A kvantumtérelmélet története

Ez a cikk összefoglalja a kvantumtérelmélet történetét .

A kvantumtérelméletben a fogalmak alkalmazásával a kvantumfizika a mezőket . A relativisztikus kvantummechanika kérdése , amelynek az egyetlen részecskét leíró elméletként való értelmezése inkonzisztensnek bizonyult, a kvantumtérelmélet keretet biztosít a részecskefizikában , a sűrített anyagfizikában és a statisztikai fizikában .

Történelmi

Első lépések

A 1925 in Göttingen , röviddel a szülés után a mátrix mechanika, Jordan megpróbálta számszerűsíteni az elektromágneses mező által létrehozott töltött részecske követve által bevezetett új szabályok Heisenberg részecskék. Ez az első kísérlet kudarcot vall, de Jordan kitart, és egy évvel később ezúttal megpróbálja számszerűsíteni a szabad elektromágneses teret (azaz töltések hiányában). Ennek a munkának a társaival szembeni fogadása meglehetősen ellenséges, és általában úgy gondolják, hogy a kvantumtérelmélet valóban 1927- ben született, amikor a brit Dirac eredeti cikke megjelent : "Az emisszió és abszorpció kvantumelmélete. Sugárzás" címmel. Ebben a cikkben Dirac teljesen számszerűsíti a {töltések + mezők} rendszert a hamiltoni formalizmus felhasználásával. A Dirac által alkalmazott módszert második kvantifikációnak nevezzük .

Dirac elméletét dicsérettel fogadták és vitatták meg, nevezetesen Bohr , a híres Solvay kongresszuson , 1927 októberében . Mindazonáltal egyértelműen volt egy fő hibája: a Hamiltonianon alapuló formalizmus ideje volt egy bizonyos szerepet játszani, ami nem volt összeegyeztethető az Einstein relativitáselmélete által állított Lorentz-invarianciával . Heisenberg, Jordan, Pauli és Klein ezután úgy döntöttek, hogy elkészítik a relativisztikus kvantumelektrodinamika saját verzióját. Már 1927-ben Pauli és Jordan sikeresen megfogalmazta a kvantált szabad elektromágneses mezőt leíró Maxwell-tenzor összetevőinek kovariáns kapcsolási viszonyait (Heisenberg-ábrázolásban):

${\ displaystyle \ left [\, F _ {\ mu \ nu} (x), \, F _ {\ rho \ sigma} (x ') \, \ right] = i \, \ left [\, \ left (\, \ eta _ {\ nu \ sigma} \, \ részleges _ {\ rho} '- \ eta _ {\ nu \ rho} \, \ részleges _ {\ sigma}' \ \ jobb) \, \ részleges _ {\ mu} \ - \ \ balra (\, \ eta _ {\ mu \ sigma} \, \ részleges _ {\ rho} '- \ eta _ {\ mu \ rho} \, \ részleges _ {\ sigma } '\, \ right) \, \ részleges _ {\ nu} \, \ right] \, \ Delta (x-x')}$

hol van a Minkowski mutató, és ahol a Pauli-Jordan függvény a Dirac eloszlás relativisztikus általánosítása : ${\ displaystyle \ eta _ {\ mu \ nu}}$ ${\ displaystyle \ Delta (x)}$ $\ delta (x)$

{\ displaystyle \ Delta (x) \, = \, - \, i \, \ int {\ frac {d ^ {4} k} {(2 \ pi) ^ {3}}} \ \ delta (k ^ {2}) \ \ epsilon (k ^ {0}) \ e ^ {- \, i \, k \ cdot x}}

Ebben a képletben a: = előjel függvény a négy impulzus időösszetevőjének előjele szerint érvényes . ${\ displaystyle \ epsilon (k ^ {0})}$ ${\ displaystyle (k ^ {0})}$ ${\ displaystyle \ pm 1}$ ${\ displaystyle k ^ {0}}$

A 1933 , Bohr és munkatársa Rosenfeld elemezte mérhetősége a kvantált elektromágneses mezőt a kapcsolási kapcsolatok összetevőjét. Megmutatták, hogy egy pontban egy lokális kvantumtér egyedülálló matematikai lény, és hogy a mezőnek csak egy térbeli átlaga érhető el egy kis térterületen a méréshez. Egy részecske bizonytalansági elvéhez hasonlóan egyenlőtlenségeket állapítottak meg , amelyek kifejezik a mezők mérésének lehetőségének alapvető korlátjait az időszerű időközzel elválasztott tér-idő pontokban. Ez a fontos munka egy dán folyóiratban kissé hermetikus cikkként jelent meg.

A fent említett szerzők mellett Wigner , Weisskopf , Landau , Peierls , Oppenheimer , Podolsky és különösen Fermi egyaránt jelentősen hozzájárultak a formalizmushoz. A Fermi-módszert különösen már 1932- ben alkalmazta Dirac, Fock és Podolsky a kvantumelektrodinamika teljesen kovariáns formulájának létrehozására, amelyet Dirac azonnal beépített híres munkájába: A kvantummechanika alapelvei . Ezt a végleges formát Wentzel 1943-ban veszi fel és szintetizálja egy könyvben, amely sokáig referenciaként szolgál.

Az összes fent idézett szerző egyszerre visszatérő akadályba ütközött: a végtelenségek szisztematikus megjelenése a mérhetőnek vélt fizikai mennyiségek kiszámítása során , használhatatlanná téve az elméletet.

Kvantum elektrodinamika

Az első igazi elméleti előrelépés a végtelenségek problémájával kapcsolatban 1947-re nyúlik vissza . Ebben az évben, valóban pontosan megmérni bizonyos eltéréseket a finom és hiperfinom szerkezet az energia szintjét a hidrogénatom , eltérések a jóslatok a Dirac-egyenlet az egy elektron a Coulomb területen. A proton .

E különbségek egyike a híres Bárány-váltás ( Bárány-váltás ). Ezt a kísérleti eredményt intenzíven tárgyaltuk 2-től1947. június 4 az elméleti fizika "Shelter Island konferenciáján" címmel: "A kvantummechanika alapjai" címmel.

A konferencia végén, egy vonaton, amely New Yorkból Schenectady-ba vitte, Bethe teoretikusnak sikerült először kiszámítania a Bárány elmozdulásának helyes véges nagyságrendjét. De ez az első számítás nem relativisztikus volt, ezért tökéletlen. Július elején visszatérve a Cornell Egyetemre (Ithaca), ahol tanított, Bethe előadást tartott, amelyben bemutatta eredményét, és arra a következtetésre jutott, hogy teljesen relativisztikus számításra van szükség. A hallgatóságban fiatal Feynman volt , aki a beszélgetés végén meglátogatta Bethe-t, hogy elmondja neki, hogy szerinte meg tudja csinálni ezt a relativisztikus számítást. Amit tett.

A végtelenségek nehézségét azonban csak 1948- ban sikerült legyőzni , a szisztematikus renormalizációs eljárás feltalálásával , elsősorban a japán Tomonaga, valamint az amerikaiak Schwinger (a Harvard Egyetemről ) és Feynman munkájának köszönhetően . Ez a három szerző megosztja az 1965-ös fizikai Nobel-díjat . A Schwinger által kifejlesztett absztrakt megfogalmazás egyenértékűségét és Feynman által függetlenül kitalált grafikonok alapján 1948-ban Dyson ( Institute for Advanced Study , Princeton) bizonyította.

A módszer a mennyiségi az elektromágneses mező által javasolt Feynman épül ő koncepciója az pályaintegrál . Ennek a kvantálási eljárásnak a szisztematikus alkalmazása a régi kánoni kvantálás helyett később lehetővé teszi a mérőelméletek egyszerű számszerűsítését.

Felmérő elméletek

A kvantumelektrodinamika, a kommutatív csoporton alapuló abeli mérőeszköz- elmélet sikere arra késztette az elméleti szakembereket, hogy a kvantumtérelmélet fogalmait alkalmazzák a nem-abeli mérőműszer-elméletekre. Ezeket az elméleteket Yang-Mills elméleteknek is nevezik , 1954-ben két feltalálójuk neve : Chen Yang és Robert Mills után . Ezekkel elméletek szült a jelenlegi standard modell a részecskefizika . $U (1)$

Az első elmélet volt az egységes elektro-gyenge elmélet a Glashow , Salam és Weinberg ( 1962-es - 1968-as ), melyek a műszer csoport . Ezeket a szerzőket az 1979. évi fizikai Nobel-díjjal tüntették ki . Ebben az elméletben az anyagrészecskék ( elektronok , müonok , neutrínók stb.) Kölcsönhatásba lépnek egy vagy több virtuális bozon cseréjével : foton , W + , W - és Z 0 . A fotonnal ellentétben a W és Z bozon vektorok hatalmasak, tömegük 100 GeV / c² nagyságrendű . Ez magyarázza a gyenge interakció nagyon rövid tartományát . Ezeknek a részecskéknek a tömegének bevezetése egy új mechanizmus feltalálását is megkövetelte, az úgynevezett Higgs-mechanizmust (amelyet feltalálójáról, Peter Higgs-ről neveztek el ), mert egy klasszikus tömegtag bevezetése a Lagrangianba megtörné a nyomtáv változatlanságát. Ezt a mechanizmust, a spontán szimmetriatörést Higgs vezette be . Ez egy új masszív részecskének, a Higgs-bozonnak felel meg , amelynek létezését az LHC megerősítette . ${\ displaystyle SU (2) \ otimes U (1)}$

Aztán az 1970-es években jött az erős nukleáris kölcsönhatás elmélete , amelyet Gross , Politzer és Wilczek dolgozott ki ; ezt a három szerzőt 2004-ben fizikai Nobel-díjjal tüntették ki . Ez az elmélet, amelyet kvantum-kromodinamikának (QCD) is neveznek, a színmérő csoportra épül . Az anyagi részecskék ( kvarkok ) kölcsönhatásba lépnek egy vagy több virtuális bozon, a gluon cseréjével . A fotonhoz hasonlóan a gluonok is nulla tömegű részecskék. De a fotonnal ellentétben a gluonok színes töltetet hordoznak és kölcsönhatásba lépnek egymással: Maxwell elektrodinamikájától eltérően a Yang-Mills elméletek valóban nem lineárisak. A kvantum-kromodinamika másik figyelemre méltó tulajdonsága az aszimptotikus szabadságé volt, vagyis az a tény, hogy a kvarkok úgy látják, hogy kölcsönhatásuk gyengül, ha az érintett energiák nagyon nagyok, és éppen ellenkezőleg, nagyon erősen kölcsönhatásba lépnek alacsony energiánál. Ez a sajátos jelenség a kvarkzáró mechanizmus eredetének köszönhető, amely megakadályozza a kvark izolált állapotban történő megfigyelését. Valóban, ha növeljük a távolságot két kvarkok azok kölcsönhatását energia lesz olyan nagy, hogy más kvarkok kiemelkedni a környező vákuum úgy, hogy a színes töltés megfigyelt messziről mindig nulla marad. $SU (3)$

E nem abeli nyomtávú elméletek érvényesítésének döntő lépése volt a renormalizálhatóságuk bizonyítéka, amelyet 1972- ben 't Hooft és Veltman , a fizikai Nobel-díj 1999-ben alapított .

Statisztikai fizika

A statisztikai fizika programja a testek makroszkopikus tulajdonságainak leírása mikroszkopikus tartalmuk alapján . Egy fontos probléma főleg az állapotváltozások leírásában áll , amelyeket fázisátmenetnek is nevezünk . Bizonyos kísérleti körülmények között bizonyos testek néha olyan sajátos viselkedést mutatnak be , amelyet a kritikus jelenség neve alá sorolunk , és amelyeket bizonyos univerzális kritikus kitevők jellemeznek . Ezeknek a kritikus kitevőknek a statisztikai fizika régi módszereivel (átlagos terepi módszerekkel) történő kiszámítása olyan eredményeket adott, amelyek nem értettek egyet a kísérlettel.

A hatvanas évek végére Kadanoff bevezette azt az elképzelést, hogy a fázisátalakulások az egyetemesség és a méretarány változatlansága tulajdonságait mutatják . Ezután Wilsonnak az az ötlete támadt, hogy alkalmazza a kvantumtérelmélet renormalizációs módszereit . Ennek az új megközelítésnek a sikerei Wilsonnak 1982-ben fizika Nobel-díjat nyertek ; a szakemberek - elsőként Wilson - meglepődtek azon, hogy Kadanoff nem kapcsolódik ehhez a rangos elismeréshez.

Franciaország a maga részéről jelentősen hozzájárult ehhez a kritikus exponensek kiszámításának kalandjához Jean Zinn-Justin (a C.É.A. Saclay elméleti fizika tanszékének), Jean-Claude Le által az 1970-es években végzett munkájával. Guillou (Elméleti fizika és nagy energiák laboratóriuma, Párizsi Egyetem 6) és Édouard Brézin (az ENS elméleti fizikájának laboratóriuma).

Függelékek

Kapcsolódó cikk

Bibliográfia

Átfogó tanulmányok

José Leite-Lopes és Bruno Escoubès; A kvantumfizika forrásai és evolúciója - Alapító szövegek , Masson (1995) [ ( ISBN 2-225-84607-3 ) ]. Újranyomta az EDP Sciences. Áttekintést nyújt az eszmék alakulásáról, a XIX . Századtól 1993-ig.
Olivier Darrigol; A kvantumtér fogalmának keletkezése , Annales de Physique (Franciaország) 9 (1984) 433-501. Tudományos tanulmány, amely az 1925-1940.
Ábrahám Pais; Inward Bound - Az anyag és erők a fizikai világban , Oxford University Press (1986) [ ( ISBN 0-19-851997-4 ) ] Írta: egy korábbi Einstein asszisztens a Princetonban, a modern fizika fejlődésének ez a remek története 1895-ben a röntgensugarak kísérleti felfedezésével, majd 1983-ban fejeződött be a W és Z bozon-vektorok CERN-i kísérleti felfedezésével.A szerző nagyon részletesen leírja az ötletek evolúcióját, szisztematikusan feltüntetve az eredeti publikációk referenciáit. Milyen kár, hogy ezt a könyvet nem fordítják le francia nyelvre ...
Emilio Segré; Modern fizikusok és felfedezéseik - A röntgentől a kvarkig , Fayard (1984) [ ( ISBN 2-213-01383-7 ) ]. Népszerűsített történet, amely az előző könyvvel megegyező időszakot öleli fel. A szerző az antiproton kísérleti felfedezéséért 1959-ben fizikai Nobel-díjat kapott .
Steven Weinberg; A mezők kvantumelmélete - alapok (I. köt .) , Cambridge University Press (1995) [ ( ISBN 0-521-55001-7 ) ] Weinberg monumentális értekezésének első fejezete (1–40. O. ) A kvantumtérelmélet.
Steven Weinberg; Mi a kvantum mező elmélet, és mit gondoltunk róla? ; Weinberg beszédének tartalma, amelyet a Bostoni Egyetemen tartott történelmi és filozófiai elmélkedések a kvantumtérelmélet alapjairól címmel tartott előadáson ,1996. március (PDF, 17 oldal)
Silvan S. Schweber; QED és a férfiak: Dyson, Feynman, Schwinger és Tomonaga , Princeton University Press (1994) [ ( ISBN 0-691-03327-7 ) ]
Arthur I. Miller (szerk.); Korai kvantumelektrodinamika: Forráskönyv , Cambridge University Press (1995) [ ( ISBN 0-521-56891-9 ) ]
Julian Schwinger (szerk.); Válogatott dolgozatok a kvantumelektrodinamikáról , Dover Publications, Inc. (1958) [ ( ISBN 0-486-60444-6 ) ]
Lochlainn O'Raifeartaigh; The Dawning of Gauge Theory , Princeton University Press (1997. május 5.) [ ( ISBN 0-691-02977-6 ) ]
Tian Yu Cao; A 20. századi terepi elméletek fogalmi fejleményei , Cambridge University Press (1997) [ ( ISBN 0-521-63420-2 ) ]
Andrew Pickering; Kvarkok felépítése - A részecskefizika szociológiai története , The University of Chicago Press (1984) [ ( ISBN 0-226-66799-5 ) ]. Egy történet, amely az 1960-as évektől (Gell-Mann és Low kvarkok modellje) és 1983-ig (a bozon-vektorok kísérleti felfedezése) terjed ki.
Tian Yu Cao; A QCD története , készülőben.

Történelmi hivatkozások

Paul Adrien Maurice Dirac; A sugárzás emissziójának és abszorpciójának kvantumelmélete , Proceedings of the Royal Society A114 (1927) 243-265. Közzétéve: Julian Schwinger (szerk.); Válogatott dolgozatok a kvantumelektrodinamikáról , Dover Publications, Inc. (1958) [ ( ISBN 0-486-60444-6 ) ]
Niels Bohr és Léon Rosenfeld; Zur frage der messbarkeit der electromagnetischen feldgrossen , Kgl. Danske Vidensk. Selskab. Mat.-Fys. Medd. 12 (1933) 8. Lásd még: Niels Bohr és Léon Rosenfeld; Terepi és töltésmérések a kvantumelektrodinamikában , Physical Review 78 (1950) 794.

Hivatkozások

Paul Adrien Maurice Dirac; A sugárzás emissziójának és abszorpciójának kvantumelmélete , Proceedings of the Royal Society A114 (1927) 243-265. Közzétéve: Julian Schwinger (szerk.); Válogatott cikkek a kvantumelektrodinamikáról , Dover Publications, Inc. (1958) [ ( ISBN 0-486-60444-6 ) ]
Ezt az elképzelést Wightman fogja alkalmazni az axiomatikus mezők kvantumelméletének megközelítésében : valóban feltételezi, hogy a kvantum mezőt operátorérték- eloszlás képviseli .
Niels Bohr és Léon Rosenfeld; Zur frage der messbarkeit der electromagnetischen feldgrossen , Kgl. Danske Vidensk. Selskab. Mat.-Fys. Medd. 12 (1933) 8. Lásd még: Niels Bohr és Léon Rosenfeld; Terepi és töltésmérések a kvantumelektrodinamikában , Physical Review 78 (1950) 794.
Mindegyikük hozzájárulásához hasznos hivatkozni Olivier Darrigol irodalomjegyzékben idézett cikkére.
Gregor Wentzel; Einführung in die quantentheorie der wellenfelder , F. Deuticke (Bécs-1943).
Bethe az Egyesült Államok e városában található General Electric cég tanácsadója volt .