好的idea来自哪里? 找出答案的一种方法是问一“百晓生”。所以当我们遇到传说中的弗里曼Dyson时,我们做到了。 “几乎所有伟大的想法都是如此,以后你真的不知道它来自哪里,”他说: “我们的大脑是随机的,这当然是创造性的一种奇妙的自然技巧。它们不需要编程,它们可以通过随机找到灵感。所以所有真正好的想法都是偶然的;有一些随机排列的东西 在某人脑海中嗡嗡作响,突然发出咔哒声。“ (你可以在这里阅读我们对Dyson的访谈摘录。)

在20世纪30年代末,理论物理学急需一些这样的灵感。 物理学家试图将新的量子力学理论应用于自然界的相互作用的基本量之一的电磁学。 结果是量子电动力学(QED)诞生了——一种描述物质与光相互作用的理论。 问题在于,几乎所有使用QED进行的计算都遇到无穷大问题(例如:按照这一套理论真空能量无穷大),事实对于所有真实的物理而言,该理论毫无用处。

驯服QED-量子客
Freeman Dyson

当戴森于1947年从英格兰登上女王伊丽莎白到纽约,成为康奈尔大学的学生时,他已经熟悉了量子场理论。 他的灵感来自于他的剑桥老师尼古拉斯凯姆默和一本罕见的德国教科书格雷戈尔温特泽尔的量子理论,他仍然留在普林斯顿高级研究所的办公室里。 “那本书是珍贵的宝藏,那时英国只有两本,我有一本。”

量子场论(QFT)在美国并不是特别受欢迎。 “[美国物理学家]认为它像意大利歌剧;奢侈和非理性的娱乐。美国易一个非常经验性的国家,所以我的老板汉斯贝特和理查德费曼都没有用这套理论。”

QFT确实做了一些深奥的预测。 海森堡著名的不确定性原理暗示了像光子或电子这样的粒子会不断创造出来,像泡泡浴中的气泡一样突然出现。 在它们最短的一生中,这些虚拟粒子会影响其他粒子及其相互作用。 实际上,以这种方式解释了两个相似电荷之间的静电排斥:电子将发射虚拟光子,该光子又将被另一个电子吸收,相互作用将两个粒子推开。

虚拟现实:兰姆移位

所有这些都是理论,但在1947年,实验家观察到了虚拟粒子的痕迹。 “在哥伦比亚大学进行了实验,给我们了推动力”戴森说。 “Isidor Isaac Rabi和Willis Lamb以及其他各种各样的人,使用战争期间出现的微波新技术,[能够]非常准确地测量原子能级。他们第一次得到了一张非常清晰的图片。 氢原子,应该是最简单的原子。“ 他们发现,氢原子的能级与旧式理论略有不同,而不考虑虚拟粒子的预测。 “这就是着名的兰姆转变,”戴森说。 “每个人都为此感到兴奋;这是第一次[实验之间]与理论之间存在真正的差异。” (这里对氢原子的能谱进行了很好的讨论。兰姆位移表示对该谱的一个小的校正。)

驯服QED-量子客
Willis Lamb (1913-2008)

人们立即提出差异可能是由于虚拟粒子影响氢原子内部的影响。 当汉斯·贝特(Hans Bethe)在一次会议上乘坐火车进行快速,非常近似的计算时,他发现情况确实如此。

就物理学而言,这解释了兰姆移位。 但是物理学历史学家大卫凯撒(他曾写过一本优秀的书,包括对这个主题的介绍)的数字仍然是一个“不圣洁的混乱”。

问题在于,在计算中,虚拟粒子的效果总是无穷大。 例如,你可以在实验中测量的有效质量$ m_ {eff} $和电子有效电荷$ e_ {eff} $实际上由两个贡献组成:所谓的裸质量和裸电荷 ,$ m_{0} $和$ e_{0} $,以及虚拟粒子对质量和电荷的贡献,写成$ \delta _ {m} $和$ \delta _{ e}:$

$m_ {eff} = m_0 + \delta _ {m} $

和$e_ {eff} = e_0 + \delta _ {e}$

贡献项$ \delta _ {m} $和$ \delta _ {c} $,结果证明是无穷大的。 因此,任何试图考虑虚拟粒子的计算都必然会指数爆炸。 也许发生了一些可怕性的错误。

“过去的所有科学巨人都还在,像Werner Heisenberg,ErwinSchrödinger,Paul Dirac和Robert Oppenheimer这样的人,”Dyson回忆道。 “[他们]都认为我们需要全新的物理学。他们都有改变整个物理基础的理论,引入了全新的思想。”

“但他们都错了。他们中的每个人都被证明是错的。”

上帝是伟大的!

在不抛弃QED的情况下挽救了这一阶段的想法非常简单:退后一步,与你所看到的一起工作。 因为如果没有它的虚拟粒子,你实际上永远不会真正捕捉到裸粒子,而是抛弃柏拉图式的想法并使用有效数量。 “无限性只存在于裸粒子与物理粒子的人工分离中,”Dyson解释道。 “[但]从操作的角度来看,裸粒子的质量没有任何意义。所以忘记这一点,只计算你能观察到的东西。它就像魔法一样。”

Hendrik Kramers和Victor Weisskopf建议,自20世纪30年代末以来,简单地交换裸露的有效数量的粒子想法已经存在。 但是它并不像看起来那么容易实施:重新安排复杂的计算,如果你不小心的话,你就会被无用的东西弄得一团糟。 而且你不得不遵守爱因斯坦的狭义相对论,这种相对论对计算施加了限制。

Julian Schwinger是在美国工作的,日本的Sin-itiro Tomonaga 是独立工作的,他在20世纪40年代末最终解决了确切描述Lamb移位的计算。 施温格的计算让拉比惊叹道“上帝是伟大的!”

驯服QED-量子客
Left: Julian Schwinger (1918-1994). Right: Sin-itiro Tomonaga (1906-1979)

然而,不神圣的气息依然存在。计算仍然非常复杂,使得QED不再像以前那样有用了。正如戴森回忆的那样,施温格的个性并没有帮助。 “他就是这个年轻的神童,他来到普林斯顿大学,并解释了他的计算。奥本海默说:'你知道其他人什么时候会说话,告诉你该怎么做。但是当朱利安施温格发表讲话时,它告诉你只有他能做到。'“

更重要的是,Schwinger和Tomonaga的计算仍然是简化的。他们设法解决的特定无限的问题,是因为单个虚拟粒子具有潜在无限量的能量。为了简化操作,他们考虑了仅涉及一个或两个虚拟粒子的交互,设法控制相应的无穷大。一旦你考虑到可能无限量的虚拟粒子,任何人都可以猜测该方法是否有效。

这个伟大的想法是由于另一个神童(理查德费曼)同时完成的,而戴森使得此理论更加稳固的。

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David Kaiser的着作“Drawing theories apart”探讨了Feynman图的发展,并对本文讨论的主题进行了精彩的介绍。

作者:Marianne Freiberger and Rachel Thomas

译者:江流儿

校对:量豆豆