物理群星
朱利安·施温格 肖像

图:AIP Emilio Segrè Visual Archives, Segrè Collection(署名许可)

朱利安·施温格

Julian Schwinger

1918–1994 · 生于美国纽约 · 美国

量子力学粒子物理

与费曼同获一奖,走的却是完全相反的路——不画图,只算

诺贝尔物理学奖 1965 量子电动力学的基础性工作及其对基本粒子物理的深远影响

「别人发表,我才做完。」

—— 被问及为何论文总是姗姗来迟,据同事转述

1965 年的诺贝尔物理学奖由三个人分享:费曼、朝永振一郎、施温格。三人各自独立解决了同一个问题——如何在量子电动力学里把无穷大消掉——用的却是三条互不相通的路。

今天普通人知道费曼图,物理系学生学费曼图,而施温格的方法几乎只活在专业文献里。这不是因为他做得差,恰恰相反。

十六岁的第一篇论文

施温格生在纽约,父亲是服装设计师。他十六岁写出第一篇论文,十七岁转入哥伦比亚大学。

他有个毛病:不去上课。差点因此被开除,是拉比看到他的手稿后出面把他保了下来——拉比后来回忆,那份手稿的水平远在教这门课的人之上。二十一岁他拿到博士学位。

他也昼夜颠倒:习惯下午起床,通宵工作。哈佛后来为他把课排在傍晚。

雷达实验室

战时施温格没去洛斯阿拉莫斯,去了麻省理工的辐射实验室做雷达。他在那里处理的是波导——电磁波在金属管里怎么传播、遇到不连续处怎么散射。

这段经历决定了他后来的风格。雷达工程要求把复杂的场问题化成能算的等效电路,讲究系统、严整、可推广。他把同一套习惯带进了量子场论:不靠图像和直觉,而是从一条变分原理出发,一步步推出所有方程。

有意思的是,朝永振一郎战时也被派去做雷达磁控管,两人在完全隔绝的情况下各自形成了相近的形式化偏好。

1947 年的那个数字

1947 年 6 月的谢尔特岛会议上,兰姆报告了氢原子能级的微小偏差,拉比报告了氢原子超精细结构的一处反常——此后布赖特指出、库施与福利随即用实验测实,那意味着电子磁矩比狄拉克方程的预言略大。这两个数字必须由量子电动力学的高阶修正来解释,而高阶修正正是无穷大出现的地方。

施温格回去算了几个月,得出电子反常磁矩等于 α/2π≈0.00116\alpha/2\pi \approx 0.00116。这是量子电动力学第一个可信的高阶结果,与实验对上了。

1948 年初他在美国物理学会年会上做报告,讲了将近五个小时,听众挤满走廊。同年费曼在波科诺会议上展示他的图,听众一头雾水——因为那些图看起来像是凭空变出来的,没有推导。

1949 年戴森证明两套方法完全等价,而且费曼的更好算。此后教科书用费曼图。费曼后来说过一句大意如此的话:施温格的方法像是把家具搬上楼时先拆成零件再装回去,我的方法是直接抬上去。

七十三个博士

施温格二十九岁当上哈佛正教授。此后二十多年,他指导了七十三位博士生,其中四位后来获得诺贝尔奖——格拉肖、莫特尔森、科恩、格劳伯。

他的讲课在哈佛是传奇:不看讲稿,从头推到尾,黑板写得极其工整,一节课下来像一篇完成的论文。缺点是太完美——学生常常听懂了每一步,却学不会怎么自己找到那些步骤。

一个不体面的结尾

1989 年,庞斯与弗莱希曼宣布在常温下实现了核聚变。绝大多数物理学家很快断定那是实验错误。施温格不这么看——他认为固体中的多体效应可能提供某种未被考虑的机制,写了几篇论文投给《物理评论快报》。

稿子被退了。施温格随即退出美国物理学会,理由是同行评议正在扼杀异见。此后几年他继续发表冷聚变论文,学界基本不予理会。冷聚变至今没有被可重复地证实。

一个人在三十岁把量子电动力学从无穷大里救出来,在七十岁站到了主流的对面。他墓碑上刻的是 α/2π。

代表方程

电子反常磁矩

ae=g−22=α2π≈0.00116a_e = \frac{g-2}{2} = \frac{\alpha}{2\pi} \approx 0.00116

狄拉克方程说电子的 g 因子恰好是 2,实验测出略大一点点。施温格 1948 年算出这个偏差来自电子与真空中虚光子的相互作用。这个式子如今刻在他的墓碑上。

量子作用量原理

δW=δ ⁣∫ ⁣L d4x\delta W = \delta \!\int\! \mathcal{L}\, d^4x

他不用费曼那样的图,而是把整个量子场论建立在一条变分原理上,从中推出所有方程。形式极其严整,代价是别人很难跟上。

伟大发现