Построение физической модели

 

В квантовой механике доказывается, что систему взаимодействующих частиц можно описать, используя понятие квантового поля. При этом принято каждому виду взаимодействия ставить в соответствие свое квантовое поле. По современным представлениям, квантовое поле является наиболее фундаментальной и универсальной формой материи, лежащей в основе всех ее физических проявлений (как волновых, так и корпускулярных)*.

 

* Боголюбов Н. И., Ширков Д. В. Квантовые поля. М.: Физматлит, 1993.

 

Однако, несмотря на такую универсальность, концепция квантового поля в настоящее время используется только в физической теории микромира. Причины, мешающие расширить понятие квантового поля, включив в него и макроскопические объекты, носят принципиальный характер. Суть этих затруднений заключается в следующем. Если квантовое поле является свободным, то есть в нем нет никаких взаимодействий, а также отсутствует и самовоздействие, то его можно рассматривать как совокупность невзаимодействующих квантов этого поля. При наличии взаимодействий, например, между полями различных типов, независимость квантов утрачивается. В том случае, когда взаимодействия начинают играть доминирующую роль в динамике полей, утрачивается и плодотворность самого введения квантов этих полей. Поскольку с точки зрения квантовой теории поля все тела являются сложными многоуровневыми системами с практически бесконечным числом взаимодействующих квантовых полей, это делает невозможным их описание методами, применяемыми в данной теории. Но для предлагаемого здесь подхода это не становится непреодолимым препятствием, так как мы не стремимся к чисто предметному описанию, и понятие «кванта» поля уже не является обязательным, наоборот, мы хотим от него отойти.

Для начала можно попытаться воспользоваться методами статистической физики, хорошо зарекомендовавшими себя в аналогичной ситуации при описании свойств макроскопических тел, моделируемых совокупностью большого числа взаимодействующих атомов или молекул. Есть все основания надеяться, что, если свойства макроскопических тел и свойства составляющих их частиц качественно различны, то качественно отличаются друг от друга и квантовые поля самих макрообъектов и микрочастиц, из которых они состоят.

Справедливости ради следует отметить, что статистические методы широко используются в квантовой теории поля. Однако все они основаны на связи между уровнями энергии системы и числом частиц* (на распределении Гиббса, которое устанавливает вероятность нахождения подсистемы в состоянии с энергией W_nN и числом частиц N), то есть опять все замыкается на частицы, от чего мы хотим уйти. Необходимо действовать иначе.

 

* См., например: Абрикосов А. А., Горьков Л. П., Дзялошинский И. Е. Методы квантовой теории поля в статистической физике. М., 1962.

 

Попробуем рассуждать следующим образом. Рассмотрим пока в привычном представлении произвольную систему взаимодействующих частиц (например, твердое тело). Полную внутреннюю энергию тела, в соответствии с качественно различными типами взаимодействия, принято разделять на энергию межмолекулярных взаимодействий, энергию молекул, а также внутриатомную и ядерную энергию. Энергия самих молекул (атомов), в свою очередь, делится на электронную, колебательную и вращательную части, из них каждая следующая меньше по величине по сравнению с предыдущей. Кроме того, различают несколько типов взаимодействия частиц, зависящих от их спинов: обменное взаимодействие, связанное с возможностью перестановки одинаковых частиц; спин-орбитальное взаимодействие, происходящее от релятивистского взаимодействия движущегося магнитного момента с электрическими полями; непосредственное магнитное взаимодействие моментов. Обменное взаимодействие обычно значительно превышает два остальных.

Каждому из указанных выше взаимодействий соответствует свое квантовое поле. Таким образом, произвольный объект можно рассматривать как многоуровневую систему квантовых полей. Очевидно, что все эти поля сложным образом взаимодействуют друг с другом. В результате такого взаимодействия образуется единое квантовое поле объекта. Помимо локальных составляющих, обусловленных близкодействующими сильными внутриядерными взаимодействиями, оно содержит в себе нелокальные дальнодействующие поля и является наиболее полной характеристикой объекта, определяя не только его внутреннюю структуру, но и взаимодействие с другими, в том числе удаленными, объектами. Иными словами, энергию любого объекта можно разделить на две составляющих. Одна из них определяет форму тела и задает поверхность, отделяющую его от окружения. А вторая, связанная с микроскопическим движением частиц и энергиями их взаимодействий, выходит далеко за границы этой локальной формы (в пределе на бесконечность).

Для изучения закономерностей, которым подчиняются поведение и свойства объектов, моделируемых таким образом, попытаемся воспользоваться методами статистической физики. Чтобы обосновать возможность их применения, рассмотрим основные принципы квантовой статистики.

Согласно подходу, принятому в статистической физике*, в рассматриваемом объекте обычно выделяется достаточно малая, но еще макроскопическая подсистема. Она не является замкнутой и испытывает всевозможные воздействия со стороны остальных частей системы. Однако именно в силу сложности и запутанности внешних воздействий выделенная подсистема за достаточно большой промежуток времени многократно побывает во всех своих возможных состояниях. Поэтому, устремляя время на бесконечность, можно ввести величину p, которая характеризовала бы вероятность нахождения системы в определенном состоянии. Вводится она как предел отношения D t к Т, при Т ® ¥, где D t — та часть полного времени Т, в течение которого подсистема находилась в данном состоянии.

 

* Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Ч. I. М.: Наука, 1964. С. 15.

 

С учетом «почти непрерывности» энергетического спектра макроскопических тел обычно вводится квантовый аналог классического элемента фазового объема — число квантовых состояний d G замкнутой системы, приходящихся на определенный, бесконечно малый интервал значений ее энергии. Тогда вероятность состояний, лежащих в данном интервале энергии, записывают в виде dp = r d G. Функция r в аналогичном выражении классической статистики характеризует плотность распределения вероятности в фазовом пространстве и называется функцией статистического распределения (или просто функцией распределения) данного тела. В квантовой статистике ее заменяет матрица плотности в энергетическом представлении (статистическая матрица). Нахождение статистического распределения и является основной задачей статистики, поскольку знание матрицы плотности позволяет вычислять среднее значение любой величины, характеризующей систему, а также вероятности различных значений этих величин.

Матрица плотности в энергетическом представлении вводится следующим образом. Выделенная нами подсистема на протяжении малого промежутка времени является квазизамкнутой, поскольку ее внутренняя энергия намного больше энергии взаимодействия с другими подсистемами. Поэтому появляется возможность ввести понятие стационарных состояний, которые получаются при полном пренебрежении всеми взаимодействиями данной подсистемы с окружающими частями замкнутой системы. Обозначим через j_n (q) полный набор ортонормированных волновых функций этих состояний, где q условно обозначает совокупность всех координат подсистемы, а индекс n — совокупность всех квантовых чисел, отличающих различные стационарные состояния с энергией W_n. Предположим, что в данный момент времени подсистема находится в некоем полно описанном состоянии с волновой функцией Y. Ее можно разложить по функциям j_n (q) и с их помощью найти среднее значение любой физической величины. Переход от полного описания подсистемы к неполному, осуществляемому посредством матрицы плотности, можно рассматривать как усреднение по ее различным Y-состояниям. В результате такого усреднения получается двойной (по двум индексам) набор некоторых величин r_nm, которые и являются элементами матрицы плотности в энергетическом представлении.

Вероятность нахождения подсистемы в n -м состоянии будет равна соответствующему диагональному элементу r_nn матрицы плотности. Дальнейшие рассуждения позволяют сделать вывод, что исходное требование статистической независимости подсистем эквивалентно требованию диагональности матрицы r_nm, или, точнее, по мере уменьшения роли взаимодействий подсистем друг с другом, недиагональные элементы матрицы плотности стремятся к нулю. Задача определения статистического распределения, таким образом, сводится к вычислению вероятностей r_n = r_nn.

В квантовой статистике доказывается еще одно важное утверждение: статистическое состояние системы зависит только от ее энергии, и вероятности r_n могут быть выражены в виде функции только от величины уровня энергии r_n = r (W_n).

Следовательно, квантовая статистика позволяет, в принципе, исходя из одной только энергетической характеристики объекта, вычислять среднее значение любой величины, характеризующей систему, а также вероятности различных значений этих величин.

Одно из основных условий применимости методов квантовой статистики — наличие у макроскопического объекта «почти непрерывного» энергетического спектра. Этому условию удовлетворяют не только тела, описываемые системой взаимодействующих частиц, но и объекты, моделируемые системой квантовых полей. При этом появляется возможность описать не только внутренние свойства макроскопических объектов (иными словами, ограничиться решением предыдущей задачи с частицами в виде локальных полей), но и взаимодействие отдельных тел, поскольку каждое из них будет обладать нелокальными макроскопическими характеристиками, связанными с наличием дальнодействующих полей.

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 (лагранжев формализм)*. Он заключается в том, что произвольному объекту ставится в соответствие интеграл D, называемый действием, который имеет минимум, и вариация которого d D, следовательно, равна нулю. Важность этого понятия обусловлена тем, что действие D определяет 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.

 

* 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* с элементом объема dx = dx ⁰ dx ¹ dx ² dx ³ = сdtd x). Поэтому в теории поля (как классической, так и квантовой) основную роль играет не функция Лагранжа L (t), а лагранжиан L' (x).

 

* Если быть более точным, то пространством Минковского называется псевдоевклидово пространство четырех измерений с сигнатурой (– + + +) или (+ – – –). То есть квадраты составляющих четырехмерного вектора на временную и 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, отличающиеся прежде 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 самодостаточные элементы 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* 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».

 

* 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–волновое поле, 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. Хакен в «Квантовополевой теории 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 *, 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.

 

* 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* 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.

 

* 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.