量子力学为啥叫“力学”？好像没有和力相关的概念和结论啊，这得从费曼讲起！

「封面」｜理查德·费曼

大家好，我是科学羊🐑。这里是物理学第11季第3篇，近期是费曼主题连载，今天我们来谈谈费曼在物理学中的成就。

1965年，理查德·费曼、朱利安·施温格和日本物理学家朝永振一郎，共同获得了诺贝尔物理学奖，为表彰是他们在量子电动力学上的杰出贡献。

对于我们很多人来说，不光是量子力学，更不要说是量子电动力学这个词了，它们听起来可能都非常陌生，但这正是费曼在物理学界成名的最大原因。

所以，要了解费曼，就必须了解他在这个领域的成就。

01 量子电动力学的发展历程

首先，我们来解释一下什么是“量子电动力学”。

而且任何一个学科名称后面加上“力学”两个字，比如——量子力学！

力学”这个词首先是历史的传承，叫“量子力学”是为了区别于“经典力学”。

力学的分支，来自wiki

力学（Mechanics），其实并不一定要包含关于“力”的元素，其本质是为了研究物体的运动。

比如，像热力学、牛顿力学、流体力学等等，谈到都是某种物体的运动。

而电动力学（Electrodynamics），不是mechanics，这也许是因为人们在潜意识中认为电磁现象更多地是关于“场”，而不是寻常的物体。

语言名词中往往包含各种对历史和文化的路径依赖，并不是一个严格的系统，所以我们不必对“量子力学”这个说法有太多计较。

但无论怎样，都意味着其中包含了极其复杂的数学工具。

比如，热学在用微积分知识进行深入研究后，就称为“热力学”；

而水流和气流的研究则被称为“流体力学”。

顺便说一句，得到专栏作者万维钢老师说：其实格调最低的是“科学”

学术界有个观察，真正的科学都有各自的学科名字，物理学就是物理学，化学就是化学 —— 只有那些不过硬的、对自己算不算是科学没底气的学科才叫“某某科学”：比如：计算机科学、社会科学、zheng治科学、环境科学……

在费曼的时代，量子电动力学研究的主要内容是光和电子之间的相互作用。

但是在量子力学研究之前，科学家们对光和电子的相互作用并没有一个精确的描述。

量子力学的框架搭建过程是一个渐进的过程。

1900年，物理学界关注到物体在特定温度下会向外发射出特定波长的光，并找到了一些数学关系，但这些关系大多是经验公式，并不精确。

不同温度的黑体辐射频谱。随着温度下降，频谱峰值波长增加

普朗克通过一个突破性的假设，提出光能量是量子化的，即光能也是有最小单位的，这一假设得到了一个特别准确的数学关系。

在普朗克的基础上，经过25年的时间，薛定谔和海森堡分别独立地提出了电子能量状态的数学描述。

海森堡使用矩阵来表达，而薛定谔则使用偏微分方程。

尽管他们的方法看起来完全不同，但在计算电子能量状态时，结果却高度一致。这引发了物理学界的一番争论。

五年后，保罗·狄拉克证明了薛定谔和海森堡的方法在数学上是等效的，并在两年后提出了第三种数学表达形式。然而，狄拉克的这一贡献当时并未引起足够的重视。

02 费曼的创新与突破

到了1941年，费曼在狄拉克的基础上，创造出了一种全新的计算方法，能够解决物理学家以前无法解决的问题，即如何精确地计算电子的能量。这个问题的典型例子就是“兰姆位移”。

氢能级精细结构 - 对玻尔模型的相对论修正

在第二次世界大战期间，微波雷达的竞争促进了测量技术的飞速发展。

二战后，科学家用新设备测量氢原子的电子能量状态时发现，狄拉克的理论无法解释两个能量状态2S1/2和2P1/2之间的微小差异，这个差距被称为“兰姆位移”。

科学家们猜测，这个差距是由于电子自身的电磁场与电子自身的相互作用所导致的。

为了修正这个误差，费曼的忘年交汉斯·贝特提出了一种处理方法。

他通过取对数的方式，减少了计算过程中出现的无限大的数值，从而让计算结果更接近实验结果。然而，这种方法仍然存在1.9%的误差。

费曼不满足于此，他提出了引入“相对论不变性”的方法，避免了计算过程中的无限大数值问题。

费曼得到了一个级数形式的能量表达式，使得计算结果非常精确。

日本物理学家木下大辅使用费曼的方法计算电子磁矩，得到的结果与实验值非常接近，误差仅为十亿分之三。

03 费曼的科学贡献

费曼对物理学的贡献不仅仅体现在精确的计算方法上。

他的研究风格独特，凭直觉进行计算，而不依赖严格的数学证明。

他曾说：“我能感知到的真相比我能证明出来的多得多。”

这种直觉就像经验丰富的渔民能预感到即将来临的风暴，猎人能察觉到是否被其他动物尾随一样，虽然无法给出客观理性的证明，但他们的技能却是实实在在的。

物理学是一个严谨的学科，证明部分由英国物理学家弗里曼·戴森完成。

戴森和费曼共同发展了一套重正化理论，用来处理计算过程中的无穷大问题。这套理论并不是消除无穷大，而是用不可测量的量与无穷大的量相加，得到一个新的参数，避免了无穷大的出现。

费曼的工作不仅解决了电子能量状态的微小差异，还为后来的物理学研究奠定了基础。

在之后的二十多年里，粒子物理学界发现了许多新粒子，费曼的理论和计算方法成为研究这些新粒子的重要工具。

费曼图

费曼的贡献不仅限于理论计算，他还发明了费曼图（了解即可），大幅改进了路径积分理论，成为物理学家们非常有用的计算工具。

费曼就像一个工兵，提前发现并架设好了浮桥，帮助整支科学研究的大军顺利通过难关。

总结：

费曼的成就不仅仅是诺贝尔奖的认可，更在于他为整个物理学界带来的深远影响。他的工作为后来几百上千位物理学家的研究提供了基础和工具，使得他们能够顺利解决各种复杂的物理问题。

在科学的世界里，费曼无疑是一个伟大的先驱者。

他的创新和智慧，不仅解决了当时的难题，还为未来的科学发展铺平了道路。

他的成就和影响，将永远铭刻在物理学的历史中。

好，今天就先这样啦～

科学羊🐏  2024/07/24

祝幸福~ 

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参考文献：

[1].https://www.dedao.cn/course/article?id=e1k8gp2WGMzqJ3mq32K5YmP6DOjxAL

[2].https://www.dedao.cn/course/article?id=Q8dpgOa54NZMVzmjmMKByzxkwYm2Rl&source=search

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