Укрощение КЭД

1. Виртуальная реальность: смена Агнца
2. Бог велик!
3. дальнейшее чтение
4. Об этой статье

Эта статья является третьей в серии из четырех статей по квантовой электродинамике. Вы можете прочитать предыдущую статью Вот и следующий Вот , Вы также можете прочитать наши интервью с Фрименом Дайсоном ,

Откуда берутся великие идеи? Один из способов выяснить это - спросить кого-то, у кого их было немало, поэтому, когда мы встретили легендарного Фриман Дайсон мы сделали. «Это касается почти каждой прекрасной идеи, которую вы потом не знаете, откуда она взялась», - сказал он. «Наш мозг случайный, это, конечно, замечательная уловка природы для того, чтобы быть креативным. Их не нужно программировать, они могут изобретать вещи случайно, так что все действительно хорошие идеи случайны; есть случайное расположение вещей жужжит в чьей-то голове, и она вдруг щелкает ». (Вы можете прочитать выдержки из нашего интервью с Дайсоном Вот .)

В конце 30-х годов теоретическая физика остро нуждалась в некоторых таких случайных щелчках. Физики пытались применить новую теорию квантовой механики к электромагнетизму, одной из фундаментальных сил природы. Результатом стала квантовая электродинамика (КЭД), теория, описывающая взаимодействие вещества и света. Беда была в том, что практически любой расчет, который вы хотели бы сделать, используя QED вернул бесконечность как ответ - для всех практических целей теория была бесполезна.

Когда Дайсон садился на королеву Елизавету из Англии в Нью-Йорк в 1947 году, чтобы стать студентом Корнелльского университета, он уже был знаком с квантовой теорией поля. Он был вдохновлен своим учителем из Кембриджа Николасом Кеммером и редким немецким учебником « Квантовая теория полей» Грегора Венцеля, который он до сих пор хранит в своем кабинете в Институте перспективных исследований в Принстоне. «Эта книга была драгоценным сокровищем, в то время в Англии было всего две копии, и у меня была одна из них».

Но квантовая теория поля (QFT) не была особенно популярна в США. «[Американские физики] рассматривали это как итальянскую оперу; экстравагантное и иррациональное развлечение. Америка была очень эмпирической, поэтому люди, на которых я работал, Ханс Бете а также Ричард Фейнман , не было никакого смысла для этого. "

QFT действительно сделал некоторые эзотерические предсказания. Знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга подразумевал, что частицы, такие как фотоны или электроны, будут постоянно создаваться из ничего, появляться и исчезать, как пузыри в ванне с пузырьками. В течение их кратчайшего времени жизни эти виртуальные частицы будут влиять на другие частицы и их взаимодействия. Фактически, электростатическое отталкивание между двумя подобными зарядами объяснялось следующим образом: электрон испускал виртуальный фотон, который, в свою очередь, поглощался другим электроном, взаимодействие, раздвигающее две частицы.

Виртуальная реальность: смена Агнца

Уиллис Лэмб (1913-2008).

Все это было теорией, но в 1947 году экспериментаторы наблюдали эффекты виртуальных частиц. «В Колумбийском университете были эксперименты, которые были движущей силой», - говорит Дайсон. " Исидор Исаак Раби а также Уиллис Лэмб и другие люди, используя новую технологию микроволн, возникшую во время войны, [смогли] очень точно измерить атомные уровни. Они впервые получили действительно точную картину атома водорода, который, как предполагалось, был самым простым атомом. «Они обнаружили, что энергетические уровни атома водорода немного отличаются от той, что старомодная теория, а не предсказано, с учетом виртуальных частиц. «Это был знаменитый сдвиг Лэмба, - говорит Дайсон. - Все были в восторге от этого; впервые реальное несоответствие [между экспериментом] и теорией ". (Приятно обсудить энергетический спектр атома водорода Вот , Сдвиг Лэмба представляет небольшую поправку к этому спектру.)

Люди сразу предположили, что различие может быть связано с тем, что виртуальные частицы влияют на происходящее внутри атома водорода. И когда Ханс Бете выполнил быстрый и очень приблизительный расчет по поездке на поезде назад с конференции, он обнаружил, что это действительно может быть так.

Это объяснило смещение Агнца, что касалось физики. Но математика по-прежнему оставалась «нечестивой неразберихой» в словах историка физики Дэвид Кайзер (кто написал отличная книга в том числе введение в эту тему).

Беда была в том, что в расчетах влияние виртуальных частиц всегда оказывалось бесконечным. Например, эффективная масса и эффективный заряд электрона, который вы могли измерить в экспериментах, на самом деле состоял из двух вкладов: так называемой голой массы и голого заряда , а также и вклады в массу и заряд от виртуальных частиц, записанные как а также

а также

Это были условия вклада а также это оказалось бесконечным. Таким образом, любой расчет, пытающийся учесть виртуальные частицы, тоже обязательно взорвется. Что-то было ужасно неправильно.

«Все великаны из старых времен были все еще вокруг, люди как Вернер Гейзенберг а также Эрвин Шредингер а также Пол Дирак а также Роберт Оппенгеймер , «вспоминает Дайсон.» [Они] все думали, что нам нужна радикально новая физика. У всех них были свои теории изменения всей основы физики, внедрения совершенно новых идей ».

«Но все они были неправы. Каждый из них оказался неправ».

Бог велик!

Идея, которая спасла день, не выбрасывая QED, была на удивление проста: отойдите и работайте с тем, что видите. Поскольку вы никогда не сможете поймать голую частицу самостоятельно, без ее виртуальных кузенов, отбросьте эту платоновскую идею и вместо этого работайте с эффективными количествами. «Бесконечность заключается только в искусственном отделении голой частицы от физической частицы», - объясняет Дайсон. «[Но] масса голой частицы не имеет смысла с оперативной точки зрения. Поэтому забудьте об этом и рассчитывайте только то, что вы можете наблюдать. Это работает как магия».

Слева - Джулиан Швингер (1918-1994). Справа: Синтиро Томонага (1906-1979)

Как бы просто это ни было, идея обнажить эффективные количества возникла уже с конца 1930-х годов, предложенная Хендрик Крамерс а также Виктор Вайскопф , Но это было не так легко осуществить на практике, как может показаться: переставляя сложные вычисления, вы манипулировали бесконечностями, которые все еще могли взорваться на вашем лице, если бы вы не были осторожны. И все это время вы должны были соблюдать особую относительность Эйнштейна, которая накладывала ограничения на вычисления.

это было Джулиан Швингер работает в США и, независимо, Син-итиро Томонага в Японии, которая в конце 1940-х годов окончательно взломала расчеты, точно описывающие смещение Агнца. Расчет Швингера вдохновил Раби заявить, что «Бог велик!»

Тем не менее, больше, чем дуновение нечестивости осталось. Расчеты были по-прежнему невероятно сложными, что делало КЭД не более полезным, чем это было раньше. Как вспоминает Дайсон, личность Швингера не помогла. «Он был этим молодым вундеркиндом, и он пришел и выступил здесь в Принстоне, объясняя свои расчеты. И Оппенгеймер сказал:« Вы знаете, когда другие люди выступают с речами, это говорит вам, как это сделать. Но когда Джулиан Швингер выступает с речью, это сказать вам, что только он может сделать это ».

Более того, расчеты Швингера и Томонага все еще были упрощены. Конкретные бесконечности, которые им удалось укротить, были результатом того факта, что одна виртуальная частица обладает потенциально неограниченным количеством энергии (см. предыдущая статья ). Чтобы упростить задачу, они рассмотрели взаимодействия, в которых участвовали только одна или две виртуальные частицы, и им удалось взять под контроль соответствующие бесконечности. Будет ли метод работать, если учесть потенциально неограниченное количество виртуальных частиц, можно только догадываться.

Отличная идея была вызвана тем, что в то же время работал еще один вундеркинд, Ричард Фейнман, и Дайсон поставил его в безопасное положение. Мы рассмотрим это в следующая статья ,

дальнейшее чтение

Книга Дэвида Кайзера Разделяя теории на части исследует разработку диаграмм Фейнмана и содержит отличное введение в темы, обсуждаемые в этой статье.

Об этой статье

Марианна Фрейбергер а также Рейчел Томас являются редакторами Plus . Они взяли интервью у Фримена Дайсона и Дэвида Кайзера в феврале 2013 года. Они чрезвычайно благодарны Джереми Баттерфилду, философу физики в Кембриджском университете, и Назиму Боатте, докторантуре по основам физики в Кембриджском университете, для их многочисленных пациентов объяснения и помощь в написании этой статьи.

Похожие

Комментарии