Kvantinė lauko teorija

Straipsnis iš Vikipedijos, laisvosios enciklopedijos.

Informacija šiame straipsnyje nėra sutvarkyta.
Jei galite, prašome sutvarkyti šį puslapį. Tik tada bus galima ištrinti šį pranešimą.
Priežastys, dėl kurių straipsnis laikomas nesutvarkytu, aiškinamos straipsnyje Nesutvarkyti straipsniai.

Kvantinė lauko teorija, kvantinių reliatyvistinių sistemų su begaliniu laisvės laipsnių skaičiumi teorija tirianti fizinius laukus, elementariąsias daleles, jų sąveikas ir virtimą vienų kitomis. Taikoma ir kondensuotųjų medžiagų fizikos, superlaidininkų, kitų sistemų tyrimuose. Kvantinė lauko teorija atsirado kaip kvantinės mechanikos apibendrinimas ir išplėtojimas.

[taisyti] Samprata

Pagal šiuolaikinę sampratą kvantiniai laukai yra fundamentali ir universali materijos forma. Kvantinėje lauko teorijoje dalelės vaizduojamos kvantuotomis lauko normaliųjų svyravimų modomis – lauko kvantais. Pvz., fotonas yra elektromagnetinio lauko kvantas. Kvantinėje lauko teorijoje fizinis laukas apibūdinamas lauko funkcijomis, kurioms lygtys sudaromos remiantis fundamentaliaisiais principais (pvz., Langranžo ar Hamiltono formalizmas). Kiekviena dalelių sistema yra fizinis laukas, nusakomas lauko operatoriais, veikiančiais lauko būsenos funkciją. Būsenos kitimas randamas iš bendrosios Schrödingerio lygties, kurios Hamiltono operatorius pagal tam tikras taisykles užrašomas lauko operatoriais, lauko operatoriai užrašomi dalelių atsiradimo ir išnykimo operatoriais (antrinio kvantavimo principas). Lauko operatorių priklausomybę nuo keturmačio erdvėlaikio koordinačių nusako klasikinės lauko teorijos lygtys, kuriose lauko funkcijos pakeistos lauko operatoriais. Lauko teorijoje dalelių elementarumas reliatyvus. Kuo detalesnė teorija, tuo abstraktesnės jos sąvokos ir vaizdiniai.

[taisyti] Uždaviniai

Svarbus kvantinės lauko teorijos uždavinys – apskaičiuoti reiškinių, kai kinta dalelių skaičius ir rūšis, tikimybę. Kvantinės lauko teorijos reiškiniai vaizduojami Feinmano diagramomis. Dėl laukų sąveikos kvantinės lauko teorijos lygtys netiesinės, todėl jų sprendimas sudėtingas. Kai sąveika silpna, tinka trikdžių (nuosekliųjų artinių) metodas. Kitais atvejais remiamasi algebriniais metodais, naudojami kompiuteriniai skaičiavimai.

[taisyti] Simetrijos

Esminį vaidmenį kvantinėje lauko teorije vaidina simetrijos. Kvantinės lauko teorijoslygtys turi nekeisti pavidalo atliekant tam tikras simetrijos transformacijas (invariantiškumo savybė). Lauko lygčių invariantiškumas globalinių transformacijų atžvilgiu veda prie tvarių dydžių apibūdinančių sistemos ar dalelių savybes (energijos tvermė, el. krūvio tvermė, leptoninio krūvio tvermė). Invariantiškumas lokalinių transformacijų atžvilgiu (kalibruotės simetrija) veda prie naujų lygčių ir kalibruotinių laukų atsiradimo. Kalibruotiniai laukai neturi masės, jie užduoda ryšius ant dalelių sistemos ir atitinka sąveiką pernešančius laukus. Pavyzdžiui, elektromagnetinės sąveikos kalibruotinis laukas yra fotonų laukas.

[taisyti] Tyrimo sritys

Pagal tyrimo objektą skiriamos atskiros kvantinės lauko teorijos šakos. Viena jų – kvantinė elektrodinamika, nagrinėjanti elektromagnetinės sąveikos reiškinius. Ji labiausiai išplėtota šaka, o jos išvados patvirtintos daugybe eksperimentų. Kvantinė chromodinamika – tai stipriąją sąveiką nagrinėjanti teorija. Ji aprašo kvarkų, iš kurių sudaryti hadronai, dinamiką, aiškina jų savybes. Stipriąją sąveiką pernešantys 8 tarpusavyje sąveikaujantys kalibruotiniai laukai vadinami gliuonais. Jų dinamiką lemia spalvinio krūvio SU(3) kalibruotinės simetrijos grupė. Silpnosios sąveikos teorija aprašo leptonų bei kvarkų sąveiką pernešamą masyviais vektoriniais bozonais $W +$ , $W -$ ir $Z 0$ . Tai masyvus, tarpusavyje sąveikaujantys, SU(2) kalibruotinės simetrijos laukai. Jie įgyja masę sąveikaudami su Higso lauku. Teorijos numatyti bozonai rasti eksperimentiškai, todėl manoma, kad šios teorijos idėjos yra teisingos. Tačiau Higso laukas dar nėra surastas (2006). Silpnoji ir elektromagnetinės sąveikos apibendrinamos elektrosilpnosios sąveikos teorija. Didelių energijų srityje elektrosilpnąją sąveiką perneša keturi neturintys masės kalibruotiniai laukai ir masyvus Higso dalelių laukas. Mažų energijų srityje elektrosilpnosios sąveikos simetrija spontaniškai pažeidžiama ir elektrosilpnoji sąveiką skyla į elektromagnetinę ir silpnąją sąveiką. Kvantinė lauko teorija aprašanti elektrosilpnąją ir stipriąją sąveikas vadinama standartiniu modeliu. Nors standartinis modelis gerai atininka šiuolaikinius eksperimentinius duomenis, bet negali paaiškinti visų šiuo metu stebimų kvantinės lauko teorijos efektų.

[taisyti] Naujos kryptys

Nauja supersimetrinė kvantinė lauko teorija numato, kad visos dalelės ir sąveiką pernešantys laukai turi superpartneres daleles – sdaleles ir superpartnerius laukus – superlaukus. Superpartnerių įvedimas padeda išvengti standartinio modelio begalybių problemos didelių energijų srityje. Tačiau nėra vieningos supersimetrinės kvantinės lauko teorijos ir nei viena sdalelė ar superlaukas dar nėra stebėtas eksperimentiškai (2006). Didžiojo suvienijimo teorija, kuri taip pat nėra baigta, bando apjungti elektrosilpnosios ir stipriosios sąveikos teorijas į suvienytą kvantinę lauko teoriją. Gravitacinės sąveikos kvantinė teorija silpną gravitacinį lauką nusako kaip nesąveikaujančių lauko kvantų – gravitonų sistemą. Kvantiniai gravitacinio lauko efektai dažniausiai labai silpni, todėl dar nėra (2006) patikimų stebėjimo rezultatų, su kuriais būtų galima palyginti teorijos išvadas. Kvantinė gravitacijos teorija sujungta su didžiojo suvienijimo teorija vadinama visuotine kvantine lauko teorija.