[Перевод] Квантовые поля переносят энергию. Доказывает ли это, что они реальны?

Квантовые поля реальны или же являются лишь вычислительным инструментом? Три уникальных эксперимента показывают, что они переносят энергию. Если энергия реальна, то и квантовые поля реальны.

Итан Сигел, 1 октября 2026

Ключевые тезисы:

• Квантовая теория поля, разрабатываемая с конца 1920-х по 1940-е годы и далее, постулировала, что не только частицы, но и лежащие в их основе квантовые поля являются фундаментальными.

• На протяжении десятилетий учёные спорили о том, являются ли квантовые поля подлинно реальными или же представляют собой всего лишь удобный для описания поведения наблюдаемых частиц вычислительный инструмент?

• Но в последние годы ряд независимых экспериментов, по всей видимости, разрешил этот вопрос: квантовые поля переносят энергию, и это можно наблюдать. Если энергия реальна (а мы, безусловно, считаем, что это так), то реальны и квантовые поля.

Один из самых фундаментальных вопросов, возникающий на стыке физики и философии, столь же прост, сколь и загадочен: что такое реальность? Описывается ли реальность просто частицами, которые существуют, из которых состоим мы, с которыми мы взаимодействуем, которые мы можем наблюдать и измерять на фоне пространства‑времени, описываемого общей теорией относительности? Может ли оказаться, что описывать эти сущности как частицы в корне неверно, и следует ли их рассматривать как некий гибрид волны, частицы и вероятностной функции, как более полного описания каждого «кванта», существующего в нашей реальности? Мы можем пойти ещё глубже, отметив, что в основе всего сущего лежат поля, а «кванты», с которыми мы обычно взаимодействуем, — это лишь примеры (по крайней мере временно) устойчивых возбуждений этих полей?

Когда появилась квантовая механика, она принесла с собой осознание того, что величины, которые ранее считались вполне определёнными, такие как:

• положение и импульс частицы,

• её энергия и точка на шкале времени,

• её момент импульса в каждом из трёх пространственных измерений, которые мы можем измерить,

  больше не могут быть наделены объективно определёнными значениями.

Вместо этого квантовая физика привносит свойства вроде неотъемлемой неопределённости в то, что мы считали измеримым, и в результате мы можем описывать это лишь распределением вероятностей возможных значений в каждый момент времени. Сама по себе эта странность породила в начале ХХ века множество споров о природе реальности, и немалое количество этих споров продолжаются и по сей день.

Однако вскоре, с введением концепции квантовых полей, всё стало ещё более странным! На протяжении нескольких поколений физики спорили, являются ли эти квантовые поля подлинно реальными или же они представляют собой лишь вычислительный инструмент, полезный для математического моделирования той реальности, которую мы можем измерить, но не отражающий саму реальность. Почти столетие спустя мы практически уверены, что квантовые поля действительно реальны, и есть однозначная тому причина: они переносят энергию. Энергия — это то, что мы считаем в высшей степени реальным, и если энергия реальна, то реальны и квантовые поля. Вот три эксперимента, доказавшие, что квантовые поля действительно переносят энергию и, следовательно, реальны.

У квантовой теории поля весьма интересная история. Она возникла не потому, что кто‑то подумал: «Ну, у нас были классические частицы и классические поля, гравитация и электромагнетизм, и если частицы квантовые, то пусть и поля тоже будут квантовыми». Эта идея, возможно, витала в воздухе, но не она привела к созданию теории квантовых полей. Идея квантовых полей возникла из‑за того, что квантовая механика в том виде, в каком она первоначально понималась и предлагалась, содержала внутреннее противоречие.

Подумайте вот над каким аспектом нашей квантовой реальности. Классически то, что мы называем физическими свойствами, — «положение» и «импульс», представляют собой величины, являющиеся неотъемлемыми свойствами любой обладающей ими частицы. Квантовомеханически здесь возникает новое явление: мы понимаем, что измерение одного из этих свойств неизбежно вносит неопределённость в другое. Более того, чем точнее мы измеряем одну из этих сопряжённых переменных, тем больше неопределённости в другой сопряжённой переменной. Мы больше не можем рассматривать их как «свойства», а вынуждены обращаться с ними как с квантовомеханическими операторами, где мы можем знать лишь вероятность набора возможных исходов, а не единственное значение.

Для чего‑то вроде положения и импульса эти распределения вероятностей зависят от времени: положения, которые мы, вероятно, измерим, или импульсы, которые мы припишем частице, будут меняться и эволюционировать со временем. Но это указывало на ещё одну проблему, которую невозможно было обойти, поняв теорию относительности Эйнштейна: понятие времени различно для наблюдателей в разных системах отсчёта. Законы физики должны быть релятивистски инвариантны, давая одни и те же ответы вне зависимости от того, где вы находитесь и как быстро (и в каком направлении) вы движетесь.

Если квантовая физика зависит от времени, но теория относительности говорит, что время относительно, то как согласовать эти два положения? Необходимо, чтобы квантовая физика также включала эйнштейновскую теорию относительности. Исходная проблема состояла в том, что квантовая механика старой школы, описываемая уравнением Шрёдингера, даёт различные предсказания для наблюдателей в разных системах отсчёта: она, по сути, не является релятивистски инвариантной! Потребовались годы разработки, прежде чем были записаны первые уравнения, описывающие квантовое поведение материи релятивистски инвариантным образом, в том числе:

• уравнение Клейна‑Гордона, применимое к частицам со спином 0;

• уравнение Дирака, применимое к частицам со спином ½ (таким как электроны);

• уравнение Прока, применимое к частицам со спином 1 (таким как фотоны).

Это привело к картине, в которой мы описываем поля (такие как электрическое и магнитное), которые каждая частица порождает, а затем каждая квантовая частица может взаимодействовать с этими полями.

Однако это не решает проблему полностью. Что делать, например, если каждая порождающая поле частица обладает принципиально неопределёнными свойствами, такими как положение и импульс? Как можно порождать поле из распределения вероятностей, а не из точечной частицы? Что происходит, если рассмотреть совершенно неклассическую ситуацию, например электрон, проходящий через две щели? В этом случае определённо нельзя рассматривать электрическое поле, порождённое этим волнообразным, «размазанным» электроном, как исходящее из единственной точки и подчиняющееся классическим уравнениям Максвелла.

Подобные соображения вынудили нас перейти от простой квантовой механики к квантовой теории поля, которая не просто возвела определённые физические свойства в ранг квантовых операторов, но и возвела сами поля в ранг квантовых операторов.

Благодаря квантовой теории поля огромное число уже наблюдавшихся явлений наконец обрело смысл: введение операторов поля (в дополнение к «операторам частиц», таким как координата и импульс) позволило объяснить ряд явлений, которые были уже зафиксированы, но не имели физического объяснения. К ним относятся:

• рождение и аннигиляция пар частица‑античастица;

• радиоактивный распад атомных ядер и массивных нестабильных квантовых частиц (таких как мюон);

• квантовые поправки к магнитным моментам электрона (и мюона), включая вклады тонкой и сверхтонкой структуры;

• а также многие другие.

Но это не доказывало, что квантовые поля обязательно реальны. Всё ещё оставался вопрос, являются ли эти квантовые поля просто успешным математическим описанием частиц, подлинно составляющих нашу реальность, или же они реальны сами по себе.

Один из способов ответить на вопрос о том, «реально» ли что‑то, — спросить, что с этим можно сделать. Мы часто говорим, что «лучше один раз увидеть», но не всё реальное можно «увидеть» так, как видят обычную материю. Квантовые поля мы не можем измерить напрямую, но если мы можем совершать с ними действия вроде:

• извлечения из них энергии;

• использования их для совершения «работы» (то есть перемещения масс на определённое расстояние путём приложения силы);

• приведения их в такую конфигурацию, которая приводит к однозначному, наблюдаемому признаку, уникальному для квантовой теории поля,

то это может доказать их «реальность» в той мере, в какой о чём‑то, что нельзя измерить напрямую, вообще можно сказать, что оно физически реально. На сегодняшний день у нас есть уже три независимых эмпирических, экспериментальных доказательств того, что квантовые поля вполне реальны. Вот их описание.

1. Эффект Казимира

В теории квантовые поля всех типов — от электромагнитного, до слабого и сильного ядерных взаимодействий, пронизывают всё пространство. Один из способов визуализировать такое поле — представить серию квантовых флуктуаций, или волн со всевозможными длинами. В обычном пустом пространстве эти длины волн могут принимать любые значения и принимают их: то, что мы называем «энергией нулевых колебаний» пространства, или «основным состоянием» пустого пространства, возникает из суммы всех возможных вкладов таких волн.

Но представим себе установку барьеров, ограничивающих допустимые типы волн и их длин в данной области пространства. В физике мы обычно называем такие ограничения «граничными условиями», и они позволяют нам управлять всевозможными электромагнитными явлениями, включая радио‑ и телевизионные сигналы.

В 1948 году физик Хендрик Казимир понял, что если создать конфигурацию, в которой две параллельные проводящие пластины расположены очень близко друг к другу, то «допустимые» моды волн снаружи пластин будут бесконечны, тогда как между пластинами будет разрешено лишь некоторое их подмножество.

В результате, исключительно вследствие квантовых полей между ними, возникает разница между силами, действующими на пластины внутрь и наружу, причём конкретная сила зависит от точной конфигурации. Хотя в целом принималось, что эффект Казимира должен существовать, его измерение оказалось невероятно сложным.

К счастью, спустя 49 лет после того, как Казимир предсказал этот эффект, эксперименты наконец догнали теорию. В 1997 году Стив Ламоро (Steve Lamoreaux) разработал эксперимент, в котором использовались одна плоская пластина и участок сферы очень большого радиуса, чтобы рассчитать и измерить эффект Казимира между ними. И вот, экспериментальные результаты совпали с теоретическими предсказаниями с точностью более 95%, то есть лишь с небольшой погрешностью и неопределённостью.

С начала 2000-х годов эффект Казимира был измерен непосредственно между параллельными пластинами, а также был продемонстрирован интегрированный кремниевый чип для измерения силы Казимира даже между сложными геометриями. Если бы квантовые поля не были «реальны», этот вполне реальный эффект не имел бы физического объяснения.

2. Вакуумное двулучепреломление

В областях с очень сильными магнитными полями само пустое пространство, несмотря на то что оно не «состоит» ни из чего физического, должно намагничиваться, поскольку квантовые поля в этой области пространства испытывают влияние внешнего поля. В реальной Вселенной такую естественную лабораторию предоставляют пульсары: они порождают магнитные поля, в миллиарды раз превышающие даже поля сильнейших электромагнитов, созданных в земных лабораториях. Когда свет проходит через это сильно намагниченное пространство, он должен поляризоваться, даже если изначально он был полностью неполяризованный.

Предсказание этого эффекта, известного как вакуумное двулучепреломление, восходит к Вернеру Гейзенбергу. Однако впервые наблюдался он лишь в 2016 году, когда группа исследователей изучила удивительно «спокойную» нейтронную звезду, расположенную в 400 световых годах от нас: RX J1856.5–3754. Это был самый тусклый объект, для которого когда‑либо измерялась поляризация, и тем не менее степень линейной поляризации оказалась большой и значимой: 16%. Без усиливающего эффекта вакуумного двулучепреломления в пустом пространстве, окружающем этот пульсар, такую поляризацию объяснить невозможно. И вновь эффекты квантовых полей проявляются однозначно и измеримо.

3. Эффект Швингера

Вместо магнитных полей представим, что у нас есть чрезвычайно сильное электрическое поле — гораздо более сильное, чем можно создать на Земле. Вместо магнитной поляризации квантовый вакуум станет электрически поляризованным: подобно тому, как заряды мигрируют к противоположным концам батареи или иного источника напряжения.

В глубинах пустого пространства происходят квантовые флуктуации всех типов, включая редкое, но важное рождение пар частица‑античастица. Самые лёгкие заряженные частицы — это электрон и его античастица, позитрон, и именно эти частицы ускоряются сильнее всего (благодаря своей малой массе) в присутствии электрического поля.

В обычных условиях эти пары частица‑античастица аннигилируют обратно в «ничто» прежде, чем их можно обнаружить. Но если достаточно сильно увеличить напряжённость электрического поля, возможно, электрон и позитрон уже не смогут найти друг друга, поскольку они будут разведены в стороны эффектами электрически поляризованного пустого пространства, в котором они существуют.

В теории, такие поля должны обеспечивать условия внутри нейтронной звезды, и можно было бы создавать новые пары частица‑античастица из энергии электрического поля по самой знаменитой формуле Эйнштейна: E = mc². Однако мы не можем ставить эксперименты в таких условиях и не можем воссоздать их на Земле, и в результате большинство исследователей оставили надежду когда‑либо проверить эффект Швингера.

Но в начале 2022 года группа исследователей всё же сделала это. Используя графеновую структуру, известную как сверхрешётка, где несколько слоёв материалов создают периодические структуры, авторы этой работы приложили электрическое поле и индуцировали спонтанное рождение электронов и «дырок», которые являются аналогом позитронов в физике конденсированного состояния, за счёт отбора энергии из приложенного электрического поля.

Единственным способом объяснить наблюдаемые токи был этот дополнительный процесс спонтанного рождения электронов и «дырок», и детали процесса совпали с предсказаниями Швингера, сделанными ещё в 1951 году.

Разумеется, можно утверждать, что квантовые поля должны были стать реальностью с самого начала — с момента первого наблюдения лэмбовского сдвига в 1947 году. Электроны в 2 s‑орбитальном состоянии водорода занимают несколько иной энергетический уровень, чем электроны в 2 p‑орбитальном состоянии, и это различие не возникает ни в нерелятивистской квантовой механике, ни даже в релятивистской квантовой механике; для его объяснения нужна квантовая теория поля. Знаменитый эксперимент ранних дней квантовой физики — эксперимент Лэмба‑Резерфорда обнаружил это ещё до того, как первая современная квантовая теория поля, квантовая электродинамика, была разработана Швингером, Фейнманом, Томонагой и другими.

Тем не менее предсказать эффект до его наблюдения — это нечто особенное, в отличие от объяснения уже наблюдавшегося эффекта постфактум. Именно поэтому три выделенных здесь явления: эффект Казимира, вакуумное двулучепреломление и эффект Швингера выделяются среди любых первоначальных стимулов для формулирования квантовой теории поля. Они были предсказаны теорией в первую очередь и были предсказаны вообще только потому, что у нас уже была картина квантовой теории поля. Обнаружение всех трёх явлений произошло позже.

Существует возможная связь между квантовой теорией поля и Вселенной на самых больших масштабах. Наблюдаемый эффект тёмной энергии, вызывающий ускоренное расширение Вселенной, ведёт себя идентично тому, чего следовало бы ожидать при малом, но положительном, ненулевом значении энергии нулевых колебаний пустого пространства. По состоянию на 2026 год эта возможная связь остаётся спекулятивной, из области предположений, поскольку расчёт энергии нулевых колебаний пространства выходит за пределы возможностей современной физики. Тем не менее, тот факт, что квантовые поля переносят энергию и оказывают как вычислимые, так и измеримые воздействия на свет и материю во Вселенной, убедительно свидетельствует о том, что (в той мере, в какой вообще можно утверждать, что что‑то «реально»), эти квантовые поля являются реальными. Возможно, если природа будет благосклонна, мы когда‑нибудь обнаружим ещё более глубокую связь между квантовой теорией поля и космической Вселенной, которую мы все населяем.

Эта статья была впервые опубликована в феврале 2023 года. Обновлена в октябре 2026 года.

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

75%Да, как и утверждается в статье3

25%Нет, это математическая конструкция, и то, что они переносят энергию, не доказывает их реальность1