Число частиц относится к количеству элементарных частиц (таких как электроны, фотоны или кварки) в данной системе. В классической физике это число обычно фиксировано, но в релятивистских квантовых теориях, особенно в квантовой теории поля, число частиц не сохраняется. Частицы могут создаваться и уничтожаться в результате взаимодействий, и даже вакуум может флуктуировать с виртуальными парами частица-античастица.
История
Несохранение числа частиц возникло в 1930-х годах с развитием квантовой электродинамики, особенно благодаря работам Поля Дирака и позднее программе перенормировок 1940-х годов. Полные последствия были прояснены с появлением квантовой теории поля.
Как это работает
В квантовой теории поля частицы являются возбуждениями лежащих в основе полей. Оператор числа частиц, который подсчитывает частицы, не коммутирует с гамильтонианом в теориях с взаимодействием, что означает, что число частиц может меняться со временем. Например, электрон и позитрон могут аннигилировать, образуя два фотона, а высокоэнергетический фотон может породить пару электрон-позитрон. Концепция числа частиц становится особенно тонкой в искривлённом пространстве-времени, где ускоряющийся наблюдатель воспринимает иное содержание частиц, чем инерциальный (эффект Унру).
Где применяется
Несохранение числа частиц существенно в ускорителях частиц, где столкновения создают новые частицы, и в космологии, где рождение частиц в ранней Вселенной объясняет асимметрию материи и антиматерии.
Любопытный факт
В стандартной модели полное барионное число (тип числа частиц) сохраняется с высокой точностью, но некоторые процессы, такие как сфалероны, могут нарушать его, что потенциально объясняет, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии.
Когда тяжёлое атомное ядро раскалывается на два осколка, между ними остаётся невидимая квантовая нить. Эта нить — запутанность: состояние одного осколка мгновенно связано с состоянием другого, как будто они всё ещё единое целое. Физики впервые точно рассчитали, насколько длинной и прочной бывает такая нить, проследив за делением ядра шаг за шагом.
Квантовый мир полон странных связей. Две частицы могут оказаться «спутанными»: состояние одной мгновенно влияет на другую, даже если их разделяют километры. Но как понять, спутаны ли они на самом деле? Это похоже на моток ниток: с первого взгляда не ясно, единый ли это клубок или просто перепутанные обрывки.
Нейтрино — настоящие призраки микромира. Почти без массы, без заряда, они проходят сквозь планеты, словно через пустоту. Но внутри каждого нейтрино прячется не одна частица, а три — три «аромата» (электронный, мюонный и тау), которые постоянно перетекают друг в друга. Этот танец называют осцилляциями.
Странный вышел бы бильярд, если бы шары не имели массы. Они бы не сталкивались, а проходили друг сквозь друга, не замечая препятствий. Примерно так выглядит попытка представить свет как поток классических частиц — маленьких упругих телец, летящих по прямой. Новое доказательство ставит на этой картине крест.
Свет, падающий в чёрную дыру, несёт информацию — например, каким путём шёл фотон. Горизонт (поверхность, из-под которой ничто не возвращается) реагирует на это изменением своей энтропии — меры неупорядоченности, похожей на число перемешанных страниц в книге.
Гравитация в представлении общей теории относительности подобна натянутому батуту: массивные тела продавливают его, создавая искривление, которое заставляет другие тела скатываться к ним. Это общее искривление пространства-времени — гравитация — действует на всё вещество, но не передаёт никакой скрытой информации.
Одна из главных нерешённых задач современной физики — объединение общей теории относительности, описывающей искривление пространства-времени под действием массивных тел, и квантовой механики, управляющей поведением частиц в микромире.
Попытка подавить фоновый шум комнаты добавлением противозвука оборачивается воем динамиков, если в схеме ошибка. Похожий сбой произошёл с теорией, которая бралась убрать главный гул космоса — необъяснимо слабую тёмную энергию.
Свет представляет собой поток дискретных порций — фотонов. Именно Макс Планк впервые осознал, что свет испускается квантами, положив начало квантовой теории. Сегодня технологии позволяют направлять одиночные фотоны. Когда такой фотон — квант электромагнитного поля — встречает быстрый затвор, его нельзя разделить: полуфотона не существует.
Свет бьёт по металлической пластинке, и из неё вылетают электроны. Это фотоэффект, и он работает только если у света хватает энергии перешагнуть порог, удерживающий электроны внутри. До сих пор физики умели строго описывать волновую сторону квантового мира через квантовую когерентность, то есть способность состояния быть суперпозицией.
