導讀：本章摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》。此文旨在幫助大家認識我們身處的世界。世界是确定的，但世界的确定性不是我們能把我的。

另一方面，狄拉克所發展的相對論量子力學是量子電動力學的前奏，狄拉克方程作為狹義相對論框架下量子力學的基本方程，所描述的電子等費米子的旋量場的正則量子化是由匈牙利-美國物理學家尤金·維格納和約爾當完成的。狄拉克方程所預言的粒子的産生和湮沒過程能用正則量子化的語言重新加以描述。

量子電動力學的研究在這時達到了頂峰，費曼所創造的費曼圖成為了研究相互作用場的微擾理論的基本工具，從費曼圖可直接導出粒子散射的S矩陣。

費曼圖中的内部連線對應着相互作用中交換的虛粒子的傳播子，連線相交的頂點對應着拉格朗日量中的相互作用項，入射和出射的線則對應初态和末态粒子的能量、動量和自旋。由此，量子電動力學成為了第一個能夠令人滿意地描述電子與反電子（旋量場）和光子（規範場）以及粒子産生和湮沒的量子理論。

量子電動力學是迄今為止建立的最精确的物理理論：量子電動力學的實驗驗證的主要方法是對精細結構常數的測量，至今在不同的測量方法中最精确的是測量電子的反常磁矩。量子電動力學中建立了電子的無量綱旋磁比（即朗德g因子）和精細結構常數的關系，磁場中電子的回旋頻率和它的自旋進動頻率的差值正比于朗德g因子。

從而将電子回旋軌道的量子化能量（朗道能級）的極高精度測量值和電子兩種可能的自旋方向的量子化能量相比較，就可從中測得電子自旋g因子，這項工作是由哈佛大學的物理學家于2006年完成的，實驗測得的g因子和理論值相比誤差僅為一萬億分之一，而進一步得到的精細結構常數和理論值的誤差僅為十億分之一。對裡德伯常量的測量到目前為止是精度僅次于測量反常磁矩的方法，但它的精确度仍要低一個數量級以上。

左圖為：戴維·格婁斯

量子電動力學之後是量子色動力學的發展，二十世紀五十年代氣泡室和火花室的發明，使實驗高能物理學家發現了一批種類數量龐大并仍在不斷增長的粒子——強子，種類如此繁多的一批粒子應當不會是基本粒子。

維格納和海森堡起初按電荷和同位旋對這些強子進行了分類，1953年美國物理學家默裡·蓋爾曼和日本物理學家西島和彥在分類時又考慮了奇異數。1961年，蓋爾曼和以色列物理學家尤瓦爾·奈曼進一步提出了強子分類的八重态模型。蓋爾曼和蘇聯物理學家喬治·茨威格于1963年修正了由日本物理學家坂田昌一早先提出的理論，并提出強子的分類情形可以用強子内部存在的具有三種味的更基本粒子——誇克來解釋。

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蘇聯物理學家尼古拉·博戈柳博夫和他的學生在1965年提出，對于由三個反對稱的（即具有同向自旋）奇誇克組成的Ω重子，由于這種情形違反泡利不相容原理，誇克應當具有一個另外的量子數。同樣的情形也出現在Δ 重子中，在誇克模型中它由三個反對稱的上誇克組成。同年，日本物理學家南部陽一郎等人分别獨立提出誇克應當具有一個額外的SU(3)規範對稱的自由度，這種自由度後來被稱作色荷。南部等人還進一步提出了傳遞誇克之間相互作用的媒介子模型，這種媒介子是一組八種色的規範玻色子：膠子。

實驗中對自由誇克的檢測總是以失敗告終，這使得蓋爾曼一再聲稱誇克隻是存在于數學上的結構，不代表真實的粒子；不過他的意思實際是指誇克是被禁閉的。費曼認為高能實驗已經證明了誇克是物理實在的粒子，并按他的習慣稱之為部分子。蓋爾曼和費曼的不同觀點在理論物理學界産生了深刻的分歧，費曼堅持認為誇克和其他粒子一樣具有位置和動量的分布，蓋爾曼則認為雖然特定的誇克電荷是可以定域化的，但誇克本身則有可能是無法定域化的。

美國物理學家詹姆斯·比約肯指出如果誇克真的像部分子那樣是實在的點粒子，則電子和質子的深度非彈性散射将滿足特定關系，這一實驗由斯坦福直線加速器中心于1968年證實。1973年，美國物理學家戴維·格婁斯和他的學生弗朗克·韋爾切克，以及美國物理學家休·波利策發現了強相互作用中的漸近自由性質，這使得物理學家能夠利用量子場論中的微擾方法對很多高能實驗作出相當精确的預言。1979年，德國電子加速器中心的正電子-電子串聯環形加速器（PETRA）發現了膠子存在的直接證據。

與高能下的漸進自由相對的是低能下的色禁閉：由于色荷之間的作用力不随距離增大而減小，現在普遍認為誇克和膠子永遠無法從強子中釋放。這一理論已經在格點量子色動力學的計算中被證實，但沒有數學上的嚴格分析。克雷數學研究所懸賞一百萬美元的“千禧年大獎難題”之一正是嚴格證明色禁閉的存在。

二十世紀二十年代，量子力學的建立給原子核物理帶來了嶄新的面貌。1932年密立根的學生卡爾·安德森在不了解狄拉克理論的情況下通過觀測雲室中的宇宙射線發現了正電子。

左圖為：歐内斯特·盧瑟福

同年，查德威克在盧瑟福提出的原子核内具有中子的假說的基礎上，在卡文迪許實驗室進行了一系列粒子撞擊實驗，并計算了相應粒子的能量。查德威克的實驗證實了原子核内中子的存在，并測定了中子的質量。中子的發現改變了原子核原有的質子-電子模型，維爾納·海森堡提出新的質子-中子模型，在這模型裡，除了氫原子核以外，所有原子核都是由質子與中子組成。

1934年，法國的約裡奧-居裡夫婦通過用放射性钋所産生的α射線轟擊硼、鎂、鋁等輕元素，會發射出很多粒子産物，盡管之後移開放射性钋，仍舊會繼續發射粒子産物，這個現象導緻了他們發現了人工放射性。

1934年，意大利物理學家恩裡科·費米在用中子轟擊當時已知的最重元素——92号元素鈾時，得到了一種半衰期為13分鐘的放射性元素，但它不屬于任何一種已知的重元素。費米等人懷疑它是一種未知的原子序數為93的超鈾元素，但在當時的條件下他無法做出判斷。同年，費米又通過用中子和氫核碰撞獲得了慢中子，慢中子的産生大大加強了中子在原子核實驗中的轟擊效果。

1938年德國化學家奧托·哈恩和弗裡茨·斯特拉斯曼用慢中子轟擊鈾，從中得到了較輕的元素：镧和鋇。哈恩将這一結果發信給當時受納粹迫害而流亡中的好友，奧利地-瑞典物理學家莉澤·邁特納，稱自己發現了一種“破裂”的現象。

邁特納次年在玻爾的肯定下發表了論文《中子導緻的鈾的裂體：一種新的核反應》，将這種現象稱作核裂變，并為裂變提供了理論上的解釋。

邁特納所用的解釋就是愛因斯坦的狹義相對論中的質能等價關系，從而解釋了裂變中産生的巨大能量的來源。她計算出每個裂變的原子核會釋放2億電子伏特的能量，這一理論解釋奠定了應用原子能的基礎。同年，德國-美國物理學家漢斯·貝特解釋了恒星内部的核聚變循環。

摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》

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