科学史

戴森的调解

1949年,年轻的弗里曼·戴森(Freeman Dyson)向物理学家揭示了费曼如何重新定义了量子电动力学。 Feynman的理论在Oldstone会议上非常成功。

埃琳娜·卡斯特拉尼(Elena Castellani)和莱昂纳多·卡斯特拉尼(Leonardo Castellani) 科学天才N°19
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到Pocono演讲之时,Feynman在制定量子电动力学方面已经非常先进。它的全局时空方法使其能够简化电动力学现象的扩散矩阵的计算,例如两个带电粒子的碰撞,电荷与电磁场的相互作用(电荷与光子的“碰撞”)。 Feynman实际上已经建立了规则,使得可以计算扩散矩阵的元素,即-对于所研究的现象,(电荷上的电磁场),例如量子电动力学所允许的不同过程的概率振幅。由于相对论不变的截止过程,他从计算兰姆位移的问题发展而来,他也获得了有限的结果。

此程序是他在Pocono演讲后立即写的两篇文章的主题,这两篇文章都将发表在《物理评论》上(第一篇于10月,第二篇于1948年11月)。第一个称为经典电动力学的相对论截止点,专门针对经典情况(根据费曼的惯常哲学,最好先获得无分歧的经典理论,然后再转向量子版本。)第二篇文章,《量子电动力学的相对论截断》,论述了第一篇文章中经典理论的量化。在这些作品中出现了电动力学物理过程的图形表示形式的初稿,这些图是费曼将在其后续作品中发展的图,这些图将被称为费曼图。

然而,当时,费曼尚未解决“真空极化”引起的差异问题。他已经知道,这些发散可以解释为“光子自能量”效应,可以通过及时重新调整粒子电荷的值来解决(请参见第57页的方框),但他尚未发现适用于处理这种无限式的截断(他将在1949年1月解决问题,届时H. Bethe将告知Pauli发明了一种引入适当截断的方法)。

费曼(Feynman)处于量子电动力学发展的现阶段,1948年夏初,他提出与弗里曼·戴森(Freeman Dyson)一起去新墨西哥城阿尔伯克基(Albuquerque),他在洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)工作并打算出于感性的原因再次见到他。弗里曼·戴森(Freeman Dyson)是一位年轻而又出色的英语数学家,毕业于剑桥大学,于1947年9月到达康奈尔大学,准备与H. Bethe的博士学位论文。在康奈尔大学,他有很多时间评估费曼的身价,并且很高兴接受他的报价。 “这将是一次很棒的旅行,我们将能够谈论所有事情,”他在离开前于6月11日写给父母的信中说。

戴森(F. Dyson)定期寄给父母的信件是有价值的信息来源。例如,其中一个包含了费曼的著名描述:“半天才和半丑角”。弗里曼·戴森(Freeman Dyson)向他的父母解释说,他立刻被“美国原住民科学家这一非常稀有的物种”,“年轻的美国教授,以其蓬勃的生命力为所有物理学家及其子女娱乐的”这一宏伟复制品着迷。当他用最后的脑波冲进一个房间并开始展示它时,伴随着巨大的声音效果和他的手臂扭动,使每个人的生活变得更加快乐。费曼独特的量子电动力学公式也给他留下了深刻的印象,他希望能更好地理解它。因此,去阿尔伯克基旅行是戴森(F. Dyson)了解更多信息的绝佳机会。他还将为他带来一些惊喜:第二天,在暴雨的阻挡下,费曼和戴森(F. Dyson)在妓院度过了一个不眠之夜,当费曼到达目的地时,在第四天,他们来访的第一个地方是警长办公室,因为他超速。

离开新墨西哥州的费曼(Feynman)后,戴森(F. Dyson)前往密歇根大学安阿伯分校的夏季物理学院学习,在那里他参加了史威格(Schwinger)为期三周的有关量子电动力学公式化的课程(在1949年夏季,有关量子电学的课程)电动力学将由费曼(Feynman)给出。因此,弗里曼·戴森(Freeman Dyson)有可能直接熟悉施温格(Schwinger)和费曼(Feynman)的两种说法。

三种解释方法

同时,物理学界了解到存在第三种量子电动力学公式,这是战时由日本物理学家,东京大学教授Sin-Itiro Tomonaga开发的。 Tomonaga在京都接受培训后,于1937年至1939年在德国莱比锡逗留,与海森堡一起研究核物理学和量子场论。回到日本后,他开发了场论的个人表述,该理论于1943年以日文出版,由于战争而被欧美物理学家所未知。 Tomonaga的作品直到1946年战争之后才以英语出版,没有越过日本国界。

在美国,奥本海默(Oppenheimer)是作品分配的主要推动者。 1948年1月,他得知这一消息后,便立即通知了他的同事们。在Pocono会议之后,他在普林斯顿(他刚刚被任命为​​高级研究所所长)收到Tomonaga的来信,其中除了已经在日本出版的著作外,还载有与成果有关的“信”。他是东京的一组物理学家最近获得的关于重归一化问题的信息,他再次将其发送给《物理评论》,在7月发行的文档中发表了个人评论。

然后,物理学家就有三种量子电动力学公式:遵循传统的量化方法的Schwinger和Tomonaga,以及基于路径积分的Feynman。根据戴森(F. Dyson)的说法,后一种说法的问题是“除了迪克,没有其他人可以运用他的理论,因为他在前进的过程中总是利用自己的直觉来创造游戏规则。”它必须被“翻译”成物理学家可以理解的语言,并与史宾格理论和友永理论相抗衡并证明它们的等效性。这是戴森为自己设定的任务。他的调解工作对量子电动力学(特别是费曼的技术和方法)的发展和主张具有极其重要的意义。弗里曼·戴森(Freeman Dyson)在1948年10月上旬将其程序化论文以题为Tomonaga,施温格和费曼辐射理论的标题发送给《物理评论》(将于1949年2月出版)。

正如戴森(F. Dyson)所言,在安阿伯(Ann Arbor)暑期学校和伯克利(Berkeley)休假之后,他前往普林斯顿(在普林斯顿大学度过了一年的时光)的漫长旅程中就产生了这一灵感。 。 “当我们在第三天开车经过内布拉斯加州时,突然发生了一些事情。我已经两周没有考虑物理了,现在它正像爆炸一样在我的意识中翻滚。 Feynman的图和Schwinger的方程式在我的大脑中以前所未有的清晰性脱颖而出。我第一次能够将它们全部关联起来。 […] Feynman和Schwinger只是从两个不同的角度看同一组想法。 ”

Feynman和Schwinger的贡献如何“可相互翻译”的,在F. Dyson的宝贵调解工作中进行了精确分析。它的目的是使那些使用量子电动力学其他公式的人能够获得费曼理论的“特殊优点”,即“简单易用”(而Tomonaga和Schwinger的方法的优点是“一般性和实用性”)。理论上的完整性”)。它的双重目的(完全实现)是:“首先,为了简化Schwinger的理论(通过合并Feynman的思想),以使必须使用它进行计算的人受益;第二,证明不同的理论[Tomonaga,Schwinger和Feynman]在它们共同的应用领域中是等效的。

更简单的计算和“图形”

戴森(F. Dyson)证明,费曼理论中计算的简化在很大程度上归因于图表的使用(戴森仍称费曼图为“图”)。的确,F。Dyson继续说,为了计算扩散矩阵的元素(请参见第48页的方框),Feynman使用的方法比Schwinger的一连串形式化计算简单得多:Feynman的方法基于视觉表示-图形或图表-其图纸遵循F. Dyson所示的精确规则(请参阅第55页的方框)。弗里曼·戴森(Freeman Dyson)在他的文章中也阐明了费曼理论中图的真实含义:``与矩阵的特定元素相对应的图不仅被视为计算辅助,还被视为物理过程的可视表示。上升到矩阵[S]的这个元素。例如,将x1结合到x2的一条电子线表示在x1中可能产生电子并在x2中破坏电子,同时表示在x2中可能产生电子并在x1中破坏正电子”(请参见第55页的方框) 。

1948年10月,戴森(F. Dyson)在完成文章后决定,他需要在普林斯顿度过一个漫长的周末,并说服他当时在高级研究学院的年轻法国同事塞西尔·莫尔特(CécileMorette)陪他去伊萨卡岛。拜访费曼。这次住宿取得了巨大的成功:“费曼本人在车站接我们,他的身体状况很好,充满了想法和轶事。戴森写信给他的父母说,他使我们保持娱乐,包括在新墨西哥州的印第安鼓上演奏,直到早上一个。第二天,戴森(F. Dyson)要求费曼对他的文章发表意见,但费曼承认自己没有读过这篇文章:他将其委托给一位博士生,其任务是判断是否有必要-甚至阅读它,他认为学生的结论将是负面的。弗里曼·戴森(Freeman Dyson)并不冒犯:“我知道他是世界上唯一一个从我写的东西中学到的东西;他毫不犹豫地告诉我,”他对父母说。另一方面,Feynman还是“每分钟能产生更多精彩想法的人”。戴森(F. Dyson)有机会参加了两个小时的“最令人难以置信的计算演示”会议,他解决了他理论中两个仍然悬而未决的问题(光子由光子扩散和光子由光子扩散)。电场)。

戴森(F. Dyson)对费恩曼(Feynman)的钦佩之情使他总是低估了他对量子电动力学发展的贡献的重要性。更糟糕的是,有一段时间,他对费恩曼在预告中披露该理论会感到内gui。 1948年10月,费曼将发表他的方法和结果的两篇论文-《正电子理论》和《量子电动力学的时空方法》-的确远未结束。它们将在1949年4月8日和5月9日发送到《物理评论》,并一起发表在该杂志的9月份。

因此,一开始主要通过F. Dyson的文章和演讲来了解Feynman的理论,尤其是他著名的图(在一定程度上,我们将在一定程度上称为Dyson图)。 “有时我会因使用他的想法来到他面前而感到内。但是,我终于完成了两篇大文章,这将使他的才华向世人展示。”戴森(F. Dyson)在费曼访问高级研究所之后,于1949年2月底写信给他的父母。

费曼图“向大众开放计算”

因此,弗里曼·戴森(Freeman Dyson)成为费曼(Feynman)方法和图表的圣骑士和倡导者,在会议上介绍它们,并试图改变像奥本海默(Oppenheimer)这样的人的想法,更喜欢施温格(Schinger)的更常规的提法。同时,费曼开始取得个人成功。在1949年1月于纽约举行的美国物理学会大会上,他有机会生动地展示了他计算扩散矩阵元素的方法的巨大优势。该问题与电动力学过程无关,而与中子对电子的扩散有关:上下文是介子“携带”核力理论的背景。介子是因其质量介于质子和电子之间的事实而得名的粒子。 1935年,日本物理学家汤川英树(Tomonaga的同学)提出,核子(质子和中子)通过介子的“交换”(中子场的载体)相互作用,就像在电动力学中,电荷通过交换光子(子离子的载体)相互作用。电磁场)。从那时起,介子理论作为核内聚力的中介,经历了各种发展和实验证实。

在1949年的美国物理学会会议上(汤川因其理论而获得诺贝尔奖),年轻的物理学家默里·斯洛特尼克(Murray Slotnik)介绍了他的校正计算结果(由于在中子周围产生了虚拟介子)。在核中子扩散电子时要考虑到这一点。在这种情况下,Slotnik分别获得了伪标量中子场和伪矢量中子场的两个不同结果(“ pseudo”表示时空反演操作中所考虑幅度的符号变化)。奥本海默反对根据“凯斯定理”,这是不可能的。高级研究学院的一名年轻的博士后物理学家肯尼斯·凯斯(Kenneth Case)刚刚证明这两个案件给出了相同的结果,并将于第二天在同一会议上讨论。无法得知的斯洛特尼克(Slotnik)感到震惊。

费曼在Slotnik的干预期间不在,但被告知了这一事件:他决定通过自己的方法来验证结果。他回到自己的旅馆,虽然以前从未对介子做过任何计算,但却在很短的时间内设法解决了电子被中子散射的问题。与Slotnik一样,他在两种情况下(伪标量和伪矢量)获得不同的结果。但是,他第二天意识到了这一点,将自己的计算结果与Slotnik的计算结果进行了比较,得出的结论更加笼统:在六个多月的时间里,Slotnik仅计算了特殊情况,即扩散中电子传递的冲量为零,费曼在一个晚上获得了所有脉搏值的综合结果。不幸的Slotnik尽管对Case的定理感到放心(Feynman也会发现Case的错误),但对Feynman的成功却感到失望。相反,对于费曼来说,这是极大的满足:“对我来说,这是一个激动人心的时刻,就像获得诺贝尔奖一样,因为我终于说服自己,我拥有自己可以使用的方法和技术,而且我能够做别人做不到的事情。这是我取得胜利的时刻,当我意识到我确实成功地制作出了有价值的东西时,“费曼将在诺贝尔奖演说中发表评论。

费曼的真正胜利发生在1949年4月11日至14日,在哈德逊河畔的希尔斯通会议(纽约州皮克斯基尔市)上,这是两年前在希尔特岛上开始的系列中的第三次也是最后一次会议。费曼的两本基本著作尚未出版,但他的理论和方法现已广为人知。这次,戴森(F. Dyson)在那儿。他被接纳为新参与者,并报道了Schwinger,Tomonaga和Feynman的理论的等效性。费曼的方法成为讨论的主要主题,因为每个人都试图掌握他的计算技术以及在扩散矩阵的计算中使用图。正如施温格(Schwinger)多年后评论的那样,“像近年来的硅芯片一样,费曼图向大众开放了计算。”

奉献

到Oldstone讲课时,Feynman几乎完成了他的两篇开创性论文,其中包含了他的量子电动力学方法的所有规则和计算方法,并提出了构成其基础的物理思想。在正电子理论中,他将狄拉克方程(正电子)的负能量解重新解释为时光倒流的电子,在这种情况下,他分析了存在外部电势时电子和正电子运动的问题。另一方面,对电子,正电子和光子之间的相互作用的研究,即量子电动力学,是《量子电动力学的时空方法》一书的主题,该方法提供了“完整的方法,明确且可能一致地计算所有涉及电子和光子的过程”-费曼在总结中说道。

就像在非相对论量子力学的文章中一样,费曼使用路径积分的全局时空方法,费曼指出,这种方法“大​​大简化了许多问题。同时,我们可以考虑根据常规方法将被单独考虑的过程。 Feynman(一如既往)寻找有助于理解的图像,并用“好战”的比喻说明了这种综合方法:“一个轰炸机正在考虑通过低空飞行器炸弹舱的道路,突然之间,三个;他仍然感到困惑,只有当他们两个走到一起并消失时,混乱才消失。然后,他意识到自己刚刚飞过道路描述双弯的地方。 ”    

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