量子電動力學的發(fā)展：費曼的諾貝爾獎

1928年，狄拉克發(fā)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(gòu)建了一個波動方程，將自旋解釋為量子力學和相對論聯(lián)合的結(jié)果。狄拉克方程還揭示了電子的反物質(zhì)對應物，即反電子或正電子。

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(chuàng)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(jù)該理論的計算結(jié)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(shù)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(shù)學。

1947年6月，二戰(zhàn)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(xiàn)。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(jié)構(gòu)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。

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(quán)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(shù)字就能得到好的理論。

在這次會議的幾個月之后，貝特發(fā)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(fā)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(jié)論和實驗接近。

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(jié)構(gòu)常數(shù)。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(jié)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(fā)表一篇概述他理論細節(jié)的論文。施溫格的方程因其簡單性和準確性而對科學界產(chǎn)生了重大影響，每個人都期待著施溫格的理論。

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(fā)表演講，展示如何進行計算。而施溫格發(fā)表演講，表明只有他能做到?！?/p>

會議第二天，費曼發(fā)表他的演講，并首次展示出著名的費曼圖。不過，當時大多數(shù)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。

現(xiàn)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(tǒng)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(zhuǎn)換為現(xiàn)在稱為戴森級數(shù)的級數(shù)，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(shù)量的費曼圖來計算。

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(fā)布了戴森級數(shù)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(shù)也符合實驗結(jié)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