1925年,Bom, Heisenberg和 Jordan发表了光的量子场论的初步想法,但关键的一步是年轻且本不知名的物理学家 Dirac 于1926年独自提出的场论。 Dirac的理论有很多缺陷:难以克服的计算复杂性,预测出无限大量,并且显然和对应原理矛 盾 40年代晚期,量子场论出现了新的进展, Richard Feynman, Julian schwinger和 Sin-Itiro Tomonaga提出了量子电动力学 (缩写为QED)。他们通过重整化的办法回避无穷大量,其本质是通过减掉一个无穷大量来得到有限的结果。由于方程复 杂,无法找到精确解,所以通常用级数来得到近似解,不过级数项越来越难算。虽然级数项依次减小,但是总结果在某项后 开始增大,以至于近似过程失败。尽管存在这一危险,QED仍被列入物理学史上最成功的理论之一,用它预测电子和磁场 的作用强度与实验可靠值仅差2/1,00000 尽管QED取得了超凡的成功,它仍然充满谜团。对于虚空空间(真空),理论似乎提供了荒谬的看法,它表明真空不空 它到处充斥着小的电磁涨落。这些小的涨落是解释自发辐射的关键,并且,它们使原子能量和诸如电子等粒子的性质产生可 测量的变化。虽然QED是古怪的,但其有效性是为许多已有的最精确的实验所证实的。对于我们周围的低能世界,量子力 学已足够精确,但对于高能世界,相对论效应作用显著,需要更全面的处理办法,量子场论的创立调和了量子力学和狭义相 对论的矛盾。量子场论的杰出作用体现在它解释了与物质本质相关的一些最深刻的问题。它解释了为什么存在玻色子和费米 子这两类基本粒子,它们的性质与内稟自旋有何关系;它能描述粒子(包括光子,电子,正电子即反电子)是怎样产生和湮 灭的;它解释了量子力学中神秘的全同性,全同粒子是绝对相同的是因为它们来自于相同的基本场;它不仅解释了电子,还 解释了μ子,τ及其反粒子等轻子。OED是一个关于轻子的理论,它不能描述被称为强子的复杂粒子,它们包括质子、中子 和大量的介子。对于强子,提出了一个比QED更一般的理论,称为量子色动力学(QCD) QED和QCD之间存在很多类似:电子是原子的组成要素,夸克是强子的组成要素;在QED中,光子是传递带电粒子之间作 用的媒介,在QCD中,胶子是传递夸克之间作用的媒介。尽管QED和QCD之间存在很多对应点,它们仍有重大的区别 与轻子和光子不同,夸克和胶子永远被幽禁在强子内部,它们不能被解放出来孤立存在。 QED和QCD构成了大统一的标准模型的基石。标准模型成功地解释了现今所有的粒子实验,然而许多物理学家认为它是不 完备的,因为粒子的质量,电荷以及其它属性的数据还要来自实验;一个理想的理论应该能给出这一切。 今天,寻求对物质终极本性的理解成为重大科研的焦点,使人不自觉地想起创造量子力学那段狂热的奇迹般的日子,其成果 的影响将更加深远。现在必须努力寻求引力的量子描述,半个世纪的努力表明,QED的杰作-电磁场的量子化程序对于引 力场失效。问题是严重的,因为如果广义相对论和量子力学都成立的话,它们对于同一事件必须提供本质上相容的描述。在 我们周围世界中不会有任何矛盾,因为引力相对于电力来说是如此之弱以至于其量子效应可以忽略,经典描述足够完美;但 对于黑洞这样引力非常强的体系,我们没有可靠的办法预测其量子行为。 一个世纪以前,我们所理解的物理世界是经验性的;20世纪,量子力学给我们提供了—个物质和场的理论,它改变了我们的 世界;展望21世纪,量子力学将继续为所有的科学提供基本的观念和重要的工具。我们作这样自信的预测是因为量子力学为 我们周围的世界提供了精确的完整的理论;然而,今日物理学与1900年的物理学有很大的共同点:它仍旧保留了基本的经验 性,我们不能彻底预测组成物质的基本要素的属性,仍然需要测量它们。 或许,超弦理论是唯一被认为可以解释这一谜团的理论,它是量子场论的推广,通过有长度的物体取代诸如电子的点状物体 来消除所有的无穷大量。无论结果何如,从科学的黎明时期就开始的对自然的终极理解之梦将继续成为新知识的推动力。从 现在开始的一个世纪,不断地追寻这个梦,其结果将使我们所有的想象成为现实 本文作者:D. Kleppner&R. Jackiw1925 年， Born ， Heisenberg 和 Jordan 发表了光的量子场论的初步想法，但关键的一步是年轻且本不知名的物理学家 Dirac 于 1926 年独自提出的场论。 Dirac 的理论有很多缺陷：难以克服的计算复杂性，预测出无限大量，并且显然和对应原理矛 盾。 40 年代晚期，量子场论出现了新的进展， Richard Feynman ， Julian Schwinger 和 Sin-Itiro Tomonaga 提出了量子电动力学 （缩写为 QED ）。他们通过重整化的办法回避无穷大量，其本质是通过减掉一个无穷大量来得到有限的结果。由于方程复 杂，无法找到精确解，所以通常用级数来得到近似解，不过级数项越来越难算。虽然级数项依次减小，但是总结果在某项后 开始增大，以至于近似过程失败。尽管存在这一危险， QED 仍被列入物理学史上最成功的理论之一，用它预测电子和磁场 的作用强度与实验可靠值仅差 2/1,000,000,000,000 。 尽管 QED 取得了超凡的成功，它仍然充满谜团。对于虚空空间（真空），理论似乎提供了荒谬的看法，它表明真空不空， 它到处充斥着小的电磁涨落。这些小的涨落是解释自发辐射的关键，并且，它们使原子能量和诸如电子等粒子的性质产生可 测量的变化。虽然 QED 是古怪的，但其有效性是为许多已有的最精确的实验所证实的。对于我们周围的低能世界，量子力 学已足够精确，但对于高能世界，相对论效应作用显著，需要更全面的处理办法，量子场论的创立调和了量子力学和狭义相 对论的矛盾。量子场论的杰出作用体现在它解释了与物质本质相关的一些最深刻的问题。它解释了为什么存在玻色子和费米 子这两类基本粒子，它们的性质与内稟自旋有何关系；它能描述粒子（包括光子，电子，正电子即反电子）是怎样产生和湮 灭的；它解释了量子力学中神秘的全同性，全同粒子是绝对相同的是因为它们来自于相同的基本场；它不仅解释了电子，还 解释了μ子，τ子及其反粒子等轻子。 QED 是一个关于轻子的理论，它不能描述被称为强子的复杂粒子，它们包括质子、中子 和大量的介子。对于强子，提出了一个比 QED 更一般的理论，称为量子色动力学（ QCD ）。 QED 和 QCD 之间存在很多类似：电子是原子的组成要素，夸克是强子的组成要素；在 QED 中，光子是传递带电粒子之间作 用的媒介，在 QCD 中，胶子是传递夸克之间作用的媒介。尽管 QED 和 QCD 之间存在很多对应点，它们仍有重大的区别。 与轻子和光子不同，夸克和胶子永远被幽禁在强子内部，它们不能被解放出来孤立存在。 QED 和 QCD 构成了大统一的标准模型的基石。标准模型成功地解释了现今所有的粒子实验，然而许多物理学家认为它是不 完备的，因为粒子的质量，电荷以及其它属性的数据还要来自实验；一个理想的理论应该能给出这一切。 今天，寻求对物质终极本性的理解成为重大科研的焦点，使人不自觉地想起创造量子力学那段狂热的奇迹般的日子，其成果 的影响将更加深远。现在必须努力寻求引力的量子描述，半个世纪的努力表明， QED 的杰作 -- 电磁场的量子化程序对于引 力场失效。问题是严重的，因为如果广义相对论和量子力学都成立的话，它们对于同一事件必须提供本质上相容的描述。在 我们周围世界中不会有任何矛盾，因为引力相对于电力来说是如此之弱以至于其量子效应可以忽略，经典描述足够完美；但 对于黑洞这样引力非常强的体系，我们没有可靠的办法预测其量子行为。 一个世纪以前，我们所理解的物理世界是经验性的； 20 世纪，量子力学给我们提供了一个物质和场的理论，它改变了我们的 世界；展望 21 世纪，量子力学将继续为所有的科学提供基本的观念和重要的工具。我们作这样自信的预测是因为量子力学为 我们周围的世界提供了精确的完整的理论；然而，今日物理学与 1900 年的物理学有很大的共同点：它仍旧保留了基本的经验 性，我们不能彻底预测组成物质的基本要素的属性，仍然需要测量它们。 或许，超弦理论是唯一被认为可以解释这一谜团的理论，它是量子场论的推广，通过有长度的物体取代诸如电子的点状物体 来消除所有的无穷大量。无论结果何如，从科学的黎明时期就开始的对自然的终极理解之梦将继续成为新知识的推动力。从 现在开始的一个世纪，不断地追寻这个梦，其结果将使我们所有的想象成为现实。 本文作者： D. Kleppner & R. Jackiw