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费曼在量子力学基础上建立量子场论
送交者: 安德森 2004年12月01日15:31:19 于 [教育学术] 发送悄悄话

在实验上飞速发展的同时,另一种新兴的理论也在趋于成熟,为粒子物理提供了强有力的
工具。这就是在量子力学基础上建立的量子场论。

     原先的量子力学倒不是有什么致命的错误,只不过在处理各种相互作用的时候实
在有些力不从心。而我们知道,所有的相互作用反映在场中,如果把场也量子化,很多问题
就迎刃而解了。

     类似的想法还在量子力学刚诞生的时候就由海森堡和泡利提出来了,他们处理的
是最简单的电磁场,而且当时解决一些问题。等到美国的奥本海默插手量子场论的时候,麻
烦就来了。他经过精心的计算指出如果按场论的处理方法电子的质量和电荷就会大到难以想
象的地步。

     有人提出重整化的观点,认为电子总是被虚光子和虚电子--正电子对包围,真正
计算时无穷大的结果就会相消。但是任谁稍看一眼筹划的方案都是目瞪口呆,计算量之大实
非人力所能及。不少人都认为场论风光的日子看来是到头了。

     但是随着二战中微波技术的发展,实验中又发现了氢原子的光谱仍有极小的分裂
,是称"兰姆位移"。这迫切需要场论的精确解释,所以各路理论物理大师们都不得不硬着头
皮披挂上阵。

     其实最早提出重整化概念的外斯科夫经过巧妙的化简曾得出和实验相近的结果。
他得意洋洋地把他的想法介绍给另外两位大师,费曼和施温格,这两人分头回去重复外斯科
夫的计算,但都他的结果有所偏差,更令外斯科夫发愁的是,他们的计算结果偏偏完全一致
。 外斯科夫意冷心灰之下将他的理论全盘放弃,他没有想到自己的结果实际上是完全正确
的。一时间的缺乏自信,竟使他丧失了得诺贝尔奖的机会。

     1948年在宾西法尼亚州举办一次物理学会,这几乎是理论物理学界自1927年索尔
维会议之后声势最大的一次聚会,包括玻尔在内的一大批极负名望的大师都前来出席。
桌上满满一大瓶水都让施温格喝了个精光,而讲演的时间也将近是预定的四倍。

     大家真是不能明白这位先生怎么就能从几页讲义推演出如此丰富的内容,要知道
其中有多少眼花缭乱的公式,符号,定理,而他居然能记得清清楚楚,一丝不乱。

     施温格还尚意犹未尽,下面的人却都坐不住了,开始他们还能马虎跟上,后来就
仿佛乡下人听一群沙龙里的艺术家高谈后现代主义,简直是不明所以。

     最后玻尔站了起来,说道:"首先我们应该为施温格先生高超的数学手段 喝彩,
他真正让人大开眼界。"说到这里玻尔瞥了一眼施温格,这位绅士僵硬的脸庞上居然挤出了
一丝笑容,不用说因为他为自己的那套数学有人理解而大感欣慰。

     "然而",玻尔话锋一转,"对于我们学物理的人来说,简洁就是美,这是一个永恒
的真理。所以我认为一定有某些更清晰的理论隐藏在后,也许这才是我们应该努力的目标。
"
     施温格愣在当场,手里的粉笔微微摇动,不知道是否还应继续讲下去,但脸上平
静得一如往昔,根本看不出有失望,惋惜或者不服的神色。

     全场顿时一片静寂,突然一个中等身材的年青人走上讲台,还未说话就开始笑起
来:"先生们,我来讲几句好么?"

     大家先是一愣,然后也都跟着哈哈大笑,因为这个年青人飞快地将施温格先生的
大篇公式擦个精光之后,却象幼儿园的顽童一般在上面画了一些希奇古怪的图案。

     有人就当场喊出声来:"别闹了,费曼先生!"

     不光在生活上,即便物理学上的费曼在大部分人眼中都是只知道瞎胡闹的狂人。但是他们
都看走了眼,费曼算得上是整个时代最机智的物理学家。

     他对量子力学的原先的表示方法极为不满,干脆自创了一套路径积分的方案,很
多人初看几乎笑掉大牙,但后来证明,这是和薛定谔的波动方程,海森堡的矩阵力学鼎足而
三的重要表述,量子场论找到了一个突破口。

     当费曼处理到重整化问题时,开始也是被骇人听闻的计算量吓得半死。但他又想
起了小时侯的花招,一条直线就代表一长串公式,一条波浪线又代表另外一串,如此一来计
算倒是大为简化,只是公式变得有些惨不忍睹,他可不管这些,只要有用就行,这是美国人
典型的实用主义的作风。

     多亏费曼找到了图解的办法,即使在今天,所有物理系的学生一看到课本上有施
温格名字的地方就烦厌倍增,因为这意味着后面不知还要紧跟多少费解的公式,而看到费曼
时则大多喜笑颜开,简单地写写画画就解决很多麻烦的问题,单就这一点来说费曼对后世学
子就算得上惠泽无穷。

     但在那次大会上,尽管费曼陪尽小心在黑板上画着一个又一个迷人的图案,台下
众人仍是神色不善,尤其玻尔一直铁青着脸。到后来,玻尔又一次忍不住站了起来,不客气
地道:"费曼先生,我的建议是您应该重新进学校好好重修量子力学。"

     这次会议不欢而散,但此后人们逐渐发现施温格和费曼的方法都可以用来处理场
论里一些最复杂的问题,尤其费曼的图解法更是堪称经典。慢慢电磁场的各类问题全部迎刃
而解,场论在电磁场中的分支量子电动力学(QED)成为迄今为止最精确的理论。

     精确到何种地步呢?电子的磁矩,原先单纯用量子力学来算偏差极大,而经过量
子电动力学的修正,实验和理论的误差被控制在100亿分之一的范围内,而且显然误差的问
题还是出现在实验那边。人类直到今天,还没有一种理论能象量子电动力学一般如此精确地
预言自然界。

     看来施温格和费曼当之无愧是量子场论中收复河山的人物,但事情到这里没完,
远在日本的汤川秀树的好友朝永振一郎也曾发表文章阐述了自己对量子电动力学的基本看法
,他的路数虽然复杂不堪但与前面二人全然不同,由于战争期间讯息的阻隔,当美国的同行
们知道后,已经是1949年了。

     所有的人看到朝永振一郎的文章后都面面相觑,一下子出来三种不同的解释,看
起来又都说的通,究竟是怎么回事呢?

     这个世界上当真奇才代出,美国的戴逊居然完美地证明出这三种理论完全等价。
他只怕是当时世界上唯一能够彻底弄通这三种理论的人。界于玻尔始终顽强的反对,这三人
直到1965年玻尔逝世后才分享了当年的诺贝尔物理奖,戴逊在给他们每个人发的祝贺电报上
只有两个字,"终于"。

     当施温格接到祝贺他的诺贝尔奖的电话时,他正在给研究生讲课。他在电话里只
是简单地说了声"知道了,谢谢。",然后回到课堂继续他那些复杂公式的推演。不料研究生
们也同时知道了这个喜讯,他们再也按捺不住喜悦的心情,一个个跑出去筹办庆祝晚会去了
,只有施温格一个人孤单地站在讲台上,认真地在黑板上写上最后一个公式的最后一个字母

     当费曼接到电话时,他反问了对方一个做梦也想不到的问题"听说在诺贝尔奖领完
奖后,必须双手捧着奖章,眼光平视着国王一步步倒退着走回自己的位子上,真是这样么?
如果一不小心摔倒那多难堪呢?"为此费曼还特地在学生面前反复演练,突然费曼又发奇想
,如果我在领奖的时候象青蛙一般一边倒退着蹦回座位上,一边嘴里呱呱地叫个不停岂不更
妙?

     他在学生助威的爆笑声中企图改练蛙跳,幸好消息传来领奖人完全可以转过身走
回自己的座位上,要不然这位科学顽童只怕真要演出一场轰动天下的闹剧了。

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