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Richard Feynman은 내 사무실로 방황했을 때 피곤해 보였다. 1982 년경 산타 바바라에서 길고 지친 하루가 끝났습니다. 행사에는 공연, 열렬한 PostDocs의 점심 시간 굽는 세미나, 선임 연구원들과의 활발한 토론이 포함되었습니다. 유명한 물리학 자의 삶은 항상 강렬합니다. 그러나 우리 방문객은 여전히 물리학에 대해 이야기하고 싶었습니다. 우리는 저녁 식사 전에 채우는 데 몇 시간이 걸렸습니다.
나는 Fractional Spin 및 Anyons와 같은 투기적인 새로운 아이디어가 흥미로웠다 고 생각한 것을 Feynman에게 설명했습니다. Feynman은“Wilczek, 당신은 진짜 무언가를 위해 노력해야합니다.”라고 말했습니다. (Anyons는 실제이지만 다른 게시물의 주제입니다.)
이후에 어색한 침묵을 깨기 위해 Feynman은 물리학에서 가장 혼란스러운 질문을 물었습니다.“내가 생각한 다른 것이 있습니다. 왜 빈 공간이 무게를 측정하지 않습니까?”
Feynman은 일반적으로 빠르고 활기차게 올라갔습니다. 내가 그를 본 유일한 시간이었다. 마침내 그는 꿈꾸며 말했다. 아름다웠습니다.” 그리고 흥분한 그는 흥분한 소리를 내며 가까운 소리를 지르면서 다음과 같은 설명을 시작했습니다. !”
그 초현실적 인 독백을 이해하려면 약간의 배경 이야기를 알아야합니다. 그것은 진공과 공극의 구별을 포함합니다.
현대적인 사용으로 진공 청소기는 실질적으로나 원칙적으로 가능한 모든 것을 제거 할 때 얻는 것입니다. 우리는 공간 영역이 우리가 알고있는 모든 종류의 입자와 방사선이 없으면“진공을 실현”한다고 말합니다 (이 목적을 포함하여, 우리는 일반적인 방식으로 자세히는 아니지만 자세히는 아는 것은 어두운 물질을 포함하여). 또는 진공은 최소 에너지의 상태입니다.
은하계 공간은 진공에 대한 근사치입니다.
반면에 공허는 이론적 인 이상화입니다. 그것은 아무 의미가 없음을 의미합니다 :독립적 인 속성이없는 공간은 우리가 말할 수있는 유일한 역할은 같은 장소에서 모든 것이 일어나지 않도록하는 것입니다. 무효는 입자 주소를 제공하고 더 이상 아무것도 제공하지 않습니다.
아리스토텔레스는“자연이 진공 청소기를 혐오”한다고 주장했지만, 더 올바른 번역은“자연이 무효가 될 것”이라고 확신합니다. 아이작 뉴턴은 다음과 같이 썼을 때 동의하는 것처럼 보였다
그러나 뉴턴의 걸작에서 Principia , 플레이어는 서로 힘을 가하는 시체입니다. 무대의 공간은 빈 리셉터클입니다. 그것은 그 자체의 삶이 없습니다. Newtonian Physics에서는 진공 청소기가 무효입니다.
뉴턴의 중력에 대한 뉴턴의 중력 방정식이 승리에서 승리로 이어졌고, (처음에는) 전기 및 자기 힘에 대한 유사한 것들도 그렇게하는 것처럼 뉴턴의 프레임 워크가 거의 2 세기 동안 훌륭하게 작동했습니다. 그러나 19 세기에 사람들이 전기와 자기의 현상을보다 밀접하게 조사함에 따라 뉴턴 스타일 방정식은 부적절한 것으로 판명되었습니다. James Clerk Maxwell의 방정식에서, 그 작품의 열매, 전자기장은 분리 된 몸이 아니라 현실의 주요 대상입니다.
.양자 이론은 맥스웰의 혁명을 증폭시켰다. 양자 이론에 따르면, 입자는 단지 거품의 기포 일뿐 아니라 기본 필드에 의해 시작됩니다. 예를 들어, 광자는 전자기장의 교란입니다.
젊은 과학자로서 Feynman은 그 견해가 너무 인공적으로 발견되었습니다. 그는 뉴턴의 접근 방식을 되찾고 실제로 인식하는 입자와 직접 협력하고 싶었습니다. 그렇게함으로써 그는 숨겨진 가정에 도전하고 자연에 대한 간단한 설명에 도달하고 양자 필드로의 전환이 만든 큰 문제를 피하기를 바랐습니다.
ii.
양자 이론에서, 분야에는 자발적인 활동이 많이 있습니다. 그들은 강도와 방향으로 변동합니다. 진공 상태에서 전기장의 평균값은 0이지만 제곱의 평균값은 0이 아닙니다. 전기장의 에너지 밀도는 필드의 제곱에 비례하기 때문에 중요합니다. 에너지 밀도 값은 실제로 무한합니다.
양자 필드의 자발적 활동은 양자 변동, 가상 입자 또는 제로 포인트 모션과 같은 여러 가지 이름에 따라 다릅니다. 이러한 표현의 의미에는 미묘한 차이가 있지만 모두 동일한 현상을 나타냅니다. 당신이 그것을 부르는 것이 무엇이든, 활동에는 에너지가 포함됩니다. 많은 에너지 - 사실, 무한 양.
대부분의 목적을 위해 우리는 그 혼란스러운 무한대를 고려하지 않고 남길 수 있습니다. 에너지의 변화 만 관찰 할 수 있습니다. 제로 포인트 모션은 양자 필드의 본질적인 특성이기 때문에 변경 에너지에서, 외부 사건에 대한 반응으로 일반적으로 유한합니다. 우리는 그것들을 계산할 수 있습니다. 그들은 실험적으로 관찰 된 원자 스펙트럼 라인의 양고기 이동과 중성 전도도 사이의 카시 미르 힘과 같은 매우 흥미로운 효과를 야기합니다. 문제가없는 것과는 달리, 이러한 효과는 양자 필드 이론의 승리입니다.
예외는 중력입니다. 중력은 에너지가 취할 수있는 모든 형태의 모든 종류의 에너지에 반응합니다. 따라서 진공 상태에서도 존재하는 양자 장의 활동과 관련된 무한 에너지 밀도는 중력에 미치는 영향을 고려할 때 큰 문제가됩니다.
원칙적으로, 이러한 양자 장은 진공을 무겁게 만들어야합니다. 그러나 실험에 따르면 진공의 중력 당김은 매우 작다는 것을 알려줍니다. 최근까지 - 아래에서 더 자세히보기 - 우리는 그것이 0이라고 생각했습니다.
아마도 Feynman의 개념적 개념적 전환에서 필드에서 입자로의 전환은 문제를 피할 수 있습니다.
iii.
Feynman은 처음부터 시작하여 스틱 그림 라인이 입자 사이의 영향의 연결을 보여주는 그림을 그렸습니다. 최초의 출판 된 Feynman 다이어그램은 Physical Review 에 나타났습니다 1949 년 :
Feynman 다이어그램을 사용하여 하나의 전자가 다른 전자에 어떤 영향을 미치는지 이해하려면 전자가 공간을 통과하여 시간이 다가 오면서 "가상 Quantum"이라고 표시된 광자를 교환한다고 상상해야합니다. 이것이 가장 간단한 가능성입니다. 두 개 이상의 광자를 교환 할 수도 있으며 Feynman은 이와 비슷한 다이어그램을 만들었습니다. 이 다이어그램은 고전적인 쿨롱 힘 법칙을 수정하여 답변에 다른 부분을 기여합니다. 다른 스 퀴글을 돋아 나게함으로써 미래로 자유롭게 확장되면 전자가 광자를 발산하는 방법을 나타냅니다. 따라서 단계별로 매우 간단한 성분의 Tinkertoys와 같이 조립 된 복잡한 물리적 과정을 설명 할 수 있습니다.
Feynman 다이어그램은 공간과 시간에 발생하는 프로세스의 그림으로 보이지만 어떤 의미에서는 말 그대로 해석해서는 안됩니다. 그들이 보여주는 것은 단단한 기하학적 궤적이 아니라 양자 불확실성을 반영하여보다 유연한 "토폴로지"구성입니다. 다시 말해, 연결을 올바르게 얻는 한 선과 스쿼이의 모양과 구성에 대해 상당히 조잡 할 수 있습니다.
Feynman은 각 다이어그램에 간단한 수학 공식을 첨부 할 수 있음을 발견했습니다. 공식은 다이어그램이 묘사하는 프로세스의 가능성을 나타냅니다. 그는 간단한 경우에 사람들이 거품과 거품과 상호 작용할 때 사람들이 들판을 사용하여 훨씬 더 힘들게 얻은 것과 같은 답을 얻었음을 발견했습니다.
그것이 Feynman이“아무것도 없다”고 말했을 때의 의미입니다. 그는 들판을 제거함으로써 중력에 대한 그들의 기여를 없애고 부조리로 이어졌습니다. 그는 기본적인 상호 작용에 대한 새로운 접근 방식을 발견했다고 생각했습니다. 기본 프로세스에 대해 생각하는 아름다운 새로운 방법이었습니다.
iv.
슬프게도, 첫 모습은기만적인 것으로 판명되었습니다. 그가 더 많은 일을하면서 Feynman은 자신의 접근 방식이 해결해야 할 것과 비슷한 문제가 있음을 발견했습니다. 아래 그림에서 이것을 볼 수 있습니다. 우리는 이벤트를 시작하기 위해 입자없이 완전히 독립적 인 Feynman 다이어그램을 그릴 수 있습니다. 이 소위 연결이 끊어진 그래프 또는 진공 기포는 제로 포인트 모션의 Feynman 다이어그램 아날로그입니다. Virtual Quanta가 중력에 미치는 영향에 대한 다이어그램을 그릴 수 있으며, 따라서“빈”공간의 병적 비만을 재발견 할 수 있습니다.
.보다 일반적으로, 그가 더 많은 일을했을 때, Feynman은 자신의 다이어그램 방법이 현장 접근법에 대한 진정한 대안이 아니라 오히려 근사치라는 것을 점차 깨달았다. Feynman에게, 그것은 쓴 실망으로왔다.
그러나 Feynman 다이어그램은 물리학에서 소중한 자산으로 남아 있습니다. 왜냐하면 그들은 종종 현실에 대한 좋은 근사치를 제공하기 때문입니다. 또한, 그들은 함께 일하기 쉽고 재미 있습니다. 그들은 우리가 실제로 볼 수없는 세상을 견딜 수 있도록 시각적 상상력의 힘을 가져 오는 데 도움이됩니다.
2004 년에 노벨상을 수상한 계산은 Feynman 다이어그램없이 문자 그대로 생각할 수 없었을 것입니다.
그날 산타 바바라에서 그 예를 인용하면서 나는 그의 일에서 그의 다이어그램이 나에게 얼마나 중요한지 Feynman에게 말했다. 그는 자신의 다이어그램의 중요성에 거의 놀랐을 수도 있지만 기뻐하는 것처럼 보였습니다. "그래, 그것은 좋은 부분입니다. 사람들이 그들을 사용하고, 어디서나 그들을 보는 것을 보는 것을 보는 것이 좋습니다."그는 윙크로 대답했습니다.
v.
프로세스의 Feynman 다이어그램 표현은 비교적 간단한 다이어그램이 대부분의 답변을 제공 할 때 가장 유용합니다. 그것은 정권 물리학 자들이“약한 커플 링”이라고 부르는 각각의 추가적인 복잡한 라인은 비교적 드 rare니다. 그것은 거의 항상 양자 전기 역학 (QED)의 광자의 경우입니다. QED는 대부분의 원자 물리학, 화학 및 재료 과학을 다루므로 몇 가지 으르렁 거리는 소리로 본질을 포착하는 것은 놀라운 성과입니다.
.그러나 강력한 핵무기에 대한 접근으로,이 전략은 실패합니다. 여기서 통치 이론은 양자 크롬 역학 (QCD)입니다. 광자의 QCD 유사체는 컬러 글루온이라고 불리는 입자이며, 이들의 커플 링은 약하지 않습니다. 일반적으로 QCD에서 계산을 할 때, 많은 Gluon 라인으로 장식 된 복잡한 Feynman 다이어그램이 답에 중요한 기여를합니다. 그것들을 모두 추가하는 것은 비현실적이고 아마도 불가능합니다.
반면, 현대 컴퓨터를 사용하면 진정한 기본 필드 방정식으로 돌아가 쿼크 및 글루온 필드의 변동을 계산할 수 있습니다. 이 접근법은 다른 종류의 아름다운 그림을 제공합니다 :
최근 몇 년 동안 슈퍼 컴퓨터 은행에서 수행 된이 직접적인 접근 방식은 양성자와 중성자의 질량을 성공적으로 계산했습니다. 앞으로 몇 년 동안 그것은 광범위한 전선에 대한 핵 물리학에 대한 우리의 정량적 이해를 혁신 할 것입니다.
vi.
Feynman은 그가 해결했다고 생각했지만 여러 가지 방법으로 진화했지만 여전히 우리와 함께 있다고 생각했습니다.
가장 큰 변화는 사람들이 이제 진공의 밀도를보다 정확하게 측정하고 그것이 이라는 것을 발견했다는 것입니다. 사라지다. 소위“암흑 에너지”입니다. (암흑 에너지는 본질적으로 - 수치 적 요인 - 아인슈타인이“우주론 상수”라고 불리는 것과 같은 것입니다.) 우주 전체에서 평균적으로 평균적으로 다크 에너지가 우주에서 총 질량의 약 70 %를 기여한다는 것을 알게됩니다.
.그것은 인상적으로 들리지만 물리학 자에게는 큰 퍼즐이 밀도가 small 인 이유입니다. 그대로. 우선, 당신은 변동하는 필드의 기여로 인해 무한해야했던 것을 기억할 것입니다. 가능한 진보의 한 가지는 이제 우리는 그 무한대를 피할 수있는 방법을 알고 있다는 것입니다. 하나의 클래스의 필드 (기술적으로는 보손이라고 불리는 입자와 관련된 필드)의 경우 에너지 밀도는 양의 무한대이며, 다른 종류의 필드 (페르미온이라는 입자와 관련된 입자)는 에너지 밀도는 음의 무한대입니다. 따라서 우주에 예술적으로 균형 잡힌 균형 잡힌 가슴과 페르 미온이 포함되어 있다면 무한대가 취소 될 수 있습니다. 다른 몇 가지 매력적인 특징을 가진 초대칭 이론은 그 취소를 달성합니다.
우리가 배운 또 다른 것은 변동하는 필드 외에도 진공 상태에는 종종 "응축수"라고 불리는 비 팽창 필드가 포함되어 있다는 것입니다. 그러한 응축수 중 하나는 소위 시그마 응축수입니다. 다른 하나는 Higgs 응축수입니다. 이 두 사람은 확고하게 확립되었습니다. 아직 발견되지 않은 다른 사람들이 많이있을 수 있습니다. 친숙한 아날로그를 생각하고 싶다면 지구의 자기 또는 중력장을 상상해보십시오. 이 응축수는 또한 무게를 측정해야합니다. 실제로, 밀도의 단순한 추정치는 관찰 된 암흑 에너지보다 훨씬 큰 값을 제공합니다.
우리는 유한 한 (아마도) 유한 한 암흑 에너지의 추정치가 남았지 만 이론적으로 결정되지 않았으며 얼굴에 너무 큽니다. 아마도 우리가 모르는 추가 취소가있을 것입니다. 현재 가장 인기있는 아이디어는 암흑 에너지의 작은 것이 드문 사고라는 것입니다. 우선 순위는 없지만 우리의 존재에 필요하며, 따라서 우리가 관찰해야 할 것에 대한 것이 필요합니다.
그 이야기는 Feynman의 "아무것도 없다"만큼 우아하지는 않습니다. 더 나은 것을 찾을 수 있기를 바랍니다.
Feynman 다이어그램 및 양자 전기 역학에 대해 더 많이 배우는 데 관심이있는 사람은 Feynman의 책 을 권장합니다. QED :빛과 물질의 이상한 이론 .
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