Regularizatsiya (fizika) - Regularization (physics)

Yilda fizika, ayniqsa kvant maydon nazariyasi, muntazamlik o'zgartirish usuli hisoblanadi kuzatiladigan narsalar bor o'ziga xoslik deb nomlangan mos parametrni kiritish orqali ularni cheklangan qilish uchun regulyator. "Kesish" deb ham ataladigan regulyator, bizning fizika haqidagi bilimimiz etishmasligini kuzatilmagan miqyosda (masalan, kichik o'lchamdagi yoki katta energiya darajasidagi tarozilar) modellashtiradi. Bu hozirgi nazariyani modellashtirishga qodir bo'lmagan o'lchovlarda "yangi fizika" ni kashf etish imkoniyatini qoplaydi (va talab qiladi), shu bilan birga hozirgi nazariyani "samarali nazariya" sifatida aniq bashorat qilish imkoniyatini beradi. .

Bu alohida renormalizatsiya, yangi fizikani qabul qilmasdan cheksizlikni boshqarish uchun yana bir usul, o'zaro ta'sir o'tkazish uchun qayta sozlash.

Regularizatsiya bir necha o'n yillar davomida hatto ixtirochilar orasida ham munozarali bo'lib kelgan, chunki u birlashtiriladi jismoniy va epistemologik xuddi shu tenglamalarga da'vo qilish. Biroq, endi u yaxshi tushunilgan va foydali, aniq bashorat qilishini isbotladi.

Umumiy nuqtai

Regularizatsiya protseduralari regulyatorning yordamchi kontseptsiyasini kiritish orqali cheksiz, farqli va bema'ni iboralar bilan shug'ullanadi (masalan, minimal masofa foydali bo'lgan kosmosda, agar kelishmovchiliklar qisqa masofadagi jismoniy ta'sirlardan kelib chiqadigan bo'lsa). To'g'ri jismoniy natija regulyator ketadigan chegarada olinadi (bizning misolimizda, ), lekin regulyatorning fazilati shundaki, uning cheklangan qiymati uchun natija cheklangan bo'ladi.

Biroq, natijada odatda o'xshash iboralarga mutanosib atamalar mavjud limitda yaxshi aniqlanmagan . Regularizatsiya - bu butunlay cheklangan va mazmunli natijaga erishish yo'lidagi birinchi qadam; yilda kvant maydon nazariyasi odatda unga tegishli, ammo mustaqil texnika deyilishi kerak renormalizatsiya. Qayta normalizatsiya ba'zi fizik kattaliklar talabiga asoslanadi - kabi ko'rinadigan xilma-xil iboralar bilan ifodalanadi - kuzatilgan qiymatlarga teng. Bunday cheklov turli xil bo'lgan boshqa ko'plab miqdorlar uchun cheklangan qiymatni hisoblashga imkon beradi.

$ Delta $ sifatida chegaraning mavjudligi nolga tenglashadi va yakuniy natijaning regulyatordan mustaqilligi noan'anaviy faktlardir. Ularning asosiy sababi yotadi universallik tomonidan ko'rsatilgandek Kennet Uilson va Leo Kadanoff va a ning mavjudligi ikkinchi darajali o'zgarishlar. Ba'zan, ε nolga teng bo'lgan limitni olish mumkin emas. Bu bizda bo'lsa Landau ustuni va shunga o'xshash normallashtirilmaydigan muftalar uchun Fermilarning o'zaro ta'siri. Biroq, ushbu ikkita misol uchun ham, agar tartibga soluvchi faqat tegishli natijalarni beradigan bo'lsa [ta'rif kerak ] va biz buyurtma o'lchovlari bilan ishlaymiz , bilan regulyatorlar hali juda aniq taxminlarni keltiring. Ε ning nolga o'tish chegarasini ololmasligimizning jismoniy sababi bu below ostida yangi fizikaning mavjudligi.

Regulyatsiyani har doim ham shunday qilish mumkin emaski, ε ning nolga o'tish chegarasi regulyatsiyadan mustaqil bo'lsin. Bunday holda, kimdir nazariyani o'z ichiga oladi, deydi anomaliya. Anormal nazariyalar juda batafsil o'rganilgan va ko'pincha taniqli kishilarga asoslangan Atiya - Singer indeks teoremasi yoki ularning o'zgarishi (masalan, ga qarang chiral anomaliya ).

Klassik fizika misoli

Cheksiz muammolar birinchi navbatda paydo bo'ldi klassik elektrodinamika ning nuqta zarralari 19-asrda va 20-asr boshlarida.

Zaryadlangan zarrachaning massasi uning elektrostatik maydonidagi massa-energiyani o'z ichiga olishi kerak (elektromagnit massa ). Zarrachani radiusning zaryadlangan sferik qobig'i deb faraz qiling re. Maydondagi massa - energiya

kabi cheksiz bo'ladi re → 0. Bu nuqta zarrachasi cheksiz bo'lishini anglatadi harakatsizlik, uni tezlashtira olmaydigan qilib qo'yish. Aytgancha, ning qiymati re qiladi elektron massasiga teng deyiladi klassik elektron radiusi, qaysi (sozlash va tiklash omillari v va ) bo'lib chiqadi

qayerda bo'ladi nozik tuzilish doimiy va bo'ladi Kompton to'lqin uzunligi elektronning

Regularizatsiya: Bu jarayon shuni ko'rsatadiki, dastlab ishlatilgan fizik nazariya kichik o'lchamlarda buziladi. Bu elektron aslida nuqta zarrachasi bo'la olmasligini va ma'lum miqyosdagi tizimlarni tushuntirish uchun qandaydir qo'shimcha yangi fizika (bu holda cheklangan radius) kerakligini ko'rsatadi. Xuddi shu dalil boshqa renormalizatsiya muammolarida ham paydo bo'ladi: nazariya ba'zi bir sohada mavjud, ammo cheksizlikni oldini olish uchun boshqa fizikani buzish va yangi fizikani talab qilishi mumkin. (Cheksizlikdan saqlanishning yana bir usuli, lekin zarrachaning nuqta xususiyatini saqlab qolishda zarrachani 3D fazoda emas, balki "yoyilishi" mumkin bo'lgan kichik qo'shimcha o'lchovni postulyatsiya qilish kerak bo'ladi; bu motivatsiya torlar nazariyasi.)

(Shuningdek qarang renormalizatsiya noma'lum yangi fizikaning mavjudligini emas, balki o'zaro ta'sirni nazarda tutib, ushbu klassik muammodan cheksizlikni olib tashlashning muqobil usuli uchun.)

Muayyan turlari

Muntazam protseduralarning o'ziga xos turlariga quyidagilar kiradi

Haqiqiy tartibga solish

Kontseptual muammo

Perturbativ tomonidan bashorat qilish kvant maydon nazariyasi ning kvant tarqalishi haqida elementar zarralar, tegishli tomonidan nazarda tutilgan Lagrangian zichligi, yordamida aniqlanadi Feynman boshqaradi, chetlab o'tish uchun tartibga solish usuli ultrabinafsha divergentsiyalari uchun yakuniy natijalarni olish uchun Feynman diagrammalari o'z ichiga olgan ko'chadan va a renormalizatsiya sxema. Regularizatsiya usuli muntazam n-nuqtaga olib keladi Yashilning vazifalari (targ'ibotchilar ) va tegishli cheklash protsedurasi (renormalizatsiya sxemasi) keyinchalik bezovtalanishga olib keladi S-matritsa elementlar. Ular ma'lum bir tartibga solish usulidan mustaqil bo'lib, o'lchanadigan jismoniy jarayonlarni (tasavvurlar, ehtimollik amplitudalari, parchalanish kengligi va hayajonlangan holatlarning umr ko'rishlari) bezovta qilib modellashtirishga imkon beradi. Shu bilan birga, hozirgi kunga qadar hech qanday muntazamlashtirilgan n-nuqta Green funktsiyalari kvant tarqalishining fizik jihatdan realistik nazariyasiga asoslangan deb hisoblanishi mumkin emas, chunki ularning har biri chiqarilishi an'anaviy fizikaning ba'zi asosiy qoidalarini inobatga olmaydi (masalan, Lorents-o'zgarmas, yoki fizikaviy bo'lmagan zarralarni salbiy metrikka yoki noto'g'ri statistikaga, yoki diskret kosmik vaqtga yoki kosmik vaqtning o'lchovliligini pasaytirishga yoki ularning ba'zi bir kombinatsiyasiga ega bo'lish orqali). Shunday qilib, mavjud tartibga solish usullari to'g'ridan-to'g'ri jismoniy ma'nolardan mahrum bo'lgan rasmiy texnik vositalar sifatida tushuniladi. Bundan tashqari, shubhalar mavjud renormalizatsiya. Yarim asrdan oshiq tarixga ega bo'lgan ushbu ochiq kontseptual muammoning tarixi va sharhlari uchun masalan.[3][4][5]

Paulining taxminlari

Muntazam bo'lmagan Feynman seriyasining tepalari kvant tarqalishidagi o'zaro ta'sirlarni etarlicha tavsiflagandek ko'rinib turibdiki, ularning ultrabinafsha divergentsiyalari Feynman targ'ibotchilarining asimptotik, yuqori energiyali xatti-harakatlari bilan bog'liq. Shunday qilib, Feynman seriyasidagi tepaliklarni saqlab qolish va faqat Feynman targ'ibotchilarini modifikatsiyalashgan Feynman seriyasini yaratish uchun ehtiyotkorlik bilan, konservativ yondashuvdir. Rasmiy Pauli-Villars kovariant regulyatsiyasini Feynman targ'ibotchilarini yordamchi fizik bo'lmagan zarralar orqali o'zgartirish orqali asoslantiradi.[6] va jismoniy haqiqatni aks ettirish Feynman diagrammalari.

1949 yilda Pauli zamonaviy fizikaning barcha o'rnatilgan tamoyillarini hurmat qiladigan nazariya nazarda tutilgan realistik qonuniyat mavjud.[6][7] Demak, uning (i) targ'ibotchilarini tartibga solishning hojati yo'q va (ii) asosiy fizikani aks ettirishi mumkin bo'lgan kvant maydon nazariyalarida qo'llaniladigan tarqatuvchilarning bunday tartibga solinishi deb qaralishi mumkin. Bunday nazariyaning qo'shimcha parametrlarini olib tashlashning hojati yo'q (ya'ni nazariya renormalizatsiyaga muhtoj emas) va kvant tarqalishi fizikasi haqida ba'zi yangi ma'lumotlarni taqdim qilishi mumkin, ammo ular eksperimental ravishda ahamiyatsiz bo'lib chiqishi mumkin. Aksincha, har qanday hozirgi tartibga solish uslubi rasmiy koeffitsientlarni joriy qiladi, ular oxir-oqibat renormalizatsiya orqali yo'q qilinishi kerak.

Fikrlar

Pol Dirak Renormalizatsiya protseduralari uchun qat'iy, o'ta muhim edi. 1963 yilda u shunday deb yozgan edi: "... bizda qayta tuzish nazariyasida matematikning uni ovozli qilish uchun barcha urinishlariga qarshi bo'lgan nazariya mavjud. Men renormalizatsiya nazariyasi kelajakda omon qolmaydigan narsa deb gumon qilishga moyilman ... "[8] U yana "Nazariy fizik uchun ikkita asosiy protsedurani ajratib ko'rsatish mumkin. Ulardan biri eksperimental asosda ishlash ... Boshqa protsedura - matematik asosda ishlash. Biri mavjud nazariyani tekshiradi va tanqid qiladi. Biri undagi nuqsonlarni aniq ko'rsatishga harakat qiladi va keyin ularni yo'q qilishga harakat qiladi. Bu erda mavjud qiyinchiliklar mavjud nazariyaning juda katta yutuqlarini yo'q qilmasdan ularni yo'q qilishdir. "[9]

Abdus Salam 1972 yilda ta'kidlaganidek, "Lorentsning elektronini hisoblashda birinchi marta uchraydigan maydon-nazariy cheksizliklar klassik elektrodinamikada etmish yil va kvant elektrodinamikada o'ttiz besh yil davomida saqlanib kelmoqda. Ushbu uzoq yillik umidsizlik bu mavzudagi cheksiz narsalarga qiziqish uyg'otdi. va ularning tabiatning muqarrar qismi ekanligiga ehtirosli ishonch; shu qadar ko'pki, ularni chetlab o'tish mumkin degan umid taklifi va hisoblangan renalizatsiya konstantalari uchun cheklangan qiymatlar mantiqsiz hisoblanadi. "[10][11]

Biroq, ichida Jerar Hoft "Tarix bizga aytadiki, agar biz biron bir to'siqqa duch kelsak, hatto u sof rasmiyatchilikka o'xshasa ham, shunchaki texnik asoratga o'xshasa ham, uni sinchkovlik bilan tekshirish kerak. Tabiat bizga nimanidir aytib berayotgan bo'lishi mumkin va biz uning nima ekanligini bilib olishimiz kerak. bor. "[12]

Haqiqiy tartibga solishning qiyinligi shundaki, hozirgacha u yo'q, garchi hech narsa uning pastdan yuqoriga qarab yondoshishi bilan yo'q qilinishi mumkin emas; va buning uchun eksperimental asos yo'q.

Minimal realistik tartibga solish

Ayrim nazariy muammolarni ko'rib chiqqan holda, 1963 yilda Dirak shunday degan edi: "Men ushbu aniq muammolarni hal qilish uchun alohida g'oyalar kerak bo'ladi va ular birma-bir fizikaning kelajakdagi evolyutsiyasining ketma-ket bosqichlari orqali hal qilinadi deb o'ylayman. Shu o'rinda men o'zimni aksariyat fiziklar bilan kelishmovchilik. Ular bu muammolarni birgalikda hal qiladigan bitta asosiy g'oya kashf qilinadi deb o'ylashga moyil. Menimcha, bu muammolarni kimdir birgalikda hal qila olishiga umid qilish juda ko'p narsani talab qiladi. iloji boricha boshqasidan va ularni alohida-alohida hal qilishga urinib ko'ring.Men ishonamanki, fizikaning kelajakdagi rivojlanishi ularni birma-bir hal qilishdan iborat bo'ladi va ularning har biri hal qilingandan so'ng, qanday qilib bu hali ham katta sir bo'lib qoladi. boshqalarga hujum qilish. "[8]

Dirakning so'zlariga ko'ra "Kvant elektrodinamikasi biz biladigan fizika sohasi va, ehtimol, biz boshqa soha nazariyalari bilan har qanday tub yutuqlarga erishishga umid qilishimizdan oldin uni tartibga solishimiz kerak bo'ladi, garchi ular eksperimental asosda rivojlanib boraversa. "[9]

Diracning bundan oldingi ikkita so'zi to'rt o'lchovli kvant elektrodinamikasi (QED) holatida aniq qonuniylikni izlashni boshlashimiz kerakligini ko'rsatmoqda. Minkovskiyning bo'sh vaqti, asl QED dan boshlab Lagrangian zichlik.[8][9]

The yo'l-integral formulasi Lorents-invariant shaklida Lagranj zichligidan mos keladigan Feynman seriyasigacha eng to'g'ri yo'lni ta'minlaydi.[5] Lagranj zichligining erkin maydoni Feynman tarqaluvchilarini, qolganlari tepaliklarni aniqlaydi. QED cho'qqilari QED tarqalishidagi o'zaro ta'sirlarni etarli darajada tavsiflaydi deb hisoblanganligi sababli, Lagranj zichligining faqat erkin maydonini o'zgartirish uchun shunday tartibga solingan Feynman seriyasini olish mantiqan to'g'ri keladi. Lehmann – Symanzik – Zimmermann qisqartirish formulasi bezovta qiluvchi S-matritsani ta'minlaydi, bu: (i) Lorents-o'zgarmas va unitar; (ii) faqat QED zarralarini o'z ichiga oladi; (iii) faqat QED parametrlariga va Feynman tarqaluvchilarining modifikatsiyasi bilan bog'liq bo'lgan parametrlarga bog'liq - bu parametrlarning ma'lum qiymatlari uchun u QED perturbativ S-matritsaga teng; va (iv) QED perturbativ S-matritsasi bilan bir xil simmetriyalarni namoyish etadi. Sifatida bunday tartibga solishga murojaat qilaylik minimal realistik tartibga solishva QED Lagranj zichligining tegishli, o'zgartirilgan erkin maydon qismlarini qidirishni boshlang.

Transport nazariy yondashuvi

Byorken va Drellning so'zlariga ko'ra, chetga chiqish jismoniy mantiqqa to'g'ri keladi ultrabinafsha divergentsiyalari Diferensial maydon tenglamalari tomonidan taqdim etilgandan ko'ra batafsil tavsif yordamida. Va Feynman Diferensial tenglamalardan foydalanish to'g'risida quyidagilarni ta'kidlab o'tdi: "... neytron diffuziyasi uchun bu biz taxmin qilgan masofa o'rtacha erkin yo'l bilan taqqoslaganda yaxshi bo'lgan taxminiy ko'rsatkichdir. Agar biz yaqindan ko'rib chiqsak, biz individual neytronlar yugurmoqda " Va keyin u shunday deb hayron bo'ldi: "Haqiqiy dunyo faqat juda kichik masofalarda ko'rish mumkin bo'lgan kichik X-lardan iborat bo'lishi mumkinmi? Va o'lchovlarimizda biz doimo shu qadar katta hajmda kuzatamizki, biz ularni ko'ra olmaymiz kichik X-lar va shuning uchun biz differentsial tenglamalarni olamizmi? ... Ular [shuning uchun] haqiqatan ham ancha murakkab mikroskopik dunyoni tekislangan taqlid sifatida to'g'rimi? "[13]

1938 yilda allaqachon Geyzenberg[14] kvant maydon nazariyasi faqatgina kvant dinamikasining idealizatsiyalangan, keng ko'lamli tavsifini taqdim etishi mumkin, deb taxmin qildi, ba'zi birlaridan kattaroq masofalar uchun amal qiladi. asosiy uzunlik, tomonidan ham kutilmoqda Byorken va Drell 1965 yilda. Feynmanning oldingi so'zlari uning mavjudligi uchun mumkin bo'lgan jismoniy sababni keltirib chiqaradi; yoki u yoki bu xuddi shu narsani aytishning yana bir usuli (masofaning asosiy birligi mavjud), ammo yangi ma'lumotga ega emas.

String nazariyasi

Har qanday sharoitda tartibga solish shartlariga ehtiyoj kvant maydon nazariyasi ning kvant tortishish kuchi uchun asosiy turtki fizika standart modeldan tashqarida. QFTdagi tortishish kuchlarining cheksizligi orqali boshqarilishi mumkin renormalizatsiya faqat tortishish kuchi uchun qo'shimcha regulyatsiya va shu sababli yangi fizika talab qilinadi. Regulyatorlar QFT-ni kichik miqyosda parchalashni modellashtiradi va ishlaydi va shu tariqa QFT-dan tashqari boshqa miqyosdagi nazariyaning paydo bo'lishi zarurligini aniq ko'rsatib beradi. A. Zee (Quantum Field Theory in a Nutshell, 2003) buni tartibga solish tizimining foydasi deb biladi - nazariyalar o'zlarining belgilangan sohalarida yaxshi ishlashi mumkin, shuningdek, o'zlarining cheklanganliklari haqida ma'lumotni o'z ichiga oladi va yangi fizika zarur bo'lgan joyni aniq ko'rsatib beradi.

Adabiyotlar

  1. ^ Hooft, G.; Veltman, M. (1972). "O'lchov maydonlarini muntazamlashtirish va qayta normalizatsiya qilish" (PDF). Yadro fizikasi B. 44 (1): 189–213. Bibcode:1972NuPhB..44..189T. doi:10.1016/0550-3213(72)90279-9. hdl:1874/4845. ISSN  0550-3213.
  2. ^ Sharf, G.: Sonlu kvant elektrodinamikasi: sababiy yondashuv, Springer 1995 yil.
  3. ^ Cao, Tian Yu; Shveber, Silvan S. (1993). "Renormalizatsiya nazariyasining kontseptual asoslari va falsafiy jihatlari". Sintez. 97 (1): 33–108. doi:10.1007 / bf01255832. ISSN  0039-7857. S2CID  46968305.
  4. ^ L. M. Braun, muharrir, Renormalizatsiya (Springer-Verlag, Nyu-York 1993).
  5. ^ a b S. Vaynberg (1995). Maydonlarning kvant nazariyasi. 1. Kembrij universiteti matbuoti. Sek. 1.3 va Ch.9.
  6. ^ a b F. Villars (1960). "Kvant sohasi nazariyasida regularizatsiya va o'ziga xos bo'lmagan o'zaro ta'sirlar". M. Fierzda; V. F. Vayskopf (tahr.). Yigirmanchi asrdagi nazariy fizika. Nyu-York: Interscience Publishers. 78-106 betlar.
  7. ^ Pauli V.; Villars, F. (1949-07-01). "Relativistik kvant nazariyasida o'zgarmas regulyatsiya to'g'risida". Zamonaviy fizika sharhlari. 21 (3): 434–444. Bibcode:1949RvMP ... 21..434P. doi:10.1103 / revmodphys.21.434. ISSN  0034-6861.
  8. ^ a b v P.A.M. Dirak (1963 yil may). "Fizikning tabiat rasmining evolyutsiyasi". Ilmiy Amerika. 208 (5): 45–53. Bibcode:1963SciAm.208e..45D. doi:10.1038 / Scientificamerican0563-45.
  9. ^ a b v P.A.M. Dirac (1990) [1968]. "Nazariy fizikadagi usullar". A. Salamda (tahrir). Asosiy kuchlarni birlashtirish. Kembrij universiteti matbuoti. pp.125 –143.
  10. ^ Isham, C. J .; Salom, Abdus; Strathdee, J. (1971-04-15). "Gravitatsiyaviy modifikatsiyalangan kvant elektrodinamikasida cheksizlikni bostirish". Jismoniy sharh D. 3 (8): 1805–1817. Bibcode:1971PhRvD ... 3.1805I. doi:10.1103 / physrevd.3.1805. ISSN  0556-2821.
  11. ^ Isham, C. J .; Salom, Abdus; Strathdee, J. (1972-05-15). "Gravitatsiyaviy modifikatsiyalangan elektrodinamikada cheksizlikni bostirish. II". Jismoniy sharh D. 5 (10): 2548–2565. Bibcode:1972PhRvD ... 5.2548I. doi:10.1103 / physrevd.5.2548. ISSN  0556-2821.
  12. ^ G. 't Hooft, Qurilish bloklarini qidirishda (Kembrij universiteti matbuoti, Kembrij 1997).
  13. ^ R. P. Feynman, R. B. Leyton va M. Sands: Fizika bo'yicha Feynman ma'ruzalari, Jild II (Addison-Wesley, Reading, Mass., 1965), sek.12-7.
  14. ^ V. Xeyzenberg (1938). "Uber der Théorie der Elementarteilchen auftretende universelle Lange-da o'ladi". Annalen der Physik. 32 (1): 20–33. Bibcode:1938AnP ... 424 ... 20H. doi:10.1002 / va s.19384240105.