第657章 量子電動力學！終結電磁相互作用！

  第657章 量子電動力學！終結電磁相互作用！一切之始！登峰造極！

  在眾人的震撼下，李奇維拋出了量子場論的第一個完美理論：量子電動力學。

  真實歷史上，量子電動力學的誕生，並非一帆風順。

  1926年，海森堡、玻恩、約爾旦三人，首先把電磁場看成無窮維的諧振子。

  提供最快更新

  這種方法是海森堡在創造矩陣力學時曾用過的，只不過現在又應用在電磁場上。

  然而，當三人把電磁場量子化後，卻發現了一個問題：

  「沒有把電磁場與帶電粒子的相互作用考慮進來。」

  眾所周知，場的概念被提出，就是為了描述「吸引力的方向和強度」。

  如果不能計算相互作用，那這種量子化毫無意義。

  甚至你完全可以通過某種手段，把時間、意識都給量子化了，只是純粹的數學遊戲，沒有物理意義。

  這是量子電動力學的第一個問題。

  1927年，狄拉克天才般地提出了「正則量子化」的方法。

  所謂的正則量子化，指的是對經典理論或概念進行量子化的一種數學方法。

  「正則」這個詞本來就源自於經典物理，表示理論中「一種特定的結構」。

  這樣的結構在量子理論中也被保留。

  以場為例。

  在經典場論中，場是時空的一個函數，描述了空間中每一點的場強度。

  在量子力學中，這些場被量子化，成為作用在量子態上的【算符】，相當於把結構改變了數學形式。

  這個過程就是正則量子化。

  正則量子化又稱「二次量子化」，意思是它比傳統的量子化更進一步。

  （想要徹底搞清楚正則量子化，需要的基礎知識太多，這裡我就不展開了。）

  狄拉克利用正則量子化，創造性地提出產生算符和湮滅算符。

  如此一來，就能處理量子化後的電磁場和帶電粒子的相互作用了。

  普通的量子力學只能處理粒子數守恆的系統。

  比如一個系統內有6個電子，經歷一系列的變化後，還是6個電子。

  普通量子力學可以精確地描述系統所經歷的過程。

  但是如果系統內最後只剩下了4個電子怎麼辦？

  這時候，量子力學就無能為力了。

  但是，狄拉克提出的算符可以解釋。

  產生算符可以描述粒子的產生過程，湮滅算符可以描述粒子的消失過程。

  相信你已經看出來了，這就是正反物質的湮滅行為。

  有了產生和湮滅算符的加持，狄拉克終於可以描述電磁場和帶電粒子的種種行為。

  比如：給電磁場輸入能量，它就會激發出一對正反光子（光子的反光子是其本身）。

  一個電子和反電子相遇後，就會湮滅成兩個光子。

  總之，這個新理論可以解釋光子的發射和吸收、帶電粒子的湮沒、帶電粒子間的散射、帶電粒子與光子間的散射等等電磁相互作用的量子性質。

  因此，狄拉克將它命名為量子電動力學。

  但這時候，又產生了第二個問題。

  光子是電磁場的激發產生的，那實物粒子，比如電子，又是怎麼產生的呢？

  狄拉克的量子電動力學只能描述正反電子的湮滅，卻描述不了電子的產生。

  1928-1934年這一段時期，維格納、海森堡、泡利、費米等人，利用「反對易」的方法，把實物粒子也視為由某種對應的場量子化以後激發出來。

  比如電子就是由電子場激發出來的。

  對於電子場的數學描述，用的就是狄拉克的算符成果。

  如此一來，藉助量子的概念，物理學家終於把電磁波和粒子全都統一到了「場」這個概念下。

  量子電動力學所體現的量子場論框架，轟動一時！

  它是量子力學的更高版本，使得物理學家對於世界的認知更為深刻。

  然而，好景不長。

  很快，就有人發現，量子電動力學無法解釋電子的反常磁矩和蘭姆移位這兩個電磁學難題。

  理論預測結果和實驗數據相差非常大。

  接著，奧本海默找到了理論上的原因。

  因為在微擾計算中，量子電動力學的高階項會出現一些不可避免的無窮大發散現象。

  這是量子電動力學的第三個問題。

  很長一段時間內，都沒有人能解決。

  直到1950年，在前人的積累下，施溫格、費曼、朝永振一郎等人建立了一套系統化消除高階項發散的方法。

  這就是大名鼎鼎的「重整化」。（費曼圖就是描述重整化的一種形象的圖形方法。）

  量子電動力學經過重整化後，對於電子的反常磁矩和蘭姆移位的預測結果，達到了難以想像的精度。

  至此，量子電動力學成為一門無懈可擊的理論。

  而量子場論也正式成為可以描述所有微觀現象的框架理論。

  然而，好景又不長了。

  隨後物理學家們發現，量子場論有兩個致命問題：

  第一，描述弱相互作用的費米理論是不可重整化的。即，量子場論無法有效描述弱力。

  第二，強相互作用無法做微擾計算。即，量子場論無法有效描述強力。

  這可讓當時的大佬們頭疼了。

  量子場論的核心精神就是萬物皆是場。

  四大四基本力，肯定都有自己對應的場，結果剛剛完美解決了電磁場，現在在弱力和強力上就遇到問題了。

  量子場論又一次陷入危機。

  直到一位華夏絕世天才：楊振寧，橫空出世，事情迎來了轉機。

  1954年，楊振寧和米爾斯發表了震驚世界的「楊-米爾斯方程」。

  這是一種牛逼哄哄的數學方法，其核心是：U(1)群、SU(2)群、SU(3)群。

  這三個群，簡單理解，就是一種坐標系的變換。

  只不過，這種變換不是發生在傳統的歐幾里得坐標系，而是一種更高維的坐標系。

  U(1)是一階變換，它只有一個參數變量（所以U後面跟個1）。

  因此，U(1)可以描述傳遞電磁相互作用的光子。

  這就是量子電動力學。

  SU(2)是二階變換，一共有4個參數變量，但是其中一個是固定的，因此只有3個參數是獨立的。

  因此，SU(2)可以描述傳遞弱相互作用中的3種玻色子（即W+玻色子/W-玻色子/Z玻色子）。

  而把兩者組合在一起，SU(2)×U(1)，就能同時描述光子和玻色子，把電磁力和弱力統一。

  這就是電弱統一理論。

  同理，SU(3)是三階變換，一共有9個參數變量，去掉一個固定的，剩下8個獨立參數變量。

  因此，SU(3)可以描述傳遞強相互作用的8種膠子。

  這就是量子色動力學。

  最後，只要能把SU(3)×SU(2)×U(1)統一起來，那就是完成了三大力的統一。

  怎麼樣，是不是很簡單。

  楊振寧的偉大，就在於他提出的這個數學框架。

  在楊-米爾斯方程的基礎上，1960年到1964年，格拉肖和薩拉姆分別獨立提出了電弱統一理論。

  也就是所謂的SU(2)×U(1)。

  （註：在此之前，楊振寧和李政道提出的宇稱不守恆，也是電弱統一重要的理論基礎。所以楊老確實牛逼）

  但是他們的理論存在一個問題。

  那就是根據楊-米爾斯方程框架，這些傳遞相互作用的粒子應該都沒有質量才對。

  可是，除了光子和膠子沒有質量，玻色子都是有質量的。

  理論預測和現實結果出現了矛盾。

  接著，1964年，南部陽一郎提出了「自發對稱破缺」來嘗試解釋這個問題。

  在他的工作基礎上，希格斯驚世駭俗地提出了「希格斯粒子」，利用自發對稱破缺機制賦予這些粒子質量。

  這就是大名鼎鼎的「希格斯玻色子」，也被稱為「上帝粒子」。

  因為有它，宇宙才有質量。（註：2012年，上帝粒子被找到）

  1967年，溫伯格把希格斯機制引入電弱理論，使得玻色子獲得質量。

  至此，電弱統一理論得到正式確立，成為和量子電動力學一樣的可靠理論。

  最後，物理學家把目光瞄準了強相互作用。

  蓋爾曼和茨威格分別獨立地提出了夸克理論。

  接著，1972年，蓋爾曼又在楊-米爾斯方程的基礎上，提出了描述強相互作用的量子色動力學。

  即：SU(3)。

  但是現在，它還存在一些問題，正困擾著無數天才。

  以上的所有內容整合在一起，就是後世的【粒子物理標準模型】。

  而這個巔峰理論的開始，就是量子電動力學。

  它是一切之始。

  此刻，李奇維提出的量子電動力學是在狄拉克的基礎上，把粒子場也納入進來。

  包含了海森堡、狄拉克、泡利、費米等人的所有工作，遺留下高階項發散的問題。

  他的內心甚至有一股衝動：

  「乾脆把標準模型也干出來算了。」

  然而，他只能想想，這是不可能的。

  那些理論並不是憑空誕生，而是建立在很多高能粒子實驗之上。

  他要是不經過實驗，就能寫出來，那不是人，而是神！

  而且，李奇維如今的地位，也不需要標準模型的加持了。

  「還是給後人留點湯喝吧。」

  即便如此，僅僅只是量子電動力學的內容，也足以震撼在場所有人了。

  「電磁場量子化」；

  「產生算符、湮滅算符」；

  「電子場」；

  「場的激發」；

  「」。

  不！

  不是震撼！

  而是驚嚇！

  所有人滿臉懵逼地看著黑板上的各種符號，腦海中只有一個問題。

  「我是誰？我在哪？黑板上的是外星語言嗎？」

  「這真的是物理，而不是數學嗎？」

  在場一百多人，恐怕只有狄拉克一個人能勉強看懂。

  因為他的數學功底是除了李奇維最強的。

  而量子電動力學的推導，幾乎就是數學過程，只不過夾雜著物理概念。

  而且那些算符都屬於原創數學符號，此前從未出現過。

  由此可知，想要理解的難度有多大。

  小川秀樹和朝永振一郎的眼睛瞪的比銅鈴還大。

  他們倆現在內心只有一個想法。

  如果以後誰敢再說他們是天才，那一定會罵回去：

  「你是天才，你全家都是天才。」

  作為整個櫻族最強的物理天才，他們連看懂李教授理論的資格都沒有。

  「你是從哪裡開始看不懂的？」

  「我從哈密頓算符那裡。」

  「為什麼可以那樣變換？」

  「你呢？」

  「我從電子場激發那裡看不懂的。」

  「那你比我強點。」

  仁科芳雄聽的嘴角直抽，他很不好意思，因為他從一開始就沒有聽懂。

  黑板上的內容已經超越了他的理解範圍。

  那是純粹理論的極致！

  長岡半太郎摘下老花眼鏡，心中決定以後再也不參加學術會議了，免得丟人。

  現在的理論物理對他而言，已經是天書了。

  趙忠堯神色驚駭！

  他的驕傲瞬間被擊的粉碎。

  和黑板上的理論相比，他發現反物質的成就都有點微不足道了。

  因為李教授的量子電動力學可以完美描述正反物質的產生和湮滅。

  就好比他只是發現了蘋果掉在地上，而李教授提出了萬有引力。

  差距大概就是這麼大。

  「這是神的領域！」

  康普頓、拉曼、玻色等人同樣目瞪口呆。

  他們實在沒有想到，量子力學之上的量子場論竟然匪夷所思！

  他們雖然不能理解推導過程，但是卻知道該理論的結論。

  光子是由宇宙中無處不在的電磁場，通過激發而產生。

  電子是由宇宙中無處不在的電子場，通過激發而產生。

  甚至所有基本粒子，都是由其對應的場激發產生。

  這就是萬物皆場的內涵！

  「上帝啊！」

  「我無法想像當量子電動力學理論發表後，會在物理學界掀起何等的震撼！」

  玻爾面色狂喜，他終於體會到老師之前說的「不枉此行」了。

  幸虧他來了華夏，不然，怎麼可能有機會親眼見證量子場論的誕生！

  量子→量子論→量子力學→量子場論！

  布魯斯教授把量子推向了真正的巔峰。

  登峰造極！

  「這下理論物理學界要熱鬧了。」

  此刻，李奇維看向震驚的眾人，微微一笑。

  他忽然看向狄拉克，問道：

  「狄拉克，你看懂了嗎？」

  狄拉克從沉思中回過神來，說道：

  「教授，我大概看懂了80%。」

  嘩！

  全場震撼！

  一場普通的學術會議，因為布魯斯教授的存在而與眾不同。

  他的報告，竟無一人能完全聽懂！

  （還有更新耶）