在本文中，我會介紹一個非常令人驚奇的實驗結(jié)果，它曾掀起了理論物理的新風(fēng)暴。這個實驗結(jié)果的名字叫做“蘭姆位移”（Lamb shift），當時對氫能級的這一小小的深入探索，激發(fā)了以費曼、施溫格和朝永振一郎等人為首的量子場論革命。我會向大家介紹蘭姆位移是什么，以及解釋這一現(xiàn)象發(fā)生當前的模型。弗里曼·戴森很好地總結(jié)了這一現(xiàn)象的重要性：
以蘭姆位移為物理學(xué)中心討論的那些年，是我們這代物理學(xué)家的黃金年代。人們都剛剛見證到這小小的位移，蘭姆位移既難琢磨又難測量，我們對于粒子和場的思想正亟待更新。
1940年代時的氫原子模型是狄拉克方程建立的，由一個質(zhì)子和一個電子相互吸引的庫侖勢組成。狄拉克方程描述了寬泛的一類被稱為費米子的粒子行為，電子也是其中的一種。物理學(xué)家們以為已經(jīng)通過狄拉克方程對氫原子能級有了很好的理解——直到威利斯·蘭姆的一個實驗打破了一切。
1947年，蘭姆-盧瑟福實驗出現(xiàn)了一個異常結(jié)果——在和兩個量子能級有著輕微的能量差異！這是怎么一回事呢？狄拉克方程預(yù)測這兩個量子態(tài)的能量應(yīng)該是一樣的。
下面的圖像展示了能量劈裂的性質(zhì)。左邊的能級分布是狄拉克方程所預(yù)測的，右邊的則是實驗中觀察到的。左側(cè)中間的那條線表示的是和兩個能級，狄拉克方程預(yù)測兩者的能量相同。然而，蘭姆的實驗發(fā)現(xiàn)這個能量發(fā)現(xiàn)這個能級分裂成了兩個，像右圖所示的那樣，能級對應(yīng)的能量更低，雖然差別很小。換句話說，這個現(xiàn)象是新的物理學(xué)內(nèi)容。
蘭姆測量出的能量差值在1028MHz左右，蘭姆位移的發(fā)現(xiàn)讓他贏得了1955年的諾貝爾物理學(xué)獎。
蘭姆位移顯示出了狄拉克方程在精細的時候是不夠完善的，細微的能級差暗示了物理學(xué)家還有一些內(nèi)容必須補充。狄拉克方程這里沒有考慮到的，是物理學(xué)家后來發(fā)現(xiàn)的真空漲落（vacuum fluctuation），是電子周圍空間，或者說真空中可以測量的細微變化。
真空中的兩個金屬盤之間會存在一種神秘的現(xiàn)象，它們會有相互吸引力，叫做卡西米爾效應(yīng)（Casimir effect），狄拉克時期這個力還不能被解釋。由于真空中單獨兩個金屬盤之間產(chǎn)生微小力的實驗可以重復(fù)，這使得卡西米爾力變得既神秘、又無可爭議。
對于這個現(xiàn)象有著可能的解釋模型。物理學(xué)家計算出真空中兩個金屬板之間可以儲存連續(xù)變大的能量，甚至可以爆炸增長至無窮高的值。由于能量本身并不是一個可觀測量，所以物理學(xué)家通過規(guī)范數(shù)學(xué)來認為，無窮高的能量可以從兩板之間“泄露”出來。如果這樣做會發(fā)現(xiàn)，有些量會憑空產(chǎn)生，其中之一便是卡西米爾力。由于這個力看上去像是從真空中憑空產(chǎn)生，因而我們通常把這個力認為是一種真空漲落。
當前對于真空漲落的理論是說微小粒子在其自身空間中不斷地產(chǎn)生和湮滅，這個說法現(xiàn)在仍有爭議。在之前，人們一直以為真空中不存在什么激動人心的事情。但卡西米爾效應(yīng)打破了這一認知，現(xiàn)代量子場論認為真空本身就是高度活躍的，粒子和反粒子的產(chǎn)生導(dǎo)致了微量的能量變化。
為了深入理解這個問題，想象一下真空空間，在隨機的一點產(chǎn)生了一個正粒子和反粒子，在產(chǎn)生的一瞬間它們又立刻碰撞湮滅了。這樣微小的波動不斷發(fā)生在真空當中，造成了實驗觀測的力在微小的量子水平的修正。
上面的圖片展示了電磁場下發(fā)生的事件階段，一個虛電子和其反粒子（也就是正電子），在一瞬間產(chǎn)生又湮滅。下面的動畫就是在量子色動力學(xué)場背景下真空漲落的示意圖。量子色動力學(xué)的理論一般用來描述夸克之間的聯(lián)系。
電子的情況是一樣的，當電子被原子核內(nèi)質(zhì)子吸引，粒子會與電磁場發(fā)生相互作用。狄拉克很好地解釋了這個的發(fā)生，但是卻不能解釋真空漲落略微改變相互作用的本質(zhì)。
為了讓解釋更簡單些，我們先考慮兩個電子互斥的情形。我們該如何描述其中的相互作用呢？現(xiàn)在最可靠的電磁理論模型叫做“量子電動力學(xué)”（quantum electrodynamics），將力模擬為虛粒子的性質(zhì)。這些虛粒子被叫做“虛光子”（virtual photon），當兩個帶電粒子之間產(chǎn)生電磁力時，它們之間會交換一個虛光子，從而產(chǎn)生運動。無論是粒子之間相互吸引還是排斥，都會進行光子交換。
為了計算和示意其中的作用，我們用費曼圖來展示。
從左至右來理解這張費曼圖：左邊有兩個電子相互靠近，各帶一個負電荷。交換虛光子的過程用綠色部分展示，這是產(chǎn)生排斥力的原因。于是兩者像右側(cè)所示那樣向外散開。費曼圖不僅僅是一個有用的工具，每張費曼圖都可以清晰地展示物理學(xué)家計算作用強度和形態(tài)的一系列數(shù)學(xué)規(guī)則。
先不仔細考慮數(shù)學(xué)規(guī)則，這張費曼圖表示的其實就是庫侖力！
目前為止，這個模型還沒有涉及真空漲落，只是重現(xiàn)了蘭姆位移觀測前的已知的結(jié)果。但蘭姆位移則需要在上面的基礎(chǔ)上再加一些圖來解釋。
當時物理學(xué)家們意識到這個現(xiàn)象需要考慮到真空漲落。正如我之前提到的，漲落的形式以粒子和反粒子迅速產(chǎn)生湮滅為過程，它們必須成對存在來保證一些量（比如說電荷量）守恒。
自然，我們需要添加些圖來考慮這個過程。如上圖所示，第一幅圖基于已經(jīng)考慮到的基本模型，接下來的兩幅考慮了真空漲落。第二幅圖中，交換光子的過程產(chǎn)生了一個電子-正電子對，又湮滅成一個光子，之后斥力產(chǎn)生；第三幅圖中，光子產(chǎn)生電子-正電子對、湮滅成光子、產(chǎn)生另一對、然后再次湮滅！
重要的是，這個新的過程只會產(chǎn)生很小但是很關(guān)鍵的效應(yīng)。比如說第二幅圖是一個真空極化圖，因為這個小波動很像磁鐵的南北極。
這些圖的準確描述需要經(jīng)過大量的物理和數(shù)學(xué)培訓(xùn)，其中的任務(wù)艱巨而乏味。跳過這些數(shù)學(xué)計算，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，修正后的勢長得和庫侖勢非常相似，只是多了個小修正：
第二項這個修正項被稱為Uehling項，通過微擾理論，可以推出和能級的確會劈裂成兩條！拓展標準數(shù)學(xué)來包含這些真空效應(yīng)的過程被稱為重整化。
希望這篇文章給大家?guī)砹艘还?jié)量子場論和真空神奇現(xiàn)象的解密課程。
[1] G Aruldhas (2009). “§15.15 Lamb Shift”. Quantum Mechanics (2nd ed.). Prentice-Hall of India Pvt. Ltd. p. 404. ISBN 978–81–203–3635–3
[2]https://www.scientificamerican.com/article/are-virtual-particles-rea/
作者：Afiq Hatta
翻譯：zhenni
審校：C&C
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