Взаимодействие электронов и фотонов. Можно сказать, что со времен, когда Аристотель разделил все движения на естественные и вынужденные (насильственные), физики занимались изучением двух основных проблем: какие движения являются естественными и какова природа возмущений, нарушающих эти движения? В физике Галилея и Ныотона естественным движением считалось движение по инерции, а элементарными объектами — классические корпускулы (частицы). В квантовой физике движение по инерции осталось в качестве естественного движения, однако понятие корпускулы было переопределено.
У Декарта взаимодействие двух частиц происходило лишь тогда, когда частицы соприкасались (осязаемая механическая передача движения), во всех же остальных случаях частицы продолжали двигаться по инерции (вдоль прямых линий, фиг. 230). У Ньютона каждое тело, обладающее массой, воздействовало на любое другое тело, даже если эти тела находились в разных, точках пространства (фиг. 231), причем характер изменения движения описывался вторым законом Ньютона. Сила взаимодействия между двумя телами изменялась с изменением расстояния между ними. Происходило ли это изменение мгновенно? Если бы это было так, то изменение распространялось бы через все пространство «мгновенно», что противоречило бы существованию максимально возможной скорости-скорости света. У Максвелла сила, действующая между двумя заряженными телами, определяется электрическим и магнитным полями. (Сами тела являются классическими частицами, подчиняющимися второму закону Ньютона.) Любое изменение силы (вызванное, например, изменением расстояния между частицами) распространяется со скоростью света (фиг. 232). Поля имеют волновую природу, они бесконечно делимы и могут передавать энергию и импульс любыми, как угодно малыми порциями.
В квантовой теории корпускулы становятся квантовыми частицами (обладающими волновыми свойствами), а силовые поля приобретают свойства частиц (фиг. 233). Так, изменение силы распространяется со скоростью света (как поле), но подобно частице переносит энергию и импульс. Квантовая частица, несущая силу, практически ничем не отличается от квантовых частиц, на которые она воздействует. Сами фотоны (кванты электромагнитного поля) могут изменять свое движение при взаимодействии с электронами (фиг. 234; смысл диаграммы справа объясняется ниже). В релятивистской квантовой теории, где фигурируют «частицы» (скажем, электроны) и «поля» (скажем, электромагнитные), полностью отбрасывается представление о силах, действующих на расстоянии.
Любая сила между частицами возникает благодаря обмену между ними квантами, как, например, в случае, изображенном на фиг. 234. Масса фотона равна нулю, поэтому он распространяется со скоростью света. Другие частицы, обладающие массой (например, электроны или другие частицы, которые мы вскоре введем), движутся с меньшими скоростями, поэтому никакая сила и никакой сигнал не могут распространяться, согласно квантовой теории поля, быстрее света.
В так называемых локальных полевых теориях считается, что фундаментальные взаимодействия происходят в пространственно-временных точках. Фотон излучается в одной точке пространства-времени и поглощается в другой. Взаимодействие возникает при соприкосновении двух квантовых частиц в определенной точке пространства-времени. Тем самым в квантовой теории поля неожиданно возродилась идея, принадлежавшая таким атомистам, как Декарт, которые полагали, что взаимодействие между элементарными объектами нашего мира может происходить лишь в результате соприкосновения (столкновения) одних частиц с другими,