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物理学中是否有“无量”的概念?物理学家是怎么处理“无量”的?

发布时间:2022-04-25 15:52:24 来源:米乐m6app官网下载

  长期以来,人们以为以这样一种方法核算就足够了,即在能够直接与试验进行比较的数量中不呈现无限性。[......]走运的是,这些积分的无限部分总是会在可观丈量的表达中抵消掉。——M. Peskin and D. Schroeder

  单纯的处理方案是简略地 调理 发散或使它们 显着有限,以便它们在数学层面上有含义,并期望当正则化被免除时,物理答案会有含义。作者:D.C. Arias-Perdomo等人。对称性2021,13,956

  但是,只需咱们防止红外发散,咱们就没有问题。——H. Georgi - 《核与粒子科学年度谈论》1993, 43, 209-252

  无量大是数学概念。在历史上,物理理论中的发散和奇点终究成为了相应模型接近溃散的头绪。从头审视为什么旧的理论会被打破,并修正“规矩”以防止发散,这便是物理学的一些根本分支诞生的方法。

  依据经典物理学,黑体与其周围的热平衡状况下的光谱功率与波长的四次方λ^4成反比。这意味着,在一切波长上进行积分时得到的总功率将是无限的。这种在经典物理学内无法处理的悖论被称为 紫外线灾祸。为了处理其时众所周知的悖论,马克斯-普朗克假定能量只能以离散的数量(量子)呈现。这导致了光谱功率和波长之间的不同联系,在大波长上与旧的联系共同,但在小波长上却十分不同。它处理了 紫外线灾祸 的问题。能量只能以量子方法呈现的假定是新理论——量子力学的根底之一。

  黑体是一个吸收一切入射光的物体。黑体的近似值是一个有小孔的绝缘箱,一旦吸收了入射光线,就很难再经过同一个小孔射出。别的,恒星的外层,即光球层,能够被以为是一个与周围环境处于热平衡的黑体,由于发射的光子很快就被来自恒星内层的新光子所替代,并且该层的温度在一段时间内是适当安稳的。

  微观的慢速运动物体(速度远慢于光速)能够用经典力学来描绘。一旦物体的速度变得与光速适当,就应该用相对论力学来描绘其动态。

  另一方面,在十分小的范围内,物理学并不遵从经典力学的规则。缓慢移动的微观粒子(如在原子物理学中)能够用量子力学来描绘。当用快速移动的粒子操作时,其速度与光速适当,就会呈现新的现象。粒子能够诞生,也能够湮灭。20世纪20年代末,物理学的新学科构成,被命名为量子场论(QFT),将量子力学的规则与相对论运动的规则相结合。

  人们需求一个量子场理论来解说以相对论速度运动的小物体的物理学。在这些条件下,会呈现新的现象,如粒子的诞生和逝世。

  量子力学仅仅部分地是一种量子理论,由于它只把粒子当作量子,而场依然被以为是经典的。物理学的第2次量子化 革新 发生在场也被视为量子的时分。依据量子场论,空间充满了各种场(电磁场、电子场等),而粒子能够被看作是相应场的激化。

  在20世纪20年代末,物理学家企图了解原子怎么吸收和发射光子。更广泛地说,他们企图找到电子和光子相互作用所依据的根本量子力学规则。用电磁场的量化来解说核算出来的自发发射是量子场论的第一个成功。保罗-狄拉克在微扰理论中把原子的自发发射系数核算到一阶。人们以为,原则上,任何触及光子和带电粒子的进程都能够在量子场论中核算出来。但是,在20世纪30年代末,人们意识到微扰理论中触及与 虚拟 粒子相互作用的高阶项常常变得发散。这些核算发生了毫无含义的成果,并且在一段时间内没有得到处理,因而对整个概念发生了置疑。此外,新进行的试验好像指出了自然界和量子场理论之间的其他差异。

  20世纪40年代末,有一个技巧拯救了它,即在某个大规范的L处引进一个截止点,并将其吸收到模型中的常数中。假如核算出来的可丈量量与截止点无关,那么理论将是可重正化的,终究仅仅与初始值比较,常数被从头标定。虽然这听起来有点大略,但这一招仍是见效了。以这种方法核算出来的物理量与试验有很好的共同性。

  在20世纪40年代末,有人以为体系地修正模型中的开始参数将遍及处理量子场理论中无处不在的无限性问题。

  这个进程被命名为重正化。重正化量子场理论的第一个有直接试验证明的比如是电动力学量子理论(QED),带电粒子的量子力学相对论,特别是电子。QED是咱们迄今为止具有的最准确的物理理论之一,与试验成果的吻合度在十亿分之一之内。它起源于狄拉克、海森堡和泡利在20世纪20年代末的开始作业,跟着朝永振一郎施温格和费曼的研讨而完结,后来的三人因而共享了1965年的诺贝尔物理学奖。

  虽然重正化在实践中被证明作用很好,但费曼对其数学上的有用性从未彻底定心。他乃至把重正化称为 空壳游戏 。

  量子场理论的巨大进步是跟着认识到量子电动力学中一切的超暴力发散都与粒子的本身能量有关而取得的。虽然在量子电动力学理论中,无限性在重正化进程中得到了体系的调理,但基尼斯-威尔逊在20世纪70年代对重正化组理论所做的深入研讨使人们对重正化程序的物理含义有了更深入的了解,并导致了进一步的发展。重正化组的思维是处理触及许多长度规范的物理学问题。依据现在的观念,重正化被看作是调整低能物理学对高能物理学影响的敏感性。肯尼特-威尔逊因其在重正化方面的作业于1982年取得诺贝尔物理学奖。

  据了解,模型中开始设定的质量和电荷参数,即所谓的 裸质量 和 裸电荷,是实践数量的数学笼统。它们并不直接对应于丈量的试验值,所以它们终究在核算中被无限扩大,这并不是什么问题。经过重正化 裸 参数,能够得到物理值,也便是应该与试验进行比较的值。

  从重正化组的核算来看,一切的有用场理论都能够分为可重正化的、不行重正化的和超重正化的。大多数闻名的理论都是可重正化的,如QED、量子色动力学、电弱相互作用理论、凝聚态物理学中的大多数理论,如超导、流体湍流等。非正则理论的一个比如是广义相对论(引力理论)。

  当构建一个模型时,将其束缚为可重正态化是合理和便利的,由于这将消除许多或许性。虽然自然界的行为没有先验的理由,但这种简化被证明是合理的,由于现有的成功的可重正化理论现已显示出与试验惊人的共同。

  上文中的大部分评论都是针对高能紫外线发散的,从物理学的视点来看,这是灾祸性的,由于在自然界中没有看到这种发散。经过重正化,紫外线发散被整理出来了,在可观丈量的表达式中没有发散呈现。但是,在QFT中也有零能量的红外发散现象呈现。

  红外线发散呈现在有无质量粒子(如光子或胶子)的理论中。它们发生在辐射光子的能量归零的极限中。或许有无限的零能量光子发生,所以红外发散是指光子的不确定粒子数。从技能上讲,不行能构建由有限数量的光子组成的初始基到由无限数量的光子组成的终究状况之间的转化矩阵。从物理学的视点来看,红外发散并不像紫外发散那样从根本上形成困扰。在物理学上,可丈量的数量是辐射的能量,它是零,而不是发射的零能量光子的数量。此外,一切的探测器都受到一些分辨率的约束,所以零能量的光子无论怎么都不行能被探测到。

  在QFT内部,红外发散要么用低能量截止来处理,要么将光子的质量界说为非零,并在核算结束时将其约束为零。与零能量的光子有关的红外发散或许呈现在各种进程中。

  在虚拟修正中——电磁修正中,光子在相互作用进程中被发射和吸收,但在初始和终究的光子数量之间没有任何差异。

  丈量的总辐射能量包含上述两类进程的奉献。这两个进程的符号是相反的,因而,在总奉献中,红外发散得到了补偿。

  今日,量子场论是一个完善的、极端成功的理论。虽然物理量积分的核算导致了 每隔一步 的无限性,但这些发散不只能够被体系地整理出来,并且在重正化组内研讨量子场论中的无限性时,能够猜测体系的定性行为。使用重正化技能对发散的积分进行体系的从头核算,使得QFT被应用于许多物理学范畴,粒子物理学、凝聚态物理学、引力和宇宙学。

  极端准确的规范模型量子场理论与高精度试验数据之间的差异能够供给根本粒子规范模型之外的物理学头绪。在高阶微扰理论中,需求核算的繁琐积分数量呈指数级增加。回来搜狐,检查更多