Розділ без назви (19)

Фейнман зрозумів: у другій системі відліку здаватиметься, що електрон деякий час рухається вперед у часі, тоді деякий час назад у часі, а тоді знову вперед у часі. Але як виглядатиме електрон, що рухається назад у часі? Оскільки електрон заряджений негативно, негативний заряд, який рухається назад у часі праворуч, еквівалентний позитивному заряду, що рухається вперед у часі ліворуч. Таким чином, попередній рисунок еквівалентний такому:

На цьому рисунку спершу маємо електрон, який рухається вперед у часі, а через деякий час нізвідки виникають іще один електрон і частинка, схожа на електрон, проте з протилежним зарядом, і позитивно заряджена частинка рухається ліворуч і знов-таки вперед у часі, доки не стикається з початковим електроном, у результаті чого вони анігілюють і залишається тільки другий електрон, який продовжує свій рух.

Усе це відбувається на часових масштабах, які неможливо спостерігати безпосередньо, бо, якби це було можливо, така дивна поведінка, що порушує постулати теорії відносності, була б неможлива. Зрештою, можете бути певні, що такі процеси безперервно відбуваються всередині сторінки книги, яку ви зараз читаєте, чи під екраном вашої електронної читалки.

Утім, якщо така траєкторія можлива в невидимому квантовому світі, то у видимому світі повинні існувати античастинки — частинки, ідентичні відомим частинкам, проте з протилежним електричним зарядом (які в рівняннях цієї теорії з’являються у вигляді частинок, що мандрують у часі назад). Також це вможливлює появу пар «частинка — античастинка» з нічого за умови, що вони анігілюють упродовж достатньо короткого періоду часу, щоб їхнє існування було неможливо зафіксувати.

Міркуючи таким чином, Фейнман не лише надав фізичне обґрунтування існування античастинок, необхідне для об’єд­нання теорії відносності й квантової механіки, а й продемонстрував, що в жоден момент часу ми не можемо стверджувати, що на деякій ділянці наявні лише одна чи дві частинки. На закоротких для вимірювання часових масштабах може спонтанно виникати й зникати потенційно нескінченна кількість «віртуальних» пар «частинка — античастинка» — пар частинок, чиє існування настільки швидкоплинне, що їх неможливо спостерігати безпосередньо.

Усе це звучить настільки дико, що має викликати у вас скепсис. Урешті-решт, якщо ми не можемо безпосередньо зафіксувати ці віртуальні частинки, як можна стверджувати, що вони взагалі існують?

Відповідь звучить так: хоча ми неспроможні безпосередньо засікти вплив цих віртуальних пар «частинка — античастинка», можемо опосередковано зробити висновок про їх наявність, оскільки вони здатні опосередковано впливати на властивості систем, які ми спроможні спостерігати.

Теорія, яка охоплює ці віртуальні частинки разом з електромагнітними взаємодіями електронів і позитронів, дістала назву квантової електродинаміки й наразі є нашою найкращою нау­ковою теорією. Передбачення на основі цієї теорії порівнювалися зі спостереженнями й збіглися з ними з точністю до більш ніж десяти знаків після коми. Подібний рівень точності збігу спостереження з передбаченням на основі безпосереднього застосування фундаментальних принципів у найбільш базових масштабах, які тільки можна описати, недосяжний у жодній іншій галузі науки.

Проте таке узгодження теорії зі спостереженнями можливе лише тоді, коли враховуються впливи віртуальних частинок. Урешті-решт із самого феномену віртуальних частинок випливає, що у квантовій теорії сили взаємодії частинок завжди передаються шляхом обміну віртуальними частинками в спосіб, який буде описано нижче.

У квантовій електродинаміці електромагнітні взаємодії відбуваються шляхом поглинання чи випромінювання квантів електромагнетизму, себто фотонів. За Фейнманом цю взаємодію можна зобразити у вигляді електрона, який випромінює хвилястий «віртуальний» фотон (g) і змінює напрямок руху:

Тоді електричну взаємодію між двома електронами можна зобразити так:

У цьому випадку електрони взаємодіють один з одним шляхом обміну віртуальним фотоном, який спонтанно випромінюється електроном ліворуч і поглинається іншим електроном упродовж настільки короткого часу, що цей фотон неможливо спостерігати. Унаслідок взаємодії електрони взаємовідштовхуються й віддаляються один від одного.

Це також пояснює, чому електромагнетизм є далекосяжною силою. Принцип невизначеності Гайзенберга стверджує, що, якщо вимірювати систему впродовж деякого проміжку часу, виникне пов’язана з цим невизначеність виміряної енергії системи. Мало того, зі збільшенням відрізка часу пов’язана з цим невизначеність енергії меншає. Оскільки фотон не має маси, то, скориставшись Ейнштейновим відношенням між масою й енергією, отримаємо, що в момент створення безмасовий фотон може нести необмежено малу кількість енергії. Це означає, що до поглинання він може рухатися впродовж необмежено тривалого часу — а отже, подолати необмежено велику відстань — і все одно буде захищений принципом невизначеності, оскільки енергія, яку він може нести, настільки мала, що жодного помітного порушення закону збереження енергії не станеться. Таким чином, електрон на Землі може випромінити віртуальний фотон, який зможе долетіти до Альфи Центавра, яка перебуває на відстані чотирьох світлових років, і там із силою подіяти на електрон, який його поглине. Проте якби фотони були не безмасовими, а мали якусь масу спокою m, вони могли б нести в собі якусь мінімальну кількість енергії, що визначалася б за формулою E = mc2, а отже, були б здатні подолати лише скінченну відстань (себто рухатися впродовж скінченного відрізка часу) перед тим, як вони мали б бути обов’язково поглинуті, аби не спричинити жодного видимого порушення закону збереження енергії.

Проте з цими віртуальними частинками пов’язана потенційна проблема. Якщо можна обмінюватися однією частинкою чи якщо спонтанно з вакууму може виникнути одна пара «частинка — античастинка», чому їх не може бути дві, три чи взагалі нескінченна кількість? Мало того, якщо віртуальні частинки повинні зникнути за час, обернено пропорційний енергії, яку вони переносять, що заважає частинкам вигулькувати з нічого, несучи необмежено велику кількість енергії та існуючи впродовж необмежено малого проміжку часу?

Коли фізики спробували врахувати ці наслідки у своїх обрахунках, вони дістали нескінченні результати.

Рішення? Не зважати на них.