第657章 量子电动力学！终结电磁相互作用！

    第657章 量子电动力学！终结电磁相互作用！一切之始！登峰造极！
    在众人的震撼下，李奇维抛出了量子场论的第一个完美理论：量子电动力学。
    真实历史上，量子电动力学的诞生，并非一帆风顺。
    1926年，海森堡、玻恩、约尔旦三人，首先把电磁场看成无穷维的谐振子。
    这种方法是海森堡在创造矩阵力学时曾用过的，只不过现在又应用在电磁场上。
    然而，当三人把电磁场量子化后，却发现了一个问题：
    “没有把电磁场与带电粒子的相互作用考虑进来。”
    众所周知，场的概念被提出，就是为了描述“吸引力的方向和强度”。
    如果不能计算相互作用，那这种量子化毫无意义。
    甚至你完全可以通过某种手段，把时间、意识都给量子化了，只是纯粹的数学游戏，没有物理意义。
    这是量子电动力学的第一个问题。
    1927年，狄拉克天才般地提出了“正则量子化”的方法。
    所谓的正则量子化，指的是对经典理论或概念进行量子化的一种数学方法。
    “正则”这个词本来就源自于经典物理，表示理论中“一种特定的结构”。
    这样的结构在量子理论中也被保留。
    以场为例。
    在经典场论中，场是时空的一个函数，描述了空间中每一点的场强度。
    在量子力学中，这些场被量子化，成为作用在量子态上的【算符】，相当于把结构改变了数学形式。
    这个过程就是正则量子化。
    正则量子化又称“二次量子化”，意思是它比传统的量子化更进一步。
    （想要彻底搞清楚正则量子化，需要的基础知识太多，这里我就不展开了。）
    狄拉克利用正则量子化，创造性地提出产生算符和湮灭算符。
    如此一来，就能处理量子化后的电磁场和带电粒子的相互作用了。
    普通的量子力学只能处理粒子数守恒的系统。
    比如一个系统内有6个电子，经历一系列的变化后，还是6个电子。
    普通量子力学可以精确地描述系统所经历的过程。
    但是如果系统内最后只剩下了4个电子怎么办？
    这时候，量子力学就无能为力了。
    但是，狄拉克提出的算符可以解释。
    产生算符可以描述粒子的产生过程，湮灭算符可以描述粒子的消失过程。
    相信你已经看出来了，这就是正反物质的湮灭行为。
    有了产生和湮灭算符的加持，狄拉克终于可以描述电磁场和带电粒子的种种行为。
    比如：给电磁场输入能量，它就会激发出一对正反光子（光子的反光子是其本身）。
    一个电子和反电子相遇后，就会湮灭成两个光子。
    总之，这个新理论可以解释光子的发射和吸收、带电粒子的湮没、带电粒子间的散射、带电粒子与光子间的散射等等电磁相互作用的量子性质。
    因此，狄拉克将它命名为量子电动力学。
    但这时候，又产生了第二个问题。
    光子是电磁场的激发产生的，那实物粒子，比如电子，又是怎么产生的呢？
    狄拉克的量子电动力学只能描述正反电子的湮灭，却描述不了电子的产生。
    1928-1934年这一段时期，维格纳、海森堡、泡利、费米等人，利用“反对易”的方法，把实物粒子也视为由某种对应的场量子化以后激发出来。
    比如电子就是由电子场激发出来的。
    对于电子场的数学描述，用的就是狄拉克的算符成果。
    如此一来，借助量子的概念，物理学家终于把电磁波和粒子全都统一到了“场”这个概念下。
    量子电动力学所体现的量子场论框架，轰动一时！
    它是量子力学的更高版本，使得物理学家对于世界的认知更为深刻。
    然而，好景不长。
    很快，就有人发现，量子电动力学无法解释电子的反常磁矩和兰姆移位这两个电磁学难题。
    理论预测结果和实验数据相差非常大。
    接着，奥本海默找到了理论上的原因。
    因为在微扰计算中，量子电动力学的高阶项会出现一些不可避免的无穷大发散现象。
    这是量子电动力学的第三个问题。
    很长一段时间内，都没有人能解决。
    直到1950年，在前人的积累下，施温格、费曼、朝永振一郎等人建立了一套系统化消除高阶项发散的方法。
    这就是大名鼎鼎的“重整化”。（费曼图就是描述重整化的一种形象的图形方法。）
    量子电动力学经过重整化后，对于电子的反常磁矩和兰姆移位的预测结果，达到了难以想象的精度。
    至此，量子电动力学成为一门无懈可击的理论。
    而量子场论也正式成为可以描述所有微观现象的框架理论。
    然而，好景又不长了。
    随后物理学家们发现，量子场论有两个致命问题：
    第一，描述弱相互作用的费米理论是不可重整化的。即，量子场论无法有效描述弱力。
    第二，强相互作用无法做微扰计算。即，量子场论无法有效描述强力。
    这可让当时的大佬们头疼了。
    量子场论的核心精神就是万物皆是场。
    四大四基本力，肯定都有自己对应的场，结果刚刚完美解决了电磁场，现在在弱力和强力上就遇到问题了。
    量子场论又一次陷入危机。
    直到一位华夏绝世天才：杨振宁，横空出世，事情迎来了转机。
    1954年，杨振宁和米尔斯发表了震惊世界的“杨-米尔斯方程”。
    这是一种牛逼哄哄的数学方法，其核心是：u(1)群、su(2)群、su(3)群。
    这三个群，简单理解，就是一种坐标系的变换。
    只不过，这种变换不是发生在传统的欧几里得坐标系，而是一种更高维的坐标系。
    u(1)是一阶变换，它只有一个参数变量（所以u后面跟个1）。
    因此，u(1)可以描述传递电磁相互作用的光子。
    这就是量子电动力学。
    su(2)是二阶变换，一共有4个参数变量，但是其中一个是固定的，因此只有3个参数是独立的。
    因此，su(2)可以描述传递弱相互作用中的3种玻色子（即w+玻色子/w-玻色子/z玻色子）。
    而把两者组合在一起，su(2)xu(1)，就能同时描述光子和玻色子，把电磁力和弱力统一。
    这就是电弱统一理论。
    同理，su(3)是三阶变换，一共有9个参数变量，去掉一个固定的，剩下8个独立参数变量。
    因此，su(3)可以描述传递强相互作用的8种胶子。
    这就是量子色动力学。
    最后，只要能把su(3)xsu(2)xu(1)统一起来，那就是完成了三大力的统一。
    怎么样，是不是很简单。
    杨振宁的伟大，就在于他提出的这个数学框架。
    在杨-米尔斯方程的基础上，1960年到1964年，格拉肖和萨拉姆分别独立提出了电弱统一理论。
    也就是所谓的su(2)xu(1)。
    （注：在此之前，杨振宁和李政道提出的宇称不守恒，也是电弱统一重要的理论基础。所以杨老确实牛逼）
    但是他们的理论存在一个问题。
    那就是根据杨-米尔斯方程框架，这些传递相互作用的粒子应该都没有质量才对。
    可是，除了光子和胶子没有质量，玻色子都是有质量的。
    理论预测和现实结果出现了矛盾。
    接着，1964年，南部阳一郎提出了“自发对称破缺”来尝试解释这个问题。
    在他的工作基础上，希格斯惊世骇俗地提出了“希格斯粒子”，利用自发对称破缺机制赋予这些粒子质量。
    这就是大名鼎鼎的“希格斯玻色子”，也被称为“上帝粒子”。
    因为有它，宇宙才有质量。（注：2012年，上帝粒子被找到）
    1967年，温伯格把希格斯机制引入电弱理论，使得玻色子获得质量。
    至此，电弱统一理论得到正式确立，成为和量子电动力学一样的可靠理论。
    最后，物理学家把目光瞄准了强相互作用。
    盖尔曼和茨威格分别独立地提出了夸克理论。
    接着，1972年，盖尔曼又在杨-米尔斯方程的基础上，提出了描述强相互作用的量子色动力学。
    即：su(3)。
    但是现在，它还存在一些问题，正困扰着无数天才。
    以上的所有内容整合在一起，就是后世的【粒子物理标准模型】。
    而这个巅峰理论的开始，就是量子电动力学。
    它是一切之始。
    此刻，李奇维提出的量子电动力学是在狄拉克的基础上，把粒子场也纳入进来。
    包含了海森堡、狄拉克、泡利、费米等人的所有工作，遗留下高阶项发散的问题。
    他的内心甚至有一股冲动：
    “干脆把标准模型也干出来算了。”
    然而，他只能想想，这是不可能的。
    那些理论并不是凭空诞生，而是建立在很多高能粒子实验之上。
    他要是不经过实验，就能写出来，那不是人，而是神！
    而且，李奇维如今的地位，也不需要标准模型的加持了。
    “还是给后人留点汤喝吧。”
    即便如此，仅仅只是量子电动力学的内容，也足以震撼在场所有人了。
    “电磁场量子化”；
    “产生算符、湮灭算符”；
    “电子场”；
    “场的激发”；
    “.”。
    不！
    不是震撼！
    而是惊吓！
    所有人满脸懵逼地看着黑板上的各种符号，脑海中只有一个问题。
    “我是谁？我在哪？黑板上的是外星语言吗？”
    “这真的是物理，而不是数学吗？”
    在场一百多人，恐怕只有狄拉克一个人能勉强看懂。
    因为他的数学功底是除了李奇维最强的。
    而量子电动力学的推导，几乎就是数学过程，只不过夹杂着物理概念。
    而且那些算符都属于原创数学符号，此前从未出现过。
    由此可知，想要理解的难度有多大。
    小川秀树和朝永振一郎的眼睛瞪的比铜铃还大。
    他们俩现在内心只有一个想法。
    如果以后谁敢再说他们是天才，那一定会骂回去：
    “你是天才，你全家都是天才。”
    作为整个樱族最强的物理天才，他们连看懂李教授理论的资格都没有。
    “你是从哪里开始看不懂的？”
    “我从哈密顿算符那里。”
    “为什么可以那样变换？”
    “你呢？”
    “我从电子场激发那里看不懂的。”
    “那你比我强点。”
    仁科芳雄听的嘴角直抽，他很不好意思，因为他从一开始就没有听懂。
    黑板上的内容已经超越了他的理解范围。
    那是纯粹理论的极致！
    长冈半太郎摘下老眼镜，心中决定以后再也不参加学术会议了，免得丢人。
    现在的理论物理对他而言，已经是天书了。
    赵忠尧神色惊骇！
    他的骄傲瞬间被击的粉碎。
    和黑板上的理论相比，他发现反物质的成就都有点微不足道了。
    因为李教授的量子电动力学可以完美描述正反物质的产生和湮灭。
    就好比他只是发现了苹果掉在地上，而李教授提出了万有引力。
    差距大概就是这么大。
    “这是神的领域！”
    康普顿、拉曼、玻色等人同样目瞪口呆。
    他们实在没有想到，量子力学之上的量子场论竟然匪夷所思！
    他们虽然不能理解推导过程，但是却知道该理论的结论。
    光子是由宇宙中无处不在的电磁场，通过激发而产生。
    电子是由宇宙中无处不在的电子场，通过激发而产生。
    甚至所有基本粒子，都是由其对应的场激发产生。
    这就是万物皆场的内涵！
    “上帝啊！”
    “我无法想象当量子电动力学理论发表后，会在物理学界掀起何等的震撼！”
    玻尔面色狂喜，他终于体会到老师之前说的“不枉此行”了。
    幸亏他来了华夏，不然，怎么可能有机会亲眼见证量子场论的诞生！
    量子→量子论→量子力学→量子场论！
    布鲁斯教授把量子推向了真正的巅峰。
    登峰造极！
    “这下理论物理学界要热闹了。”
    此刻，李奇维看向震惊的众人，微微一笑。
    他忽然看向狄拉克，问道：
    “狄拉克，你看懂了吗？”
    狄拉克从沉思中回过神来，说道：
    “教授，我大概看懂了80%。”
    哗！
    全场震撼！
    一场普通的学术会议，因为布鲁斯教授的存在而与众不同。
    他的报告，竟无一人能完全听懂！
    (本章完)