Кіріспе

Физикалық теорияларды, мысалы кванттық өріс теорияларын түсіну үшін масштабтағы өзгерістерді пайдалану әдісі. Теориялық физикада ренормализация тобы (RG) термині физикалық жүйенің әртүрлі масштабтарда қарастырылғандағы өзгерістерін жүйелі түрде зерттеуге мүмкіндік беретін формальды құралды білдіреді. Бөлшек физикасында ол физикалық процестер жүзеге асырылатын энергия масштабы өзгергендегі негізгі күш заңдарының (кванттық өріс теориясында бекітілген) өзгерістерін көрсетеді, энергия/импульс және ажыратымдық қашықтық масштабтары белгісіздік принципіне сәйкес тиімді түрде байланысты. Масштабтың өзгеруі масштабтық трансформация деп аталады. Ренормализация тобы масштабтық инварианттылықпен және конформдық инварианттылықпен тығыз байланысты, бұл симметриялар жүйенің барлық масштабтарда бірдей болып көрінуін қамтамасыз етеді (өзін-өзі ұқсастық деп аталады). Масштаб өзгергенде, жүйеге қарап тұрған ойша микроскоптың ұлғайту күшін өзгертуге ұқсайды. Қайта нормаланатын теорияларда, жүйе бір масштабта, әдетте, кіші масштабта қарастырылғанда, жүйенің құрауыштарларын сипаттайтын әртүрлі параметрлермен өзін-өзі ұқсас көшірмелерден тұрады. Құрауыштар немесе негізгі айнымалылар атомдарға, элементарлық бөлшектерге, атомдық спиндерге және т.б. қатысты болуы мүмкін. Теорияның параметрлері әдетте құрауыштардың өзара әрекеттесуін сипаттайды. Бұл әртүрлі күштердің күшін өлшейтін өзгермелі байланыстар немесе массалық параметрлердің өзі болуы мүмкін. Құрауыштардың өзі қысқа қашықтыққа жеткенде, олардың өзін құрайтын ұқсас құрауыштардан тұрғандай көрінеді. Мысалы, кванттық электродинамикада (КЭД) электронды электрон-позитрон жұптарынан және фотондардан құралғандай көруге болады, оны жоғары ажыратымдылықта, өте қысқа қашықтықта қарағанда. Мұндай қысқа қашықтықтағы электронның электр заряды үлкен қашықтықтағы «киінген» электроннан сәл өзгеше, ал электр зарядының мәніндегі бұл өзгеріс немесе «ағысы» ренормализация тобы теңдеуімен анықталады.

Тарих

Масштабтық түрлендірулер мен масштабтық инварианттылық идеясы физикада ежелден келе жатыр: Масштабтық аргументтер Пифагор мектебінде, Евклидте және Галилейге дейін кеңінен қолданылды. Олар 19 ғасырдың соңында қайтадан танымал болды, алғашқы мысал ретінде Осборн Рейнольдстың турбуленттікті түсіндіру үшін ұсынған тұтқырлықтың жоғарылауы жатыр. Ренормализация тобы бастапқыда бөлшектер физикасында жасалған, бірақ қазіргі таңда қатты дене физикасы, сұйықтар механикасы, физикалық космология және тіпті нанотехнология салаларында да қолданылады. Эрнст Штюкельберг пен Андре Петерманның 1953 жылғы мақаласы кванттық өріс теориясындағы осы идеяны алдын ала болжады. Штюкельберг пен Петерманн бұл саланы тұжырымдық тұрғыдан ашты. Олар ренормализацияда шамаларды жалаңаш мүшелерден қарсы мүшелерге көшіретін түрлендірулер тобы бар екенін көрсетті. Олар кванттық электродинамикада (QED) h(e) функциясын енгізді, ол қазір бета-функция деп аталады (төменде қараңыз).

Терең түсінік

Қайта нормалау тобы кванттық өріс айнымалыларының қайта нормалауынан туындайды, бұл әдетте кванттық өріс теориясындағы шексіздіктер мәселесін шешуге бағытталған. Кванттық өріс теориясының шексіздіктерін жүйелі түрде басқару және шекті физикалық шамаларды алу мәселесін Ричард Фейнман, Джулиан Швингер және Шинъичиро Томонага QED үшін шешті, олар 1965 жылы осы үлестері үшін Нобель сыйлығын алды. Олар масса мен зарядты қайта нормалау теориясын жасады, онда импульс масштабындағы шексіздік өте үлкен реттегіш Λ арқылы кесіледі. Электр заряды немесе электрон массасы сияқты физикалық шамалардың Λ масштабына тәуелділігі жасырылған, тиімді түрде физикалық шамалар өлшенетін ұзақ қашықтық масштабымен алмастырылады, нәтижесінде барлық байқалатын шамалар тіпті шексіз Λ үшін де шекті болып шығады. Осы нәтижелерде Гелл-Манн мен Лоу g-дегі шамалы өзгеріс жоғарыда келтірілген RG теңдеуімен, ψ(g) арқылы қамтамасыз етілетінін, ал өзіне ұқсастық ψ(g) теорияның параметрлеріне ғана, бірақ μ масштабына емес, тікелей тәуелді екендігін көрсетті. Осының салдарынан жоғарыдағы қайта нормалау тобы теңдеуін (G және осылайша) g(μ) үшін шешуге болады. Қайта нормалау процесінің физикалық мағынасын және жалпылауын тереңірек түсіну, дәстүрлі қайта нормалауға болатын теориялардың кеңейту тобынан асып түседі, бір мезгілде әртүрлі ұзындық масштабы пайда болатын әдістерді қарастырады. Ол конденсирленген заттар физикасынан келді: Лео П. Кадановтың 1966 жылғы мақаласы «блок спин» қайта нормалау тобын ұсынды. «Блоктау идеясы» – теорияның үлкен қашықтықтағы компоненттерін қысқа қашықтықтағы компоненттердің жиынтығы ретінде анықтау тәсілі. Бұл тәсіл концептуалды тұрғыдан толық болды және Кеннет Уилсонның кең ауқымды маңызды үлестерінде толық есептеу мазмұнымен толықтырылды. Уилсонның идеяларының күші ұзақ жылдар бойы шешілмей келген Кондо мәселесінің конструктивті итеративті қайта нормалау шешімінде, сондай-ақ 1971 жылы екінші реттік фазалық өтулер мен сындық құбылыстар теориясындағы оның жаңа әдісінің алғашқы дамуында көрсетілді. Ол 1982 жылы осы шешуші үлестері үшін Нобель сыйлығымен марапатталды.

Қайталау

Осы арада бөлшектер физикасындағы RG-ді 1970 жылы Каллан мен Симанзик практикалық тұрғыда қайта формулировкалады. Жоғарыда келтірілген бета-функция, масштабпен "қосылудың өзгеруін" сипаттайтын, сонымен қатар "каноникалық із аномалиясы" болып табылды, ол өріс теориясындағы масштабтық (дилатациялық) симметрияның кванттық механикалық бұзылуын көрсетеді. 1970 жылдары Стандартты модельдің орнауымен бірге RG-нің бөлшектер физикасына қолданылуы арта түсті. 1973 жылы кванттық хромодинамика деп аталатын, өзара әрекеттесетін түсті кварктар теориясының теріс бета функциясы бар екені анықталды. Бұл, қосылудың бастапқы жоғары энергиясы μ ерекше мәніне жеткенде, қосылу шексіздікке ұшырайды (дивергентті болады) дегенді білдіреді. Бұл ерекше мән – күшті өзара әрекеттесу масштабы, μ = Λ және шамамен 200 МэВ-та пайда болады. Керісінше, қосылу өте жоғары энергияларда әлсіздейді (асимптотикалық еркіндік), ал кварктар терең икемді шашырауда, Фейнман-Бьёркен масштабтауынша болжалғандай, нүкте тәрізді бөлшектер ретінде байқалады. Осылайша, КХД бөлшектердің күшті өзара әрекеттесуін басқаратын кванттық өріс теориясы ретінде қалыптасты. Импульс кеңістігіндегі RG қатты дене физикасында да кеңінен қолданылатын құралға айналды, бірақ бұзылу теориясының көп қолданылуы оның күшті байланысты жүйелерде табысқа жете беруіне кедергі келтірді.

Конформальды симметрия

Конформальды симметрия бета-функцияның нөлге теңесуімен байланысты. Бұл, егер байланыс тұрақтысы ағысы кезінде β(g) = 0 болатын белгілі бір нүктеге тартылса, табиғи түрде орын алуы мүмкін. КҚД-де (QCD) бұл белгілі бір нүкте g → 0 болатын қысқа қашықтықта пайда болады және (тривиалды) ультракөк сәулелік белгілі бір нүкте деп аталады. Ауыр кварктар, мысалы, жоғарғы кварк үшін, Хиггс бозонының массасына байланысты байланыс, алғаш рет Пендлтон мен Росс (1981) және К.Т. Хилл болжаған нөлдік емес (тривиалды емес) инфрақызыл белгілі бір нүктеге қарай ағып өтеді. Жоғарғы кварк Юкава байланысы Стандартты модельдің инфрақызыл белгілі бір нүктесінен сәл төмен орналасқан, бұл реттік ауыр Хиггс бозондары сияқты қосымша жаңа физиканың болу мүмкіндігін көрсетеді. Көгал теориясында, жіп әлемінің бетінің конформдық инварианттылығы – негізгі симметрия: β = 0 – қажетті шарт. Мұнда β – жіп қозғалатын кеңістік-уақыт геометриясының функциясы. Бұл жіп теориясының кеңістік-уақыт өлшемділігін анықтайды және геометрияға Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теңдеулерін қатаң түрде жүзеге асырады. РГ (RG) жіп теориясы және ұлы біріктіру теориялары үшін өте маңызды. Сондай-ақ, ол конденсирленген заттар физикасындағы сындық құбылыстардың негізінде жатқан қазіргі заманғы маңызды идея. Шындығында, РГ (RG) қазіргі заманғы физиканың ең маңызды құралдарының біріне айналды. Ол көбінесе Монте-Карло әдісімен бірге қолданылады.

Блок айналуы

Бұл бөлім педагогикалық тұрғыдан ең оңай түсінілетін RG суретін ұсынады: Лео П. Кадановтың 1966 жылы жасаған блок спин RG. D = 4 үшін тривиалдық әлі де қатаң түрде дәлелденбеді, бірақ торлы есептеулер оны қуатты түрде қолдайды. Бұл факт маңызды, себебі кванттық тривиалдықты асимптотикалық қауіпсіздік сценарийлерінде Хиггс бозонының массасы сияқты параметрлерді шектеуге немесе тіпті болжауға болады. Торлық Хиггс теорияларын зерттеуде көптеген бекітілген нүктелер пайда болады, бірақ олармен байланысты кванттық өріс теорияларының мәні әлі де ашық мәселе болып қала береді. Мұндай жүйелердегі RG түрлендірулері мәліметтерді жоғалтумен жүзеге асырылады (яғни, айнымалылар саны кемиді – мысалы, басқа контексте жоғалтулы деректерді сығу), сондықтан әрбір RG түрлендіруіне кері түрлендірудің болуы міндетті емес. Осылайша, мұндай мәліметтерді жоғалтатын жүйелерде қайта қалыпқа келтіру тобы, шындығында, жартылай топ болып табылады, себебі мәліметтерді жоғалту әр элемент үшін бірегей керінің болмауын білдіреді.

Тиісті және маңызды емес операторлар және әмбебаптық сыныптары

RG түрлендіруге ұшыраған физикалық жүйенің белгілі бір байқалатын А-сын қарастырайық. Жүйенің ұзындық шкаласы кішкентайдан үлкенге қарай өзгерер кезде байқалатынның шамасы, оның маңыздылығын анықтайды: Егер оның шамасы әрқашан артса, онда байқалатын әрқашан маңызды, әрқашан маңызсыз, ал басқа – шекті. Макроскопиялық мінез-құлқымен жүйені сипаттау үшін маңызды байқалатын қажет; маңызсыз байқалатын қажет емес. Шекаралық байқалатынды есепке алу қажет болуы мүмкін немесе қажет болмауы мүмкін. Көптеген байқалатын заттардың маңызсыз екендігі – бұл кең таралған факт, яғни макроскопиялық физикада көптеген жүйелерде тек бірнеше байқалатын заттар ғана басым. Мысалы, микроскопиялық физикада, көміртек-12 атомдарының молінен тұратын жүйені сипаттау үшін бізге шамамен 10 (Авогадро саны) айнымалы қажет, ал оны макроскопиялық жүйе ретінде сипаттау үшін (көміртек-12-нің 12 граммы) тек бірнешеу ғана қажет. Вильсонның RG тәсілінен бұрын түсіндіруге болатын таңғажайып эмпирикалық факт болды: магниттік жүйелер, суперсұйық күйге өту (Лямбда өтуі), қорытпа физикасы және т.б. сияқты өте әртүрлі құбылыстардағы сындық көрсеткіштердің (яғни екінші реттік фазалық өтуге жақын бірнеше шамалардың температураға тәуелділігінің көрсеткіштері) сәйкес келуі. Жалпы, фазалық өтуге жақын жүйенің термодинамикалық ерекшеліктері өлшемділік және симметрия сияқты бірнеше айнымалыға ғана байланысты, бірақ жүйенің негізгі микроскопиялық қасиеттерінің егжей-тегжейлеріне сезімтал емес. Мүлдем әртүрлі физикалық жүйелер үшін сындық көрсеткіштердің осы сәйкес келуі, «әмбебаптық» деп аталады, және оны қайта нормалау тобын қолдану арқылы оңай түсіндіруге болады, бұл жеке ұсақ масштабтағы компоненттер арасындағы құбылыстардың айырмашылықтары маңызсыз байқалатын заттармен анықталады, ал маңызды байқалатын заттар ортақ болып табылады. Сондықтан көптеген макроскопиялық құбылыстарды ортақ маңызды байқалатын заттар жиынтығымен сипатталатын шағын әмбебаптық сыныптарына топтастыруға болады.

Импульстік кеңістік

Ренормализация топтары практикада екі негізгі "түрге" бөлінеді. Жоғарыда сипатталған Каданов суреті негізінен нақты кеңістіктегі РГ деп аталады. Ал импульс кеңістігіндегі РГ, салыстырмалы күрделілігіне қарамастан, ұзақ тарихқа ие. Оны еркіндік дәрежелерін белгілі бір өрістің Фурье режимдері түрінде бейнелеуге болатын жүйелерде қолдануға болады. РГ түрлендіруі белгілі бір жоғары импульсті (үлкен толқындық сан) режимдерді интеграциялау арқылы жүзеге асырылады. Үлкен толқындық сандар қысқа ұзындық өлшемдерімен байланысты болғандықтан, импульс кеңістігіндегі РГ нақты кеңістіктегі РГ сияқты ұсақтандыру эффектісін тудырады. Импульс кеңістігіндегі РГ көбінесе бұзылу қатарымен орындалады. Мұндай қатардың дұрыстығы жүйенің нақты физикасы еркін өріс жүйесінің физикасына жақын болуына байланысты. Бұл жағдайда, байқалатын шамаларды қатардағы басты мүшелерді қосу арқылы есептеуге болады. Бұл тәсіл көптеген теориялар үшін, соның ішінде бөлшектер физикасының көп бөлігі үшін табысты болды, бірақ физикасы кез келген еркін жүйеден тым алыс жүйелер үшін, яғни, күшті байланыстары бар жүйелер үшін сәтсіз аяқталады. РГ-нің бөлшектер физикасындағы физикалық мағынасын түсіндіру үшін кванттық электродинамикадағы (QED) зарядты ренормализациялауды қарастырайық. Бір белгілі нақты (немесе бастапқы) шамадағы оң нүктелік заряд бар делік. Оны қоршаған электромагниттік өріс белгілі бір энергияға ие, сондықтан виртуалды электрон-позитрон жұптарын (мысалы) тудыруы мүмкін. Виртуалды бөлшектер өте жылдам жойылса да, олардың қысқа ғұмырында электроны заряд тартады, ал позитрон кері итеріледі. Бұл нүктелік зарядтың маңындағы барлық жерде бірдей болатындықтан, оның электр өрісі жеткілікті күшті болғанда, бұл жұптар алыстан қарағанда зарядтың айналасында экран құрайды. Зарядтың өлшенген күші біздің өлшеу зондымыздың нүктелік зарядға қаншалықты жақындауына байланысты болады, ол жақындаған сайын виртуалды бөлшектердің экранынан көбірек өтеді. Осылайша, белгілі бір байланыс тұрақтысының (мұнда электр заряды) қашықтық өлшемімен байланысы туындайды. Импульс және ұзындық өлшемдері де Бройль қатынасына сәйкес кері пропорционалды: энергия немесе импульс өлшемі неғұрлым жоғары болса, біз соғұрлым кішкентай ұзындық өлшемін зерттей және анықтай аламыз. Сондықтан импульс кеңістігіндегі РГ қолданушылары кейде өз теорияларынан жоғары импульстарды немесе жоғары энергияны интеграциялаймыз деп мәлімдейді.

Педагогикалық және тарихи шолулар

Ең табысты вариациялық RG әдісі. Математикалық кіріспе және тарихи шолу, топтық теорияға және жоғары энергиялық физикадағы қолданылуына ерекше назар аудару. Қайта нормалау және қайта нормалау тобына қарапайым кіріспе. Конденсирленген заттар физикасында қолданылатын қайта нормалау тобына қарапайым кіріспе.