量子电动力学的发展：费曼的诺贝尔奖

来源：万象经验

作者：Eugene Wang

1928年，狄拉克发表了他的第一篇关于电子量子论的论文。在那篇文章中，他为电子构建了一个波动方程，将自旋解释为量子力学和相对论联合的结果。狄拉克方程还揭示了电子的反物质对应物，即反电子或正电子。

基于狄拉克方程的成功，量子力学理论研究人员试图通过创建量子场论来量化电磁场。但所有这方面的尝试都失败了，因为根据该理论的计算结果是无穷大。他们对这个问题的解决方案是，使用一种称为重整化地数学技巧来忽略这些无穷大。但狄拉克说：“我对这种情况非常不满意，简单地忽略方程式中的无穷大，这不是明智的数学。

1947年6月，二战后的第一次国际物理学会议在谢尔特岛举行，它汇集了来自曼哈顿计划的24位物理学家。在这次会议中，有两个重要的实验出现。在第一篇文章中，兰姆提出了一个实验，表明氢原子的2S_1/2和2P_1/2能级并不相同，相反它们相差了1058Mhz。另一个实验显示，氢的超精细结构有0.1% 的异常，后来布莱特将这种异常解释为电子的g因子。

问题是这两种方程都与狄拉克方程相矛盾，因此与会者假设狄拉克的电子理论一定是不完整的，并提出这些效应是由于电磁场的量子化造成的。他们还假设可以使用量子场论来计算这些差异，并且可以使用重整化技术来校正理论的无穷大，这就是量子电动力学的起源。但是，狄拉克对此并不乐观，他说重整化只是一个权宜之计，我们的想法一定要有一些根本性的变化，而不是希望通过篡改数字就能得到好的理论。

在这次会议的几个月之后，贝特发表了一篇论文，概述了第一个实验兰姆位移的方程式。在它的等式中，K值发散到无穷大，因此贝特决定使用重整化：通过用电子能量的有限值K=mc²来代替无限值。问题是进行此更改没有物理上的理由，使用它的唯一原因是最终结论和实验接近。

又过了几个月后，施温格给出了电子的g因子的公式：g=1+α/2π，其中α为精细结构常数。利用这个公式，他算出的g因子的理论值与之前公布的实验结果非常接近。但是，他从未解释他是如何得到这个方程的，并表示他将发表一篇概述他理论细节的论文。施温格的方程因其简单性和准确性而对科学界产生了重大影响，每个人都期待着施温格的理论。

次年，也就是1948年，又举行了第二次物理会议。与会者除了上一次的那些人外，还有玻尔、狄拉克和费米也参加了。此次会议的重点是施温格的演讲，人们寄予厚望，希望他能解释他是如何计算g因子的。最终，施温格进行了5个小时的演讲，提出了一系列复杂且无法理解的公式。奥本海默后来评价道：“其他人发表演讲，展示如何进行计算。而施温格发表演讲，表明只有他能做到。”

会议第二天，费曼发表他的演讲，并首次展示出著名的费曼图。不过，当时大多数与会者没有对此做出积极回应，其中一个原因是他们认为正电子在时间上倒退是不可能的。虽然施温格的理论难以理解，但大家还是认为它是与已知的量子电动力学密切相关的。后来，朝永振一郎也提出了第三个新的理论。

现在有了几个相互竞争的理论，而英国物理学家弗里曼·戴森找到了统一这些理论的方法。戴森提出可以用海森堡散射矩阵计算电子的g因子：将其转换为现在称为戴森级数的级数，其中前两个项恰好是施温格关于g因子的公式，并且每个项都可以通过求解一定数量的费曼图来计算。

1949年，这些人又召开了第三次会议。费曼将戴森的理论作为量子电动力学理论的最终形式。从那时起，费曼图成为美国物理学家的流行工具，从此名声大噪并成为新一代科学家的领导者。进一步的研究导致量子色动力学、电弱理论和粒子物理学标准模型的形成，这些都在很大程度上依赖于费曼图的使用。

同一年，加德纳和珀塞尔获得了更精确的g因子实验值。此时，施温格公式计算出的g因子与实验值相差较大，因子不再被认为是准确的。这是验证戴森理论的著名机会，物理学家进行了复杂的计算并发布了戴森级数第三项的值，此时理论再次与实验相吻合。

在这之后，g因子的实验值不断被更新，而利用费曼图计算的戴森级数也符合实验结果。1965年，费曼、施温格和朝永振一郎也因此获得了诺贝尔物理学奖。

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编辑：薛定谔的薛定谔