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重整化

指数 重整化

重整化(Renormalization)是量子场论、场的统计力学和自相似几何结构中解决计算过程中出现无穷大的一系列方法。 在量子场论发展的早期,人们发现许多圈图(即微扰展开的高阶项)的计算结果含有发散(即无穷大)项。重整化是解决这个困难的一个方案。一个理论如果只有有限种发散项,则可以在拉氏量中引进有限数目的项来抵消这些无穷大项,这种情形被称为可重整。反之,如果理论中有无限种发散项,则称为不可重整。 可重整化曾被认为一个场论所必需满足的自洽性要求。它在量子电动力学和量子规范场论的发展过程中起过重要的作用。粒子物理的标准模型也是可重整的。 现代场论的观点认为所有理论都只是有效理论,它们都有它们的适用范围。除了所谓的终极理论,所有理论在原则上都是不可重整的。在这种观点下,重整化只是联系不同能标下理论的一种方法。 例如: I.

9 关系: 万有理论统计力学规范场论量子场论量子電動力學自相似标准模型正規化拉格朗日量

万有理论

萬有理論(Theory of Everything或ToE)指的是假定存在的一種具有總括性、一致性的物理理論框架,能夠解釋宇宙的所有物理奧秘。經過幾個世紀奮勉不懈的努力,發展出兩種理論框架:廣義相對論與量子場論。它們的總合,可以說是最接近想像中的萬有理論。廣義相對論專注於研究引力來明白宇宙的大尺度與高質量現象,例如恆星、星系、星系團等等。量子場論專注於研究非引力來明白宇宙的小尺度與低質量現象,例如,亞原子粒子、原子、分子等等。量子場論成功地給出標準模型,並且能夠按照大統一理論將弱力、強力與電磁力這三種非引力統合在一起。 經過多年的研究,這兩種理論分別在適用範圍內做出的預測幾乎都已被實驗肯定。根据物理学家的研究结果,廣義相對論與量子場論互不相容,即對於某些狀況,两者不可能同时是正確的。由於這兩種理論的適用範圍不同,對於大多數狀況,只需用到其中一種理論。這兩種理論的不相容之處在非常小尺度與高質量範圍才成为显著的问题,例如,在黑洞內部、在宇宙大爆炸之后的极短时间。為了解釋這衝突,透露更深層實在、將引力與其它三種作用力統合在一起的理論框架必需被找出,和諧地将廣義相對論與量子場論整合在一起,原則而言,成為能夠描述所有物理現象的單一理論。近期,在追逐這艱難目標的過程中,量子引力已成為積極研究領域。 万有理论用来指那些试图统合自然界四种基本相互作用:引力相互作用、强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用成為一体的理论,是在电磁作用和弱相互作用連成一体的电弱作用理论之後,再加入強相互作用連成一体的大統一理論基础之後,又加上引力作用連成一体的理論。目前被认为最有可能成功的萬有理论是弦理论和圈量子引力論。.

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统计力学

统计力学(Statistical mechanics)是一個以波茲曼等人提出以最大熵度理論為基礎,藉由配分函數 將有大量組成成分(通常為分子)系統中微觀物理狀態(例如:動能、位能)與宏觀物理量統計規律 (例如:壓力、體積、溫度、熱力學函數、狀態方程式等)連結起來的科学。如氣體分子系統中的壓力、體積、溫度。易辛模型中磁性物質系統的總磁矩、相變溫度、和相變指數。 通常可分為平衡態統計力學,與非平衡態統計力學。其中以平衡態統計力學的成果較為完整,而非平衡態統計力學至今也在發展中。統計物理其中有許多理論影響著其他的學門,如資訊理論中的資訊熵。化學中的化學反應、耗散結構。和發展中的經濟物理學這些學門當中都可看出統計力學研究線性與非線性等複雜系統中的成果。.

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规范场论

规范场论(Gauge Theory)是基于对称变换可以局部也可以全局地施行这一思想的一类物理理论。非交换对称群(又称非阿贝尔群)的规范场论最常見的例子为杨-米尔斯理论。物理系統往往用在某种变换下不变的拉格朗日量表述,当变换在每一时空点同时施行,它们有全局对称性。规范场论推广了这一思想,它要求拉格朗日量必须也有局部对称性—应该可以在时空的特定区域施行这些对称变换而不影响到另外一个区域。这个要求是广义相对论的等效原理的一个推广。 规范“对称性”反映了系统表述的一个冗余性。 规范场论在物理学上的重要性,在于其成功為量子电動力学、弱相互作用和强相互作用提供了一个统一的数学形式化架构——标准模型。這套理論精确地表述了自然界的三種基本力的实验预测,它是一个规范群为SU(3) × SU(2) × U(1)的规范场论。像弦论这样的现代理论,以及广义相对论的一些表述,都是某种意义上的规范场论。 有时,规范对称性一词被用于更广泛的含义,包括任何局部对称性,例如微分同胚。该术语的这个含义不在本条目使用。.

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量子场论

在理論物理學中,量子场论(Quantum field theory)是由量子力學和狹義相對論互相融合後的物理理論。已被廣泛的應用在粒子物理學和凝聚體物理學中。量子場論為描述多自由度系統,尤其是包含粒子產生和湮滅過程的過程,提供了有效的描述框架。非相對論性的量子場論又稱量子多體理論,主要被應用於凝聚體物理學,比如描述超導性的BCS理論。而相對論性的量子場論則是粒子物理學不可或缺的組成部分。自然界中人類目前所知的基本相互作用有四種:強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力。除去引力的話,另外三種相互作用都已找到了合適滿足特定對稱性的量子場論來描述:強作用有量子色動力學;電磁相互作用有量子電動力學,理論框架建立於1920到1950年間,主要的貢獻者為保羅·狄拉克,弗拉迪米爾·福克,沃爾夫岡·泡利,朝永振一郎,施溫格,理查德·費曼和弗里曼·戴森等;弱作用有費米點作用理論。後來弱作用和電磁相互作用實現了形式上的統一,通過希格斯機制產生質量,建立了弱電統一的量子規範理論,即GWS(Glashow, Weinberg, Salam)模型。量子場論成為現代理論物理學的主流方法和工具。 而這些交互作用傳統上是由費曼圖來視覺化,並且提供簡便的計算規則來計算各種多體系統過程。.

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量子電動力學

在粒子物理學中,量子電動力學(Quantum Electrodynamics,簡稱QED)是電動力學的相對論性量子場論。它在本質上描述了光與物質間的相互作用,而且它還是第一套同時完全符合量子力學及狹義相對論的理論。量子電動力學在數學上描述了所有由帶電荷粒子經交換光子產生的相互作用所引起的現象,同時亦代表了古典電動力學所對應的量子理論,為物質與光的相互作用提供了完整的科學論述。 用術語來說,量子電動力學就是電磁量子的微擾理論。它的其中一個創始人,理查德·費曼把它譽為「物理學的瑰寶」("the jewel of physics"),原因是它能為相關的物理量提供,例如電子的異常磁矩及氫原子能階的蘭姆位移。.

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自相似

如果一個物體自我相似,表示它和它本身的一部分完全或是幾乎相似。若說一個曲線自我相似,即每部分的曲線有一小塊和它相似。自然界中有很多東西有自我相似性質,例如海岸線。 自我相似是分形的重要特質。.

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标准模型

在粒子物理學裏,標準模型(Standard Model,SM)是描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質基本粒子的理論,屬於量子場論的範疇,並與量子力學及狭义相對論相容。到目前為止,幾乎所有對以上三種力的實驗的結果都合乎這套理論的預測。但是標準模型還不是萬有理論,主要是因為還沒有描述引力。.

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正規化

物理學中,尤其是量子場論,正規化(regularization)是一項處理無限大、發散以及一些不合理表示式的方法,其方法透過引入一項輔助性的概念——正規子(regulator)。舉例來說,若短距離物理效應出現發散,則設定一項空間中最小距離\epsilon \,來解決這情形。正確的物理結果是讓正規子消失(此例是\epsilon\to 0)的極限情形,不過正規子的用意就在於當它是有限值,理論結果也是有限值的。正規化是將數學中的發散級數的可和性方法(summability methods)用在物理學問題上。 然而,理論結果通常包含了一些項,是正比於例如\frac的式子,若取極限\epsilon\to 0則會沒有良好定義。正規化是獲得一個完整、有限且有意義的結果的第一步;在量子場論,通常會接著一個相關但是獨立的技術方法稱作重整化。重整化則是基於對一些有著類似\frac表示式的物理量的要求,要求其應該等於觀測值。如此的約束條件則允許我們計算一些看似發散的物理量的有限值。.

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拉格朗日量

在分析力學裏,一个动力系统的拉格朗日量(Lagrangian),又稱為拉格朗日函數,是描述整个物理系统的动力状态的函数,對於一般經典物理系統,通常定義為動能減去勢能,以方程式表示為 其中,\mathcal為拉格朗日量,T為動能,V為勢能。 在分析力学裡,假設已知一个系统的拉格朗日量,则可以将拉格朗日量直接代入拉格朗日方程式,稍加运算,即可求得此系统的运动方程式。 拉格朗日量是因數學家和天文學家約瑟夫·拉格朗日而命名。.

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