量子電動(dòng)力學(xué)
量子電動(dòng)力學(xué)（Quantum Electrodynamics,簡(jiǎn)寫為QED）,是量子場(chǎng)論中最成熟的一個(gè)分支,它研究的對(duì)象是電磁相互作用的量子性質(zhì)（即光子的發(fā)射和吸收）、帶電粒子的產(chǎn)生和湮沒、帶電粒子間的散射、帶電粒子與光子間的散射等等.它概括了原子物理、分子物理、固體物理、核物理和粒子物理各個(gè)領(lǐng)域中的電磁相互作用的基本原理.
量子電動(dòng)力學(xué)是從量子力學(xué)發(fā)展而來(lái).量子力學(xué)可以用微擾方法來(lái)處理光的吸收和受激發(fā)射,但卻不能處理光的自發(fā)射.電磁場(chǎng)的量子化會(huì)遇到所謂的真空漲落問題.在用微擾方法計(jì)算高一級(jí)近似時(shí),往往會(huì)出現(xiàn)發(fā)散困難,即計(jì)算結(jié)果變成無(wú)窮大,因而失去了確定意義.后來(lái),人們利用電荷守恒消去了無(wú)窮大,并證明光子的靜止質(zhì)量為零.量子電動(dòng)力學(xué)得以確立.量子電動(dòng)力學(xué)克服了無(wú)窮大困難,理論結(jié)果可以計(jì)算到任意精度,并與實(shí)驗(yàn)符合得很好,量子電動(dòng)力學(xué)的理論預(yù)言也被實(shí)驗(yàn)所證實(shí).到20世紀(jì)40年代末50年代初,完備的量子電動(dòng)力學(xué)理論被確立,并大獲全勝.
量子電動(dòng)力學(xué)認(rèn)為,兩個(gè)帶電粒子（比如兩個(gè)電子）是通過互相交換光子而相互作用的.這種交換可以有很多種不同的方式.最簡(jiǎn)單的,是其中一個(gè)電子發(fā)射出一個(gè)光子,另一個(gè)電子吸收這個(gè)光子.稍微復(fù)雜一點(diǎn),一個(gè)電子發(fā)射出一個(gè)光子后,那光子又可以變成一對(duì)電子和正電子,這個(gè)正負(fù)電子對(duì)可以隨后一起湮滅為光子,也可以由其中的那個(gè)正電子與原先的一個(gè)電子一起湮滅,使得結(jié)果看起來(lái)像是原先的電子運(yùn)動(dòng)到了新產(chǎn)生的那個(gè)電子的位置.更復(fù)雜的,產(chǎn)生出來(lái)的正負(fù)電子對(duì)還可以進(jìn)一步發(fā)射光子,光子可以在變成正負(fù)電子對(duì)……而所有這些復(fù)雜的過程,最終表現(xiàn)為兩個(gè)電子之間的相互作用.量子電動(dòng)力學(xué)的計(jì)算表明,不同復(fù)雜程度的交換方式,對(duì)最終作用的貢獻(xiàn)是不一樣的.它們的貢獻(xiàn)隨著過程中光子的吸收或發(fā)射次數(shù)呈指數(shù)式下降,而這個(gè)指數(shù)的底,正好就是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù).或者說,在量子電動(dòng)力學(xué)中,任何電磁現(xiàn)象都可以用精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的冪級(jí)數(shù)來(lái)表達(dá).這樣一來(lái),精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)就具有了全新的含義：它是電磁相互作用中電荷之間耦合強(qiáng)度的一種度量,或者說,它就是電磁相互作用的強(qiáng)度.
1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予日本東京教育大學(xué)的朝永振一郎（Sin-Itiro Tomonaga,1906—1979）,美國(guó)馬薩諸塞州坎布里奇哈佛大學(xué)的施溫格（Julian S.Schwinger,1918—1994）和美國(guó)加利福尼亞州帕薩迪那加州理工學(xué)院的費(fèi)曼（Richard Phillips Feynman,1918—1988）,以表彰他們?cè)诹孔与妱?dòng)力學(xué)所作的基礎(chǔ)工作,這些工作對(duì)基本粒子物理學(xué)具有深遠(yuǎn)的影響.
費(fèi)曼、施溫格和朝永振一郎的貢獻(xiàn)就是用不同方法獨(dú)立地異途同歸地解決了這一困難,從而建立了量子電動(dòng)力學(xué)的新理論體系.他們從不同的渠道運(yùn)用“重正化”概念把發(fā)散量確切地歸入電荷與質(zhì)量的重新定義中,從而使高階近似的理論結(jié)果不再會(huì)遇到發(fā)散.“重正化”的意思就是用一定的步驟把微擾論積分中出現(xiàn)的發(fā)散分離出去,吸收到相互作用耦合常數(shù)及粒子的質(zhì)量中,并通過重新定義相互作用耦合常數(shù)和粒子的質(zhì)量,來(lái)獲得不發(fā)散的矩陣元,使計(jì)算結(jié)果可與實(shí)驗(yàn)對(duì)比.
有了重正化方法,量子電動(dòng)力學(xué)獲得了巨大成功,由此計(jì)算出來(lái)的電子反常磁矩和蘭姆位移與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符達(dá)十幾位量級(jí).可見,量子電動(dòng)力學(xué)是何等精確的理論.這一切既要?dú)w功于眾多對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)作過貢獻(xiàn)的物理學(xué)家,更要?dú)w功于1965年這三位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者.
費(fèi)曼1918年5 月11日出生于美國(guó)紐約市郊俄國(guó)移民猶太族家庭里,1935年進(jìn)入麻省理工學(xué)院（MIT）,先學(xué)數(shù)學(xué),后轉(zhuǎn)物理.1939年本科畢業(yè),畢業(yè)論文發(fā)表在《物理評(píng)論》（Phys.Rev.）上,內(nèi)有一個(gè)后來(lái)以他的名字命名的量子力學(xué)公式.1939年9月在普林斯頓大學(xué)當(dāng)惠勒（J.Wheeler）的研究生,致力于研究量子力學(xué)的疑難問題：發(fā)散困難.第二次世界大戰(zhàn)中,參加洛斯阿拉莫斯科學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制原子彈.1942年得普林斯頓大學(xué)理論物理學(xué)博士學(xué)位.戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后到康奈爾大學(xué)任教.自1951年起任加利福尼亞理工學(xué)院教授.
費(fèi)曼于40年代發(fā)展了用路徑積分表達(dá)量子振幅的方法,并于1948年提出量子電動(dòng)力學(xué)新的理論形式、計(jì)算方法和重正化方法,從而避免了量子電動(dòng)力學(xué)中的發(fā)散困難.目前量子場(chǎng)論中的“費(fèi)曼振幅”、“費(fèi)曼傳播子”、“費(fèi)曼規(guī)則”等均以他的姓氏命名.費(fèi)曼圖是費(fèi)曼在四十年代末首先提出的,用于表述場(chǎng)與場(chǎng)間的相互作用,可以簡(jiǎn)明扼要地體現(xiàn)出過程的本質(zhì),費(fèi)曼圖早已得到廣泛運(yùn)用,至今還是物理學(xué)中對(duì)電磁相互作用的基本表述形式.
1958年費(fèi)曼和蓋爾曼合作,提出了弱相互作用的矢量-膺矢量型理論（即V-A理論,又稱普適費(fèi)米型弱相互作用理論）.這是經(jīng)過20余年曲折發(fā)展以后所達(dá)到的關(guān)于弱相互作用的正確的唯象理論.這一理論為以后溫伯格、薩拉姆和格拉肖建立電磁相互作用和弱相互作用的統(tǒng)一理論開辟了道路.在50年代前期,費(fèi)曼還曾經(jīng)從事發(fā)展液氮的微觀理論的研究工作.
費(fèi)曼的路徑積分方法是他的獨(dú)創(chuàng)性又一個(gè)鮮明的例證.
費(fèi)曼總是以自己獨(dú)特的方式來(lái)研究物理學(xué).他不受已有的薛定諤的波函數(shù)和海森堡的矩陣這兩種方法的限制,獨(dú)立地提出用躍遷振幅的空間-時(shí)間描述來(lái)處理幾率問題.他以幾率振幅疊加的基本假設(shè)為出發(fā)點(diǎn),運(yùn)用作用量的表達(dá)形式,對(duì)從一個(gè)空間-時(shí)間點(diǎn)到另一個(gè)空間-時(shí)間點(diǎn)的所有可能路徑的振幅求和.這一方法簡(jiǎn)單明了,成了第三種量子力學(xué)的表述法.
1968年費(fèi)曼根據(jù)電子深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)和布約肯（J.D.Bjorken）的標(biāo)度無(wú)關(guān)性提出高能碰撞中的強(qiáng)子結(jié)構(gòu)模型.這種模型認(rèn)為強(qiáng)子是由許多點(diǎn)粒子構(gòu)成,這些點(diǎn)粒子就叫部分子（parton）.部分子模型在解釋高能實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上比較成功,它能較好地描述有關(guān)輕子對(duì)核子的深度非彈性散射、電子對(duì)湮滅、強(qiáng)子以及高能強(qiáng)子散射等高能過程,并在說明這些過程中逐步豐富了強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的物理圖像.
1986年2月費(fèi)曼應(yīng)邀參加總統(tǒng)委員會(huì),調(diào)查“挑戰(zhàn)者”號(hào)失事原因.會(huì)議前一天,他先去噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室了解情況,作了詳細(xì)記錄.當(dāng)時(shí)眾說紛紜,莫衷一是.他敏銳地注意到密封問題.會(huì)議令他失望,互相扯皮,推卸責(zé)任,沒完沒了地聽取證人的證詞.費(fèi)曼要求再去調(diào)查,結(jié)果發(fā)現(xiàn)美國(guó)航天局的報(bào)告自相矛盾.他注意到,他們?cè)瓉?lái)是用計(jì)算機(jī)分析橡膠的彈性,條件不合要求.有一將軍問費(fèi)曼,低溫對(duì)橡膠有無(wú)影響?提醒了他注意到用于密封的O圈在-2℃可能失去彈性.費(fèi)曼還注意到,在發(fā)射前火箭公司有一位工程師堅(jiān)持不宜發(fā)射的意見,但經(jīng)理在軍方壓力下同意了.進(jìn)一步調(diào)查還表明,發(fā)射臺(tái)的溫度數(shù)據(jù)欠準(zhǔn).1986年2月,費(fèi)曼公正地把真相公之于眾.1986年2月11日在總統(tǒng)委員會(huì)開會(huì)論證時(shí),費(fèi)曼把一塊與O圈材料相同的橡膠投入冰水中,證明“挑戰(zhàn)者”號(hào)失事的原因就在于寒冷的氣候.這件事曾經(jīng)轟動(dòng)了全世界,但是人們哪里知道,這時(shí)費(fèi)曼正在頑強(qiáng)地與胃癌斗爭(zhēng),不久他就與世長(zhǎng)辭了.
費(fèi)曼的重要著作有：《量子電動(dòng)力學(xué)》、《量子力學(xué)和路徑積分》,與希布斯合著《光子強(qiáng)子相互作用》等.《費(fèi)曼物理學(xué)講義》（共三卷）是美國(guó)六十年代科學(xué)教育改革的重要嘗試,雖然深度、廣度過高,但不失為優(yōu)秀參考讀物.費(fèi)曼在前言中寫道：“我講授的主要目的,不是幫助你們應(yīng)付考試,也不是幫你們?yōu)楣I(yè)或國(guó)防服務(wù).我最希望做到的是,讓你們欣賞這奇妙的世界以及物理學(xué)觀察它的方法”.1973年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者賈埃沃（I.Giaever）說過：費(fèi)曼是對(duì)他影響最大的物理學(xué)家,而《費(fèi)曼物理學(xué)講義》是對(duì)他影響最深的書籍.這套講義的特色是：引人入勝,豐富生動(dòng),論述精辟,富于啟發(fā).費(fèi)曼透徹講解了物理現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律.費(fèi)曼的自傳：《別鬧了,費(fèi)曼先生》是一本備受歡迎的文學(xué)著作.
如果說費(fèi)曼是一代奇才,則施溫格也不愧為物理學(xué)家中的“莫扎特”.施溫格1918 年2月12日出生于紐約,他自幼聰慧過人,在數(shù)學(xué)和科學(xué)方面顯示出非凡的才能.由于多次跳級(jí),14歲即高中畢業(yè),進(jìn)入紐約市立學(xué)院學(xué)習(xí).他愛好自學(xué),從圖書館中借閱了各種物理書籍,經(jīng)常不到課堂聽講.據(jù)說,統(tǒng)計(jì)力學(xué)課他從未出席,卻在期末考試中成績(jī)突出,因?yàn)樗茖?dǎo)的步驟比其他同學(xué)按課堂上學(xué)到的方法簡(jiǎn)捷得多.有人夸獎(jiǎng)年輕的施溫格說：“他對(duì)物理學(xué)就像莫扎特對(duì)音樂那樣.”哥倫比亞大學(xué)的拉比教授非常欣賞施溫格的才華,對(duì)人說：施溫格已經(jīng)知曉了物理學(xué)的 90％,其余的“只要幾天就夠了”.在拉比的推薦下,施溫格轉(zhuǎn)到哥倫比亞大學(xué),并于1936年獲學(xué)士學(xué)位,1939年獲博士學(xué)位,時(shí)年21歲.然后到伯克利加州大學(xué)當(dāng)了奧本海墨的研究助理.1941年到柏圖大學(xué)任教,后來(lái)到芝加哥大學(xué)參加原子反應(yīng)堆設(shè)計(jì).為了避免卷入原子彈計(jì)劃,施溫格在1943年離開芝加哥,轉(zhuǎn)到麻省理工學(xué)院,從事雷達(dá)系統(tǒng)的改進(jìn).正是這項(xiàng)工作使他對(duì)電磁輻射理論發(fā)生了興趣,把工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)到量子電動(dòng)力學(xué)的理論.1945年施溫格應(yīng)聘成為哈佛大學(xué)副教授,兩年后升教授,成為該校最年輕的教授.就是在這段時(shí)期,施溫格進(jìn)行了重正化的研究.他的方法與費(fèi)曼的不同,如果說費(fèi)曼用的是“積分”方法,則施溫格用的是“微分”方法,但是兩種方法得到的結(jié)果是一樣的.
量子電動(dòng)力學(xué)的另一位奠基人朝永振一郎1906 年3月31日出生于日本東京,1929年畢業(yè)于京都大學(xué)理學(xué)部物理學(xué)科,隨后在玉城嘉七郎研究室任臨時(shí)見習(xí)研究生,3年之后,赴東京理化研究所,在仁科芳雄研究室當(dāng)研究員,1937年留學(xué)德國(guó),在海森伯的領(lǐng)導(dǎo)下研究原子核理論和量子理論,1939年底,回國(guó)接受東京帝國(guó)大學(xué)的理學(xué)博士學(xué)位.1941年,任東京文理科大學(xué)物理學(xué)教授,提出量子場(chǎng)論的超多時(shí)理論,第二次世界大戰(zhàn)期間,曾經(jīng)研究雷達(dá)技術(shù)中磁控管的理論,發(fā)表了《分割陽(yáng)極磁電管理論》的論文,戰(zhàn)后繼續(xù)研究和發(fā)展他的超多時(shí)理論和介子耦合理論,同時(shí)參與《理論物理進(jìn)展》的創(chuàng)辦工作.朝永振一郎以他的超多時(shí)理論為基礎(chǔ),找到了一種避開量子電動(dòng)力學(xué)中發(fā)散困難的重正化方法,利用這種方法,可以成功地解釋蘭姆位移和電子反常磁矩的實(shí)驗(yàn).他的工作幾乎與施溫格和費(fèi)曼同時(shí).他們獨(dú)立地完成了類似的研究,達(dá)到了同樣的目的,真可謂殊途同歸.他們的研究使得描寫微觀世界的量子電動(dòng)力學(xué)理論成為一個(gè)精確的理論,并對(duì)以后的理論發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響.1949年,朝永振一郎應(yīng)聘赴美國(guó)普林斯頓高級(jí)研究院工作,提出了高密度極限的多費(fèi)密子體系的一維模型理論.回國(guó)后創(chuàng)建了東京大學(xué)原子核研究所.1956年以后,先后出任東京教育大學(xué)校長(zhǎng)、日本學(xué)術(shù)會(huì)議會(huì)長(zhǎng)、東京教育大學(xué)光學(xué)研究所所長(zhǎng).他還得到日本學(xué)士院院士、日本文化勛章以及好幾個(gè)國(guó)家的科學(xué)院榮譽(yù)院士稱號(hào).1957年5月朝永振一郎曾率領(lǐng)日本物理代表團(tuán)來(lái)中國(guó)訪問并進(jìn)行學(xué)術(shù)交流.朝永振一郎于1979年7月8日在東京病逝.