1928 年，狄拉克發(fā)表了他的第一篇關(guān)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(gè)波動(dòng)方程，將自旋解釋為量子力學(xué)和相對(duì)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(duì)應(yīng)物，即反電子或正電子。
基于狄拉克方程的成功，量子力學(xué)理論研究人員試圖通過創(chuàng)建量子場(chǎng)論來量化電磁場(chǎng)。但所有這方面的嘗試都失敗了，因?yàn)楦鶕?jù)該理論的計(jì)算結(jié)果是無窮大。他們對(duì)這個(gè)問題的解決方案是，使用一種稱為重整化地?cái)?shù)學(xué)技巧來忽略這些無窮大。但狄拉克說：“我對(duì)這種情況非常不滿意，簡(jiǎn)單地忽略方程式中的無窮大，這不是明智的數(shù)學(xué)。
1947 年 6 月，二戰(zhàn)后的第一次國際物理學(xué)會(huì)議在謝爾特島舉行，它匯集了來自曼哈頓計(jì)劃的 24 位物理學(xué)家。在這次會(huì)議中，有兩個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)。在第一篇文章中，蘭姆提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，表明氫原子的 2S_1/2 和 2P_1/2 能級(jí)并不相同，相反它們相差了 1058Mhz。另一個(gè)實(shí)驗(yàn)顯示，氫的超精細(xì)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(huì)者假設(shè)狄拉克的電子理論一定是不完整的，并提出這些效應(yīng)是由于電磁場(chǎng)的量子化造成的。他們還假設(shè)可以使用量子場(chǎng)論來計(jì)算這些差異，并且可以使用重整化技術(shù)來校正理論的無窮大，這就是量子電動(dòng)力學(xué)的起源。但是，狄拉克對(duì)此并不樂觀，他說重整化只是一個(gè)權(quán)宜之計(jì)，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(huì)議的幾個(gè)月之后，貝特發(fā)表了一篇論文，概述了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)接近。
又過了幾個(gè)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(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。利用這個(gè)公式，他算出的 g 因子的理論值與之前公布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近。但是，他從未解釋他是如何得到這個(gè)方程的，并表示他將發(fā)表一篇概述他理論細(xì)節(jié)的論文。施溫格的方程因其簡(jiǎn)單性和準(zhǔn)確性而對(duì)科學(xué)界產(chǎn)生了重大影響，每個(gè)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(huì)議。與會(huì)者除了上一次的那些人外，還有玻爾、狄拉克和費(fèi)米也參加了。此次會(huì)議的重點(diǎn)是施溫格的演講，人們寄予厚望，希望他能解釋他是如何計(jì)算 g 因子的。最終，施溫格進(jìn)行了 5 個(gè)小時(shí)的演講，提出了一系列復(fù)雜且無法理解的公式。奧本海默后來評(píng)價(jià)道：“其他人發(fā)表演講，展示如何進(jìn)行計(jì)算。而施溫格發(fā)表演講，表明只有他能做到?！?/p>
會(huì)議第二天，費(fèi)曼發(fā)表他的演講，并首次展示出著名的費(fèi)曼圖。不過，當(dāng)時(shí)大多數(shù)與會(huì)者沒有對(duì)此做出積極回應(yīng)，其中一個(gè)原因是他們認(rèn)為正電子在時(shí)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(rèn)為它是與已知的量子電動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)的。后來，朝永振一郎也提出了第三個(gè)新的理論。
現(xiàn)在有了幾個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的理論，而英國物理學(xué)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(jì)算電子的 g 因子：將其轉(zhuǎn)換為現(xiàn)在稱為戴森級(jí)數(shù)的級(jí)數(shù)，其中前兩個(gè)項(xiàng)恰好是施溫格關(guān)于 g 因子的公式，并且每個(gè)項(xiàng)都可以通過求解一定數(shù)量的費(fèi)曼圖來計(jì)算。
1949 年，這些人又召開了第三次會(huì)議。費(fèi)曼將戴森的理論作為量子電動(dòng)力學(xué)理論的最終形式。從那時(shí)起，費(fèi)曼圖成為美國物理學(xué)家的流行工具，從此名聲大噪并成為新一代科學(xué)家的領(lǐng)導(dǎo)者。進(jìn)一步的研究導(dǎo)致量子色動(dòng)力學(xué)、電弱理論和粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的形成，這些都在很大程度上依賴于費(fèi)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(shí)驗(yàn)值。此時(shí)，施溫格公式計(jì)算出的 g 因子與實(shí)驗(yàn)值相差較大，因子不再被認(rèn)為是準(zhǔn)確的。這是驗(yàn)證戴森理論的著名機(jī)會(huì)，物理學(xué)家進(jìn)行了復(fù)雜的計(jì)算并發(fā)布了戴森級(jí)數(shù)第三項(xiàng)的值，此時(shí)理論再次與實(shí)驗(yàn)相吻合。
在這之后，g 因子的實(shí)驗(yàn)值不斷被更新，而利用費(fèi)曼圖計(jì)算的戴森級(jí)數(shù)也符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1965 年，費(fèi)曼、施溫格和朝永振一郎也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
本文來自微信公眾號(hào)：萬象經(jīng)驗(yàn) （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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