Инфракрасная расходимость
Инфракрасная расходимость (инфракрасная катастрофа) — ситуация якобы испускания бесконечно большого числа фотонов с бесконечно малыми энергиями при столкновении двух заряженных частиц или при резком изменении скорости заряженной частицы. Является следствием расходимости интеграла из-за вкладов объектов с очень малой энергией (почти равной нулю), или что то же самое, из-за физического явления на очень больших масштабах.
Инфракрасная расходимость имеется только в теориях с безмассовыми частицами (такими как фотоны). Данные расходимости представляют собой эффект, который полная теория часто подразумевает. Один из способов борьбы с ней заключается в наложении обрезания.
Описание парадокса
правитьСечение процесса рассеяния заряженных частиц с испусканием одного дополнительного фотона выражается формулой: . Здесь — сечение процесса рассеяния заряженных частиц с испусканием определённого числа фотонов, — полная энергия излучения, — частота излучения. При интегрировании этой формулы по частотам в некотором конечном интервале от до получается , где — сечение рассеяния упругого процесса. Можно приближенно считать, что приближенно равна начальной энергии излучающей частицы. Но величина может быть сделана сколь угодно близкой к нулю. В результате сечение излучения всех возможных мягких фотонов стремится к бесконечности[1].
При другом способе вычислений среднего числа фотонов при резком изменении скорости заряженной частицы: , где — максимальная и минимальная частоты интегрирования. При получаем, что , так что всегда излучается бесконечно много фотонов нулевой частоты[2].
Объяснение парадокса
правитьСреднее число излученных фотонов , где — классическая интенсивность излучения, — частота излучения. Интегрируя эту формулу получаем: . Поскольку мягкие фотоны излучаются статистически независимо, вероятность излучения фотонов выражается через их среднее число формулой Пуассона . Сечение процесса рассеяния с излучением фотонов может быть представлено в виде: . Поскольку , то представляет собой полное сечение рассеяния, сопровождаемого любым мягким излучением. Сечение чисто упругого рассеяния в действительности равно нулю. При среднее число и согласно формуле Пуассона обращается в нуль вероятность излучения любого конечного числа фотонов[1].
Физической причиной парадокса является предположение о бесконечном радиусе действия кулоновского поля, которое приводит к неадекватности фотонной картины для очень больших длин волн. Для выполнения условия длины волн должны иметь длину больше , что значительно больше радиуса наблюдаемой части Вселенной. Таким образом данный парадокс имеет чисто теоретическое значение[2]
См. также
правитьПримечания
править- ↑ 1 2 В. Б. Берестецкий, Е. М. Лифшиц, Л. П. Питаевский Квантовая электродинамика. — М., Физматлит, 2001. — c. 482—488
- ↑ 1 2 Вальтер Е. Тирринг Принципы квантовой электродинамики. — М., Высшая школа, 1964. — с. 105—109
Литература
править- Kaku, Michio. Quantum Field Theory: A Modern Introduction (англ.). — New York: Oxford University Press, 1993. — ISBN 0-19-507652-4.
- Claude Itzykson, Jean-Bernard Zuber. Quantum Field Theory (неопр.). — McGraw-Hill Education, 1980. — С. 172/3. — ISBN 0-07-032071-3.