量子电动力学理论
胡良
关键词：光子，电子，量子电动力学
作者：总工，高工
1引言
量子电动力学（QED）的研究对象是电磁相互作用的量子性质(光子的发射及吸收)，带电粒子的产生及湮没，带电粒子间的散射及带电粒子与光子间的散射等。
在量子力学范围内，将带电粒子与电磁场相互作用当作微扰，来处理光的吸收和受激发射问题，但却不能处理光的自发射问题。如果把电磁场作为经典场看待，在发射光子以前根本不存在辐射场。原子中处于激发态的电子是量子力学中的定态，没有辐射场作为微扰，它就不会发生跃迁。而自发射是确定存在的事实，为了解释该现象并定量地给出它的发生几率，在量子力学中只能用变通的办法来处理。通常利用对应原理，把原子中处于激发态的电子看成是许多谐振子的总和，把产生辐射的振荡电流认定与量子力学的某些跃迁矩阵元相对应，用以计算自发射的跃迁几率。从这个处理办法可得到普朗克的辐射公式，以此反过来说明对应原理的处理是可行的。
为了解释兰姆位移，可引入重正化的概念。通过重正化的概念把发散量确切而不含混地归入电荷与质量的重新定义之中，从而使高阶近似的理论结果都不再包含发散。
发散量的处理利用了相对论协变性及规范不变性。新理论表述之所以能够作到确切地处理发散量，是因为从一开始就把理论表述严格地建立在相对论协变形式及规范不变要求的基础之上。对辐射场加以量子化，除了得到光子的波粒二象性的明确表述以外，还解决了上述矛盾。
电磁场在量子化以后，电场强度（E）和磁场强度（H）都成为算符。在没有光子存在的状态(它被称为是辐射场的真空态)中，E和H的平均值为零。但E与H的平均值不为零(否则均方;差就同时为零了)。这就是量子化辐射场的真空涨落。它与量子力学中谐振子的零点能十分类似。场在量子化以后，产生和湮没成为普遍的、基本的过程。因此在原子处于激发态时，虽然没有光子存在，电子仍能向低能态跃迁并产生光子。从辐射场量子理论的表述出发，可以计算各种带电粒子与电磁场相互作用基本过程的截面，例如，康普顿效应、光电效应、轫致辐射、电子对产生及电子对湮灭等。这些结果都是用微扰论方法取最低级不为零的近似得到的，与实验有较好的符合。但不论是那一种过程，计算高一级近似的结果时，一定遇到发散因难（得到无限大的结果）。
量子电动力学是一种规范场的理论。将电磁作用和弱作用统一起来是量子场论的一个重要发展阶段。电弱统一理论的标准模型以及描述强相互作用的量子色动力学都是属于规范场理论的范畴。它们的建立都从量子电动力学的理论及方法中得到借鉴和启示。从量子电动力学的研究中建立起来的重正化理论不仅用于粒子物理，而且对统计物理也是有用的工具。
从场的观点出发，经过量子化就得到了粒子图像:场的能量(动量)即分别是光子的能量(动量)的和。场量子化以后，代表场的电磁势就成为算符，它包含各个状态的光子的产生和湮没算符，以在理论中反映光子的发射和吸收。这就在理论中体现了波粒二象性。
量子化的电磁场具有一个重要的特点（真空涨落）。例如，由于真空涨落，不带电的平行板电容器极板间存在微弱的引力，而这点已由实验所证实。当然，最重要的例子还是氢原子能级的兰姆移位，这个效应是由于电子和电磁场的真空涨落相互作用造成的。
电子吸收（或发射一个光子）改变其运动状态；正电子吸收或发射一个光子之后改变其运动状态。一对光子转变为电子-正电子对。 电子-正电子对湮没为光子。
在相同的均匀介质中，光速总是相同的；假设，均匀介质的密度趋于零，光子在介质中的速度就趋于光速。根据量子三维常数理论，光子具有内禀的信号速度（光速）；光子内禀的信号速度（最大的信号速度）与参考系无关。
根据量子电动力学（QED）理论，电子是没有体积的。根据量子三维常理论（真正的大统一理论，电子是具有体积（空间荷）的。
2理想气体的内涵
理想气体状态方程（理想气体定律）是描述理想气体状态变化规律的方程。质量为m，摩尔质量为M的理想气体，
其状态参量压强p、体积V和绝对温度T之间的函数关系为：
E=pV=mRT/M=nRT;其中，
E，孤立量子体系的能量（内能），量纲，<[L^(3)T^(-1)]>>[L^(2)T^(-2)]<；
P，气体压强，量纲，>[L^(2)T^(-3)]<；
V，气体体积，量纲，<[L^(3)T^(0)]>；
N，气体的物质的量，单位为mol, 量纲，>[L^(0)T^(0)]<；
T，体系温度, 量纲，>[L^(2)T^(-3)]<；
R，气体常量（比例常数）, 量纲，<[L^(3)T^(0)]>。
对于混合理想气体，其压强p是各组成部分的分压强p1、 p2、……之和，故pV=（ p1+ p2+……）V=(n1+n2+……)RT，式中n1、n2、……是各组成部分的物质的量。
在压强为几个大气压以下时，各种实际气体近似遵循理想气体状态方程，压强越低，符合越好，在压强趋于零的极限下，严格遵循。
根据量子三维常数理论，理想气体就是只存在动能，而不存在势能（自由能）的孤立量子体系。
每一个粒子都具有温度（与粒子的动能有关），众多粒子组成的孤立量子体系的温度体现为统计学温度。每一个粒子都具有压强（与粒子的内能有关），众多粒子组成的孤立量子体系的压强体现为统计学压强。
理想气体状态方程是由研究低压下气体的行为导出的。但各气体在适用理想气体状态方程时多少有些偏差；压力越低，偏差越小，在极低压力下理想气体状态方程可较准确地描述气体的行为。极低的压力意味着分子之间的距离非常大，此时分子之间的相互作用非常小；又意味着分子本身所占的体积与此时气体所具有的非常大的体积相比可忽略不计，因而分子可近似被看作是没有体积的质点。于是从极低压力气体的行为触发，抽象提出理想气体的概念。理想气体在微观上具有分子之间无互相作用力和分子本身不占有体积的特征。
此外，气体分子之间的力体现为万有引力；液体分子之间的力体现为弱力；固体分子之间的力体现为强力。值得一注意的是，气体分子与液体分子之间的力；气体分子与固体分子之间的力；
液体分子与固体分子之间的力等具有完全不同的属性。凝聚态物理学的理论逻辑就是量子三维常数理论。 |
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