量子电动力学

　　量子电动力学（QuantumElectrodynamics,简写为QED）,是量子场论中最成熟的一个分支,它研究的对象是电磁相互作用的量子性质（即光子的发射和吸收）、带电粒子的产生和湮没、带电粒子间的散射、带电粒子与光子间的散射等等.它概括了原子物理、分子物理、固体物理、核物理和粒子物理各个领域中的电磁相互作用的基本原理.

　　量子电动力学是从量子力学发展而来.量子力学可以用微扰方法来处理光的吸收和受激发射,但却不能处理光的自发射.电磁场的量子化会遇到所谓的真空涨落问题.在用微扰方法计算高一级近似时,往往会出现发散困难,即计算结果变成无穷大,因而失去了确定意义.后来,人们利用电荷守恒消去了无穷大,并证明光子的静止质量为零.量子电动力学得以确立.量子电动力学克服了无穷大困难,理论结果可以计算到任意精度,并与实验符合得很好,量子电动力学的理论预言也被实验所证实.到20世纪40年代末50年代初,完备的量子电动力学理论被确立,并大获全胜.

　　量子电动力学认为,两个带电粒子（比如两个电子）是通过互相交换光子而相互作用的.这种交换可以有很多种不同的方式.最简单的,是其中一个电子发射出一个光子,另一个电子吸收这个光子.稍微复杂一点,一个电子发射出一个光子后,那光子又可以变成一对电子和正电子,这个正负电子对可以随后一起湮灭为光子,也可以由其中的那个正电子与原先的一个电子一起湮灭,使得结果看起来像是原先的电子运动到了新产生的那个电子的位置.更复杂的,产生出来的正负电子对还可以进一步发射光子,光子可以在变成正负电子对……而所有这些复杂的过程,最终表现为两个电子之间的相互作用.量子电动力学的计算表明,不同复杂程度的交换方式,对最终作用的贡献是不一样的.它们的贡献随着过程中光子的吸收或发射次数呈指数式下降,而这个指数的底,正好就是精细结构常数.或者说,在量子电动力学中,任何电磁现象都可以用精细结构常数的幂级数来表达.这样一来,精细结构常数就具有了全新的含义：它是电磁相互作用中电荷之间耦合强度的一种度量,或者说,它就是电磁相互作用的强度.

　　1965年诺贝尔物理学奖授予日本东京教育大学的朝永振一郎（Sin-ItiroTomonaga,1906—1979）,美国马萨诸塞州坎布里奇哈佛大学的施温格（JulianS.Schwinger,1918—1994）和美国加利福尼亚州帕萨迪那加州理工学院的费曼（RichardPhillipsFeynman,1918—1988）,以表彰他们在量子电动力学所作的基础工作,这些工作对基本粒子物理学具有深远的影响.

　　费曼、施温格和朝永振一郎的贡献就是用不同方法独立地异途同归地解决了这一困难,从而建立了量子电动力学的新理论体系.他们从不同的渠道运用“重正化”概念把发散量确切地归入电荷与质量的重新定义中,从而使高阶近似的理论结果不再会遇到发散.“重正化”的意思就是用一定的步骤把微扰论积分中出现的发散分离出去,吸收到相互作用耦合常数及粒子的质量中,并通过重新定义相互作用耦合常数和粒子的质量,来获得不发散的矩阵元,使计算结果可与实验对比.

　　有了重正化方法,量子电动力学获得了巨大成功,由此计算出来的电子反常磁矩和兰姆位移与实验结果相符达十几位量级.可见,量子电动力学是何等精确的理论.这一切既要归功于众多对现代物理学作过贡献的物理学家,更要归功于1965年这三位诺贝尔物理学奖获得者.

　　费曼1918年5月11日出生于美国纽约市郊俄国移民犹太族家庭里,1935年进入麻省理工学院（MIT）,先学数学,后转物理.1939年本科毕业,毕业论文发表在《物理评论》（Phys.Rev.）上,内有一个后来以他的名字命名的量子力学公式.1939年9月在普林斯顿大学当惠勒（J.Wheeler）的研究生,致力于研究量子力学的疑难问题：发散困难.第二次世界大战中,参加洛斯阿拉莫斯科学实验室研制原子弹.1942年得普林斯顿大学理论物理学博士学位.战争结束后到康奈尔大学任教.自1951年起任加利福尼亚理工学院教授.

　　费曼于40年代发展了用路径积分表达量子振幅的方法,并于1948年提出量子电动力学新的理论形式、计算方法和重正化方法,从而避免了量子电动力学中的发散困难.目前量子场论中的“费曼振幅”、“费曼传播子”、“费曼规则”等均以他的姓氏命名.费曼图是费曼在四十年代末首先提出的,用于表述场与场间的相互作用,可以简明扼要地体现出过程的本质,费曼图早已得到广泛运用,至今还是物理学中对电磁相互作用的基本表述形式.

　　1958年费曼和盖尔曼合作,提出了弱相互作用的矢量-膺矢量型理论（即V-A理论,又称普适费米型弱相互作用理论）.这是经过20余年曲折发展以后所达到的关于弱相互作用的正确的唯象理论.这一理论为以后温伯格、萨拉姆和格拉肖建立电磁相互作用和弱相互作用的统一理论开辟了道路.在50年代前期,费曼还曾经从事发展液氮的微观理论的研究工作.

　　费曼的路径积分方法是他的独创性又一个鲜明的例证.

　　费曼总是以自己独特的方式来研究物理学.他不受已有的薛定谔的波函数和海森堡的矩阵这两种方法的限制,独立地提出用跃迁振幅的空间-时间描述来处理几率问题.他以几率振幅叠加的基本假设为出发点,运用作用量的表达形式,对从一个空间-时间点到另一个空间-时间点的所有可能路径的振幅求和.这一方法简单明了,成了第三种量子力学的表述法.

　　1968年费曼根据电子深度非弹性散射实验和布约肯（J.D.Bjorken）的标度无关性提出高能碰撞中的强子结构模型.这种模型认为强子是由许多点粒子构成,这些点粒子就叫部分子（parton）.部分子模型在解释高能实验现象上比较成功,它能较好地描述有关轻子对核子的深度非弹性散射、电子对湮灭、强子以及高能强子散射等高能过程,并在说明这些过程中逐步丰富了强子结构的物理图像.

　　1986年2月费曼应邀参加总统委员会,调查“挑战者”号失事原因.会议前一天,他先去喷气推进实验室了解情况,作了详细记录.当时众说纷纭,莫衷一是.他敏锐地注意到密封问题.会议令他失望,互相扯皮,推卸责任,没完没了地听取证人的证词.费曼要求再去调查,结果发现美国航天局的报告自相矛盾.他注意到,他们原来是用计算机分析橡胶的弹性,条件不合要求.有一将军问费曼,低温对橡胶有无影响?提醒了他注意到用于密封的O圈在-2℃可能失去弹性.费曼还注意到,在发射前火箭公司有一位工程师坚持不宜发射的意见,但经理在军方压力下同意了.进一步调查还表明,发射台的温度数据欠准.1986年2月,费曼公正地把真相公之于众.1986年2月11日在总统委员会开会论证时,费曼把一块与O圈材料相同的橡胶投入冰水中,证明“挑战者”号失事的原因就在于寒冷的气候.这件事曾经轰动了全世界,但是人们哪里知道,这时费曼正在顽强地与胃癌斗争,不久他就与世长辞了.

　　费曼的重要著作有：《量子电动力学》、《量子力学和路径积分》,与希布斯合著《光子强子相互作用》等.《费曼物理学讲义