从法拉第与麦克斯韦到量子物理:电磁矢势的后续发展
自海森堡于整整一个世纪前的1925年提出量子力学以来,电磁场的量子化便成为量子理论奠基者们的重要目标——今天我们在此正是为了纪念这些先驱。人们很快意识到,要构建自洽的量子电动力学(QED)理论,不仅需要电磁场𝐀(𝐫,t)的量子化,电子场ψ(𝐫,t)的量子化同样不可或缺。如今电子场作为狄拉克旋量场,已成为矢量势的重要伙伴。这两个场共同构成了渴望统一的二重奏——这种统一性虽在教科书中鲜少强调,但其实现方法至今仍是未解之谜。其底层结构可能具有超对称性,使得玻色子与费米子能作为单一场和谐共存,并通过某种未知机制衍生出QED理论。该领域至今仍是研究前沿,衍生出超对称量子电动力学(SQED)、弦论等诸多分支。具有讽刺意味的是,出于种种原因,SQED中的场数量非但未能精简,反而需要增加,这与理论统一的简约目标背道而驰。此外,现今已知麦克斯韦理论并不完备——在某些涉及边界条件或拓扑结构的情况下,矢量势本身必须满足规范不变性。这同样是当前的重要研究课题,本文仅能做简要探讨。为增强论述的具象性,我们将展示詹尼森(1979)提出的若干新颖玩具模型,用以阐释如何仅通过纯光“创造”电子。尽管这些模型较为粗糙,但应参照麦克斯韦最初构建的光的“力学模型”来理解——正是这些粗糙模型引导他提出位移电流概念(其电磁理论的核心),详见Basil Mahon的论文[1]。我们还将揭示:利用手机等日常设备即可意外简便地实现QED机制(无需大型粒子加速器),物理学学子如今甚至能在自家厨房餐桌上进行QED实验!本文重温了海森堡、狄拉克和维格纳在1972年狄拉克七十岁诞辰的里雅斯特研讨会上的深刻洞见,并以关于引力波与量子力学的若干猜想作为结语。
