量子电动力学讲义

内容概要

理查德•菲利浦斯•费曼（1918－1988），著名美国物理学家，加州理工学院物理系教授，诺贝尔物理学奖得主。

1918年5月11日，费曼出生于纽约市皇后区。童年时，费曼接受了来自父亲的科学启蒙教育，父亲所启发的思考方式影响了费曼的一生。高中毕业后进入麻省理工学院学习，并于1939年获得学士学位。随后进入普林斯顿大学念研究生，师从约翰•惠勒，1942年获得理论物理学博士学位。1943年进入洛斯阿拉莫斯国家实验室，参与了曼哈顿计划。1945年费曼开始在康奈尔大学任教，1951年转入加州理工学院。在加州理工学院期间，因其幽默生动、不拘一格的讲课风格深受学生欢迎。1963年出版《费曼物理学讲义》。1965年，费曼因在量子电动力学方面的贡献与施温格、朝永振一郎共同获得诺贝尔物理学奖。1972年获得奥斯特教学奖章。1986年，费曼受委托调查挑战者号航天飞机失事事件。1988年2月15日，费曼因腹膜癌于加州洛杉矶与世长辞。

在学生时期，费曼就表现出了不凡的研究能力。他的大学毕业论文题目是《分子中的力》，在这篇论文中，他提出了费曼-海尔曼定理。在整个科研生涯中，费曼在物理学的大部分领域都有建树。其最大的学术成就在于量子电动力学，这方面的研究使他获得了诺贝尔奖。他在这一领域做出了两项重大贡献：一是路径积分形式，这种形式从经典力学中的最小作用量原理延伸出来，通过“对历史求和”来处理量子力学问题，这是有别于薛定谔的波动力学及海森伯的矩阵力学的第三种量子力学形式；二是费曼图，这一工具大大简化了量子场论的计算。费曼的研究工作还包括：低温下液氦的超流动性理论；弱相互作用的V-A理论；强相互作用的部分子理论等。

费曼不仅是一位顶尖的科学家，同时也是一名优秀的教师。费曼非常热爱教学工作，他曾写道：“我不相信，如果不教书我还能过得下去……教学和学生使我的生命得以延续。如果有人给我创造一个很好的环境，但是我不能教学的话，那我永远不会接受它，永远不会。” 20世纪60年代初，美国一些理工科大学鉴于当时的大学基础物理教学与现代科学技术的发展不相适应，纷纷试行教学改革。在这个背景下，费曼参与了加州理工大学基础物理的改革尝试。他从1961年9月到1963年5月，作了跨越两个学年的有关基础物理学的演讲。他的演讲经过莱顿和桑兹的整理以后，出版了一套《费曼物理学讲义》。《科学美国人》这样赞誉这套书：“尽管这套教材深奥难懂，但是它的内容丰富而且富有启发性……它已经成为讲师、教授和低年级优秀学生的学习指南。”除了《费曼物理学讲义》之外，费曼还有许多优秀的著述，包括：《量子力学与路径积分》《量子电动力学讲义》《基础过程理论讲义》《统计力学讲义》《光子-强子相互作用》《引力学讲义》《计算讲义》等。这些书无不有鲜明的“费曼风格”，即对基本概念、定理和定律的讲解生动清晰、通俗易懂，而且特别注重从物理上作出深刻的叙述，反映了费曼自己以及其他在前沿研究领域工作的物理学家所通常采用的分析和处理方法。无论对于学生还是教师，这些书都有着极大的参考价值。

费曼被认为是20世纪诞生于美国的最伟大的物理学家，一个独辟蹊径的思考者，超乎寻常的教师，尽善尽美的演员，一个热爱生活和自然的人。费曼的一生多彩多姿，他不仅对理论物理学做出了巨大贡献，同时还是一位探险者、鼓手、艺术家和玛雅文专家。

书籍目录

序

—、光与物质的相互作用——量子电动力学

第1讲

Fermi方法的讨论

第2讲

量子电动力学规则

第3讲

第4讲

光的吸收

第5讲

偶极近似中的选择定则

第6讲

辐射平衡

光散射

自能

二、狭义相对论基本原理及主要结论概述

第7讲

第8讲

真空中Maxwell方程的解

相对论粒子力学

三、相对论波动方程

第9讲

单位

Klein—Gorclon、Pauli方程和Dirac方程

第10讲

□矩阵代数

等价变换

相对论不变性

Dirac方程的Hamilton形式

第11讲

Dirac方程的非相对论近似

第12讲

四、自由粒子Dirac方程的解

第13讲

运动电子自旋的定义

波函数归—化

第14讲

求矩阵元的方法

负能态的解释

五、量子电动力学中的势问题

第15讲

正负电子对产生及其湮没

能量守恒

传播子

第16讲

传播子K+(2，1)的应用

跃迁概率

Coulomb势对电子的散射

第17讲

自由粒子传播子的计算

第18讲

动量表象

六、粒子与光相互作用的相对论处理

第19讲

原子辐射

原子中电子对□射线的散射

关于末态密度的补充

ComDton辐射

第20讲

第21讲

正负电子对湮没为双光子

第22讲

静止正电子湮没

轫致辐射

正负电子对产生

第23讲

矩阵元对自旋态求和的方法

原子中CouloIIlb场的屏蔽效应

第24讲

七、几个电子的相互作用

第25讲

量子电动力学“规则”的推导

电子—电子散射

八、某些修正项的解释与讨论

第26讲

电子—电子相互作用

电子—正电子相互作用

电子偶素

电子之间，正电子之间或电子—正电子之间的双光子交换

第27讲

电子的自能

出现在量子电动力学中积分的积分法

第28讲

自能积分以及外势

在外场中的散射

第29讲

伪“红外灾难”的消除

第30讲

研究红外困难的另—途径

对原子中电子的影响

第31讲

封闭圈过程，真空极化

势对光的散射

九、Pauli原理和Dirac方程

A．附录

A．1 跃迁概率公式中的数值因子

A．2 正电子理论

A．3 量子电动力学的时空协变方法

作者简介

本书的材料, 基本上是1953 年在加利福尼亚理工学院开设的三学期量子力学课程中最后一学期课堂笔记的内容. 实际上, 中间一学期就讲授过一些光与物质相互作用的问题, 这些内容也收集在本书中, 作为前六讲. 从第七讲起,开始讲述相对论性理论.

本书的目的是, 以尽可能简单易懂的方式介绍量子电动力学的主要结果和计算过程. 有许多攻读实验物理学学位的学生, 并不打算继续研读更高深的理论物理研究生课程, 这门课就是为他们的需要而设置的. 我希望, 他们能够学会怎样计算光子过程的各种截面, 这些截面对于设计高能物理实验, 例如使用加利福尼亚理工学院迴旋加速器的实验, 是十分重要的. 因此, 本书没有涉及理论物理学家在处理更复杂的_ 介子和核子相互作用问题时要用到的许多量子电动力学内容. 也就是说, 书中没有讨论量子电动力学许多不同公式化体系之间的关系, 如场的算符表示, 也没有明显讨论S 矩阵性质等等. 在更高深的量子场论课程里会有这些内容的. 尽管如此, 本课程仍能自成体系. 这很像讲授Newton定律的课程, 即使删去了最小作用量原理或者Hamilton方程这样一些内容, 但从物理学角度来讲, 它仍能完整地讨论整个力学.

把初等量子力学和量子电动力学放在一门课程里只讲授一年, 这是一种试验. 这样做是基于这样的想法: 为了进入新的物理学领域, 学生必须牢固地掌握先前教学阶段的内容. 头两个学期安排的是普通量子力学, 采用Schiff的书作为主要参考书(删去了同量子电动力学有关的X, XII, XIII 和XIV 各章).不过, 为了能够顺利地讲授本课程后面的内容, 我们以式(15-3) 至(15-5) 所表述的方式, 对传播子理论和势散射作了详细介绍. 另一独特之点是将非相对论Pauli方程写成本书第4 页中的形式.

这次试验并不成功. 全部内容要一年讲完显得过多了.因此, 本书中有很多内容, 现在是放在上过整整一年量子力学研究生课程以后再来讲授.

本书是根据A. R. Hibbs 记录的原始笔记, 后经H. T. Yura 和E. R. Huggins编辑和修改整理而成的.

——R. 费曼

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