第657章 量子电动力学！终结电磁相互作用！一切之始！登峰造极！
在众人的震撼下，李奇维抛出了量子场论的第一个完美理论：量子电动力学。
真实历史上，量子电动力学的诞生，并非一帆风顺。
1926年，海森堡、玻恩、约尔旦三人，首先把电磁场看成无穷维的谐振子。
这种方法是海森堡在创造矩阵力学时曾用过的，只不过现在又应用在电磁场上。
然而，当三人把电磁场量子化后，却发现了一个问题：
“没有把电磁场与带电粒子的相互作用考虑进来。”
众所周知，场的概念被提出，就是为了描述“吸引力的方向和强度”。
如果不能计算相互作用，那这种量子化毫无意义。
甚至你完全可以通过某种手段，把时间、意识都给量子化了，只是纯粹的数学游戏，没有物理意义。
这是量子电动力学的第一个问题。
1927年，狄拉克天才般地提出了“正则量子化”的方法。
所谓的正则量子化，指的是对经典理论或概念进行量子化的一种数学方法。
“正则”这个词本来就源自于经典物理，表示理论中“一种特定的结构”。
这样的结构在量子理论中也被保留。
以场为例。
在经典场论中，场是时空的一个函数，描述了空间中每一点的场强度。
在量子力学中，这些场被量子化，成为作用在量子态上的算符】，相当于把结构改变了数学形式。
这个过程就是正则量子化。
正则量子化又称“二次量子化”，意思是它比传统的量子化更进一步。
想要彻底搞清楚正则量子化，需要的基础知识太多，这里我就不展开了。
狄拉克利用正则量子化，创造性地提出产生算符和湮灭算符。
如此一来，就能处理量子化后的电磁场和带电粒子的相互作用了。
普通的量子力学只能处理粒子数守恒的系统。
比如一个系统内有6个电子，经历一系列的变化后，还是6个电子。
普通量子力学可以精确地描述系统所经历的过程。
但是如果系统内最后只剩下了4个电子怎么办？
这时候，量子力学就无能为力了。
但是，狄拉克提出的算符可以解释。
产生算符可以描述粒子的产生过程，湮灭算符可以描述粒子的消失过程。
相信你已经看出来了，这就是正反物质的湮灭行为。
有了产生和湮灭算符的加持，狄拉克终于可以描述电磁场和带电粒子的种种行为。
比如：给电磁场输入能量，它就会激发出一对正反光子光子的反光子是其本身。
一个电子和反电子相遇后，就会湮灭成两个光子。
总之，这个新理论可以解释光子的发射和吸收、带电粒子的湮没、带电粒子间的散射、带电粒子与光子间的散射等等电磁相互作用的量子性质。
因此，狄拉克将它命名为量子电动力学。
但这时候，又产生了第二个问题。
光子是电磁场的激发产生的，那实物粒子，比如电子，又是怎么产生的呢？
狄拉克的量子电动力学只能描述正反电子的湮灭，却描述不了电子的产生。
19281934年这一段时期，维格纳、海森堡、泡利、费米等人，利用“反对易”的方法，把实物粒子也视为由某种对应的场量子化以后激发出来。
比如电子就是由电子场激发出来的。
对于电子场的数学描述，用的就是狄拉克的算符成果。
如此一来，借助量子的概念，物理学家终于把电磁波和粒子全都统一到了“场”这个概念下。
量子电动力学所体现的量子场论框架，轰动一时！
它是量子力学的更高版本，使得物理学家对于世界的认知更为深刻。
然而，好景不长。
很快，就有人发现，量子电动力学无法解释电子的反常磁矩和兰姆移位这两个电磁学难题。
理论预测结果和实验数据相差非常大。
接着，奥本海默找到了理论上的原因。
因为在微扰计算中，量子电动力学的高阶项会出现一些不可避免的无穷大发散现象。
这是量子电动力学的第三个问题。
很长一段时间内，都没有人能解决。
直到1950年，在前人的积累下，施温格、费曼、朝永振一郎等人建立了一套系统化消除高阶项发散的方法。
这就是大名鼎鼎的“重整化”。费曼图就是描述重整化的一种形象的图形方法。
量子电动力学经过重整化后，对于电子的反常磁矩和兰姆移位的预测结果，达到了难以想象的精度。
至此，量子电动力学成为一门无懈可击的理论。
而量子场论也正式成为可以描述所有微观现象的框架理论。
然而，好景又不长了。
随后物理学家们发现，量子场论有两个致命问题：
第一，描述弱相互作用的费米理论是不可重整化的。即，量子场论无法有效描述弱力。
第二，强相互作用无法做微扰计算。即，量子场论无法有效描述强力。
这可让当时的大佬们头疼了。
量子场论的核心精神就是万物皆是场。
四大四基本力，肯定都有自己对应的场，结果刚刚完美解决了电磁场，现在在弱力和强力上就遇到问题了。
量子场论又一次陷入危机。
直到一位华夏绝世天才：杨振宁，横空出世，事情迎来了转机。
1954年，杨振宁和米尔斯发表了震惊世界的“杨米尔斯方程”。
这是一种牛逼哄哄的数学方法，其核心是：u(1)群、su(2)群、su(3)群。
这三个群，简单理解，就是一种坐标系的变换。
只不过，这种变换不是发生在传统的欧几里得坐标系，而是一种更高维的坐标系。
u(1)是一阶变换，它只有一个参数变量所以u后面跟个1。
因此，u(1)可以描述传递电磁相互作用的光子。
这就是量子电动力学。
su(2)是二阶变换，一共有4个参数变量，但是其中一个是固定的，因此只有3个参数是独立的。
因此，su(2)可以描述传递弱相互作用中的3种玻色子即w+玻色子/w玻色子/z玻色子。
而把两者组合在一起，su(2)u(1)，就能同时描述光子和玻色子，把电磁力和弱力统一。
这就是电弱统一理论。
同理，su(3)是三阶变换，一共有9个参数变量，去掉一个固定的，剩下8个独立参数变量。
因此，su(3)可以描述传递强相互作用的8种胶子。
这就是量子色动力学。
最后，只要能把su(3)su(2)u(1)统一起来，那就是完成了三大力的统一。
怎么样，是不是很简单。
杨振宁的伟大，就在于他提出的这个数学框架。
在杨米尔斯方程的基础上，1960年到1964年，格拉肖和萨拉姆分别独立提出了电弱统一理论。
也就是所谓的su(2)u(1)。
注：在此之前，杨振宁和李政道提出的宇称不守恒，也是电弱统一重要的理论基础。所以杨老确实牛逼
但是他们的理论存在一个问题。
那就是根据杨米尔斯方程框架，这些传递相互作用的粒子应该都没有质量才对。
可是，除了光子和胶子没有质量，玻色子都是有质量的。