Предложено решение вековой проблемы квантовой физики — как электрон реагирует на собственное электромагнитное поле

Физик из университета Ланкастера предложил радикальное решение вопроса о том, как заряженная частица, например электрон, реагирует на собственное электромагнитное поле.

Этот вопрос волновал физиков более 100 лет, но физик-математик доктор Джонатан Гратус предложил альтернативный подход, опубликованный в Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical с противоречивыми последствиями.

Хорошо известно, что если точечный заряд ускоряется, он производит электромагнитное излучение. Это излучение имеет как энергию, так и импульс, которые должны откуда-то исходить. Обычно предполагается, что они исходят от энергии и импульса заряженной частицы, демпфирующей движение.

История попыток рассчитать эту радиационную реакцию (также известную как радиационное затухание) восходит к Лоренцу в 1892 году. В то время значительный вклад внесли многие известные физики, включая Планка, Абрахама, Борна, Шотта, Паули, Дирака и Ландау. Активные исследования продолжаются и по сей день, и каждый год публикуется множество статей.

Проблема в том, что, согласно уравнениям Максвелла, электрическое поле в той точке, где находится точечная частица, бесконечно. Следовательно, сила, действующая на эту точечную частицу, также должна быть бесконечной.

Для перенормировки этой бесконечности использовались различные методы. Это приводит к хорошо известному уравнению Лоренца-Абрахама-Дирака.

К сожалению, это уравнение имеет хорошо известные патологические решения. Например, частица, подчиняющаяся этому уравнению, может бесконечно ускоряться без внешней силы или ускоряться до того, как будет применена какая-либо сила.

Существует также квантовая версия затухания излучения. По иронии судьбы, это одно из немногих явлений, где квантовая версия возникает при более низких энергиях, чем классическая.

Физики активно ищут этот эффект. Это требует «столкновения» электронов очень высокой энергии и мощных лазерных лучей, что является проблемой, поскольку самые большие ускорители частиц не расположены рядом с самыми мощными лазерами.

Однако запуск лазеров в плазму будет производить электроны высокой энергии, которые затем могут взаимодействовать с лазерным лучом. Для этого нужен только мощный лазер. Текущие результаты показывают, что реакция квантового излучения действительно существует.

Альтернативный подход заключается в рассмотрении множества заряженных частиц, где каждая частица реагирует на поля всех других заряженных частиц, но не на себя. До сих пор от этого подхода отказывались, поскольку предполагалось, что он не будет сохранять энергию и импульс.

Однако Джонатан Гратус показывает, что это предположение неверно, поскольку энергия и импульс излучения одной частицы исходят от внешних полей, используемых для ее ускорения.

Он говорит, что «спорные следствия этого результата заключаются в том, что классическая радиационная реакция может вообще не существовать. Поэтому мы можем рассматривать открытие квантовой реакции излучения как нечто, подобное открытию Плутона, которое было обнаружено после предсказаний, основанных на несоответствиях в движение Нептуна. Исправленные расчеты показали, что расхождений нет. Аналогично была предсказана, найдена и затем показана ненужность радиационной реакции».