【科学大唠嗑】量子的奥秘（17）量子力学让原子弹显得暗淡无光

为了使放射性β衰变，就是从原子核中射出的一个高速电子，能够保持能量守恒，泡利不得不引入另外一个新的粒子。

为了保证能量守恒，新粒子必须是很轻的、电中性的粒子，几乎不与任何东西发生相互作用。为了与查德威克的“重中子”区别，恩里科·费米于1934年把这个粒子命名为“中微子”。

还不止这样。对于某些穿透力极强的宇宙射线到底是什么，科学家已经争论了好几年。有些物理学家认为宇宙射线是由电子构成的，也有人认为是质子。但是这些射线粒子的质量很可能介于电子和质子之间。

1937年，卡尔·安德森和赛斯·尼德迈耶得出结论：这是另外一种新粒子，一种“重”型电子，被称作“介粒子”，又称“介子”，后来又称作“μ介子”，或就直接称“μ子”。

除了质子和电子，现在又有了正电子和μ子。已被提出可能存在但尚未发现的，还有狄拉克的反质子、泡利的中微子以及反中子。

狄拉克大一统的“哲学家的梦想”已经不可能实现了。核物理学的另一个发现即将占据世界顶级物理学家的思想。

1932年，人类发现了中子，让物理学家可以更加深入地探索原子核的结构，同时这也是一把撬开原子核秘密的武器。中子是电中性的亚原子粒子，能够用来轰击带正电的原子核，它们不会受静电斥力的影响而改变方向。

1934年，费米在罗马做了中子轰击铀的实验，研究结果引起了身在柏林的德国化学家奥托·哈恩的注意。在普林斯顿，玻尔与美国物理学家约翰·惠勒合作，推断出铀的核裂变源于稀有的同位素铀-235，这种同位素在天然形成的铀中所占比例非常小。

1939年4月，玻尔在普林斯顿对他的同事们说：“这东西可以用来制造炸弹，但要倾举国之力才能做成这件事。”

1945年8月广岛和长崎被原子弹轰炸，虽然终结了战争，但在终结那场战争的努力中，物理学家向世界释放了一种原始的力量，这种力量的威胁在战争结束多年后依然存在。

1947年，哥伦比亚大学物理学家伊西多·拉比说过：“过去的18年，是本世纪最无产的18年。”在近20年的时间里，理论物理学都一直处于萧条期。随着时间缓缓流逝，大家的注意力终于从战争武器重新回到量子理论的问题上。

大部分物理学家都认为，关于量子诠释的辩论结束了。但依然存在大量的问题需要去考虑。狄拉克创造出了电子的相对论性方程，预测了电子自旋的属性和反电子的存在。这的确是个重大突破，但也很快进入了死胡同。

比如，当一个电子与一个正电子碰撞时，理论上能够预知两个粒子将会“湮灭”，并产生高能（伽马射线）光子，这一点很明显。反过来，具有足够高能量的伽马射线光子能够自发产生一个电子—正电子对。

如果量子力学无法解释和描述这个问题，还有其他什么理论可以解释吗？以麦克斯韦电磁场的量子版本为开端，有些物理学家认为解决这些问题需要量子场论。

这些物理学家意识到，场比粒子更具根本性的意义。大家认为，一个真正的量子场描述应该将粒子视作场本身的量子，在相互作用的粒子间传递力。很明显，光子是电磁场的量子，随着带电粒子的相互作用而产生和毁灭。那么，要解释电子的产生和湮灭，就需要一个“电子场”的量子理论。

1929年，海森伯和泡利发展出一套量子场论。当被应用到电子场时，这种理论就成了量子电动力学的一种形式。但结果发现，得出的场方程并不能获得精确的解，海森伯和泡利接下来遇到了一个关键的问题。他们发现方程展开式中的有些项产生了无穷大的修正值，这样的结果没有物理意义。

无穷大的问题是一个理论或数学问题。1947年，新的实验数据暴露出了一些更实际的问题。进一步的研究表明，基于狄拉克理论所做出的预测最终与实验结果不符。量子理论再一次陷入了危机。

1945年，纽约洛克菲勒研究所的物理化学家邓肯·麦金尼斯想召集一系列小型会议，邀请有名望的科学家和年轻有为的学术新秀参加，解决学科正在面临的问题。

麦金尼斯从美国科学院要到了钱，拟定的会议主题中包括量子力学。泡利和美国物理学家约翰·惠勒都参与策划了参会人员和会议主题。1947年6月2日至4日会议在纽约长岛东端人烟稀少的谢尔特岛上召开。

参会的人中包括奥本海默、汉斯·贝特、约翰·冯·诺依曼和亨德里克·克喇末。新生代的代表是惠勒、理查德·费曼、朱利安·施温格，以及奥本海默的学生威利斯·兰姆。

6月2日上午，兰姆宣布会议开幕，在会议之前的几个月，兰姆就已经公布了氢原子光谱研究的最新结果。兰姆把注意力集中在氢原子两个原子态的行为上。狄拉克的理论预测这两种状态具有相同的能量，被称作是简并的状态。由于两者处于简并态，涉及迁移到这两个状态的微波谱线应该是一条线才对。

但事实并非如此。兰姆与他的研究生罗伯特·雷瑟福发现，实际上存在两条线谱线。氢原子的其中一个状态相对另一个状态，在能量上发生了移位，这个现象很快被称为兰姆移位。奥本海默推测，一个纯粹的量子电动力学效应是对这种移位的“最有可能的解释”。

会议的最后两天，奥本海默让费曼介绍他在非相对论性量子力学上的最新研究。费曼研究方法的基础可以在经典物理学的一些最简单的观察中找到。在经典理论中，光沿直线传播，因为当光从光源传到目的地时，沿直线传播所需的时间最短。

光的波动性为这个谜团提供了解答。光不需要提前知道哪条路径用时最短，因为光从光源到目的地，会走遍所有的路径。当光在一种单一介质中传播时，在距离和时间上没有显著性差异的光程都围绕在从光源到终点的直线路径周围，光沿这条路径传播也耗时最短。

费曼把这些相对简单的物理原则升华为了一个非相对论性的量子理论公式，与波动力学和矩阵力学等效。他把量子粒子从一个地方到另一个地方的路径表示为粒子所有可能路径之和。在某个具体位置发现这个粒子的概率可以根据所有不同路径的振幅确定。

这是一种从粒子的角度出发的表述方法——量子粒子波的特征是通过其相位来描述的，无论其源自何处，也无论这些相位以何种方式叠加。其实，费曼的方法得不出任何新结果，也没提出可论证的新观点。

会后，贝特深入思考了兰姆移位的问题，而会议期间的研讨让他尝试找到一种算法，他一直在思考量子电动力学的方程。量子电动力学现有的理论预测存在无限移位，这是电子与电磁场自身相互作用的结果。贝特此时接受克喇末的建议，利用一种电磁质量效应，确定了微扰展开式中的发散项，就是无穷大的值。

如果此时从被氢原子束缚的电子的表达式中减去自由电子的表达式，这两个表达式中都存在无穷大的值，从无限中减去无限，听起来似乎得不出有意义的答案，但贝特发现，在量子电动力学的非相对论性表达式中，这种减法产生了一个结果，虽然依然是发散的，但发散速度却慢了很多。

他发现在完全相对论性的量子电动力学中，这种标准化过程会完全消除发散，得出一个物理上现实的结果。

由于这个过程大大减慢了发散的速度，即便是在非相对论性的情况下，贝特也能进行合理的猜测，这样，他就能得出一个兰姆移位的理论估计值。他得出的结果只比兰姆报告中的实验相差了4%。奥本海默猜对了，这种移位确实是纯粹的量子电动力学效应。

这个时候，费曼告诉贝特，他可以算出兰姆位移。至于费曼是如何计算的，咱们下次再说。