?新物理的魅影？浅谈缪子g-2实验磁矩——旋转的带电陀螺自旋的故事量子效应与QED的胜利缪子是谁？缪子反常磁矩的测量“5个σ”的意义新物理还是其他？展望( 二 ) _小知识

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图3. 左边的是莱顿大学硕士、荷兰驻罗马大使小儿子的私人教师，著名物理学家埃伦费斯特的学生 George Eugène Uhlenbeck （1900/12/06-1988/10/31）；右边略萌的是被朋友们称为山姆的 Samuel Abraham Goudsmit（1902/07/11-1978/12/04）。
光谱这个词儿，听起来很高大上。实际上人类在生产生活中利用光谱的历史十分悠久。成书于春秋战国时期的《周礼 · 考工记》中曾有记载：“黑浊之气竭，黄白次之；黄白之气竭，青白次之；青白之气竭，青气次之，然后可铸也。”这段话说的，正是古代青铜冶炼技术中，根据火焰的颜色判断炉温高低的方法。自从牛爵爷用三棱镜将不同颜色的光分开，物理学家开始可以按照不同频率的光所占的比例研究发光体的性质。慢慢的，人们发现，单一元素的发光是有选择性的，它们只会发出或者吸收特定频率的光。在十九世纪后半叶和二十世纪初，光谱学是物理学家研究物质微观结构的重要手段。复杂而有选择性的光谱特征，暗示着发光体具有更精细的微观结构。
图4. 氢原子光谱。
波尔的氢原子模型，通过引入量子化轨道的概念，成功地解释了氢原子光谱。但是随着物理学家对氢原子光谱的观测越来越精确，实验中看到的一些光谱结构已经无法用波尔的模型解释。从 1913 到 1925 年的 12 年间，物理学家们尝试将波尔的旧量子论与爱因斯坦的狭义相对论结合起来解释这些“精细结构” 。乌伦贝克和古施密特的工作，就是其中之一。在他们的八月文章发表两个月后，1925 年 10 月 17 日，二人再度合作，赋予了八月文章中手放的常数 1/2 一个直观的物理意义：“绕核运动的电子，在不停的自转，这个 1/2 反映了电子自转的角动量。”
电子的“自转”，被称为自旋（spin），由自旋导致的角动量，称为电子的自旋角动量（用来与电子绕着原子核公转的角动量——称为轨道角动量——相区分）。人们很快发现，把电子看做一个不停自转的小球这种经典力学的图像尽管直观，但必定是错误的。它会带来电子表面线速度远超光速等等荒谬的结果，而且也没人能让它停下来不转或者转得更快。电子的自旋，是狭义相对论时空对称性与对世界的量子描述相结合的必然产物，不是宏观物体的一种机械运动。正确理解电子自旋的起源，必须用到相对论性量子场论。但是在我们的这篇小文中，姑且把它直观地想成一个自转的小球，仍然可以帮助我们理解一些问题。只要你记得这样做严格讲是有问题的就好。

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其中 m 是电子质量，e 是单位电荷电量（也就是电子的电量），比例系数被称为电子的朗德（Landé）g 因子。这个 2，与天才物理学家狄拉克写下的相对论性电子运动满足的量子力学方程——狄拉克方程给出预言完全一致。没错，实验组测量的所谓 “g-2”，正是朗德 g 因子与 2 的差异。
朗德 g 因子不是被狄拉克方程认定为 2 吗，为什么又有差异了？

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图5. 电子自旋与磁矩。
量子效应与QED的胜利二十世纪的前三十年，是理论物理学的革命时期，可谓“遍地是黄金” 。1925 到1926 年间量子力学的建立，无疑是其中最重要的成果之一。从此之后，物理学家在面对量子效应的时候，终于摆脱了自波尔的旧量子论以来半经典、半人为的处理方法，有了一个理论框架。然而薛定谔的量子力学波动方程，并没有考虑二十世纪初物理学的另一大发现，相对论。这不是因为他不想（他肯定不傻），而是因为简单的结合给出与实验相矛盾的结果，于是只好退而求其次。
但是人们面临的问题是，要解决经典原子模型中核外电子圆周运动产生电磁辐射导致能量损失最终使得原子不稳定这一疑难，必须量子化地考虑电磁场。而电磁场满足的经典运动方程就是相对论性的，不存在非相对论量子电动力学。因此，早在量子力学建立的同一年，物理学家们就开始构建一个更宏大的理论框架——相对论性量子场论。
在量子力学中，今天最广为人知的量子效应可能就是不确定性关系（也叫测不准原理），最简化的版本就是说，人们永远无法同时确切地确定和言说一个遵循量子力学运动规律的粒子的动量和位置。在量子场论中，量子效应深入到时空的每一点。不仅对于一个粒子，存在不确定性关系，由于空间中存在包括电磁场在内的各种场，这些场在时空中每一点的状态和动量，也要服从不确定性关系。所以在时空中的每一点，各种量子场都在不确定性关系的指导下，发生所谓的“量子涨落” 。场可以赊账，借来能量E产生它的激发——粒子，只要在满足不确定性关系给出最短时间t以内再把这些能量还回去，就不会有任何实际上破坏能量守恒定律的事情被观测到。这样的过程，被称为“虚过程”，我们可以脑补真空中的各种场，实际上无时无刻不在发生这些虚过程。

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