《世界存在的本质 08》

狄拉克由此创立了量子电动力学，将电磁理论统一到量子力学和相对论的范畴里。量子电动力学又有众多人的贡献。其中施温格，费曼和朝永振一郎独立完成了其中最重要最关键的工作。现在量子电动力学的描述多采用费曼图的直观方式。量子电动力学的物理解可以由微扰法中求得。而各阶的微扰项由费曼图很直观地描述出来。本质上，电磁作用就是带电物体（比如电子）之间交换（虚）光子。随便提一下，我们用粒子的语言来描述电磁作用过程。实际上，电子和光子在数学描述上都是以场函数形式出现。这也是我们现有语言的局限性。希望以后有更好的方式来说明波粒二象性。施温格曾表示不喜欢费曼图。但是在办公室里他会偷偷地用。一个光子参与的作用对应一阶微扰项，两个光子有关的微扰项就是二阶，以此类推。一个电子自发发射光子的概率正比于精细结构常数1/137。所以我们期待这些微扰项收敛。量子电动力学的一个重要结果是确定电子的异常磁矩和解释氢原子光谱中的兰姆位移。因为和虚光子的相互作用，电子的磁矩会略大于狄拉克的相对论理论数值2。通过量子电动力学算出的电子磁矩非常符合实验观测值。误差不到十亿分之一。这个结果证实了量子电动力学的合理性。

1930年，奥本海默已经注意到量子电动力学的有些二阶微扰项存在发散的现象。这些项的费曼图里有封闭的圈环，对应于电子的自能。在经典物理学里，当电子半径趋于零时，电子自能也将发散。施温格，费曼和朝永振一郎运用重整化的方式，调动电子的质量和电荷，来消除发散项。狄拉克一生中都反对重整化。费曼也认为重整化只是数学上勉为其难的花招。发散问题一直存在现代粒子物理理论中。所以，一个可行的量子场论必须满足可重整化条件，就是说只允许有限个发散项。

1900年左右，人们已经知道放射性物质自发衰变有三种形式。其中，在阿尔法衰变过程中产生高能量的带正电的氦原子核。卢瑟福用氦核轰击金箔，根据氦核的散射结果提示原子的行星模型。放射性元素通过贝塔衰变发射出电子。元素原子量不变，但原子序数提升一位。伽马衰变就是原子核从激发态回到基态，释放出高能量光子。

在这三种衰变形式当中，贝塔衰变最为特别。发射出来的电子束有不确定的散射角。不同于具有确实能量的阿尔法粒子和伽马射线，贝塔电子射线的能谱却是连续的。查德威克发现贝塔衰变中能量不守恒。1930年，泡利很不情愿地假想贝塔衰变会产生一种很轻的电中性的新粒子，带走了多余的能量。它的自旋为1/2。1933年，费米提出了贝塔衰变理论。在原子核里，一个中子转变成一个质子，同时发射出电子和被费米命名的中微子。整个过程需要一种新的短程弱力的参与。费米称其为弱相互作用。这就意谓中微子不太与别的粒子和物质发生相互作用。假如整个太阳系填满铅板，中微子能够毫不费力地穿过太阳系，能量只损失百分之一。这也就是说中微子很难被观测到。直到1956年，中微子才在核反应堆中被发现。事实上，中子衰变产生的是反电子中微子。在1962年和2007年，人们又发现另外两种中微子，缪子中微子和陶子中微子。它们分别对应于两种类电子的基本粒子，缪子和陶子。缪子在寻找汤川秀树预言的介子时无意中于宇宙射线中被发现。陶子于1975年在斯坦福直线加速器的实验中被发现。电子很轻，寿命极长。但是缪子和陶子的质量很大，寿命却很短，所以在自然界不易存在。

--写于2022年7月24日（图片来自网络）

 

[花心男]

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