Renormalizasyon (fizik)

Kuantum elektrodinamiğinde renormalizasyon: Elektronun yükünü belirleyen foton–elektron arasındaki basit bir etkileşim. Renormalize edilmiş bir noktada, diğerine göre daha karmaşık etkileşimlerle ortaya çıkar.

Fizik
Kütle–enerji eşdeğerliği
Fizik tarihi
Dalları Klasik mekanik Elektromanyetizma Kuantum mekaniği Görelilik İstatistiksel mekanik Termodinamik
Araştırma alanları Uygulamalı fizik Astrofizik Atomik, moleküler ve optik fizik Biyofizik Yoğun madde fiziği Jeofizik Nükleer fizik Optik Parçacık fiziği
Geçmiş deneyler 2-derece-alanlı Galaksi Kızılakayışı Araştırması 2-Micron All-Sky Survey (2MASS) Bell testi BOOMERanG Cavendish deneyi Kozmik Arka Plan Gezgini (COBE) Cowan-Reines nötrino deneyi Davisson–Germer Çift-yarık Foucault sarkacı Franck–Hertz Yerçekimi Sondası A Yerçekimi Sondası B Geiger–Marsden Homestake deneyi Michelson–Morley Yağ damlası deneyi Sloan Dijital Gökyüzü Araştırması Stern–Gerlach Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
Mevcut deneyler Hadron Elektron Halka Tesisi (HERA) James Webb Uzay Teleskopu Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısı
Bilim insanları Bohr Dirac Einstein Feynman Galileo Hawking Heisenberg Maxwell Newton Pauli Rutherford Schrödinger Wigner

Kuantum alan teorisinde, renormalizasyon veya yeniden normalleştirme, pertürbatif genişlemede hesaplanan miktarda ortaya çıkan sonsuzlukların bir dizi teknik kullanılarak giderilmesi süreci.

Kuantum alan teorisinde, fotonlardan, pozitronlardan ve diğer ufak parçacıklardan oluşan bir sanal parçacık bulutu, başlangıçtaki elektronu çevreler ve onunla etkileşir. Çevredeki parçacıkların birbiriyle etkileşimlerinin muhasebeleştirilmesi, elektron sisteminin başlangıçta tahmin edilenden daha farklı bir kütleye ve yüke sahipmiş gibi davrandığını gösterir. Bu örnekte renormalizasyon bir elektronun başlangıçta öngörülen kütlesini ve yükünü matematiksel ve deneysel olarak gözlemlenen kütle ve yük ile değiştirir. Matematiksel deneyler, pozitronların ve protonlar gibi büyük parçacıkların çok daha güçlü etkileşimlerin ve daha yoğun sanal parçacık bulutlarının varlığında bile, elektronla aynı gözlenen yükü gösterdiğini ispatlamaktadır.

Uzay-zamanı bir süreklilik olarak tanımlarken, bazı istatistiksel ve kuantum mekaniksel yapılar iyi tanımlanmamıştır. Bunları tanımlamak veya açık hale getirmek için bir süreklilik sınırı, çeşitli ölçeklerdeki kafeslerin "yapı iskelesini" dikkatlice kaldırmalıdır. Renormalizasyon prosedürleri, belirli fiziksel miktarların—bir elektronun kütlesi ve yükü gibi—gözlemlenen ve test edilenbilen değerlere eşit olması gereksinimine dayanır. Yani, fiziksel niceliğin deneysel değeri uygulanabilirlik sağlar, ancak deneysel doğası nedeniyle gözlemlenen ölçüm, kuantum alan teorisinin teorik tabanlardan daha derin türevler gerektiren alanlarını temsil eder.

Renormalizasyon ilk önce pertürbasyon teorisinde sonsuz integralleri anlamak için kuantum elektrodinamiğinde (KED'de) geliştirilmiştir. Başlangıçta bazı yaratıcıları tarafından bile şüpheli geçici bir prosedür olarak görülen renormalizasyon, sonunda fizik ve matematiğin çeşitli alanlarında önemli ve kendi kendine tutarlı bir ölçek fiziği mekanizması olarak benimsenmiştir.

Klasik fizikte ki öz-etkileşimler

Sonsuzluk problemi ilk olarak 20. yüzyılın başlarında, temel parçacıkların klasik elektrodinamiği üzerine yapılan çalışmalar sonucunda ortaya çıktı. Yüklü bir parçacığın kütlesi, elektrostatik alanındaki (elektromanyetik kütle) kütle enerjisini içermelidir. Parçacık yarıçapının $r e$ yüklü bir küresel kabuğu olduğunu varsayalım; alandaki kütle–enerji:

m_{\text{em}}=\int {\frac {1}{2}}E^{2}\,dV=\int _{r_{e}}^{\infty }{\frac {1}{2}}\left({\frac {q}{4\pi r^{2}}}\right)^{2}4\pi r^{2}\,dr={\frac {q^{2}}{8\pi r_{e}}},

$r e \to 0$ olarak sonsuz hale gelir. Bu, noktasal parçacığın sonsuz eylemsizliğe sahip olacağı anlamına gelir ve bu da onu hızlandırılamaz hale getirir. Burada $m_{\text{em}}$ 'nin elektron kütlesine eşit olmasını sağlayan $r e$ 'nin değerine klasik elektron yarıçapı denir.

r_{e}={\frac {e^{2}}{4\pi \varepsilon _{0}m_{e}c^{2}}}=\alpha {\frac {\hbar }{m_{e}c}}\approx 2.8\times 10^{-15}~{\text{m}},

burada $\alpha \approx 1/137$ ince yapı sabiti ve $\hbar /(m_{e}c)$ ise elektronun Compton dalga boyudur.

Kuantum elektrodinamiğinde sapmalar

Ayrıca bakınız

Kuantum alan teorisinin tarihi
Zeno'nun paradoksları

İlgili Araştırma Makaleleri

Elektriksel alan, kıvıl alan, elektrik alan veya elektrik alanı, elektriksel yükü veya manyetik alanı çevreleyen uzayın bir özelliği olup, içerisinde bulunan yüklü nesnelere elektriksel güç aracılığı ile etki eder. Kavram fiziğe Michael Faraday tarafından kazandırılmıştır.

Elektronvolt (eV) değeri yaklaşık 1.6 x 10⁻¹⁹ J olan enerjiye verilen addır. Tanım olarak bir elektronun, boşlukta, bir voltluk elektrostatik potansiyel farkı katederek kazandığı kinetik enerji miktarıdır. Diğer bir deyişle, 1 volt çarpı elektronun yüküne eşittir. 1 volt temel yük ile çarpıldığında buna eşit olmaktadır.

Perdeleme, hareketli yük taşıyıcılarının varlığından ortaya çıkan elektrik alanının sönümünü ifade eder. Metaller ve yarıiletkenlerdeki iletim elektronları ve iyonize olmuş gazlar(klasik plazma) gibi yük taşıyıcı akışkanlarda gözlemlenir. Elektriksel olarak yüklenmiş parçacıklardan oluşan bir akışkanda, her çift parçacık Coulomb kuvveti ile etkileşir,

\text{[math]}

Fizikte Planck enerjisi (E_P), Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde enerji birimidir.

Fizikte Planck kütlesi (m_P), Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde kütle birimidir.

Planck kuvveti (F_P), Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde kuvvet birimidir.

Planck gerilimi (V_P), Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde gerilim birimidir.

Planck birimleri, aşağıdaki listede de gösterilen gibi SI tarafından kabul edilen ve yedi temel birimden türetilen fiziksel ölçü birimleridir. Bu yedi fiziksel sabit, eğer türetilen herhangi bir birimin sayısal değeri olarak kullanılırsa değeri 1 birim olur. Planck birimlerinin kuramsal fizikte derin anlamları vardır. Bunlar, fizik yasasının cebirsel ifadelerini, çok kolay biçimde basitleştirirler. Kuantum kütleçekimi gibi birleşik kuramların incelenmesi özel rol oynarlar.

Kuantum mekaniğinde fermi enerjisi, genelde mutlak sıfır sıcaklığında etkileşimde olmayan fermiyonlardan oluşan bir kuantum sistemi içerisinde, en yüksek ve en düşük seviyede dolu vaziyetteki tek parçacık durumları arasındaki enerji farkını temsil eden bir konsepttir. Bir metalde en düşük dolu durum genelde iletken bandın altı olarak alınırken, bir fermi gazında bu durumun sıfır kinetik enerjisi olduğu kabul edilir.

Compton dalgaboyu bir parçacığın kuantum mekaniği özelliğidir. Compton dalgaboyu Arthur Compton tarafından elektronların foton saçılması olayı izah edilirken gösterilmiştir. Bir parçacığın Compton dalga boyu; enerjisi parçacığın durgun kütle enerjisine eşit olan fotonun dalgaboyuna eşittir. Parçacığın Compton dalgaboyu ( λ) şuna eşittir:

\text{[math]}

Kütleçekimsel Elektromanyetizm, kısaltılmışı KEM, elektromanyetizm ve göreli kütleçekimi arasındaki eşitliklerin benzeşiklerinden oluşan bir settir; Özellikle: Maxwell'in alan eşitliği ve yakınsaması ve bazı durumlarda Einstein'ın genel göreliliğindeki alan eşitliklerinden bulunabilir. Kütleçekimsel manyetizm genelde özellikle kütleçekiminin kinetik etkilerini belirtmek için kullanılır, hareketli elektrik yükünün manyetik etkilerinin benzeşiğidir. KEM, yalıtılmış sistemlerden uzakta olduğunda ve yavaş hareket eden deney parçacıklarında daha geçerli ve doğrudur. 1893'te ilk kez genel görelilikten önce, Oliver Heaviside tarafından yayınlandığından beri benzeşiğinde ve eşitliklerinde çok az değişiklik olmuştur.

Bohr yarıçapı bir fizik sabitidir. Hidrojen atomunun, protonu ve elektronu arasındaki mesafeye eşittir. Bohr yarıçapının, bir atomda Bohr atom modeli içindeki rolünden dolayı adlandırılmak istenmiştir. Fakat bu olay Niels Bohr'dan sonra gerçekleşmiştir. Uluslararası birimler sisteminde Bohr yarıçapı:

\text{[math]}

\text{[math]}

: serbest uzayın elektriksel geçirgenliği

\text{[math]}

: Planck sabiti

\text{[math]}

: elektronun kütlesi

\text{[math]}

: elemanter yük

\text{[math]}

: ışık hızı sabiti

\text{[math]}

: ince yapı sabiti

Modern kuantum (nicem) mekaniğinden önce gelen eski kuantum (nicem) kuramı, 1900 ile 1925 yılları arasında elde edilen sonuçların birikimidir. Bu kuramın, klasik mekaniğin ilk doğrulamaları olduğunu günümüzde anladığımız bu kuram, ilk zamanlar tamamlanmış veya istikrarlı değildi. Bohr modeli çalışmaların odak noktasıydı. Eski kuantum döneminde, Arnold Sommerfield, uzay nicemlenimi olarak anılan açısal momentumun (devinimin) z-bileşkesinde nicemlenim yaparak önemli katkılarda bulunmuştur. Bu katkı, electron yörüngelerinin dairesel yerine eliptik olduğunu ortaya çıkarmıştır ve kuantum çakışıklık kavramını ortaya atmıştır. Bu kuram, electron dönüsü hariç Zeeman etkisini açıklamaktadır.

Lamb kayması, adını Willis Lamb'den alan, hidrojen atomunun kuantum elektrodinamiğindeki ²S_1/2 ve ²P_1/2 enerji düzeyleri arasındaki küçük farklılıktır. Dirac denklemine göre, ²S_1/2 ve ²P_1/2orbitalleri (yörüngeleri) aynı enerjiye sahip olmalıdır. Ancak, boşluktaki elektronlar arasındaki etkileşim, ²S_1/2 ve ²P_1/2enerji düzeylerinde küçük bir enerji değişimine sebep olur. Lamb ve Robert Retherford bu değişimi 1947'de ölçmüşlerdir ve bu ölçüm, ıraksamayı açıklamak için tekrar normalleştirme teorisine teşvik edici bir unsur olmuştur. Bu, Julian Schwinger, Richard Feynman, Ernst Stueckelberg ve Sin-Itiro Tomonaga tarafından geliştirilmiş modern kuantum elektrodinamiğinin müjdecisiydi. Lamb, 1955 yılında Lamb kayması ile ilgili keşiflerinden ötürü Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.

Kuantum mekaniğinde, spin-yörünge etkileşimi(spin-yörünge etkisi, spin-yörünge bağlaşımı) parçacığın dönüşünün hareketiyle etkileşimidir. En çok bilinen örnek ise, elektronların dönüşü ile elektronların çekirdek etrafındaki dönüşünden dolayı oluşan manyetik alandan dolayı oluşan elektromanyetik etkileşim ve buna bağlı olan elektronların atomik enerji seviyesindeki değişim. Bu tayf çizgilerinden saptanabilir. Buna benzer bir diğer etki proton ve nötronların çekirdekte dönmesinden dolayı oluşan olan Açısal momentum ve güçlü nükleer kuvvet, nükleer kabuk modelindeki değişime neden olur. Spintronik alanında, yarı iletkenlerde ve diğer materyallerde spin yörünge etkileşimi yeni teknolojik gelişimler için araştırılmaktadır.

Elektromanyetizma fiziğinde, Abraham-Lorentz kuvveti elektromanyetik radyasyon yayması nedeniyle hızlanan yüklü bir parçacıktaki geri tepme kuvvet idir. Ayrıca radyasyon reaksiyon kuvveti veya kendinden kuvvet denir. Formül özel görelilik teorisini önceler ve ışık hızı düzeninin hızlarında geçerli değildir. Bunun göreli genellemesine "Abraham-Lorentz-Dirac kuvveti" denir. Bunların her ikisi de kuantum fiziği değil, klasik fizik 'in bilgi kapsamındadır. Bu nedenle yaklaşık olarak Compton dalga boyu veya altındaki mesafelerde geçerli olmayabilir. Ancak tamamıyla kuantum ve göreli olan benzer bir formül vardır, bu formül "Abraham-Lorentz-Dirac-Langevin denklemi" olarak adlandırılır.

Elektromanyetik kütle başlangıçta, elektromanyetik alanın ya da öz-enerjinin ne kadar olduğunu gösteren, yüklü parçacıkların kütlesine katkıda bulunan, bir klasik mekanik kavramıydı. İlk defa 1881 yılında J.J. Thomson tarafından elde edildi ve bir süreliğine tek başına eylemsizlik kütlesinin dinamik açıklaması olarak da kabul edildi. Bugün, kütle, momentum, hız ve tüm enerji çeşitlerinin ilişkileri, elektromanyetik enerji de dahil, Albert Einstein'ın özel görelilik ve kütle-enerji eşdeğerliği bazında incelenmektedir. Temel parçacıkların kütle nedeni olarak, göreceli Standart Model çerçevesinde Higgs mekanizması halen kullanılmaktadır. Ayrıca, yüklü parçacıkların elektromanyetik kütle ve iç enerjileri ile ilgili problemler hala araştırılmaktadır.

Breit denklemi, Gregory Breit tarafından 1929'da Dirac denklemine dayalı olarak türetilmiş kökler kuralının ilk kuralına göre iki ya da daha fazla kütleli spini -1/2 olan parçacıkların elektromanyetizma açısından etkileşimini tanımlayan rölativistik dalga denklemidir. Manyetik etkileşimlerin ve $\text{[math]}$ kuralına göre gecikme etkisinin nedeni açıklar. Diğer kuantum elektrodinamik etkileri ihmal edildiğinde, bu denklemin deney ile iyi bir uyum içinde olduğu görülmüştür. Bu denklem başlangıçta Darwin Lagrangian tarafından türetildi ancak daha sonra Wheeler-Feynman emme teorisi ve en sonunda kuantum elektrodinamiği tarafından doğrulandı.

Klasik elektron yarıçapı, elektronların elektromanyetik radyasyon ile etkileşimlerinin dahil olduğu sorunların çözümü için kullanılan ve bir ölçek uzunluğunu tanımlayan birtakım temel fiziksel niceliklerdir. Homojen yük dağılımının klasik elektrostatik öz etkileşim enerjisi ile elektronun göreli kütle enerjisi arasında bağlantı kurar. Nokta parçacık olarak kabul edilen elektronlar, nokta yük taşırlar ve boyutsal bir varlıkları yoktur. Buna rağmen elektronların atomik ölçeklerdeki etkileşimlerini nitelendirme amacıyla bir uzunluk tanımlanır. Klasik elektron yarıçapı, SI birimleri kullanılarak şu şekilde tanımlanmaktadır:

\text{[math]}

Fizikte, bir elektronun açısal momentumunun, kütlesinin ve yükünün değeri aynı olan bir karadelik olsaydı bu karadeliğin elektronun diğer özelliklerini de paylaşacağını bahseden spekülatif bir hipotez vardır. En önemlisi, Brandon Carter 1968'de böyle bir nesnenin manyetik momentinin bir elektronunkiyle eşleşeceğini gösterdi. Bu ilginç çünkü özel göreliliği göz ardı eden ve elektronu dönen küçük bir yük küresi olarak ele alan hesaplamalar, deneysel değerden kabaca iki kat daha küçük bir manyetik moment veriyor.

Bu sayfa, bu Vikipedi makalesine dayanmaktadır.
Metin, CC BY-SA 4.0 lisansı altında mevcuttur; ek koşullar uygulanabilir.
Görseller, videolar ve sesler kendi lisansları altında mevcuttur.