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量子電動力學的發展:費曼的諾貝爾獎

中科院半導體所 ? 來源:萬象經驗 ? 2023-01-12 14:41 ? 次閱讀

1928年,狄拉克發表了他的第一篇關于電子量子論的論文。在那篇文章中,他為電子構建了一個波動方程,將自旋解釋為量子力學和相對論聯合的結果。狄拉克方程還揭示了電子的反物質對應物,即反電子或正電子。

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基于狄拉克方程的成功,量子力學理論研究人員試圖通過創建量子場論來量化電磁場。但所有這方面的嘗試都失敗了,因為根據該理論的計算結果是無窮大。他們對這個問題的解決方案是,使用一種稱為重整化地數學技巧來忽略這些無窮大。但狄拉克說:“我對這種情況非常不滿意,簡單地忽略方程式中的無窮大,這不是明智的數學。

1947年6月,二戰后的第一次國際物理學會議在謝爾特島舉行,它匯集了來自曼哈頓計劃的24位物理學家。在這次會議中,有兩個重要的實驗出現。在第一篇文章中,蘭姆提出了一個實驗,表明氫原子的2S_1/2和2P_1/2能級并不相同,相反它們相差了1058Mhz。另一個實驗顯示,氫的超精細結構有0.1% 的異常,后來布萊特將這種異常解釋為電子的g因子。

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問題是這兩種方程都與狄拉克方程相矛盾,因此與會者假設狄拉克的電子理論一定是不完整的,并提出這些效應是由于電磁場的量子化造成的。他們還假設可以使用量子場論來計算這些差異,并且可以使用重整化技術來校正理論的無窮大,這就是量子電動力學的起源。但是,狄拉克對此并不樂觀,他說重整化只是一個權宜之計,我們的想法一定要有一些根本性的變化,而不是希望通過篡改數字就能得到好的理論。

在這次會議的幾個月之后,貝特發表了一篇論文,概述了第一個實驗蘭姆位移的方程式。在它的等式中,K值發散到無窮大,因此貝特決定使用重整化:通過用電子能量的有限值K=mc2來代替無限值。問題是進行此更改沒有物理上的理由,使用它的唯一原因是最終結論和實驗接近。

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又過了幾個月后,施溫格給出了電子的g因子的公式:g=1+α/2π,其中α為精細結構常數。利用這個公式,他算出的g因子的理論值與之前公布的實驗結果非常接近。但是,他從未解釋他是如何得到這個方程的,并表示他將發表一篇概述他理論細節的論文。施溫格的方程因其簡單性和準確性而對科學界產生了重大影響,每個人都期待著施溫格的理論。

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次年,也就是1948年,又舉行了第二次物理會議。與會者除了上一次的那些人外,還有玻爾、狄拉克和費米也參加了。此次會議的重點是施溫格的演講,人們寄予厚望,希望他能解釋他是如何計算g因子的。最終,施溫格進行了5個小時的演講,提出了一系列復雜且無法理解的公式。奧本海默后來評價道:“其他人發表演講,展示如何進行計算。而施溫格發表演講,表明只有他能做到。”

會議第二天,費曼發表他的演講,并首次展示出著名的費曼圖。不過,當時大多數與會者沒有對此做出積極回應,其中一個原因是他們認為正電子在時間上倒退是不可能的。雖然施溫格的理論難以理解,但大家還是認為它是與已知的量子電動力學密切相關的。后來,朝永振一郎也提出了第三個新的理論。

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現在有了幾個相互競爭的理論,而英國物理學家弗里曼·戴森找到了統一這些理論的方法。戴森提出可以用海森堡散射矩陣計算電子的g因子:將其轉換為現在稱為戴森級數的級數,其中前兩個項恰好是施溫格關于g因子的公式,并且每個項都可以通過求解一定數量的費曼圖來計算。

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1949年,這些人又召開了第三次會議。費曼將戴森的理論作為量子電動力學理論的最終形式。從那時起,費曼圖成為美國物理學家的流行工具,從此名聲大噪并成為新一代科學家的領導者。進一步的研究導致量子色動力學、電弱理論和粒子物理學標準模型的形成,這些都在很大程度上依賴于費曼圖的使用。

同一年,加德納和珀塞爾獲得了更精確的g因子實驗值。此時,施溫格公式計算出的g因子與實驗值相差較大,因子不再被認為是準確的。這是驗證戴森理論的著名機會,物理學家進行了復雜的計算并發布了戴森級數第三項的值,此時理論再次與實驗相吻合。

在這之后,g因子的實驗值不斷被更新,而利用費曼圖計算的戴森級數也符合實驗結果。1965年,費曼、施溫格和朝永振一郎也因此獲得了諾貝爾物理學獎。

審核編輯 :李倩

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