LITMIR.BIZ

      RYSUNEK 9. (a) Opiłki żelaza rozsypane na umieszczonej nad magnesem sztabkowym kartce papieru ukazują „linie sił” pola magnetycznego, rozciągające się między biegunem północnym a południowym. (b) Schemat rozkładu „linii sił” pola. Zgodnie z konwencją linie sił „biegną” od bieguna północnego do południowego.

      Natura pola zależy od natury mierzonej właściwości. Pole może być skalarne, co oznacza, że ma wartość, lecz nie działa wzdłuż żadnego szczególnego kierunku w przestrzeni – nie przyciąga ani nie odpycha. Może też być polem wektorowym, czyli mieć określoną wartość i kierunek, jak pole elektromagnetyczne czy staromodne pole grawitacyjne Newtona. Wreszcie może być polem tensorowym, wyszukaną wersją pola wektorowego odpowiednią w sytuacji, gdy mamy do czynienia z bardziej skomplikowaną geometrią niż powszednia geometria euklidesowa. Pola tensorowe pojawiają się w równaniach pola ogólnej teorii względności.

      Zasadniczo rzecz biorąc, „cząstka” w kwantowej teorii pola to podstawowy kwant pola, elementarna fluktuacja, zaburzenie czy też wibracja pola. I tak na przykład elektron jest kwantem pola elektrycznego. Foton jest kwantem pola elektromagnetycznego.

      Fizykom pracującym nad wczesnymi wersjami kwantowej teorii pola zaczęło świtać, że znaleźli całkiem nowy sposób rozumienia, jak działają siły między cząstkami kwantowymi. Wyobraźmy sobie, że odbijamy od siebie dwa elektrony (techniczne określenie to „rozpraszanie”). Możemy założyć, że zbliżając się do siebie w przestrzeni i czasie, czują one wzajemne odpychanie, generowane przez ich ujemne ładunki elektryczne.

      Tylko jak? Moglibyśmy spekulować, że każdy z poruszających się elektronów generuje pole elektromagnetyczne i wzajemne odpychanie daje się odczuć tam, gdzie pola się nakładają. Podobne odpychanie czujemy, próbując zbliżyć do siebie dwa bieguny północne magnesów sztabkowych. Jednak w królestwie kwantów pola są również stowarzyszone z cząstkami, a oddziaływanie pól z oddziaływaniem cząstek. W 1932 roku niemiecki fizyk Hans Bethe oraz włoski fizyk Enrico Fermi wysunęli hipotezę, że odczuwanie siły jest wynikiem zachodzącej między tymi dwoma elektronami wymiany fotonów.

      Odległość między zbliżającymi się elektronami maleje, by w końcu osiągnąć pewną krytyczną wartość, przy której dochodzi do wymiany fotonu. W ten sposób cząstki doświadczają działania siły elektromagnetycznej. Przechodzący między cząstkami foton przenosi pęd z jednego elektronu do drugiego, tym samym zmieniając pęd każdego z nich. Zachodzi odpychanie, obydwie cząstki zmieniają swoją prędkość i kierunek, co skutkuje tym, że oddalają się od siebie.

Podlegający wymianie foton jest cząstką „wirtualną”, ponieważ jest przekazywany bezpośrednio między elektronami i nie jesteśmy w stanie zaobserwować jego przejścia. Właściwie w ogóle nie ma mowy o czymś takim jak kierunek przemieszczania się fotonu. Na diagramach ilustrujących oddziaływanie wymiana fotonu wirtualnego zaznaczana jest po prostu zygzakiem, bez wskazywania kierunku ruchu między elektronami (zob. rysunek 10)23.