重整化群:从微观到宏观,不同尺度的现象如何联系起来?

作者: Charlie Wood

来源: 集智俱乐部

发布日期: 2021-02-17 10:22:19

重整化是连接微观与宏观现象的重要理论工具,它帮助物理学家在不同尺度间转移焦点,简化了复杂系统的处理,同时揭示了自然倾向于隐藏微观细节的特性。

从基本粒子到原子、光波、水波,自然似乎倾向于将自己分裂成不同尺度的独立世界,而重整化的过程则将小尺度与大尺度联系起来。有物理学家认为,重整化可以说是过去50年理论物理学中最重要的进展。在亚原子物理学中,重整化告诉我们,何时可以只处理相对简单的质子,而忽略掉其内部彼此纠缠的夸克。

上世纪40年代,开创性的物理学家们偶然发现了另一层的现实。他们不再从粒子的角度看待微观世界,而是从场的角度——像海洋一样充满空间的广阔而起伏的实体。场中激发的一个涟漪可能是电子,另一个可能是光子,它们之间的相互作用似乎可以解释所有的电磁事件。

但是应用场论遭遇到了一个问题:只有使用一种被称为“重整化”的方法,将无穷的量小心隐藏起来,研究人员才能避开虚假预测。这个过程行之有效,但即使是那些发展这一理论的人也怀疑,它可能是建立在一套复杂数学技巧上的“纸牌屋”。

数十年后,证明终于出现,并且是来自一个看似无关的物理学分支。研究磁性系统的物理学家发现,重整化与无穷大根本没有关系;相反,它描述宇宙倾向于分裂成不同尺度的诸多领域。如今,这一观点指导着物理学的角角落落。

1954年,盖尔曼和弗朗西斯·洛两位物理学家充实了这个想法。他们用一个随距离变化的有效电荷将两种电子电荷联系了起来。如果距离电子的核心越近(即越能够穿透电子的正电荷层),看到的电荷就越多。

1966年,凝聚态物理学家利奥·卡达诺夫找到了这种计算方法。他发展了“块自旋”方法,将过于复杂而无法直接处理的伊辛网格分成适当大小的区块,每个区块包含几个箭头。然后他计算一个区块内箭头的平均指向,以此数值代替整个区块的箭头指向。通过不断重复这个过程,晶格的具体细节逐渐隐没,系统被不断缩放,从而得以了解系统的整体行为。

最终,曾经作为盖尔曼研究生,且同时涉足粒子物理学和凝聚态物质领域的肯·威尔逊将盖尔曼和洛的思想与卡达诺夫的思想结合起来。他在1971年首次描述了“重整化群”,证明量子电动力学恼人的计算是正确的,并为攀登普适系统的尺度提供了阶梯。

今天,费曼所说的“愚蠢过程”在物理学中已经像微积分一样普遍存在,其内在原理揭示了这门学科取得的一些重大成果和目前面临的挑战的原因。在重整化过程中,复杂的亚微观细节往往会消失。它们或许真实存在,但不影响整体的大图像。

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