Kaedah Kerja Dalam Fizik Teori
Methods In Theoretical Physics
Berikut merupakan syarahan yang disampaikan oleh Paul Dirac bertajuk “Methods in Theoretical Physics”. Syarahan tersebut dirakamkan dalam himpunan syarahan From A Life of Physics (1989) suntingan Abdus Salam.
Saya akan cuba menerangkan serba sedikit tentang kaedah kerja seorang ahli fizik teori. Iaitu mengenai bagaimana mereka cuba mendapatkan pemahaman yang lebih mendalam tentang hukum-hakam alam tabii.
Untuk memahami perihal ini, kita boleh lihat bagaimana kerja dilakukan pada masa lampau. Dengan hal yang demikian, bolehlah kita berharap agar kita mampu memperolehi petua atau mengambil sedikit pengajaran yang mungkin dapat memberikan nilai tambah dalam menyelesaikan masalah masa kini. Masalah yang muncul pada masa lampau secara asasnya ada banyak persamaan dengan masalah yang muncul pada masa kini. Maka penelitian kaedah-kaedah yang berjaya digunakan pada masa lampau mungkin dapat membantu masalah masa kini.
Kita boleh kenal pasti dua kaedah utama dalam fizik teori. Kaedah pertama ialah dengan membina teori bersandarkan ujikaji. Kaedah ini memerlukan ahli fizik teori bekerjasama dengan ahli fizik ujikaji. Mereka akan menilai hasil-hasil ujikaji dan cuba menerangkannya secara menyeluruh dan memuaskan.
Kaedah yang selainnya ialah dengan membina teori bersandarkan matematik. Golongan yang menggunakan kaedah ini akan menilai dan memberi kritikan terhadap teori yang sedia ada. Mereka akan cuba mengenal pasti setiap kesilapan dan cuba menyingkirkan kesilapan itu. Kaedah ini payah kerana cubaan untuk menyingkirkan kesilapan itu perlu dilakukan tanpa membinasakan kejayaan-kejayaan teori sedia ada.
Dapatlah disimpulkan bahawa terdapat dua kaedah umum. Namun, perbezaan antara keduanya tidaklah semestinya sesuatu yang jelas. Jika dibayangkan dua kaedah ini seperti dua titik pada satu garisan, di antara keduanya ada bermacam titik-titik lain yang membawakan kaedah yang berbeza.
Kaedah mana yang kita gunakan sangat bergantung kepada tajuk kajian kita. Untuk tajuk baharu dengan pengetahuan yang sedikit, terpaksalah kita berteori bersandarkan ujikaji. Pada awalnya, untuk tajuk baharu ini, kita hanyalah mengutip dan menyusun bahan bukti dari ujikaji.
Contohnya, mari kita imbau kembali bagaimana ilmu mengenai sistem atom-atom berkala dibina sejak abad yang lalu. Pada awalnya, kita hanya mengutip data dari ujikaji dan menyusunnya dalam satu jadual. Selari dengan pembinaan sistem ini, kita juga memperoleh keyakinan sedikit demi sedikit, sehingga akhirnya kita mempunyai keyakinan yang cukup tinggi untuk meramalkan atom-atom yang sepatutnya mengisi lompong-lompong pada jadual berkala tersebut apabila ia hampir lengkap. Atom-atom yang diramalkan itu akhirnya ditemui dan ramalan ini menjadi kenyataan.
Kebelakangan ini, muncul satu keadaan yang sama untuk zarah-zarah baharu dalam fizik bertenaga tinggi. Zarah-zarah ini dimuatkan ke dalam satu jadual sehinggakan kita mampu meramalkan zarah-zarah yang akan ditemui dan bakal mengisi lompong-lompong jadual ini.
Dalam mana-mana bidang fizik dengan pengetahuan yang terhad, kita mestilah sandarkan teori kita pada ujikaji agar kita tidak terjebak dalam terkaan-terkaan rambang yang sewajarnya salah. Saya tidak berniat untuk mengutuk terkaan dan spekulasi secara menyeluruh. Ia boleh jadi sesuatu yang menyeronokkan dan mungkin akan memberi manfaat dalam cara yang lain walaupun kita sudah mendapatinya salah. Kita perlu ada akal budi yang terbuka terhadap buah fikiran yang baharu. Maknanya, kita tidak seharusnya membantah spekulasi bulat-bulat tapi harus diingatkan agar tidak menjadikan ia sebuah ketaksuban.
Spekulasi dalam Kosmologi
Satu contoh bidang fizik yang mempunyai banyak spekulasi baru-baru ini ialah bidang kosmologi. Bahan bukti yang ada sangat sedikit, tetapi ahli fizik teori sibuk membina model-model alam semesta berdasarkan apa sahaja tanggapan yang mereka rasa sesuai. Model-model ini berkemungkinan besar tidak benar. Selalunya ketika membina model, hukum-hakam alam tabii dianggap tidak akan berubah langsung. Namun, tiada bukti yang menyokong tanggapan ini. Hukum-hakam alam tabii mungkin sedang berubah dan nilai-nilai yang kita rasakan malar setakat ini mungkin sedang berubah pada kadar masa yang besar. Perubahan-perubahan ini pasti akan menjadi berita dukacita bagi pelopor model-model tadi.
Apabila bertambahnya ilmu pengetahuan dan bahan bukti terhadap sesuatu tajuk, barulah kita boleh bergerak ke arah kaedah matematiknya. Bolehlah juga kita mengejar keindahan matematiknya. Keindahan matematik ini bagaikan sebuah pegangan bagi ahli fizik teori. Tiada sebab yang munasabah pun untuk beriman pada keindahan matematik ini tetapi sejarah menunjukkan ia sangat berguna. Misalnya, teori kenisbian sangat mudah diterima sebab pemerihalan matematiknya indah.
Ada dua laluan bersandarkan matematik boleh dilaksanakan, iaitu (1) dengan menyingkirkan percanggahan, dan (2) dengan menyatukan teori-teori yang pada asalnya disangkakan adalah perkara yang berasingan.
Keberhasilan Kaedah
Kaedah pertama telah berkali-kali membuahkan hasil yang memberangsangkan. Misalnya, Maxwell mendapati persamaan-persamaan kelekromagnetan pada masa beliau tidak saling tekal sesama sendiri. Lalu beliau memperkenalkan arus sesaran yang akhirnya membawa kepada teori gelombang keelektromagnetan. Planck pula memperkenalkan alam kuantum setelah mengkaji masalah yang dibawa oleh teori sinaran jasad hitam. Einstein pula mendapati ada masalah dengan teori keseimbangan atom dalam sinaran jasad hitam lalu beliau memperkenalkan pancaran sinaran terangsang yang kini digunakan dalam laser moden. Mungkin contoh yang lebih ulung ialah penemuan Einstein tentang hukum graviti. Penemuan itu datang dari sebuah keperluan untuk menilai semula Hukum Graviti Newton lalu menggantikannya dengan Teori Kenisbian Khas.
Sebaliknya, kaedah kedua secara amalannya tidak membuahkan banyak hasil. Kita mungkin berfikir bahawa graviti dan elektromagnet sepatutnya berkait secara langsung kerana ianya adalah dua medan berjarak jauh yang diketahui dalam fizik. Namun, Einstein sendiri pernah cuba untuk mengaitkan kedua-duanya tetapi gagal. Nampaknya menggabungkan dua teori yang tiada percanggahan jelas adalah sesuatu yang sukar. Andai kita mampu menjayakannya, ia tidak datang secara terus.
Kewajaran seseorang itu memilih untuk mengikuti kaedah sandaran ujikaji ataupun matematik sangat bergantung kepada tajuk kajian, tetapi tidak semestinya begitu. Ia juga bergantung kepada ahli tersebut. Hal ini digambarkan dengan penemuan mekanik kuantum.
Kisah ini melibatkan dua orang ahli bidang ini, iaitu Heisenberg dan Schrödinger. Kajian Heisenberg adalah berdasarkan ujikaji spektroskopi. Data-data hasil spektroskopi sangat banyak pada tahun 1925 tetapi kebanyakannya tidak berguna. Ada beberapa data yang berguna seperti keamatan kensibian garisan-garisan multikembar. Heisenberg bijak kerana mampu memilih maklumat mana yang diperlukan. Akhirnya, beliau memperkenalkan kaedah matriks.
Pendekatan Schrödinger agak berbeza. Kerja beliau bersandarkan matematik. Berbeza dengan Heisenberg yang maklum akan hasil-hasil spektroskopi, beliau tidak begitu maklum akan hasil-hasil ujikaji semasa. Namun begitu, beliau berfikiran bahawa frekuensi garis spektra sepatutnya bergantung kepada persamaan-persamaan nilai eigen seperti bergetarnya spring pada frekuensi getaran tertentu. Fikiran itu sudah lama ada dalam kepalanya tetapi persamaan yang sepatutnya hanya mampu diluahkan setelah sekian lama dalam cara yang tidak disangka.
Kesan Daripada Kenisbian
Bagi memahami keadaan kerja ahli-ahli fizik teori pada waktu itu, kita seharusnya mengiktiraf bahawa teori kenisbian sangat memainkan peranan. Teori Kenisbian membanjiri dunia pemikiran saintifik di penghujung peperangan yang panjang dan menyusahkan. Semua orang ingin menjauhkan diri daripada beban peperangan itu lalu dengan senang hatinya menerima fikiran dan falsafah yang baharu ini. Semangat sebegini besar tidak pernah dilihat dalam sejarah sains sebelum ini.
Di sebalik kegirangan pemikiran kenisbian ini, ahli fizik sedang memahami misteri kestabilan atom. Seperti ahli-ahli yang lain, Schrödinger tertarik dengan fikiran baharu ini. Maka, beliau cuba membina mekanik kuantum di dalam kerangka kenisbian. Segala perkara mesti ditakrifkan dalam bentuk vektor dan tensor dalam ruang-masa. Malangnya, ahli fizik belum cukup matang untuk menyatukan mekanik kuantum dan kenisbian pada waktu itu. Akibatnya, penemuan Schrödinger tertangguh.
Schrödinger pada waktu itu sedang menyambung kajian de Broglie tentang penyatuan gelombang dan zarah dengan cara yang sesuai dengan kenisbian. Kaedah de Broglie hanya terpakai untuk zarah bebas. Schrödinger pula sedang cuba mengitlakkannya terhadap elektron yang terikat dalam atom. Akhirnya, beliau berjaya melakukannya dalam kerangka kenisbian. Namun, ujikaji terhadap atom hidrogen menunjukkan hasil yang berbeza daripada ramalan beliau. Percanggahan ini timbul kerana beliau tidak mengambil kira putaran elektron dalam persamaannya. Pada waktu itu, perkara ini tidak diketahui. Selepas kejadian itu, beliau sedar bahawa teorinya boleh digunakan dalam penghampiran yang tidak bernisbi. Maka beliau menerbitkan olahan yang kurang sempurna ini secara paksarela setelah ditangguh selama beberapa bulan.
Pengajaran daripada kisah ini ialah kita tidak patut cuba mencapai banyak perkara sekaligus. Kita seharusnya mengasingkan satu masalah fizik daripada masalah yang lain sejauh mungkin. Kemudian, barulah kita boleh singkirkannya satu demi satu.
Heisenberg dan Schrödinger memberikan kita dua bentuk mekanik kuantum yang akhirnya didapati adalah benda yang sama. Gambaran mekanik kuantum mereka berdua adalah berbeza tetapi boleh dikaitkan dengan beberapa penjelmaan matematik.
Saya terlibat dalam mekanik kuantum pada fasa awal, iaitu dengan membina teori berdasarkan matematik yang sangat niskala. Saya menggunakan aljabar tidak kalis tukar tertib yang dicadangkan oleh kaedah matriks Heisenberg sebagai ciri utama bidang dinamik baharu ini. Lalu saya kaji bagaimana bidang dinamik klasik boleh disesuaikan dalam gambaran baharu ini. Ahli-ahli lain melihat tajuk ini daripada pelbagai sudut pandang dan kita semua mendapat hasil yang sama pada waktu yang hampir sama.
Waktu Rehat yang Bermanfaat
Ingin saya nyatakan bahawasanya saya selalunya akan mendapat ilham yang mantap apabila sedang dalam keadaan berehat dan bukannya ketika saya sedang gigih mencarinya. Profesor Bloch pernah memberitahu saya bagaimana beliau memperoleh ilhamnya dalam keretapi dan memantapkannya sebelum tamat perjalanannya. Perkara ini tidak berlaku kepada diri saya. Sebaliknya, saya akan mengambil angin seorang diri pada hari Ahad, lalu saya akan meninjau isu-isu semasa dalam keadaan yang tenang. Keadaan sebegitu selalunya memberikan hasil walaupun tujuan utama bersiar-siar adalah untuk mendapat ketenangan dan bukannya untuk kajian (ataupun mungkin keberhasilan itu datang sebab wujudnya ketenangan itu).
Di waktu-waktu beginilah munculnya ilham tentang hubungkait yang mungkin wujud antara penukar tertib dan kurungan Poisson. Namun, pada waktu itu, saya tidak begitu mahir dengan kurungan Poisson maka saya agak kurang pasti akan kemungkinan tadi. Saya sedar bahawa saya tiada buku yang memerihalkan kurungan Poisson setelah mencarinya di rumah. Maka, terpaksalah saya menunggu perpustakaan dibuka pada esok hari dengan hati yang tidak sabar agar dapat saya mengesahkan ilham tersebut.
Bidang fizik teori bertemu dengan masalah yang baharu selari dengan perkembangan mekanik kuantum. Persamaan-persamaan yang asas, seperti persamaan pergerakan Heisenberg, hubungan penukar tertib, dan persamaan gelombang Schrödinger; dijumpai tanpa tafsiran fizikal yang diketahui. Dengan pembolehubah bidang dinamik yang tidak kalis tukar tertib, tafsiran fizikal secara terus seakan mustahil sedangkan dalam mekanik klasik, ia adalah satu kelaziman. Maka muncullah masalah untuk mencari makna serta penggunaan persamaan tersebut dengan tepat.
Masalah ini tidak diselesaikan secara terus. Kita pada awalnya mengkaji contoh-contoh lain, seperti atom Hidrogen tak bernisbi dan penyerakan Compton, lalu terjumpa kaedah khusus yang dapat digunakan untuk contoh-contoh ini. Kemudian, kita mula mengitlakkannya ke arah yang lebih umum. Setelah beberapa tahun, kefahaman penuh teori tersebut menjadi seperti yang kita kenal pada hari ini, iaitu dengan prinsip ketakpastian Heisenberg dan tafsiran statistik umum fungsi gelombang.
Perkembangan rancak mekanik kuantum pada zaman awalnya dibina dalam kerangka tidak bernisbi. Namun, sudah tentu kita berdukacita dengan keadaan ini. Teori bernisbi untuk sebutir elektron telah dibina, iaitu persamaan asal Schrödinger yang dijumpa semula oleh Klein dan Gordon, tetapi tafsirannya tidak selari dengan tafsiran statistik umum mekanik kuantum.
Daripada Tensor ke Spinor
Pada waktu itu, kita semua difahamkan bahawa segalanya yang berkaitan dengan teori kenisbian harus diperihalkan dalam bentuk tensor. Dengan pemahaman ini, teori Klein-Gordon adalah yang terbaik kita mampu capai. Kebanyakan ahli fizik sudah berpuas hati dengan kenyataan bahawa teori Klein-Gordon adalah penerangan terbaik untuk teori kuantum bernisbi sebutir elektron. Namun, saya tidak berpuas hati sebab wujudnya percanggahan antara teori ini dengan prinsip-prinsip umum. Saya terus-menerus memikirkan hal ini sehinggalah saya menjumpai penyelesaiannya.
Saya merasakan tensor tidak cukup dalam hal ini dan haruslah dijauhi, lalu saya memperkenalkan kuantiti dwinilai, kini dipanggil spinor. Mereka yang terlalu biasa dengan tensor tidak mampu mengelak daripadanya untuk cuba memikirkan sesuatu yang lebih umum. Saya mampu melakukannya hanya kerana saya lebih bersandar terhadap prinsip umum mekanik kuantum berbanding terhadap tensor. Eddington sangatlah terkejut ketika dia nampak kita boleh menjauhkan diri daripada tensor. Pesanan saya ialah supaya kita berjaga-jaga agar tidak terlalu melekat dengan satu-satu kaedah pemikiran.
Pengenalan spinor membawa teori bernisbi mekanik kuantum lebih dekat dengan prinsip-prinsip umum mekanik kuantum dan secara kebetulannya ia juga mengambil kira putaran elektron walaupun bukanlah itu tujuan asal saya. Namun begitu, masalah baharu telah muncul iaitu tentang tenaga bernilai negatif. Teori tadi memberikan simetri di antara tenaga positif dan negatif walaupun hanya tenaga positif yang muncul dalam alam tabii.
Sepertimana yang biasa berlaku dalam kaedah matematik, selesainya satu masalah menimbulkan masalah yang lain. Mungkin kalian fikir munculnya hal sebegini adalah sama seperti tiada perkembangan langsung. Hal itu tidak benar, kerana masalah kedua ini lebih terpencil berbanding yang pertama. Masalah ini mungkin sebenarnya sudah wujud sejak dahulu lagi dan ia menjadi masalah utama setelah lesapnya masalah pertama tadi.
Hal inilah yang berlaku dalam kes tenaga negatif ini. Semua teori bernisbi mewujudkan simetri antara tenaga positif dan tenaga negatif dan permasalahan tenaga negatif dikaburi masalah kecacatan teori bernisbi ini.
Permasalahan ini diketepikan dengan tanggapan bahawa semua keadaan tenaga negatif telah terisi dalam keadaan hampagas. Hal ini membawa kita kepada teori positron dan elektron. Pengetahuan kita kini berada di peringkat yang lebih tinggi tetapi masalah timbul lagi sekali. Kali ini, permasalahan timbul berkaitan dengan interaksi antara elektron dan medan elektromagnet.
Apabila kita cuba menerangkan interaksi ini dalam bentuk persamaan dan cuba menyelesaikannya, kita mendapati bahawa kamirannya akan mencapah untuk nilai yang sepatutnya terbatas. Sekali lagi ingin saya tegaskan, masalah ini memang wujud sebelum ini tapi baru sahaja ditonjolkan menjadi masalah utama.
Hala Tuju Yang Salah?
Jika kita ingin menggunakan kaedah klasik untuk menyelesaikan interaksi antara elektron terpusat dan medan elektromagnet, kita akan menjumpai kesingularan dalam medan tersebut. Hal kesingularan ini menyusahkan. Masalah ini sudah lama disedari sejak zaman Lorentz, iaitu orang pertama yang mendapatkan persamaan pergerakan elektron. Asalnya, pada zaman Heisenberg dan Schrödinger, kita menyangka permasalahan ini akan hilang dengan pengenalan mekanik kuantum yang baharu ketika itu. Jelaslah bahawa harapan ini tidak tercapai. Masalah ini muncul semula dalam bentuk kecapahan yang wujud dalam bidang elektrodinamik kuantum iaitu suatu teori kuantum tentang interaksi antara elektron dan medan elektromagnet. Perkara ini sepertinya diolah dengan infiniti yang dikaitkan dengan lautan yang penuh dengan elektron bertenaga negatif tapi kini menjadi masalah yang menyerlah.
Masalah dengan kecapahan adalah sangat sukar. Tiada perkembangan yang dapat dilakukan dalam masa dua puluh tahun. Kemudian, datanglah ilham daripada penemuan Lamb serta penerangan tentang anjakan Lamb yang membantu menyelesaikan masalah ini. Penemuan ini seakan sudah mengubah sifat fizik teori itu sendiri. Anjakan ini melibatkan petua untuk membuang infiniti dalam pengiraan. Petua ini sangatlah tepat sehinggakan ada saki-baki tertakrif yang boleh dibandingkan dengan hasil ujikaji. Namun, hal ini ialah hanya sebuah petua yang berguna dan bukannya matematik yang sepatutnya.
Ahli-ahli fizik teori pada waktu ini nampaknya sudah puas dengan perkara ini, tetapi saya belum. Saya yakin fizik teori berada di atas jalan yang salah dengan perkembangan ini dan kita tidak seharusnya leka akan hal ini. Hal ini ada sedikit persamaan dengan apa yang berlaku pada tahun 1927, iaitu apabila kebanyakan ahli fizik berpuas hati dengan persamaan Klein-Gordon dan tidak bersedia dengan kemungkinan yang sebaliknya.
Kita seharusnya sedar bahawasanya ada sesuatu yang tidak kena jika kita perlu membuang infiniti dalam persamaan-persamaan kita. Dasar logik mestilah dipegang teguh walau apa pun berlaku. Berfikir tentang masalah ini mungkin akan membawa kepada perkembangan yang penting. Sudah banyak yang kita ketahui tentang elektrodinamik kuantum, dan rasanya kita perlu menyusunnya seelok mungkin sebelum boleh bergerak kepada perkembangan yang sepatutnya dengan teori-teori medan, walaupun hal-hal ini akan terus berkembang dari segi ujikaji.
Mari kita lihat apa yang boleh dilakukan dengan mendasarkan elektrodinamik kuantum yang terkini terhadap kerangka logik. Kita seharusnya sentiasa berada dalam amalan biasa iaitu mengabaikan nilai-nilai yang hanya boleh dipercayai sangat kecil, walaupun dasar kepercayaan itu agak goyah.
Untuk menyelesaikan masalah infiniti ini, kita mesti melihat semula proses pemenggalan nilai. Hal ini mesti dilakukan dalam matematik apabila ada sebuah siri atau hasil kamiran yang tiada penumpuan mutlak. Apabila kita memperkenalkan pemenggalan, bolehlah kita menjadikannya lebih terpencil dan menumpu kepada sebuah had yang nilainya bergantung kepada kaedah pemenggalan tadi. Selain itu, kita boleh menjadikan pemenggalan itu sebuah nilai yang terbatas. Untuk hal ini, kita mesti mencari sebuah kuantiti yang kalis pemenggalan.
Kecapahan dalam elektrodinamik kuantum datang daripada nilai-nilai tenaga yang tinggi dalam interaksi antara zarah dan medan. Maka pemenggalan haruslah melibatkan pengenalan sejenis tenaga, katakanlah g, agar boleh menghilangkan nilai tenaga tinggi tadi. Setakat yang kita tahu, nilai g tidak boleh dicenderungkan ke arah infiniti tanpa membolehkan kita menyelesaikan persamaan ini secara logik. Maknanya, kita seharusnya mendapatkan sebuah nilai pemenggalan yang terbatas.
Kaedah sebegini akan menghapuskan sebahagian teori ini yang bersifat ketakvarianan bernisbi. Walaupun penghapusan bahagian ini dirasakan kasihan, kaedah ini lebih baik daripada terpaksa mengorbankan logik terus. Hal ini akan membawa kepada teori yang tidak boleh digunakan untuk proses bertenaga tinggi, iaitu proses yang melibatkan nilai yang hampir dengan g. Akan tetapi, kita masih boleh berharap ia adalah penghampiran yang bagus untuk proses bertenaga rendah.
Dalam skop fizikal, kita sepatutnya menjangkakan nilai g untuk berada dalam julat ratusan MeV. Nilai itulah tempat elektrodinamik kuantum berhenti menjadi subjek tersendiri dan zarah-zarah lain dalam fizik mula memainkan peranan mereka. Nilai g ini sudah cukup untuk teori ini.
Dengan menggunakan pemenggalan yang terbatas, kita mesti mencari kuantiti yang tidak peka terhadap kaedah yang tepat serta terhadap nilai pemenggalan tersebut. Maka kita fahamlah bahawa gambaran Schrödinger tidak sesuai untuk kiraan ini. Penyelesaian persamaan Schrödinger adalah sangat peka kepada pemenggalan, termasuklah penyelesaian yang menerangkan keadaan hampagas. Sebaliknya pula, ada pengiraan yang boleh dilakukan dalam gambaran Heisenberg yang membawa kepada persamaan yang tidak peka terhadap pemenggalan.
Dengan cara ini, kita boleh lihat bagaimana anjakan Lamb dan kejanggalan momen magnet dapat diperolehi. Hasilnya sama sahaja seperti yang telah diperolehi lebih kurang dua puluh tahun lalu yang menggunakan petua pembuangan nilai infiniti daripada anjakan Lamb. Namun, hasil kali ini diperoleh dengan kaedah yang logik dan mengikut kaedah matematik wajar dengan hanya mengabaikan nilai-nilai yang benar-benar kecil.
Oleh sebab kita tidak dapat menggunakan gambaran Schrödinger untuk memperolehi persamaan tadi, kita sudah tidak dapat gunakan tafsiran fizikal yang biasa digunakan dalam mekanik kuantum yang melibatkan kuasa dua modulus fungsi gelombang. Kita mesti membawa diri kita kepada tafsiran fizikal yang baharu yang boleh digunakan dalam gambaran Heisenberg. Keadaan elektrodinamik kuantum sekarang ini sama sahaja seperti keadaan awal mekanik kuantum asas iaitu kita memiliki persamaan pergerakan tetapi tiada tafsiran fizikal umum.
Ada satu ciri dalam persamaan yang membawa kepada anjakan Lamb dan kejanggalan momen magnet elektron yang patut kita sedar. Kuantiti m dan e yang membawa nilai jisim dan cas elektron dalam persamaan awal didapati berbeza dengan nilai yang dicerap. Jika kita simpan simbol m dan e untuk membawa nilai cerapan kuantiti tersebut, kita mesti menggantikan nilai m dan e dalam persamaan awal dengan nilai m+5m dan e+5e. Nilai 5m dan 5e adalah sedikit pembetulan yang boleh kita kira. Kaedah ini dikenali sebagai penormalan semula.
Kepayahan dalam Elektrodinamik Kuantum
Perubahan yang disebutkan tadi adalah sesuatu yang dibenarkan. Kita boleh pilih satu persamaan awal yang kita suka, lalu kembangkan teori berdasarkan kesimpulan-kesimpulan yang kita perolehi daripada persamaan tadi. Disebabkan kita boleh memilih mana-mana tanggapan awal mengikut cita rasa, kalian mungkin merasakan kerja-kerja ahli fizik teori adalah senang. Namun, kepayahan muncul apabila ahli tadi memerlukan tanggapan awal yang sama untuk semua penggunaan teori tadi. Hal ini sangatlah mengehadkan kebebasan mereka. Penormalan semula adalah dibenarkan kerana ia adalah sebuah olahan ringkas yang boleh digunakan pada sebarang kes wujudnya interaksi antara zarah bercas dengan medan elektromagnet.
Ada kepayahan ketara masih berbaki dalam elektrodinamik kuantum yang berkaitan dengan swa-tenaga sebutir foton. Permasalahan ini patut diselesaikan dengan olahan seterusnya dalam persamaan awal tadi, walaupun ia akan menjadi lebih rumit berbanding penormalan semula.
Matlamat hakikinya ialah untuk mendapatkan persamaan awal yang boleh menyimpulkan keseluruhan fizik atom. Kita masih lagi jauh daripada matlamat itu. Satu kaedah yang boleh membawa kita mendekatinya ialah bermula dengan menyempurnakan teori berkaitan fizik bertenaga rendah, iaitu elektrodinamik kuantum, lalu cuba mengembangkannya ke arah tenaga yang lebih tinggi. Walau bagaimanapun, keadaan elektrodinamik kuantum yang kini tidak selari dengan keindahan matematik aras tinggi yang dijangkakan dalam teori fizik asas. Maka, ada yang merasakan perlunya sebuah perubahan idea dasar yang mendadak.
Daftar Istilah
- Aljabar Tidak Kalis Tukar Tertib = Non-commutative Algebra
- Tidak Kalis Tukar Tertib = Non-commutative
- Elektron Terpusat = Point Electrons
- Kecapahan = Divergencies
- Ketakvarianan bernisbi = Relativistic Invariance
- Kesingularan = Singularity
- Multikembar = Multiplet
- Niskala = Abstract
- Penormalan semula = Renormalization
- Pemenggalan = Cut-off
- Penukar Tertib = Commutators
- Penjelmaan Matematik = Mathematical Transformation
- Tekal = Consistent
- Swa-tenaga = Self-Energy
- Teori Kenisbian Khas = Theory of Special Relativity
- Mekanik Kuantum Bernisbi = Nonrelativistic quantum mechanics
- Anjakan Lamb = Lamb shift