费曼的游戏

作者: 张天蓉

来源: 科学网张天蓉博客

发布日期: 2015-10-10 09:04:10

费曼将最小作用量原理应用于量子理论,创造了“费曼路径积分”理论,描述了量子力学中的选择和路径问题。

费曼是一位颇具直觉的物理学家,他在中学时代得知最小作用量原理时,就被它的简洁和美妙所震撼。这份震撼长存于心,最后终于将它应用到量子理论中,成功铸成“费曼路径积分”的理论。

最小作用量原理的实质是“选择”,处处都存在选择。条条大路通罗马,古代聪明智慧的将军选择了那条最短的路而成功占领了罗马。物竞天择、适者生存,自然选择是达尔文进化论的中心思想。另外,在人生的道路上也是如此,每个人的生命中都会面临好些个抉择的关键点:求学、求职、出国、入伍、恋爱、婚姻等等,不同的选择也许带给你完全不同的人生。

物理的规律也是“选择”的结果。大自然选择作用量具有极值的那条路径。不同路径具有各种选择的可能性,正好与量子理论的概率诠释不谋而合,因而被费曼借来构造量子论。

量子力学中不是已经有了薛定谔方程、狄拉克方程、克莱因-高登方程吗?费曼还要加上一个“路径积分”干什么?实际上,物理规律的表达有两种方式:局部的和整体的。对应于物理规律的局部表述和整体表述,便也有了微分的和积分的数学模型之分。

微分方程是从局部的观点来描述自然规律,最小作用量原理和路径积分则是用积分的方式来表达。可举牛顿力学的例子来简单地说明两种方式之区别:炮弹被发射到空中,画出一条抛物线后击中目标。炮弹为什么走这条路而不是另一条路?有两种方法来理解。局部地解释是,在运动的每个瞬间,炮弹因为受到了所在位置的重力及阻力的作用而遵循牛顿运动的微分方程。整体的观点怎么说呢?

炮弹从出发点到目标,之所以走了这条抛物线而不是另一条抛物线或别的任何路径,是因为沿着这条抛物线,最小作用量取极值。

上述两种方式用到量子力学中,便分别对应于薛定谔方程和费曼路径积分。费曼路径积分,实际上应该被称为狄拉克-费曼路径积分,因为这种思想最初是由狄拉克提出的。到四十年代,费曼在普林斯顿大学跟着导师约翰·惠勒做博士的期间,将狄拉克1933年的文章加以发展,将部分思想写进了他的博士论文中。

我们回到上面所举的经典抛射体的例子。根据最小作用量原理,抛射粒子从发射点到目标,走的是那一条作用量最小的路线。有趣的是,当我们用整体的观点来解释物理规律时,抛射体好像被赋予了某种“灵性”,它似乎知道它该如何行为,才能走上那条作用量的极值之路。

刚才提到的弗里曼·戴森和约翰·惠勒,两位都是理论物理界的大师级人物,但都没有得到诺贝尔奖。惠勒是费曼的老师,戴森和费曼同为量子电动力学作出了重要的奠基性的贡献,戴森涉猎的研究范围很广,从粒子物理、天体物理、到生命起源,都有所研究,他是没有获得博士学位却成为了数学物理中大师级人物的典型范例。

量子电动力学(QED)是量子理论中的一颗明珠,它使用量子场论的方法,成功地描述了光和粒子间的相互作用,对异常磁矩及氢原子能级的兰姆位移等计算结果,与实验值精确地符合,充分显示了理论的魅力。这个理论开始于上世纪20年代末,狄拉克在建立了电子的相对论运动方程并用狄拉克海的观点预言了正电子之后不久,便认识到,一个真正完美结合相对论和量子力学的理论,不能只描述单个电子,而必须是一个“场”的理论。

因为上述贡献,对朝永振一郎、施温格和费曼3人分享了1965年的诺贝尔物理奖,贝特也在1967年得了诺贝尔物理奖。QED的几个奠基者中,唯有戴森被诺奖“忽略”了,可见世界永远不可能是那么公平的。

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