《世界存在的本質 08》

狄拉克由此創立了量子電動力學，將電磁理論統一到量子力學和相對論的範疇裏。量子電動力學又有眾多人的貢獻。其中施溫格，費曼和朝永振一郎獨立完成了其中最重要最關鍵的工作。現在量子電動力學的描述多采用費曼圖的直觀方式。量子電動力學的物理解可以由微擾法中求得。而各階的微擾項由費曼圖很直觀地描述出來。本質上，電磁作用就是帶電物體（比如電子）之間交換（虛）光子。隨便提一下，我們用粒子的語言來描述電磁作用過程。實際上，電子和光子在數學描述上都是以場函數形式出現。這也是我們現有語言的局限性。希望以後有更好的方式來說明波粒二象性。施溫格曾表示不喜歡費曼圖。但是在辦公室裏他會偷偷地用。一個光子參與的作用對應一階微擾項，兩個光子有關的微擾項就是二階，以此類推。一個電子自發發射光子的概率正比於精細結構常數1/137。所以我們期待這些微擾項收斂。量子電動力學的一個重要結果是確定電子的異常磁矩和解釋氫原子光譜中的蘭姆位移。因為和虛光子的相互作用，電子的磁矩會略大於狄拉克的相對論理論數值2。通過量子電動力學算出的電子磁矩非常符合實驗觀測值。誤差不到十億分之一。這個結果證實了量子電動力學的合理性。

1930年，奧本海默已經注意到量子電動力學的有些二階微擾項存在發散的現象。這些項的費曼圖裏有封閉的圈環，對應於電子的自能。在經典物理學裏，當電子半徑趨於零時，電子自能也將發散。施溫格，費曼和朝永振一郎運用重整化的方式，調動電子的質量和電荷，來消除發散項。狄拉克一生中都反對重整化。費曼也認為重整化隻是數學上勉為其難的花招。發散問題一直存在現代粒子物理理論中。所以，一個可行的量子場論必須滿足可重整化條件，就是說隻允許有限個發散項。

1900年左右，人們已經知道放射性物質自發衰變有三種形式。其中，在阿爾法衰變過程中產生高能量的帶正電的氦原子核。盧瑟福用氦核轟擊金箔，根據氦核的散射結果提示原子的行星模型。放射性元素通過貝塔衰變發射出電子。元素原子量不變，但原子序數提升一位。伽馬衰變就是原子核從激發態回到基態，釋放出高能量光子。

在這三種衰變形式當中，貝塔衰變最為特別。發射出來的電子束有不確定的散射角。不同於具有確實能量的阿爾法粒子和伽馬射線，貝塔電子射線的能譜卻是連續的。查德威克發現貝塔衰變中能量不守恒。1930年，泡利很不情願地假想貝塔衰變會產生一種很輕的電中性的新粒子，帶走了多餘的能量。它的自旋為1/2。1933年，費米提出了貝塔衰變理論。在原子核裏，一個中子轉變成一個質子，同時發射出電子和被費米命名的中微子。整個過程需要一種新的短程弱力的參與。費米稱其為弱相互作用。這就意謂中微子不太與別的粒子和物質發生相互作用。假如整個太陽係填滿鉛板，中微子能夠毫不費力地穿過太陽係，能量隻損失百分之一。這也就是說中微子很難被觀測到。直到1956年，中微子才在核反應堆中被發現。事實上，中子衰變產生的是反電子中微子。在1962年和2007年，人們又發現另外兩種中微子，繆子中微子和陶子中微子。它們分別對應於兩種類電子的基本粒子，繆子和陶子。繆子在尋找湯川秀樹預言的介子時無意中於宇宙射線中被發現。陶子於1975年在斯坦福直線加速器的實驗中被發現。電子很輕，壽命極長。但是繆子和陶子的質量很大，壽命卻很短，所以在自然界不易存在。

--寫於2022年7月24日（圖片來自網絡）

 

[花心男]

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