6电磁质量量子化认识过程简要回顾.doc

6、 电磁质量量子化认识过程简要回顾 物理学的发展与人类社会的发展背景密切相关，也同样充满着新与旧，正确与错误甚至是水火不容的斗争。物理理论的逐步完善符合个别到一般，一般到个别，实验——认识——再实验——再认识的规律。 1、电荷的量子化 关于电荷不是无限可分的，而是以离散的单位存在的第一个实验证据是法拉第得到的。法拉第于1833年发现电解定律，即当电流通过导电的化合物溶液时，在一定时间内电极上释放出来的物质质量，与电量成正比、与物质的化学价成反比。对此法拉第认为，在电解过程中导电溶液的原子或原子团都携带一定的电荷，带电的原子或原子团称为离子；电解时，正离子朝阴极运动，负离子朝阳极运动；在电极上，正负离子转变成中性原子（或根）被释放出来，或参与第二次反应。 电解定律暗示存在电荷的基本单位，正如亥姆霍兹所指出的那样：“如果我们假说化学元素原子是存在的，就不得不得出这样的一个推理，电荷无论正负都是由基本电荷组成的，基本电荷的行为类似于电的原子”。然而，在法拉第试验的年代，电荷以离散的单元而存在的概念，似乎与来自其他的电学现象（如金属导电实验中显示出电流的连续性）不完全符合。因此，法拉第等都只是勉强地接受这个概念。事实上，电荷的“自然单位”存在的假设，只是到1874年才由斯托里提出。 对电荷本质具有决定意义的是关于气体导电的研究。随着“盖斯勒真空管”的发明，于1859年开始真空放电研究，对于阴极管壁上产生的辉光，认为是阴极上所产生的某种射线射到玻璃上引起的，称之为“阴极射线”。对于“阴极射线”的本质，存在“带负电的粒子流”和“电磁波”两种观点，后来的实验不断否定“电磁波”的看法，特别是伦琴于1895年发现了X射线，为揭示阴极射线的粒子性提供了一定的证据。 对电子发现作出重大贡献的是英国物理学家J·J·汤姆孙。他首先通过实验发现了阴极射线不仅可被磁场偏转，也能被电场偏转，从而断定这是一种带负电的粒子；其次，他测定了这种荷电粒子的荷质比，其值比氢离子荷质比大1000多倍；他还发现，阴极射线的荷质比与放电管中的气体和电极材料均无关。由此，汤姆孙于1897年4月在英国皇家学院的一次讨论会上宣布：阴极射线是一种带负电的粒子。后来，人们普遍采用斯托里对阴极射线的称呼“电子”。 在确定电子的荷质比之后，汤姆孙和他的学生试图直接精确测量电子的电荷，结果却失败了。1909年，美国物理学家密立根通过油滴实验，精确测定了电子的电荷。 1927年首先实现的。他把电磁场分解成无穷多种振动方式的迭加。然后把每一种振动方式仿照海森堡的做法进行量子化，使其能量取一系列分立的数值。频率为ω的振动方式受到激发，跳到高一个能级，就相应于产生了一个频率为ω的光子。激发消失时，该振动方式跳回到原来的能级意味着一个光子的湮灭。1928 年约当和维格纳(E.Wigner)引入了电子场的概念，认为狄拉克提出的电子的相对论量子力学方程，实际上是电子场的运动方程。他们仿照电磁场量子化的方式，建立起了电子场的量子化理论。电子场的激发相应于电子的产生、电子场激发的消失相应于电子的湮灭。电磁场是矢量场，由它经过量子化得到的光子是自旋为1 的粒子。而电子场是旋量场，量子化后得到的电子是自旋为1／2 的粒子。这两种粒子遵从很不相同的统计物理规律。光子是玻色子，而电子是费米子。此外，电子场的量子化还自然地导致两种粒子出现，即除了电子之外，还有它的反粒子-正电子。光子的反粒子就是它自己。1929 年，海森堡和泡利进一步研究了电子与电磁场之间相互作用的量子理论。对应经典电动力学，通常人们把这种理论称之为量子电动力学或QED。在QED 中，电子以电流的形式与电磁场相耦合。电子之间的相互作用过程都可以看成电流之间通过电磁场为媒介发生耦合。 《量子力学》认为两个电荷之间通过交换“虚光子”作用的，即加速运动的电荷向外辐射出“虚光子”（能量为零的光子）。这也证明，加速运动的电荷不辐射能量。《电动力学》当然知道其中的困难，并把这称为“自身的局限性”，但又无法抛弃这个观点（即加速运动的电荷向外发射能量），这是因为，如果抛弃这个观点的话，它将面临一个更大的困难—电磁波是如何产生的呢！物理发展到分析力学的阶段，最小作用量原理和欧拉-拉格朗日方程，哈密顿方程逐渐升起，经过普朗克写出狭义相对论的拉氏量，希尔伯特写出广义相对论的拉氏量后，占据了主要位置。其中，欧拉-拉格朗日方程广义坐标，广义速度是关键变量。量子场论的出发点，就是把波函数算符化，作为广义坐标和广义速度，构建拉氏密度。这个是波恩，约当等为了量子化电磁场而开始的。因为电磁场是连续变量。后来对狄拉克方程的研究，特别是兰姆位移的出现，导致了费米子场的量子化。总结发现，拉氏