазе. В нашей модели мы имеем аналогичную ситуацию — совокупность взаимопроникающих квантовых полей, когда в каждом элементарном объеме есть несколько наборов физических величин, относящихся к своему полю.

157

Нигматулин Р. И.Динамика многофазных сред. Ч. I. М.: Наука, 1987. С. 18.

Еще один момент, на который следует обратить внимание: мы можем предположить, что каждый из континуумов, то есть каждая энергетическая структура, имеет собственную метрику [158] пространства событий, зависящую, например, от средней плотности энергии данной структуры. Иными словами, каждая составляющая находится в собственном пространстве событий и в различной степени запутанности в соответствии со своими физическими характеристиками. Это предположение вполне обосновано, поскольку согласно теории декогеренции степень классичности объекта зависит от количества информации, которая в нем «записывается» при взаимодействии с окружением. Очевидно, что на носителях, имеющих различную плотность, можно записать разное количество информации, следовательно, чем меньше объемная плотность энергии поля, тем выше для него будет мера квантовой запутанности.

158

Метрика определяет геометрические свойства четырехмерного пространства-времени и характеризуется инвариантной (не зависящей от системы отсчета) величиной — квадратом четырехмерного интервала, определяющим пространственно-временную связь (квадрат «расстояния») между двумя бесконечно близкими событиями.

В соответствии с теми практическими задачами, на решение которых модель направлена, возможны разные степени ее приближения к реальной ситуации. В наиболее простом случае нулевого приближения можно считать метрику всех составляющих структур одинаковой и не учитывать взаимодействие между ними, а в дальнейшем, усложняя задачи и, соответственно, модель, — постепенно включать взаимодействие, различие в метриках и степени запутанности.

5.3. Уравнения движения в энергетическом представлении