標籤:量子電動力學

在1947年,Lamb和Retherford用射頻波譜的方法發現氫原子的2S(1/2)和2P(1/2)能級並不是完美的吻合,而是存在著一個能級差,這個就是著名的蘭姆移位(Lamb shift)。蘭姆本人也因為這次精彩加精密的測量而榮獲1955年諾貝爾物理學獎。

1簡介

顯示氫原子和類氫離子能級不完全精確符合量子力學理論計算結果的重要實驗事實。量子力學得出氫原子和類氫離子的能級是l簡併的,例如 22P1/2和 22S1/2的能級是重合的,22D3/2和 22P3/2的能級是重合的。20世紀30年代已有人從氫光譜精細結構的精密測量中發現,理論和實驗有微小的不能歸之於實驗誤差的差異。1947年W.E.蘭姆和R.C.雷瑟福用微波波譜方法測得22S1/2態比22P1/2態高出3.3米-1。蘭姆移位的發現推動了量子電動力學的發展,同年H.A.貝特用量子電動力學的重正化方法計算了蘭姆移位。蘭姆移位的理論計算和實驗測量不斷得到改進,兩者始終精準符合。蘭姆移位和電子反常磁矩以及μ子反常磁矩的實驗構成量子電動力學三大實驗支柱。

2量子電動力學

如果一位教授了多年實驗課的老先生有一天突然看到學生遞上來的一份實驗報告,上面的測量數據是0.001159652188(4)。他開始一定是一笑付之。如果他打開書本查到這個數據的理論值是0.001159652133(29),一定會氣得暴跳如雷,編造數據則真的是跡近無恥了!何況這個誤差範圍竟然在10^(-10)以內(一百億分之一)。
然而遺憾的是,他眼前的數據都是確鑿無疑的,因為他面對的這個理論是人類有史以來最精確的理論——量子電動力學。

3Dirac方程

事情還得從頭說起,量子力學和狹義相對論的建立以後,人們一直試圖把這兩朵奇葩統一到一起。經過多番努力,這一偉業終於在大物理學家狄拉克(Dirac)手中完成。著名的Dirac方程就是狹義相對論性的量子力學波動方程,它成功的解釋了諸如氫原子能級分裂的問題。Dirac指出,氫原子的2S(1/2)和2P(1/2)兩個能級事實上是一樣的,這個也為當時的實驗所證實。看上去一切都完美的結束了,然而上帝又一次和人類開了個玩笑。

4 蘭姆移位(Lamb shift)實驗

這個玩笑就是著名的蘭姆移位(Lamb shift)實驗。二戰結束后,實驗上的微波技術得到了極大的發展。。在1947年,Lamb和Retherford用射頻波譜的方法終於發現氫原子的2S(1/2)和2P(1/2)能級並不是完美的吻合,而是存在著一個能級差,這個就是著名的蘭姆移位。蘭姆本人也因為這次精彩加精密的測量而榮獲1955年諾貝爾物理學獎。

5量子電動力學

這個實驗給當時的人們幾乎是災難性的打擊,然而頑強的物理學家們痛定思痛,終於萌生了量子電動力學的念頭。這個號稱有史以來最精確的理論一出世就是一個怪胎,其一是它在數學上的計算繁複不堪,失去了物理學傳說中的簡潔美。連玻爾都十分的不以為然,他的口號是,我不相信上帝會把它的面貌這樣複雜地描述給我們聽。老玻爾始終還是沉浸在量子力學「簡明」的數學美感之中。其二是它採用的數學方法說白了就是類似級數一級級的展開,這個被很多崇尚解析的數學家視為極度異端,因為起碼連展開的收斂性無法保證。三,它自身也無法自圓其說,數學家的擔憂不是沒有道理,著名的紅外發散就是一個無法克服的障礙。

6第三種對量子電動力學的解讀方案

終於有勇士完美地解決了這個問題。J.Schwinger,16歲就成為物理學家的神童,數學上的任何技術問題都可以輕易克服。他用無比繁複的形式對量子電動力學做了解說,其中引入了著名的重正化方案(Renomalization)來克服發散。 R.Feynman,另一個天才性傳奇人物,他用無比簡單的圖論方法對量子電動力學做了說明,這個就是著名的費曼圖(Feynman Diagram)。當人們試圖努力把這兩位天才的思想融和到一起的時候,另一個驚人的消息從遙遠的日本傳來,物理學家朝永振一郎(Sin-Itiro Tomonaga)在完全獨立的情況下自創了第三種對量子電動力學的解讀方案,而且好像也是正確的。這次人們算是徹底昏倒,好在我們這個星球上天才從來不缺,美國人Dyson終於以神話般的技藝證實這三種說法是等價的。終於在1965年,J.Schwinger,Feynman和朝永三人共享當年的諾貝爾物理獎。
量子電動力學的成功是空前的,它標誌著電子和光子被人類徹底征服。1900年就發現的著名的陰極射線——電子到此為止沒有任何秘密而言,它的一切秘密都被人類所掌控。
開頭提到的數據就和電子最隱私的個人數據g因子相關。(測量的是a,a=(|g|-2)/2,要是電子MM知道自己的胸圍被物理學家測到精準到一百億分之一,會不會嚇得花容失色?:P)。
實驗的精度達到百億分之一,可是所有物理學家都頑固地相信,這個誤差始終還是出在實驗那邊的。這也是人類強大自信心的表現吧。
蘭姆移位實驗,直接促使了量子電動力學的誕生,足可進入十大物理實驗的排名
現代量子光學技術使得蘭姆位移得到很大的發展。
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