kvantinė lauko teorija

kvántinė laũko teòrija, kvantinių reliatyvistinių sistemų teorija, tirianti fizikinius laukus, elementariąsias daleles, jų sąveiką ir vienų virtimą kitomis. Taikoma ir kondensuotųjų medžiagų fizikoje, superlaidininkų, kitų sistemų su begaliniu laisvės laipsnių skaičiumi tyrimuose. Kvantinė lauko teorija yra kvantinės mechanikos apibendrinimas ir išplėtojimas. Kvantinėje lauko teorijoje dalelės vaizduojamos lauko kvantais (pvz., fotonas – elektromagnetinio lauko kvantas), fizikinis laukas apibūdinamas lauko funkcijomis, kurioms lygtys sudaromos remiantis fundamentaliaisiais principais (pvz., Lagrange’o arba Hamiltono formalizmas). Dalelių sistema yra fizikinis laukas, nusakomas lauko operatoriais, o lauko operatoriai gali būti užrašomi dalelių atsiradimo ir išnykimo operatoriais (antrinio kvantavimo principas). Lauko operatorių priklausomybę nuo erdvėlaikio koordinačių nusako klasikinės lauko teorijos lygtys, kuriose lauko funkcijos pakeistos lauko operatoriais. Kvantinėje lauko teorijoje esminiai yra priežastingumo, lokalumo ir Lorentzo kovariantiškumo principai (reliatyvumo teorija). Svarbus kvantinės lauko teorijos uždavinys – apskaičiuoti reiškinių, kai kinta dalelių skaičius ir rūšis, tikimybę. Kvantinės lauko teorijos vyksmai gali būti vaizduojami Feynmano diagramomis. Dėl laukų sąveikos kvantinės lauko teorijos lygtys yra netiesinės, todėl jų sprendimas sudėtingas. Kai sąveika silpna, tinka trikdžių (nuosekliųjų artinių) metodas. Kvantinėje lauko teorijoje labai svarbi simetrija: atliekant tam tikras simetrijos transformacijas kvantinės lauko teorijos lygtys turi nekeisti pavidalo. Lauko lygčių invariantiškumas globaliųjų transformacijų atžvilgiu lemia sistemą ar daleles apibūdinančių dydžių tvarumą (energijos, elektros krūvio, leptoninio krūvio tvermė), o invariantiškumas lokaliųjų transformacijų atžvilgiu (kalibruotės simetrija) – naujus sąryšius, lygtis ir kalibruotinius laukus (pvz., elektromagnetinės sąveikos kalibruotinis laukas yra fotonų laukas). Kalibruotiniai laukai neturi masės, jie lemia papildomus dalelių sistemos ryšius ir atitinka sąveiką perduodančius laukus. Pagal tyrimo objektą skiriamos kvantinės lauko teorijos šakos, viena jų – kvantinė elektrodinamika, nagrinėjanti elektromagnetinės sąveikos reiškinius. Ji yra labiausiai išplėtota kvantinės lauko teorijos šaka, o išvados patvirtintos eksperimentais. Kvantinė chromodinamika yra stipriąją sąveiką nagrinėjanti teorija: nusako kvarkų, iš kurių sudaryti hadronai, dinamiką, aiškina jų savybes. Stipriąją sąveiką lemia 8 tarpusavyje sąveikaujantys gliuonai, jų dinamiką – spalvinio krūvio SU(3) kalibruotinės simetrijos grupė. Silpnosios sąveikos teorija nusako leptonų ir kvarkų sąveiką, perduodamą masyviais vektoriniais W⁺, W^– ir Z⁰ bozonais – tarpusavyje sąveikaujančiais SU(2) kalibruotinės simetrijos laukais. Masę jie įgyja dėl savaiminių simetrijos pažaidų. Silpnąją ir elektromagnetinę sąveiką susieja elektrosilpnosios sąveikos teorija. Kvantinė lauko teorija, nusakanti elektrosilpnąją ir stipriąją sąveiką, vadinama standartiniu modeliu, jis gerai atitinka šiuolaikinius eksperimentinius duomenis, bet negali paaiškinti visų aptiktų kvantinės lauko teorijos efektų. Didžiąja sieties teorija, kuri nėra baigta, siekiama elektrosilpnosios ir stipriosios sąveikos teorijas sujungti į vieną bendrą kvantinę lauko teoriją. Kvantiniai gravitacijos lauko efektai dažniausiai labai silpni, todėl dar nėra patikimų stebėjimo rezultatų, su kuriais būtų galima palyginti teorijos išvadas. Kvantinė gravitacijos teorija, sujungta su didžiosios sieties teorija, vadinama visuotine kvantine lauko teorija. Nauja supersimetrinė kvantinė lauko teorija numato, kad visos dalelės ir sąveikas perduodantys laukai turi superpartneres daleles – s daleles ir superpartnerius laukus – superlaukus, tai padeda išvengti standartinio modelio prieštaringumo nagrinėjant didelės energijos kvantines sistemas. Fundamentalios stygų teorijos siekia kvantinę mechaniką susieti su bendrąja reliatyvumo teorija, t. p. visas sąveikos jėgas. Šios teorijos numato didesnio matumo objektus (vadinamas branas), egzistuojančius vienuolikmačiame erdvėlaikyje. Penkių superstygų teorijų apibendrinimas yra M teorija. Manoma, ja remiantis bus sukurta vientisa visus fizikinius reiškinius nusakanti teorija (vadinama visko teorija).