Wheeler-Feynman emici teorisi - Wheeler–Feynman absorber theory

Wheeler-Feynman teoriye soğurucu (diğer adıyla Wheeler-Feynman zaman simetrik teori ,) onun yaratıcılarından adını, fizikçiler Richard Feynman ve John Archibald Wheeler , bir yorumudur elektrodinamik varsayımından kaynaklanan elektromanyetik alan denklemlerinin çözümleri alan denklemlerinin kendileri gibi, zaman-tersine dönüşüm altında değişmez olmalıdır . Aslında, tercihli bir zaman yönünü belirleyen ve böylece geçmiş ve gelecek arasında bir ayrım yapan zaman-tersine simetri kırılmasının görünür bir nedeni yoktur. Zamanı tersine çeviren değişmez bir teori daha mantıklı ve zariftir. Bu yorumlanması ve anımsatan kaynaklanan bir diğer önemli prensip, Mach ilkesi nedeniyle TETRODE , temel parçacıklar kendiliğinden etkileşim olmaması. Bu, kendi kendine enerji sorununu hemen ortadan kaldırır .

T-simetrisi ve nedensellik

Zamanı tersine çeviren simetri gereksinimini genel olarak nedensellik ilkesiyle bağdaştırmak zordur . Maxwell denklemleri ve elektromanyetik dalgalar için denklemler genel olarak iki olası çözüme sahiptir: geciktirilmiş (gecikmeli) çözüm ve gelişmiş çözüm. Buna göre, yüklü herhangi bir parçacık, diyelim zaman ve noktada , emisyondan (geciktirilmiş çözüm) sonra o andaki noktaya (işte ışık hızıdır) varacak dalgalar ve aynı yere varacak diğer dalgalar üretir. anda , emisyondan önce (gelişmiş çözüm). Bununla birlikte, ikincisi nedensellik ilkesini ihlal eder: ileri dalgalar , emisyonlarından önce tespit edilebilir. Bu nedenle, elektromanyetik dalgaların yorumlanmasında ileri çözümler genellikle göz ardı edilir. Soğurucu teorisinde bunun yerine, yüklü parçacıklar hem emitör hem de soğurucu olarak kabul edilir ve emisyon süreci soğurma işlemiyle şu şekilde bağlantılıdır: Hem emitörden soğurucuya geciktirilmiş dalgalar hem de soğurucudan yayıcıya gelişmiş dalgalar dikkate alınır. Bununla birlikte, ikisinin toplamı nedensel dalgalarla sonuçlanır, ancak nedensellik karşıtı (gelişmiş) çözümler a priori olarak atılmaz . ${\görüntüleme stili t_{0}=0}$${\görüntüleme stili x_{0}=0}$${\görüntüleme stili x_{1}}$${\displaystyle t_{1}=x_{1}/c}$${\görüntüleme stili c}$${\displaystyle t_{2}=-x_{1}/c}$

Feynman ve Wheeler bu sonucu çok basit ve zarif bir şekilde elde ettiler. Evrenimizde bulunan tüm yüklü parçacıkları (yayıcıları) düşündüler ve hepsinin zaman-ters simetrik dalgalar ürettiğini varsaydılar . Sonuç alanı

${\displaystyle E_{\text{tot}}(\mathbf {x} ,t)=\sum _{n}{\frac {E_{n}^{\text{ret}}(\mathbf {x} , t)+E_{n}^{\text{adv}}(\mathbf {x} ,t)}{2}}.}$

Sonra gözlemlediler ki eğer ilişki

${\displaystyle E_{\text{ücretsiz}}(\mathbf {x} ,t)=\sum _{n}{\frac {E_{n}^{\text{ret}}(\mathbf {x} , t)-E_{n}^{\text{adv}}(\mathbf {x} ,t)}{2}}=0}$

tutar, daha sonra homojen Maxwell denkleminin bir çözümü olarak toplam alanı elde etmek için kullanılabilir ${\displaystyle E_{\metin{ücretsiz}}}$

${\displaystyle E_{\text{tot}}(\mathbf {x} ,t)=\sum _{n}{\frac {E_{n}^{\text{ret}}(\mathbf {x} , t)+E_{n}^{\text{adv}}(\mathbf {x} ,t)}{2}}+\sum _{n}{\frac {E_{n}^{\text{ret }}(\mathbf {x} ,t)-E_{n}^{\text{adv}}(\mathbf {x} ,t)}{2}}=\sum _{n}E_{n}^ {\text{ret}}(\mathbf {x} ,t).}$

Toplam alan geciktirilir ve nedensellik ihlal edilmez.

Serbest alanın aynı şekilde sıfır olduğu varsayımı , soğurucu fikrinin özüdür. Bu, her parçacığın yaydığı radyasyonun evrende bulunan diğer tüm parçacıklar tarafından tamamen emildiği anlamına gelir. Bu noktayı daha iyi anlamak için, yaygın malzemelerde absorpsiyon mekanizmasının nasıl çalıştığını düşünmek faydalı olabilir. Mikroskobik ölçekte, gelen elektromanyetik dalganın ve malzemenin elektronlarından üretilen ve dış pertürbasyona tepki veren dalgaların toplamından kaynaklanır. Gelen dalga emilirse, sonuç sıfır giden alan olur. Soğurucu teorisinde ise aynı kavram hem geciktirilmiş hem de gelişmiş dalgaların varlığında kullanılır.

Ortaya çıkan dalga, nedenselliğe saygı duyduğu için tercih edilen bir zaman yönüne sahip görünüyor. Ancak, bu sadece bir yanılsamadır. Aslında, sadece emitör ve soğurucu etiketlerini değiştirerek zaman yönünü tersine çevirmek her zaman mümkündür . Bu nedenle, görünüşte tercih edilen zaman yönü, keyfi etiketlemeden kaynaklanmaktadır.

T-simetrisi ve kendi kendine etkileşim

Soğurucu teorisinin en önemli sonuçlarından biri, elektromanyetik radyasyon sürecinin zarif ve net yorumudur. İvme yaşayan yüklü bir parçacığın elektromanyetik dalgalar yaydığı, yani enerji kaybettiği bilinmektedir. Bu nedenle, parçacık ( )${\görüntüleme stili F=ma}$ için Newton denklemi , bu enerji kaybını hesaba katan bir enerji tüketen kuvvet (sönümleme terimi) içermelidir. Elektromanyetizmanın nedensel yorumunda, Lorentz ve Abraham , daha sonra Abraham-Lorentz kuvveti olarak adlandırılan böyle bir kuvvetin, parçacığın kendi alanıyla gecikmeli kendi kendine etkileşiminden kaynaklandığını öne sürdüler. Bununla birlikte, bu ilk yorum, teoride farklılıklara yol açtığı ve parçacığın yük dağılımının yapısı hakkında bazı varsayımlar gerektirdiği için tamamen tatmin edici değildir. Dirac , formülü göreli olarak değişmez kılmak için genelleştirdi. Bunu yaparken de farklı bir yorum önerdi. Sönüm teriminin, parçacık üzerinde kendi konumunda hareket eden serbest alan cinsinden ifade edilebileceğini gösterdi:

${\displaystyle E^{\text{sönümleme}}(\mathbf {x} _{j},t)={\frac {E_{j}^{\text{ret}}(\mathbf {x} _{ j},t)-E_{j}^{\text{adv}}(\mathbf {x} _{j},t)}{2}}.}$

Ancak Dirac, bu yorumun herhangi bir fiziksel açıklamasını önermedi.

Bunun yerine, her parçacığın kendisiyle etkileşime girmediği basit fikrinden yola çıkarak, emici teorisi çerçevesinde açık ve basit bir açıklama elde edilebilir. Bu aslında ilk Abraham-Lorentz önerisinin tam tersidir. Parçacık üzerinde kendi konumunda (nokta ) etki eden alan o zaman ${\görüntüleme stili j}$${\görüntüleme stili x_{j}}$

${\displaystyle E^{\text{tot}}(\mathbf {x} _{j},t)=\sum _{n\neq j}{\frac {E_{n}^{\text{ret} }(\mathbf {x} _{j},t)+E_{n}^{\text{adv}}(\mathbf {x} _{j},t)}{2}}.}$

Biz toplarsak serbest alan terimini bu ifadenin, biz elde

${\displaystyle E^{\text{tot}}(\mathbf {x} _{j},t)=\sum _{n\neq j}{\frac {E_{n}^{\text{ret} }(\mathbf {x} _{j},t)+E_{n}^{\text{adv}}(\mathbf {x} _{j},t)}{2}}+\sum _{ n}{\frac {E_{n}^{\text{ret}}(\mathbf {x} _{j},t)-E_{n}^{\text{adv}}(\mathbf {x} _{j},t)}{2}}}$

ve Dirac'ın sonucu sayesinde,

${\displaystyle E^{\text{tot}}(\mathbf {x} _{j},t)=\sum _{n\neq j}E_{n}^{\text{ret}}(\mathbf {x} _{j},t)+E^{\text{sönümleme}}(\mathbf {x} _{j},t).}$

Böylece sönümleme kuvveti, sapmalara yol açtığı bilinen ve aynı zamanda Dirac tarafından türetilen ifadeye fiziksel bir gerekçe vererek, kendi kendine etkileşime ihtiyaç duymadan elde edilir.

eleştiri

Ancak Abraham-Lorentz kuvveti sorunsuz değildir. Göreceli olmayan sınırda yazılmış,

${\displaystyle E^{\text{sönümleme}}(\mathbf {x} _{j},t)={\frac {e}{6\pi c^{3}}}{\frac {\mathrm { d} ^{3}}{\mathrm {d} t^{3}}}x.}$

Zamana göre üçüncü türev (" sarsıntı " veya "sarsıntı" olarak da adlandırılır ) hareket denklemine girdiğinden, bir çözüm elde etmek için yalnızca parçacığın başlangıç ​​konumuna ve hızına değil, aynı zamanda başlangıç ​​ivmesine de ihtiyaç vardır. . Bununla birlikte, bu görünen problem, parçacık için hareket denkleminin alan için Maxwell denklemleri ile birlikte çözülmesi gerektiğini gözlemleyerek soğurucu teorisinde çözülebilir. Bu durumda, başlangıç ​​ivmesi yerine, yalnızca başlangıç ​​alanı ve sınır koşulunun belirtilmesi gerekir. Bu yorum, teorinin fiziksel yorumunun tutarlılığını yeniden sağlar.

Bu sönümleme kuvvetinin varlığında yüklü bir parçacık için hareket denklemini çözmeye çalışırken başka zorluklar ortaya çıkabilir. Maxwell denklemlerinin klasik olduğu ve kuantum-mekanik etkilerin ortaya çıkması gereken nokta benzeri bir parçacığın davranışı gibi mikroskobik olayları doğru bir şekilde açıklayamayacağı yaygın olarak belirtilir. Bununla birlikte, soğurucu teorisi ile Wheeler ve Feynman, probleme tutarlı bir klasik yaklaşım yaratmayı başardılar ( Abraham-Lorentz kuvvetindeki "paradokslar" bölümüne de bakınız ).

Ayrıca, elektromanyetik dalgaların zaman simetrik yorumu, zamanın belirli bir yönde aktığı ve dolayısıyla dünyamızda T-simetrisinin bozulduğuna dair deneysel kanıtlarla çelişiyor gibi görünmektedir. Bununla birlikte, yaygın olarak bu simetri kırılmasının sadece termodinamik limitte ortaya çıktığına inanılmaktadır (örneğin, zamanın okuna bakınız ). Wheeler'ın kendisi, evrenin genişlemesinin termodinamik limitte zamana göre simetrik olmadığını kabul etti. Ancak bu, T-simetrisinin mikroskobik düzeyde de kırılması gerektiği anlamına gelmez.

Son olarak, teorinin ana dezavantajı, parçacıkların kendi kendine etkileşime girmemesi sonucu ortaya çıktı. Gerçekten de, Hans Bethe'nin gösterdiği gibi , Kuzu kayması , açıklanacak bir öz-enerji terimini gerektiriyordu. Feynman ve Bethe bu konu üzerinde yoğun bir tartışmaya girdiler ve sonunda Feynman'ın kendisi bu etkiyi doğru bir şekilde açıklamak için kendi kendine etkileşimin gerekli olduğunu belirtti.

Orijinal formülasyondan bu yana gelişmeler

yerçekimi teorisi

Elektrodinamik için Wheeler-Feynman soğurucu teorisinin Machian doğasından ilham alan Fred Hoyle ve Jayant Narlikar , genel görelilik bağlamında kendi yerçekimi teorilerini önerdiler . Bu model, teoriye meydan okuyan son astronomik gözlemlere rağmen hala var. Stephen Hawking, orijinal Hoyle-Narlikar teorisini, ileri dalgaların sonsuza giden bir sapmaya yol açacağına inanarak eleştirmişti, eğer evren sadece genişliyor olsaydı, gerçekten de olacağı gibi.

Kuantum mekaniğinin işlemsel yorumu

Yine Wheeler-Feynman soğurucu teorisinden esinlenen, ilk olarak 1986'da John G. Cramer tarafından önerilen kuantum mekaniğinin (TIQM) işlemsel yorumu, kuantum etkileşimlerini geciktirilmiş (zamanda ileri) ve gelişmiş tarafından oluşturulan duran bir dalga açısından tanımlar. (zamanda geriye doğru) dalgalar. Cramer iddialar onunla felsefi sorunları önler Kopenhag yorumuna gibi ve gözlemci rolünü ve giderir çeşitli kuantum paradoksları, kuantum yerbilmezliği , kuantum dolanması ve retrocausality .

Nedensellik çözümleme girişimi

TC Scott ve RA Moore, gelişmiş Liénard-Wiechert potansiyellerinin varlığının önerdiği görünür nedenselliğin , soğurucu fikrinin komplikasyonları olmadan, teoriyi yalnızca geciktirilmiş potansiyeller açısından yeniden şekillendirerek ortadan kaldırılabileceğini gösterdi. Lagrange bir parçacık (açıklayan (başka bir parçacık tarafından üretilen zamanla simetrik potansiyelinin etkisiyle) ) 'dir ${\görüntüleme stili p_{1}}$${\ Displaystyle p_{2}}$

${\displaystyle L_{1}=T_{1}-{\frac {1}{2}}\left((V_{R})_{1}^{2}+(V_{A})_{1 }^{2}\sağ),}$

nerede parçacığın göreli kinetik enerji fonksiyoneli ve ve sırasıyla parçacık üzerine etki eden ve parçacık tarafından üretilen geciktirilmiş ve ileri Liénard-Wiechert potansiyelleridir . Parçacık için karşılık gelen Lagrange olan ${\görüntüleme stili T_{i}}$${\displaystyle p_{i}}$${\ Displaystyle (V_{R})_{i}^{j}}$${\ Displaystyle (V_{A})_{i}^{j}}$${\displaystyle p_{i}}$${\görüntüleme stili p_{j}}$${\ Displaystyle p_{2}}$

${\displaystyle L_{2}=T_{2}-{\frac {1}{2}}\left((V_{R})_{2}^{1}+(V_{A})_{2 }^{1}\sağ).}$

Başlangıçta bilgisayar cebiri ile gösterildi ve daha sonra analitik olarak kanıtlandı.

${\displaystyle (V_{R})_{j}^{i}-(V_{A})_{i}^{j}}$

toplam zaman türevinin, yani a, ayrışmanın içinde varyasyon hesabı ve bu nedenle herhangi bir katkıda bulunur Euler-Lagrange denklemleri . Bu sonuç sayesinde ileri düzeydeki potansiyeller elenebilir; burada toplam türev serbest alanla aynı rolü oynar . N- gövde sistemi için Lagrangian bu nedenle

${\displaystyle L=\sum _{i=1}^{N}T_{i}-{\frac {1}{2}}\sum _{i\neq j}^{N}(V_{R} )_{j}^{i}.}$

Ortaya çıkan Lagrange, ile değişimi altında simetriktir . Bunun için Lagrange tam olarak aynı hareket denklemlerini üretecektir ve . Bu nedenle, dışarıdan bir gözlemcinin bakış açısından , her şey nedenseldir. Bu formülasyon, bir bütün olarak N -parçacık sistemine uygulanan varyasyon ilkesi ile parçacık-parçacık simetrisini ve dolayısıyla Tetrode'nin Machian ilkesini yansıtır. Sadece belirli bir cisim üzerinde etki eden kuvvetleri izole edersek, gelişmiş potansiyeller ortaya çıkar. Problemin bu şekilde yeniden düzenlenmesinin bir bedeli vardır: N- cisim Lagrange, tüm parçacıklar tarafından izlenen eğrilerin tüm zaman türevlerine bağlıdır, yani Lagrange sonsuz derecelidir. Bununla birlikte, çözülmemiş teoriyi niceleme sorununu incelemede çok ilerleme kaydedildi. Ayrıca, bu formülasyon , Breit denkleminin orijinal olarak türetildiği, ancak tüketen terimler olmadan Darwin Lagrange'ı kurtarır . Bu, Kuzu kayması hariç, teori ve deneyle anlaşma sağlar . Klasik problem için sayısal çözümler de bulundu. Ayrıca Moore, Feynman ve Hibbs'in bir modelinin birinci dereceden Lagrangelerden daha yüksek yöntemlere uygun olduğunu gösterdi ve kaotik benzeri çözümler ortaya çıkardı. Moore ve Scott, radyasyon reaksiyonunun, ortalama olarak, yüklü parçacıklar topluluğu için net dipol momentinin sıfır olduğu fikrini kullanarak alternatif olarak türetilebileceğini ve böylece soğurucu teorisinin komplikasyonlarından kaçınılabileceğini gösterdi. ${\displaystyle p_{i}}$${\görüntüleme stili p_{j}}$${\görüntüleme stili N=2}$${\görüntüleme stili L_{1}}$${\ Displaystyle L_{2}}$

Bu bariz nedensellik sadece görünüşte görülebilir ve tüm bu problem ortadan kalkar. Einstein karşıt bir görüşe sahipti.

Alternatif Kuzu kaydırma hesaplaması

Daha önce bahsedildiği gibi, soğurucu teorisine karşı ciddi bir eleştiri, nokta parçacıkların kendi kendilerine hareket etmediğine dair Machian varsayımının (sonsuz) öz-enerjilere ve dolayısıyla kuantum elektrodinamiğine (QED) göre Kuzu kayması için bir açıklamaya izin vermemesidir . Ed Jaynes , Kuzu benzeri kaymanın, Wheeler-Feynman soğurucu teorisinin kendisinin aynı kavramları boyunca diğer parçacıklarla etkileşimden kaynaklandığı alternatif bir model önerdi . Basit bir model, diğer birçok osilatörle doğrudan bağlantılı bir osilatörün hareketini hesaplamaktır. Jaynes, klasik mekanikte hem kendiliğinden emisyon hem de Kuzu kayması davranışını elde etmenin kolay olduğunu göstermiştir. Ayrıca, Jaynes'in alternatifi, renormalizasyon ile ilişkili "sonsuzlukların toplanması ve çıkarılması" sürecine bir çözüm sunar .

Bu model aynı tip Bethe logaritmasına (Kuzu kayması hesaplamasının önemli bir parçası) yol açar ve Jaynes'in iki farklı fiziksel modelin matematiksel olarak birbirine eşbiçimli olabileceği ve bu nedenle aynı sonuçları verebileceği iddiasını doğrular . Nedensellik konusunda Scott ve Moore.

Sonuçlar

Bu evrensel emici teori, Feynman'ın otobiyografik çalışmasında " Kesinlikle Şaka Yapıyorsunuz Bay Feynman! ve Vol. Feynman Fizik Derslerinin II'si . Başlangıç ​​noktaları olarak bir Hamiltonyen yerine bir Lagrange ve eylem kullanan bir kuantum mekaniği çerçevesinin formüle edilmesine, yani Feynman'ın kuantum elektrodinamiği ve genel olarak kuantum alan teorisindeki ilk hesaplamalarında yararlı olduğu kanıtlanan Feynman yol integrallerini kullanan formülasyona yol açtı. Hem geciktirilmiş hem de gelişmiş alanlar sırasıyla geciktirilmiş ve gelişmiş yayıcılar olarak ve ayrıca Feynman yayıcısında ve Dyson yayıcısında görünür . Geriye dönüp bakıldığında, burada gösterilen geciktirilmiş ve ileri potansiyeller arasındaki ilişki, alan teorisinde, gelişmiş yayıcının, alan kaynağı ve test parçacığının rollerinin (genellikle Green'in fonksiyon formalizminin çekirdeği ). Alan teorisinde, gelişmiş ve geciktirilmiş alanlar , kombinasyonlarına sınır koşulları tarafından karar verilen Maxwell denklemlerinin matematiksel çözümleri olarak görülür .

Ayrıca bakınız

• Nedensellik
• Fizikte simetri ve T-simetrisi
• İşlemsel yorumlama
• Abraham-Lorentz kuvveti
• geriye dönük nedensellik
• İki durumlu vektör formalizmi
• Yerçekimi alanındaki bir yükün paradoksu

Notlar

Kaynaklar

• Wheeler, JA; Feynman, RP (Nisan 1945). "Radyasyon Mekanizması Olarak Soğurucu ile Etkileşim" (PDF) . Modern Fizik İncelemeleri . 17 (2–3): 157–181. Bibcode : 1945RvMP...17..157W . doi : 10.1103/RevModPhys.17.157 .
• Wheeler, JA; Feynman, RP (Temmuz 1949). "Doğrudan Parçacıklar Arası Eylem Açısından Klasik Elektrodinamik" . Modern Fizik İncelemeleri . 21 (3): 425-433. Bibcode : 1949RvMP...21..425W . doi : 10.1103/RevModPhys.21.425 .