听起来高大上的量子场论，都离不开这些科学家？

　　出品：科普中国

　　制作：小曲

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　早在点粒子的相对论量子力学风靡的年代里，物理学家以尝试构造与场对应的（而不再是与单粒子对应的）量子力学。量子场论最早的尝试出现在1926年，在玻恩、海森堡、泡利和约当的一篇论文中，他们用经典场论的方法讨论了一维弦的振动问题，并用与非相对论量子力学中处理谐振子相似的方法将这种场进行了量子化。随后，狄拉克也加入了量子场的早期探索中来。他们一同将辐射场以相似的方式量子化，构造了早期的量子场论。

　　即便是在早期的量子场论中，无穷大的问题依然存在。用早期的量子场论计算一个场或者是一个粒子的能量时，也经常得到无穷大的结果。这些无穷大意味着早期的量子场论也是有缺陷的，理论物理学家必定是漏掉了某些极其重要的部分。

　　直到二战结束，这些漏掉的部分才被找到。

　　二战结束后，没有了战争的影响，大学恢复了正常，教授们可以安心地呆在实验室里做实验，而不必担心遭到轰炸。理论物理学家们也不必再忙着去搞什么曼哈顿工程了，他们可以专心致志地进行纯科学研究。在那段时期里，大量的欧洲学者前往美国，不同的思想在美洲大陆上对撞，产生出最绚丽的火花。这诸多的原因加在一起，使得二战后的五年成为了量子场论的一段黄金时期。

　　美国物理学家兰姆

　　1947年，在谢尔特岛的会议上，年轻一代的理论物理学家与实验物理学家齐聚一堂。在会议上，实验物理学家兰姆公布了他在氢原子光谱线测量中发现的反常效应，这个反常效应后来被称作光谱线的“兰姆位移”。

　　兰姆位移是二十世纪物理学发展，特别是量子场论发展的一个里程碑，它大大刺激了理论物理学向前发展。理论物理学家正是在思考兰姆位移时发展并改造了早期的量子场论。

　　施温格在思考兰姆位移时想出了一些新方法，他在量子场论中引入了一些新的算符，并制定了对应算符的运算规则，他用这套理论成功解释了兰姆位移，并且以极高的精确度计算出了电子的朗德g因子。费曼则用一系列优美的图像阐述了他在量子场论上的新观点，并合理的解释了兰姆位移的实验结果。

　　与此同时，日本的朝永振一郎也构造出相似的理论。在那个时刻，是戴森以其天才的直觉，发现并证明了费曼、施温格和朝永振一郎的理论是等价的，为量子场论又添上了神来一笔。

　　又经过两三年的努力，费曼等人最终发展出一套重整化方法，消除了早期量子场论中那些恼人的无穷大，从而保证在新的量子场论中计算的结果总是有限的。至此，量子场论总算摆脱了逻辑上、数学上及物理意义上的疑难。这个时代的量子场论与早期的量子场论不同，它已真正走向成熟。它顺利地统一了狭义相对论与量子力学，成功地将电磁相互作用量子化,是场的量子理论的第一次成功。

　　二十世纪五十年代，物理学家沿着费曼、施温格和朝永振一郎开辟的道路继续向前。1953年，杨振宁和米尔斯提出新形式的规范场。六七十年代，格拉肖、温伯格和萨拉姆等人用这种非阿贝尔规范场论将弱相互作用量子化。

　　八十年代，大卫·格罗斯和维尔切克等人又加强相互作用量子化。至此，自然界的三种基本相互作用——电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用——都被成功地量子化，与之对应的量子场论组合起来，构成了粒子物理学中大名鼎鼎的标准模型。至此，量子场论达到了前所未有的高峰。费曼、施温格和朝永振一郎的理论被称作“量子电动力学”（QED）。

　　从左到右：朝永振一郎，费曼，施温格

　　1965年的诺贝尔物理学奖授予了费恩曼、施温格和朝永振一郎，为表彰他们在量子电动力学上的杰出贡献。

　　评量子场论：实验是物理学发展的强大动力

　　一提到量子场论，一提到量子电动力学，自然不得不说到费恩曼、施温格、朝永振一郎及戴森等人。是他们用新的方法消除了早期量子场论中的无穷大，建立起了一套成熟的量子电动力学。

　　但有意思的是，早在三十年代，就有一部分天才的物理学家想到了一些紫外截断的方法来去除早起量子场论中的那些个无穷大。这些方法，与费曼等人后来发展的重整化方法是有些类似的。但因为当时缺乏实验条件和足够的实验数据，没有机会用实验检验这些理论到底合不合理，也没有实验来刺激这些理论修改和完善。因此，当时的主流科学家并没有注意到这些新奇的想法。不久后，第二次世界大战爆发，正常的科学研究被打乱，这些新奇的想法也被束之高阁。

　　二战结束后，随着人类技术的进步，我们终于有了足够精确的仪器来更好地检验量子场论。兰姆正是用新一代的高分辨仪器，观察到了上一代科学家所没有能力观察到的“兰姆位移”现象。这些新的实验现象，像一盏灯照亮了前方的路，使量子电动力学得到飞速发展。

　　既是物理学家又是历史学家的亚伯拉罕·派斯曾在他的著作《基本粒子物理学史》(inward bound)中提到这样的观点：量子力学不是一夜间建立起来的，也不是靠一两个天才建立起来的，它的建立经历了一段曲折的过程，量子力学大厦建立在二十世纪初，这绝不是偶然的，因为当人类有能力用探测器窥探原子和亚原子世界时，描述原子及亚原子世界的量子力学也就应运而生了。

　　我想，不仅对量子力学如此，量子场论也是如此。实验是物理学发展的最强大动力。回想二十世纪六七十年代，那是粒子物理学标准模型发展最快的年代，同时也是高能量加速器发展最迅猛的年代，正是层出不穷的高能量加速器为标准模型的建立奠定了基础。从某种程度上说，量子电动力学以及粒子物理学标准模型，是费曼等天才科学家的杰作，但更是一代人的结晶，是人类实验探测手段的进步让自然不得不吐露出它的秘密。

　　参考文献

　　《基本粒子物理学史》 亚伯拉罕·派斯著

　　《Advanced Quantum Mechanics》 J·J·Sakurai著

　　《An Introduction to Quantum Field Theory》Peskin Schroeder著

　　《The Quantum Theory of Fields》 Steven·Weinberg著

　　《Quantum Field Theory》  Mark·Srednicki著

　　“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

　　本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。