量子電動力學理論的建立者:費曼 科學檔案

2021-01-19 知識分子




撰文 | 田筱超然

責編 | 莫尼


●　●　●


當路西爾（Lucille）初次懷孕時，她的丈夫梅爾維爾·費曼（Melville Feynman）曾經期許，他們尚未出生的孩子長大後能成為科學家。1918年5月11日，這個嬰兒在紐約降生了，被取名為理察·菲利普斯·費曼，他後來真的成為了他那一代裡最偉大的物理學家之一。


20世紀的兩大物理學革命——相對論和量子力學理論的建立在當時已經悄然發生。1928年，保羅·狄拉克（Paul Dirac）發表後來以他的名字命名的方程，進一步建立了相對論量子力學。儘管其正確性很快就得到了實驗驗證，這一理論的數學卻顯得相當麻煩。而用一種更加簡潔的方式來描述相同物理過程的人，正是後來的理察·費曼。


當時，費曼正在普林斯頓讀博士，他和當時的導師惠勒（Wheeler）正致力於解釋振動電子的輻射阻尼問題。根據他們發展的理論，費曼得以將經典電動力學的一切都用一種新穎而簡單的數學形式來描述，並開始嘗試發展該理論的量子力學形式。


這個嘗試是艱難的，直到1941年，費曼受到狄拉克在1933年發表的題為「量子力學中的拉格朗日量」的論文啟發，逐漸建立了後來被稱作路徑積分的理論構架。這個理論的核心思路是，一個粒子能從A走到B的每一條可能路徑，代表每一種可能的「歷史」，而A和B的相互作用可以表示成聯繫這兩個事件所有可能路徑之和。


正如費曼後來在諾貝爾獲獎演說中提到的：「某一時刻的波函數與另一個有限時間間隔後的波函數之間的聯繫可以通過無限多重積分而得到。」


於是，一種全新的量子力學表述方法被建立了起來。但由於種種原因，他並沒有立即試圖用這套理論去解釋實際問題，而只是發展了完整的數學形式。直到20世紀40年代的最後幾年，施溫格（Schwinger）和朝永振一郎（Shin『i-chiro Tomonaga）各自獨立發展出量子電動力學理論的另一種數學形式，他們給出的計算結果和費曼用路徑積分方法得到的完全一致。物理學界終於可以宣布，量子電動力學理論成功建立起來了！因為這一貢獻，費曼和施溫格、朝永振一郎共同分享了1965年的諾貝爾物理學獎。


然而費曼精彩的一生還遠沒有結束。他繼續在液氦超流體、量子色動力學等研究領域扮演著關鍵的角色。他還是納米科學、並行計算機等領域最早的研究倡導者。他的《費曼物理學講義》以及許多其他的演講，吸引了一代代學生去熱愛和探索物理學。他還參與了「挑戰者號」太空梭事故調查，向世人展示了一個大科學家的良知與科學精神。


1988年2月15日，在他逝世那天，加州理工學院的學生們在圖書館大樓上懸掛了一條橫幅，上面寫著：「迪克，我們愛你」。是的，可愛的費曼先生愛著這個奇妙的自然和生活在裡面的人們，人們也同樣深深地愛著這個有趣而又偉大的天才。


參考文獻：

1. 《迷人的科學風採—費恩曼傳》 [英]約翰·格裡賓 瑪麗·格裡賓 著，江向東譯

2. 《別鬧了，費曼先生》 [美]費曼 著，吳程遠 譯

3. 《QED，光和物質的奇異性》 [美]費曼 著，張鍾靜 譯

4. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1965/feynman-lecture.html

5. https://en.wikipedia.org/wiki/Richard_Feynman


未經授權，謝絕轉載





投稿：zizaifenxiang@163.com

授權：shangwu@zhishifenzi.com

關注請加微信號:the-intellectual或長按二維碼



相關焦點

  • 費曼關於「量子電動力學」的論文真的讓人大開眼界
    本文參加百家號＃科學了不起＃系列徵文賽。量子電動力學（QED）是理察·費曼獲得諾貝爾獎的理論，他在自己的著作《QED:光與物質的奇怪理論》中解釋了這一令人大開眼界的理論。這本書從日常生活中光的行為的例子開始，介紹物理學家可能會觀察到的光的行為。書的結尾解釋了費曼最著名的——費曼圖。
  • 戴森和量子電動力學
    戴森是全能型的科學家，他最具代表性的成就是他在量子電動力學方面所做出的奠基性的工作，此外，他在核工程學、固體物理、天體物理、生物學、以及數學等領域都做出過重要的貢獻。本文將主要介紹戴森在1947-1948年間，用短短一年左右時間完成量子電動力學方面工作的傳奇經歷。
  • 科學頑童費曼:愛因斯坦之後最「好玩」的理論物理學家
    >理察·費曼是第二次世界大戰之後最受愛戴、最卓越、最具影響力的理論物理學家之一，他的名字之於量子電動力學，就像愛因斯坦的名字之於相對論、霍金的名字之於黑洞理論般如雷貫耳。二戰期間，費曼參與了美國原子彈的研發，為世界反法西斯戰爭的勝利作出了貢獻，並於1965年榮獲諾貝爾物理學獎。費曼不僅是一名物理學家，他還是熱情奔放的鼓手，實用的惡作劇者，出色的教育家和不懈的樂觀主義者，成為這樣的「多面手」，費曼父親對他的言傳身教功不可沒。
  • 費曼何以確信「無人能懂量子力學」?
    費曼是上世紀有名的物理學家，他開創了量子力學的路徑積分方法，因在量子電動力學領域做出了傑出貢獻獲得了1965年的諾貝爾物理學獎。費曼還是一位有名的老頑童，比起他建立起的理論，人們更了解他的軼事。
  • 費曼創造的「費曼圖」,成為當代最傑出的理論物理學家之一
    這種漠視權威的懷疑精神在他日後的科學研究中得到充分體現，正如他的摯友戴遜所說的那樣:「費曼是一位極有獨創性的科學家，他從不把任何人的話當真。這就意味著他得自己去重新發現幾乎全部物理學…他說他不能理解教科書裡所講的量子力學的正規解釋，所以他必須從頭開始。這實在是一個壯舉。」費曼在中學讀書時就表現出非凡的數學才能，高中畢業前已經讀通了微積分課程。
  • 理察·費曼是如何革命量子理論的,量子力學的時空方法
    美國理論物理學家理察·費曼是世界上最著名的科學家之一。費曼對理論物理學做出了巨大的貢獻。包括量子力學路徑積分、量子電動力學理論的發展（包括他著名的費曼圖）、冷液氦超流態、量子計算和納米技術等方面。1965年，他是諾貝爾物理學獎的獲得者之一。圖1：美國理論物理學家、諾貝爾獎得主理察·費曼。
  • 科學的歷史 物質波二元性及量子電動力學--中國數字科技館
    兩種理論從不同的角度解答了微觀世界同一個奇特的問題。量子力學認為任何物質可以既是波又是顆粒。量子內部也可以形成幹擾模型。只有當你尋找它時，它才會隨機有一個明確的位置。因此有些結果並沒有起因，不穩定的核子任何時候都可能衰退——我們只是知道有可能出現這種情況。
  • 紛繁多少象,都入費曼圖
    如果說物理學是用圖像來思考，用數學來表達的一門學問，那麼費曼終其一生，都是特別強調圖像思考的重要性的。費曼其人，也經歷了多彩的一生，欲了解其生平及成就，可訂閱湖南科學技術出版社編譯的《永遠的費曼》系列叢書。本文則講述了費曼在量子電動力學的圖像描述方面所做的原創性工作。 自然厭惡真空。
  • 特立獨行的「青蛙」戴森 | 量子群英傳
    | 量子群英傳》中提到的約翰·惠勒（John Archibald Wheeler，1911 -2008）和本篇主角弗裡曼·戴森（Freeman Dyson，1923 -2020）都沒有得諾貝爾獎，但卻是理論物理界的大師級人物。惠勒是費曼（Richard Feynman ，1918-1988）的老師，戴森為量子電動力學（QED）作出了重要的奠基性貢獻。
  • 理察·費曼:你何必在意別人怎麼想?
    後來，從50年代起，在加州理工學院任教，先是當普通教授，後於1959年成為圖爾曼理論物理學教授。除了曾短期 到巴西講學之外，他一直在加州理工學院工作，直到1988年2月15日，因患癌症而在洛杉磯去世。　　費曼的科學工作涉及到許多的領域。
  • 費曼:魔術師般的物理學家—新聞—科學網
    一是因為他發現的量子電動力學非常複雜，很難講得通俗易懂，其中發現的過程又反反覆覆，難於梳理出頭緒；二是他是一位最受到人們歡迎的大科學家，在20世紀除了愛因斯坦、霍金，費曼就是大眾最熟悉和最喜愛的科學家，在我國出版費曼寫的很有趣的書籍，不說多如牛毛，也至少有十好幾本，例如僅僅費曼寫的《別開玩笑了，費曼！》和《幹嘛在乎別人怎麼想？》這兩本書，在國內恐怕有三四個版本。
  • 量子理論簡史-虎嗅網
    同年，在研究了 海森堡等人建立的矩陣力學之後，薛丁格證明了矩陣力學與波動力學的等價性。至此，在以海森堡與薛丁格等人為主要代表的諸多物理學家的協同努力下，量子理論的內在邏輯與圖景就得以清晰地展現在世人面前；早期量子理論終於「躍遷」到了一個新的階段，所謂現代量子力學宣告誕生。
  • 「大神」費曼的神奇與可愛
    費曼在演講中對納米技術的許多預言都成為了事實，納米技術應用材料如今已如他所預測的那樣，變得超強、超輕，具有超乎想像的奇異電磁性能。類似事跡在費曼的科學生涯裡隨手可拾，費曼對世界充滿好奇心，他有一句廣為人知的名言：「發現的樂趣就是獎賞。」　　費曼大約是愛因斯坦之外最被人樂道的20世紀科學家了。
  • 紛繁多少象（項），都入費曼圖
    費曼其人，也經歷了多彩的一生，欲了解其生平及成就，可訂閱湖南科學技術出版社編譯的《永遠的費曼》系列叢書。本文則講述了費曼在量子電動力學的圖像描述方面所做的原創性工作。自然厭惡真空。理論物理學家需要做的，便是給出散射矩陣或者散射振幅的解析表達。在此，他們再次遇到了無窮（發散）的問題。在狄拉克於1928年提出描述電子行為的相對論性量子力學方程並於1930年提出空穴理論來解釋方程的負能量解之後，我們似乎已經有了建立完備的量子電動力學的信心。然而三個問題的出現使物理學家的信心遭受挫折，它們分別是：真空極化，電子自能和電子磁矩。
  • 20世紀最偉大的物理學家之一——費曼,30歲就達到人生巔峰
    費曼的成就-諾貝爾獎獲獎理論物理學家，革命性地建立了現代量子物理學-開創了量子計算領域，普及了納米技術的概念-有天賦的老師，留下了永恆的物理系列講座和學習任何技能的神聖結構就好像是被精心挑選出來加入超級天才的聯盟，著名的物理學家和「曼哈頓計劃」的招募者羅伯特·奧本海默邀請費曼來幫助建立洛斯阿拉莫斯實驗室。在這裡，費曼在從計算裂變炸彈產量的貝特-費曼公式，到建立使用IBM穿孔卡進行計算的系統等一系列項目中進行了艱苦的工作。27歲時，費曼與世上最聰明的人一起工作了兩年，之後他獲得並接受了康奈爾大學的教授職位。
  • 知道搞怪的費曼，但你知道費曼圖嗎？| 量子群英傳
    Oppenheimer，1904-1967）主持的，這3場會議主要討論量子電動力學。第二次世界大戰後，曼哈頓計劃被公諸於世，奧本海默也在全美國成為了科學的代言人。1947年他出任普林斯頓高等研究院的院長，之後他雲集了一大批各個領域的尖端人才。理論物理方面，包括幾位在當時還非常年輕的物理學家：楊振寧、李政道以及後來的弗裡曼·戴森（Freeman Dyson，1923 -2020）等。
  • 物理學的基本定律：利用超冷原子，構建出量子電動力學的對稱性
    物理學的基本定律建立在對稱性的基礎上，對稱性決定了帶電粒子之間的相互作用等等。現在，海德堡大學(Heidelberg University)科學家利用超冷原子實驗構建了量子電動力學的對稱性，他們希望為實現未來可以模擬複雜物理現象的量子技術獲得新見解，研究成果發表在《科學》期刊上。量子電動力學理論研究電子和輕粒子之間的電磁相互作用，它基於所謂的U(1)對稱性。
  • 別鬧了費曼先生,諾獎量子力學還不夠,桑巴鼓呼麥你也不放過-2月15日-聊個今天
    2月15日費曼去世。他是愛因斯坦之後最聰明的理論物理學家。
  • 理察·費曼:大學生最崇拜的科學家,愛因斯坦緊隨其後
    1965年，因量子電動力學理論的研究工作，他獲得了諾貝爾物理獎。近日，《永遠的費曼（走近費曼叢書合集）》中文版出版，囊括了費曼最著名的自傳《別逗了，費曼先生》、費曼書信集《費曼手札：不休止的鼓聲》、費曼經典物理學講義《費曼講物理：入門》《費曼講物理：相對論》、演講集《費曼講演錄：一個平民科學家的思想》等等。
  • 太好了,量子電動力學實驗:向大規模實施邁出了重要一步!
    物理學的基本定律建立在對稱性的基礎上，對稱性決定了帶電粒子之間的相互作用等等。現在，海德堡大學(Heidelberg University)科學家利用超冷原子實驗構建了量子電動力學的對稱性，他們希望為實現未來可以模擬複雜物理現象的量子技術獲得新見解，研究成果發表在《科學》期刊上。