Квазичастицы. 
Метод объектов носителей качеств

Квазичастицы. Приставка квази- (лат. quasi — как будто, будто бы) соответствует по значению слову «ненастоящий». То есть квазичастицы — это ненастоящие частицы. Тем не менее это полноправные элементы описания конденсированного состояния вещества.

Теоретическое описание поведения и свойств твердых тел и жидкостей исходя из свойств составляющих их ионов, атомов, молекул и электронов, практически невозможно, так как это есть ансамбль большого числа (в одном кубическом сантиметре порядка 10²² частиц) взаимодействующих частиц. Кроме того, эти образования состоят из квантовых объектов, и описание их проводится на основе квантовых представлений. Но выход был найден. Оказалось, что энергию конденсированных тел можно представить состоящей из двух частей: энергии основного состояния, т. е. состояния системы при абсолютном нуле температуры; и энергии возбуждения, которая много меньше энергии первой части. Вторую часть можно представить как набор элементарных возбуждений. И если их проквантовать, то это будет набор квантов. Вот это и есть квазичастицы. Такой подход был позаимствован из квантовой теории поля.

Впервые квазичастица была введена в 1930 г. в работе «О квантовой теории молекулярного рассеяния света в твердых телах» советского физика-теоретика Игоря Евгеньевича Тамма (1895—1971). В ней он применил идеи Дирака (1927) о квантовании ноля к упругому полю кристалла. Так появилась первая квазичастица — квант упругих колебаний — фонон.

Сегодня различных квазичастиц уже более десятка. Они обладают теми же свойствами, что и реальные частицы: массой, зарядом, спином, т. е. могут быть бозонами или фермионами. Они взаимодействуют между собой и с реальными частицами. Локализация квазичастиц определяется так же, как и локализация реальных частиц — с помощью волновых функций.

Отличие квазичастиц от реальных частиц заключается в том, что последние могут существовать и вне конденсированной среды, а квазичастицы не существуют вне среды, возмущениями которой они и являются.

Квазичастицы существуют только тогда, когда система «истинных» структурных элементов конденсированной среды слабо возбуждена. Но зато при слабом возбуждении квазичастицы могут входить в различные системы. Например, фонон участвует в образовании таких квазичастиц, как куперовская пара или полярон. То есть квазичастицы входят в структурные элементы вещества на определенном уровне его возбуждения. Если энергию возбуждения увеличить до того, что конденсированное вещество превратится в газ, мы получим другие структурные элементы: электроны, ионы, атомы, молекулы. Еще увеличив возбуждение, мы придем к новым структурным элементам: протонам, нейтронам, электронам и т. д. В этом смысле квазичастицы реальны при определенных уровнях возбуждения, как и, например, протон, который при увеличении энергии также распадается. Таким образом, квазичастица есть результат возбуждения вакуума. Так что реальные частицы можно считать квазичастицами возбужденного вакуума.

Метод объектов носителей качеств. Ведение квазичастиц для описания тех или иных свойств твердых тел напоминает ситуацию, когда на начальном этапе развития научного естествознания постоянно вводились объекты, поведением которых пытались объяснить те или иные свойства окружающей среды: флогистон, теплород, электрическая и магнитная жидкость и т. п.

Всё это можно рассматривать как некий эвристический метод — метод объектов носителей качеств. В работе «Принципиальное значение приближенных методов в физике» советского ученого Владимира Александровича Фока (1898—1974) отмечается, что создание более развитых теорий, понятий позволяет но-новому взглянуть на менее развитые теории и понятия, обнаружить новые понятия, которые в явном виде не использовались для создания более развитых теорий и понятий, но являются следствием последних.

Обнаружение эвристического метода объектов носителей качеств является в какой-то мере иллюстрацией идеи Фока, а в какой-то — ее развитием и уточнением. Именно квазичастичный метод позволил определить границы применимости вышеуказанного метода.

Если теперь обобщить все случаи введения объектов носителей качеств, то можно выделить тот круг задач, где они появляются. Это задачи об определении структуры вещества. Причем раньше объекты — носители свойств вводились на том уровне, который в момент выделения этих сущностей еще не являлся доступным экспериментально, не говоря уж о более глубоком уровне. Следствием такого положения дел и является введение гипотетических структурных элементов с определенными свойствами. И если эти объекты не возводить в абсолют (т.е. не считать бесспорно существующими), а смотреть на них как на временное и очень важное введение на пути к более адекватному познанию действительности, то появление подобных объектов можно считать положительным явлением и даже необходимым шагом на пути познания истины.

Не являются ли квазичастицы новым флогистоном, или электронной жидкостью, или еще чем-либо подобным? И ответ будет положительным. Да, являются. Что такое куперовские пары? Это носители сверхпроводящих свойств материала. Что такое магионы? Это носители определенных магнитных свойств вещества и т. д. Отличие в том, что квазичастицы вводятся на том структурном уровне строения материи, который нами экспериментально освоен. Но что самое главное — нами освоены и более глубокие уровни строения вещества. Это позволяет понять место квазичастиц среди различных структурных уровней, их реальность. То есть был разработан специальный метод введения объектов — носителей различных качеств конденсированных сред при различных типах возмущения этих сред. Но его можно распространить и на физику высоких энергий. Сегодня существуют теории, которые занимаются космологией и применяют идеи, заимствованные из физики твердого тела, к процессу эволюции вещества во Вселенной. То есть не только исходя из более развитых теорий и понятий можно определить применимость менее развитых теорий и понятий, но и, наоборот, менее развитые теории и понятия могут позволить определить применимость более развитых.

Размерность пространства. Каждый из нас знает, что он живет в трехмерном пространстве. Оно называется обычным или физическим пространством. В этом пространстве определяется положение физических тел, в нем осуществляется геометрическое перемещение различных физических объектов.

В общей теории относительности наличие материальных объектов изменяет свойства пространства-времени, искривляя его.

Еще в 20-х гг. XX в. при попытках построения единых теорий высказывались идеи о пятимерносги пространства. Но возникла проблема: почему мы не наблюдаем пятое измерение? В 1938 г. А. Эйнштейн и немецко-американский физик Петер Габриэль Бергманн (1915—2002) написали работу «Обобщение теории электричества Калуцы»^[1], в которой дали решение этой проблемы. Они предположили, что дополнительное пятое измерение свернуто в цилиндр, имеющий очень маленький диаметр, поэтому для макроскопического мира оно ненаблюдаемо. Микрочастицы, имеющие очень малые размеры, могут двигаться в этом дополнительном измерении, и это движение будет каким-то образом проявляться в нашем мире.

Эта гипотеза сняла ограничения на многомерность мира. В нем все размерности выше четвертой, играющие большую роль в микромире, ненаблюдаемы в нашем мире.

Однако не всё просто и в нашем обычном трехмерном мире. Какова размерность кроны дерева или реки со всеми ее притоками? Оказалось, что эти объекты имеют дробную размерность. В математике объекты с дробной размерностью называются фракталами (от лат. fractus — дробленый, сломанный, разбитый).

• [1] Einstein A. Generalisation of Kaluza’s Theory of Electricity (With P. Bergmann) // Ann.Math. Ser. 2. 1938. Vol. 39. P. 683−701.