H τρίτη εκδοχή της QED από τον Richard Feynman

Posted on 17/12/2013

0


(η συνέχεια της ανάρτησης με τίτλο: QED – Κβαντική Ηλεκτροδυναμική, Μια ιστορική αναδρομή που βρίσκεται ΕΔΩ)

….. H τρίτη εκδοχή της QED ήταν εκείνη του Richard Feynman, ενός άλλου ιδιοφυούς νεαρού θεωρητικού. Ο Feynman έλαβε το διδακτορικό του υπό την επίβλεψη του Wheeler το 1942, και το πρώτο επιστημονικό του έργο αφορούσε μια νέα διατύπωση της κλασικής ηλεκτροδυναμικής η οποία βασιζόταν στις άμεσες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων.

Η αρχική ιδέα του Feynman ήταν πρώτα να λύσει τα προβλήματα αποκλίσεων στην κλασική θεωρία με τη βοήθεια της δικής του εικόνας, όπου δεν υπεισέρχονταν η έννοια του πεδίου, εν συνεχεία δε να ελπίζει ότι τα προβλήματα θα εξαφανίζονταν επίσης και όταν η θεωρία θα μεταφερόταν στο κβαντομηχανικό πλαίσιο. Μολονότι τα πράγματα δεν εξελίχθηκαν κατ’ αυτό τον τρόπο, το πρώιμο έργο του βοήθησε τον Feynman να εξοικειωθεί με μια γενική χωροχρονική άποψη και αργότερα τον οδήγησε στην ιδέα να διατυπώσει την κβαντική μηχανική με όρους πλατών πιθανότητας για τις διαδρομές.

 Μια ομάδα φυσικών στο συνέδριο τουShelter Island. Από αριστερά προς τα δεξιά: Willis Lamb, Abraham Pais, John Wheeler, Richard Feynman, Herman Feshbach, and Julian Schwinger

Μια ομάδα φυσικών στο συνέδριο του Shelter Island. Από αριστερά προς τα δεξιά: Willis Lamb, Abraham Pais, John Wheeler, Richard Feynman, Herman Feshbach, και Julian Schwinger

Το 1947, παρακινημένος από το συνέδριο στο Shelter και τον υπολογισμό του Bethe για τη μετατόπιση Lamb, o Feynman άρχισε να ανπτύσσει τη δική του εναλλακτική και εξόχως πρωτότυπη θεωρία της QED.

Η εν λόγω θεωρία βασιζόταν στη μέθοδο των ολοκληρωμάτων διαδρομών και οι υπολογισμοί υποβοηθούνταν από μια διαγραμματική τεχνική η οποία δεν άργησε να γίνει γνωστή ως διαγράμματα Feynman.

O Feynman ανέπτυξε τη θεωρία του σε εργασίες που δημοσιεύθηκαν κατά την περίοδο 1948 – 1951 και περιέλαβε τους κανόνες για τα περίφημα διαγράμματα στην κλασσική του εργασία «Space – Time Approach to Quantum Electrodynamics» (Χωροχρονική προσέγγιση στηνκβαντική ηλεκτροδυναμική), η οποία εμφανίστηκε στο Physical Review το 1949.

Σε αυτή του την εργασία, σημείωνε με ικανοποίηση πως, αν και εξακολουθούσαν να υφίστανται θεωρητικά προβλήματα, «εντούτοις φαίνεται ότι έχουμε πλέον στη διάθεσή μας μια πλήρη και ασφαλή μέθοδο για να υπολογίζουμε κάθε φυσική διαδικασία σε οποιαδήποτε τάξη στην κβαντική ηλεκτροδυναμική».

Το καλοκαίρι του 1948, υπήρχαν δυο διαφορετικές εκδοχές επανακανονικοποιημένης QED: η διατύπωση Schwinger – Tomonaga αφενός και η διατύπωση Feynman αφετέρου.

Μολονότι και οι δυο διατυπώσεις κατέληγαν σε ταυτόσημα αποτελέσματα, η μεταξύ τους σχέση κάθε άλλο παρά προφανής ήταν. Η κατάσταση δεν διέφερε πολύ από εκείνη που είχε διαμορφωθεί αναφορικά με τη σχέση στη μητρομηχανική και την κυματομηχανική λίγο μετά την εμφάνιση της θεωρίας του Schrödinger το 1926.

Το ότι οι δυο θεωρίες της QED στην πραγματικότητα ήταν ισοδύναμες το απέδειξε το 1949 σε ένα σημαντικό του έργο ο Freeman Dyson, ένας εικοσιπεντάχρονος άγγλος μαθηματικός που είχε έρθει στο Πανεπιστήμιο Cornell δυο χρόνια νωρίτερα για να εργαστεί πάνω στην κβαντική θεωρία πεδίων.

Το 1948 ο Dyson είχε ολοκληρώσει τον υπολογισμό της μετατόπισης Lamb και αναγνώρισε ότι οι θεωρίες των Schwinger και Tomonaga δεν αντιπροσώπευαν παρά δυο διαφορετικές διατυπώσεις της ίδιας φυσικής θεωρίας.

Την επόμενη χρονιά, εξήγαγε τη θεωρία του Feynman με τον δικό του τρόπο, διατυπώνοντάς τη για πρώτη φορά ως θεωρία πεδίων, και απέδειξε πως οι θεωρίες του Schwinger και του Feynman ήταν ισοδύναμες.

Διαβάστε σχετικά: «Oλοκληρώματα διαδρομών on the road»
Περιγράφεται το πως ο Freeman Dyson εμπνεύστηκε την σύνθεση των θεωριών Feynman και Schwinger – Tomonaga.

Με τη συνθετική θεωρία του Dyson, η νέα επανακανονικοποιημένη QED είχε ουσιαστικά ολοκληρωθεί.

Τη σπουδαιότητα που είχαν τα γεγονότα στα τέλη της δεκαετίας του 1940 τα οποία οδήγησαν στη νέα QED τη μαρτυρεί και το ότι σε φυσικούς που συνέβαλαν στην εξέλιξη αυτή απονεμήθηκαν πέντε βραβεία Νόμπελ: ο Lamb και ο Polykarp Kusch το έλαβαν το 1955, ο δεύτερος για τον ακριβή προσδιορισμό της μαγνητικής ροπής του ηλεκτρονίου, ενώ οι Schwinger, Tomonaga και Feynman βραβεύθηκαν το 1965.
Μολονότι η επανακανονικοποιημένη QED υπήρξε σαφώς έργο τεσσάρων φυσικών – του Schwinger, του Tomonaga, του Feynman και του Dyson – αυτοί αναμφίβολα δεν ήταν οι μόνοι που εργάσθηκαν στο συγκεκριμένο πεδίο και πραγματοποίησαν σημαντικές συμβολές.

Ωστόσο, σε αντίθεση με ό,τι είχε συμβεί κατά τη δεκαετία του 1920, όταν γεννήθηκε η κβαντική στη φάση διάπλασης της επανακανονικοποιημένης QED.

Ο Pauli, ο οποίος είχε επιστρέψει από τις ΗΠΑ στη Ζυρίχη το 1946, παρακολούθησε από κοντά την εξέλιξη της νέας θεωρίας, χωρίς όμως να συμβάλλει στην διαμόρφωσή της.

Ο μόνος Ευρωπαίος με πραγματικά πρωτότυπες συμβολές στην QED (εκτός από τον Dyson, o oποίος σε αυτό το πλαίσιο μετρά ως αμερικανός) ήταν ο εκκεντρικός ελβετός φυσικός Ernst Stueckelberg, τα περισσότερα στα γαλλικά, θεωρούνταν εξαιρετικά δύσκολα και ασαφή, και η αξία τους αναγνωρίστηκε μόνο κατά τη δεκαετία του 1950, μετά το θάνατό του.

Η πρώιμη ιστορία της μεταπολεμικής QED δίνει την αφορμή για μερικές γενικές παρατηρήσεις.

Πρώτον, ο Schwinger και ο Tomonaga, ζώντας σε δυο πολύ διαφορετικά πολιτισμικά περιβάλλοντα, παρήγαγαν ανεξάρτητα σχεδόν ταυτόσημες θεωρίες της επακανονικοποιημένης QED.
Τούτο, μαζί με άλλα παρόμοια παραδείγματα από την ιστορία των θετικών επιστημών, έρχεται να προσφέρει στήριξη στην υπόθεση ότι το γνωστικό περιεχόμενο της φυσικής δεν εξαρτάται σημαντικά από το κοινωνικοπολιτισμικό περιβάλλον.

Δεύτερον, σπάνια υπήρξε μια σημαντική θεωρητική πρόοδος τόσο συντηρητικής φύσεως όσο η επανακανονικοποιημένη QED στα τέλη της δεκαετίας του 1940.
Στην πραγματικότητα, δεν επρόκειτο διόλου για κυριολεκτικά νέα θεωρία, υπό την έννοια μιας θεωρίας που ήλθε να αντικαταστήσει ή να αναιρέσει την προπολεμική κβαντική ηλεκτροδυναμική, αλλά μάλλον για την ίδια την παλιά θεωρία σε βελτιωμένη μορφή.
Οι πρωταγωνιστήσαντες νεαροί φυσικοί είχαν σαφή επίγνωση της συνέχειας και επεδίωξαν συνειδητά να μην αποσπαστούν από τις αρχές της υφιστάμενης θεωρίας.
Σε οξεία αντίθεση με τη στάση την οποία είχε επιδείξει η παλιότερη γενιά – φυσικοί όπως ο Dirac, o Bohr και ο Heisenberg – η θεώρηση των Schwinger, Tomonaga, Feynman και Dyson ήταν κατ’ ουσίαν συντηρητική και πραγματιστική. Εξέλαβαν την κβαντική μηχανική και την ειδική σχετικότητα ως δεδομένες και έθεσαν το ερώτημα πως τούτες οι δυο θεωρίες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να διαμορφωθεί μια συνεπής και χρήσιμη θεωρία της QED.

Tρίτον, η συντηρητική στάση συμβάδιζε με ένα πνεύμα πραγματιστικό και κατά βάση μη φιλοσοφικό. Για τον Feynman, η φυσική δεν αντιπροσώπευε παρά την πραγματοποίηση υπολογισμών και τη σύγκριση των αποτελεσμάτων υπολογισμών με εκείνα των πειραμάτων – τίποτε περισσότερο και τίποτε λιγότερο.
Ο Feynman ασπαζόταν το θετικιστικό πιστεύω του Dyson: «Δεν καταλαβαίνεις πραγματικά κάτι εκτός και αν μπορείς να το υπολογίσεις».

Το 1953 ο Dyson έγραφε για την QED: «Είναι το μοναδικό πεδίο όπου μπορούμε να επιλέξουμε κάποιο υποθετικό πείραμα και αν προβλέψουμε το αποτέλεσμά του ως το πέμπτο δεκαδικό ψηφίο όντας βέβαιοι ότι η θεωρία λαμβάνει υπόψη όλους τους υπεισερχομένους παράγοντες. Η κβαντική ηλεκτροδυναμική μας δίνει μια πλήρη περιγραφή του τι κάνει ένα ηλεκτρόνιο.
Επομένως, κατά μια ορισμένη έννοια μας προσφέρει κάποια κατανόηση του τι είναι το ηλεκτρόνιο. Μόνο στην κβαντική ηλεκτροδυναμική αποκτά η γνώση μας μια τέτοια ακρίβεια ώστε να αισθανόμαστε ότι έχουμε σαφή αντίληψη της φύσης των στοιχειωδών σωματιδίων.

ΠΗΓΗ: «Οι Γενιές των Κβάντων, η ιστορία της Φυσικής του 20ου αιώνα», Helge Kragh, εκδόσεις κάτοπτρο