Кіріспе
Жоғары энергиялық физикадан туындайтын дивергенциялар. Физикадағы ультракүлгін дивергенциясы немесе УК дивергенциясы – интегралдың, мысалы, Фейнман диаграммасының, шексіз энергиясы бар объектілердің үлесінен немесе, баламалы түрде, нөлдік қашықтықтағы физикалық құбылыстардан дивергенциялану жағдайы.
In physics, an ultraviolet divergence or UV divergence is a situation in which an integral, for example a Feynman diagram, diverges because of contributions of objects with unbounded energy, or, equivalently, because of physical phenomena at infinitesimal distances.
Шолу
Шексіз нәтиже физикалық емес болғандықтан, ультракүлгін дивергенциялар жиі физикалық емес әсерлерді жою үшін арнайы өңдеуді қажет етеді. Атап айтқанда, УК-дивергенцияларды реттеу және қайта нормалау арқылы жоюға болады. Ультракүлгін дивергенцияның сәтті шешілуі ультракүлгін толықталу деп аталады. Егер оларды жою мүмкін болмаса, онда теория өте қысқа қашықтықтарда бұзылу теориясымен жақсы анықталмағандығын білдіреді. Атауы мұндай дивергенцияның ең алғашқы мысалынан, қара дене сәулеленуін түсіну кезінде алғаш кездескен "ультракүлгін апаттан" алынған. XIX ғасырдың соңында классикалық физика бойынша, кез келген нақты толқын ұзындығында бөлінетін жарық түріндегі сәулелену мөлшері толқын ұзындығы азайған сайын арта түседі – әсіресе, қара дене сәулеленуінен ультракүлгін жарық инфразер жарықтан гөрі көп бөлінуі керек. Бірақ өлшемдер керісінше нәтиже берді, ең көп энергия орташа толқын ұзындығында бөлінетінін көрсетті, бұл классикалық механиканың сәтсіздігін көрсетеді. Бұл мәселе ақырында кванттық механиканың дамуына әкелді. Алғашқы ультракүлгін апатты сәтті шешу ультракүлгін дивергенциясының басқа да мәселелерін шешуге ұмтылуға себеп болды. Электромагнетизмдегі ұқсас мәселені Ричард Фейнман кванттық өріс теориясын қолдану арқылы, қайта нормалау топтарын пайдаланып шешкен, нәтижесінде кванттық электродинамиканың (QED) табысты құрылуына әкелді. Ұқсас әдістер бөлшектер физикасының стандартты моделіне алып келді. Ультракүлгін дивергенциялар, мысалы, суперсимметрия сияқты жаңа физикалық теорияларды зерттеуде маңызды рөл атқарады.
Тоқырау теориясындағы көбейу
Фундаменталды бөлшектердің кванттық шашырауы туралы қазіргі заманғы теориялар, толқын теңдеулерін қанағаттандыратын классикалық өрістерге кванттау процедурасын қолдану нәтижесінде пайда болғандығын айта отырып, Дж.Д. Бьёркен мен Сидни Дрелл осындай процедураға қатысты келесі фактілерді атап көрсетті. Бұл фактілер 1965 жылғыдай бүгінде де маңызды: Біріншіден, бізді дифференциалдық толқын таралуына ие теорияға жеткізеді. Өріс функциялары үздіксіз x және t параметрлерінің үздіксіз функциялары болып табылады, ал x нүктесіндегі өрістердегі өзгерістер x нүктесіне өте жақын орналасқан өрістердің қасиеттерімен анықталады. Көптеген толқын өрістері үшін (мысалы, дыбыс толқындары, ішектер мен мембраналардың дірілдері) мұндай сипаттама – ортаның ұсақтығын өлшейтін сипаттамалық ұзындығынан артық қашықтықтар үшін жарамды идеалдау. Кіші қашықтықтарда бұл теориялар күрт өзгеріске ұшырайды. Электромагниттік өріс – ерекше жағдай. Шындығында, арнайы салыстырмалылық теориясы механикалық түсіндіру қажеттігін жойғанша, физиктер сәулелену өрісінің механикалық сипаттамасын табуға көп күш салды. Жарық толқындарын тарату үшін қажетті «эфир» тұжырымы тасталғаннан кейін, электронның толқындық қасиеттері жаңа өрістің енгізілуін ұсынғанда, осы идеяны қабылдау қиындықтары азайды. Шындығында, электрон толқынының негізінде жатқан «эфирдің» дәлелі жоқ. Дегенмен, қазіргі тәжірибелік білімді күрт экстраполяциялау арқылы, «үлкен» қашықтықта (яғни, атомдық ұзындықтар ≈10⁻⁸ см) сәтті болатын толқындық сипаттаманы, ұзындығы белгісіз еселік кішірек қашықтықтарға (мысалы, ядролық ұзындықтан кем ≈10⁻¹³ см) таратуға болады деп есептеу – қателік. Релятивистік теорияда, өрістің сипаттамасының кез келген кіші кеңістік-уақыт аралығында дұрыс екендігі туралы болжам, бұрылыс теориясында электрондардың өзіндік энергиясы мен таза заряды үшін шексіз өрнектерге әкелді. Ренормализация теориясы бұл шексіздік қиындықтарын айналып өтті, бұл бұрылыс кеңеюінің сәтсіздігін көрсетеді. Алайда, бұл шексіздіктер теорияның кіші қашықтықтағы мінез-құлқындағы созылмалы бұзылыстың белгісі деп кеңінен саналады. Онда біз неліктен жергілікті өріс теорияларын, яғни толқын таралуының дифференциалдық заңдарымен сипатталатын теорияларды осылай кеңінен қолданып, қабылдадық деген сұрақ туындайды. Мұның бірнеше себебі бар, оның ішінде маңыздысы – олардың көмегімен байқаулармен сәйкес келетін маңызды аймақ табылды. Бірақ ең басты себеп өте қарапайым: дифференциалдық өріс теңдеулерінен қашқан теорияның сенімді нысаны жоқ.
The first is that we are led to a theory with differential wave propagation. The field functions are continuous functions of continuous parameters x and t, and the changes in the fields at a point x are determined by properties of the fields infinitesimally close to the point x. For most wave fields (for example, sound waves and the vibrations of strings and membranes) such a description is an idealization which is valid for distances larger than the characteristic length which measures the granularity of the medium. For smaller distances these theories are modified in a profound way. The electromagnetic field is a notable exception. Indeed, until the special theory of relativity obviated the necessity of a mechanistic interpretation, physicists made great efforts to discover evidence for such a mechanical description of the radiation field. After the requirement of an “ether” which propagates light waves had been abandoned, there was considerably less difficulty in accepting this same idea when the observed wave properties of the electron suggested the introduction of a new field. Indeed there is no evidence of an ether which underlies the electron wave. However, it is a gross and profound extrapolation of present experimental knowledge to assume that a wave description successful at “large” distances (that is, atomic lengths ≈10 −8 cm) may be extended to distances an indefinite number of orders of magnitude smaller (for example, to less than nuclear lengths ≈10 −13 cm). In the relativistic theory, we have seen that the assumption that the field description is correct in arbitrarily small space time intervals has led—in perturbation theory—to divergent expressions for the electron self energy and the bare charge. Renormalization theory has sidestepped these divergence difficulties, which may be indicative of the failure of the perturbation expansion. However, it is widely felt that the divergences are symptomatic of a chronic disorder in the small distance behaviour of the theory. We might then ask why local field theories, that is, theories of fields which can be described by differential laws of wave propagation, have been so extensively used and accepted. There are several reasons, including the important one that with their aid a significant region of agreement with observations has been found. But the foremost reason is brutally simple: there exists no convincing form of a theory which avoids differential field equations.