Квантовая теория поля
(КТП) – теория релятивистских квантовых явлений, описывающая элементарные
частицы, их взаимодействия и взаимопревращения на основе фундаментального
и универсального понятия квантованного физического поля. КТП – наиболее
фундаментальная физическая теория. Квантовая механика является частным случаем
КТП при скоростях, много меньших скорости света. Классическая теория поля
следует из КТП, если постоянную Планка устремить к нулю.
В основе КТП лежит представление о том, что все элементарные
частицы являются квантами соответствующих полей. Понятие квантового поля
возникло в результате развития представлений о классическом поле и частицах
и синтеза этих представлений в рамках квантовой теории. С одной стороны
квантовые принципы привели к пересмотру классических взглядов на поле как
на непрерывно распределённый в пространстве объект. Возникло представление
о квантах поля. С другой стороны частице в квантовой механике ставится в
соответствие волновая функция ψ(x,t), имеющая смысл амплитуды волны, причем
квадрат модуля этой амплитуды, т.е. величина |ψ|2 даёт
вероятность обнаружить частицу в той точке пространства-времени, которая
имеет координаты x, t. В результате с каждой материальной частицей оказалось
связано новое поле – поле амплитуд вероятности. Таким образом, на смену
полям и частицам – принципиально разным объектам в классической физике –
пришли единые физические объекты – квантовые поля в 4-х мерном пространстве-времени,
по одному для каждого сорта частиц. Элементарное взаимодействие при этом
рассматривается как взаимодействие полей в одной точке или мгновенное превращение
в этой точке одних частиц в другие. Квантовое поле оказалось наиболее фундаментальной
и универсальной формой материи, лежащей в основе всех её проявлений.
 Простейшая диаграмма Фейнмана для рассеяния электронов. |
На основе такого подхода рассеяние двух электронов,
испытавших электромагнитное взаимодействие, можно описать следующим образом
(см. рисунок). Вначале были два свободных (невзаимодействующих) кванта электронного
поля (два электрона), которые двигались навстречу друг другу. В точке 1
один из электронов испустил квант электромагнитного поля (фотон). В точке
2 этот квант электромагнитного поля был поглощён другим электроном. После
этого электроны удалялись, не взаимодействуя. В принципе аппарат КТП позволяет
рассчитывать вероятности переходов от исходной совокупности частиц к заданной
совокупности конечных частиц под влиянием взаимодействия между ними.
В КТП наиболее фундаментальными (элементарными) полями в настоящее
время являются поля, связанные с бесструктурными фундаментальными частицами
со спином 1/2, - кварками и лептонами, и поля, связанные с квантами-переносчиками
четырёх фундаментальных взаимодействий, т.е. фотоном, промежуточными бозонами,
глюонами (имеющими спин 1) и гравитоном (спин 2), которые называют фундаментальными
(или калибровочными) бозонами. Несмотря на то, что фундаментальные взаимодействия
и соответствующие им калибровочные поля имеют некие общие свойства, в КТП
эти взаимодействия представлены в рамках отдельных полевых теорий: квантовой
электродинамики (КЭД), электрослабой теории или модели (ЭСМ), квантовой
хромодинамики (КХД), а квантовой теории гравитационного поля пока не существует.
Так КЭД – это квантовая теория электромагнитного поля и электронно-позитронного
полей и их взаимодействий, а также электромагнитных взаимодействий других
заряженных лептонов. КХД – квантовая теория глюонных и кварковых полей и
их взаимодействий, обусловленных наличием у них цветовых зарядов.
Центральной проблемой КТП является проблема создания единой теории,
объединяющей все квантовые поля.
См. Также