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兰姆移位

在1947年,Lamb和Retherford用射频波谱的方法发现氢原子的2S(1/2)和2P(1/2)能级并不是吻合,而是存在着一个能级差,这个就是著名的兰姆移位(Lamb shift)。兰姆本人也因为这次精彩加精密的测量而荣获1955年诺贝尔物理学奖。

显示氢原子和类氢离子能级不完全精确符合量子力学理论计算结果的重要实验事实。量子力学得出氢原子和类氢离子的能级是l简并的,例如 22P1/2和 22S1/2的能级是重合的,22D3/2和 22P3/2的能级是重合的。20世纪30年代已有人从氢光谱精细结构的精密测量中发现,理论和实验有微小的不能归之于实验误差的差异。1947年W.E.兰姆和R.C.雷瑟福用微波波谱方法测得22S1/2态比22P1/2态高出3.3米-1。兰姆移位的发现推动了量子电动力学的发展,同年H.A.贝特用量子电动力学的重正化方法计算了兰姆移位。兰姆移位的理论计算和实验测量不断得到改进,两者始终精准符合。兰姆移位和电子反常磁矩以及μ子反常磁矩的实验构成量子电动力学三大实验支柱。

如果一位教授了多年实验课的老先生有一天突然看到学生递上来的一份实验报告,上面的测量数据是0.001159652188(4)。他开始一定是一笑付之。如果他打开书本查到这个数据的理论值是0.001159652133(29),一定会气得暴跳如雷,编造数据则真的是迹近无耻了!何况这个误差范围竟然在10^(-10)以内(一百亿分之一)。

然而遗憾的是,他眼前的数据都是确凿无疑的,因为他面对的这个理论是人类有史以来最精确的理论量子电动力学。 [1]

事情还得从头说起,量子力学和狭义相对论的建立以后,人们一直试图把这两朵奇葩统一到一起。经过多番努力,这一伟业终于在大物理学家狄拉克(Dirac)手中完成。著名的Dirac方程就是狭义相对论性的量子力学波动方程,它成功的解释了诸如氢原子能级分裂的问题。Dirac指出,氢原子的2S(1/2)和2P(1/2)两个能级事实上是一样的,这个也为当时的实验所证实。看上去一切都结束了,然而上帝又一次和人类开了个玩笑。

这个玩笑就是著名的兰姆移位(Lamb shift)实验。二战结束后,实验上的微波技术得到了极大的发展。。在1947年,Lamb和Retherford用射频波谱的方法终于发现氢原子的2S(1/2)和2P(1/2)能级并不是吻合,而是存在着一个能级差,这个就是著名的兰姆移位。兰姆本人也因为这次精彩加精密的测量而荣获1955年诺贝尔物理学奖。

这个实验给当时的人们几乎是灾难性的打击,然而顽强的物理学家们痛定思痛,终于萌生了量子电动力学的念头。这个号称有史以来最精确的理论一出世就是一个怪胎,其一是它在数学上的计算繁复不堪,失去了物理学传说中的简洁美。连玻尔都十分的不以为然,他的口号是,我不相信上帝会把它的面貌这样复杂地描述给我们听。老玻尔始终还是沉浸在量子力学“简明”的数学美感之中。其二是它采用的数学方法说白了就是类似级数一级级的展开,这个被很多崇尚解析的数学家视为极度异端,因为起码连展开的收敛性无法保证。三,它自身也无法自圆其说,数学家的担忧不是没有道理,著名的红外发散就是一个无法克服的障碍。 [2]

终于有勇士解决了这个问题。J.Schwinger,16岁就成为物理学家的神童,数学上的任何技术问题都可以轻易克服。他用无比繁复的形式对量子电动力学做了解说,其中引入了著名的重正化方案(Renomalization)来克服发散。 R.Feynman,另一个天才性传奇人物,他用无比简单的图论方法对量子电动力学做了说明,这个就是著名的费曼图(Feynman Diagram)。当人们试图努力把这两位天才的思想融和到一起的时候,另一个惊人的消息从遥远的日本传来,物理学家朝永振一郎(Sin-Itiro Tomonaga)在完全独立的情况下自创了第三种对量子电动力学的解读方案,而且好像也是正确的。这次人们算是彻底昏倒,好在我们这个星球上天才从来不缺,美国人Dyson终于以神话般的技艺证实这三种说法是等价的。终于在1965年,J.Schwinger,Feynman和朝永三人共享当年的诺贝尔物理奖。

量子电动力学的成功是空前的,它标志着电子和光子被人类彻底征服。1900年就发现的著名的阴极射线电子到此为止没有任何秘密而言,它的一切秘密都被人类所掌控。

开头提到的数据就和电子最隐私的个人数据g因子相关。(测量的是a,a=(|g|-2)/2)。

实验的精度达到百亿分之一,可是所有物理学家都顽固地相信,这个误差始终还是出在实验那边的。这也是人类强大自信心的表现吧。

兰姆移位实验,直接促使了量子电动力学的诞生,足可进入十大物理实验的排名

现代量子光学技术使得兰姆位移得到很大的发展。


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