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當(dāng)詹姆斯·金斯（James Jeans）爵士宣稱“上帝是一位純粹的數(shù)學(xué)家！”時(shí),， 他指的是這樣一個(gè)事實(shí)：自然界大多數(shù)的基本過程都遵循著優(yōu)雅的數(shù)學(xué)關(guān)系,?？茖W(xué)之所以如此成功，是因?yàn)槔碚摽茖W(xué)家可以用數(shù)學(xué)做出預(yù)測,，而實(shí)驗(yàn)科學(xué)家可以檢驗(yàn)這些預(yù)測,。 這樣的例子有很多，比如：
除此之外，反物質(zhì),、無線電波,、希格斯玻色子等等都是非常成功的數(shù)學(xué)預(yù)測。 有時(shí)這些預(yù)測具有驚人的精確性,。物理理論的力量或許最成功地體現(xiàn)在對于電子自旋的預(yù)測上,。 很久以前法拉第就發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)產(chǎn)生磁場,；線圈中流動(dòng)的電流是電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ),。即使是靜止的電子也有磁場，因?yàn)樗械碾娮佣加凶孕?。就像每個(gè)電子都攜帶有相同的電荷一樣,，它們也有著相同的自旋量。這種內(nèi)秉的旋轉(zhuǎn)屬性將電子變成一個(gè)微小的磁鐵,。 物理學(xué)家自然想知道電子的磁性有多強(qiáng),。如果把電子看作是一個(gè)極小的旋轉(zhuǎn)球，計(jì)算就很容易,。但理論計(jì)算得出的電子自旋結(jié)果只有實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的一半,。 這種差異可以解釋為，電子的固有自旋與普通的旋轉(zhuǎn)不同,。為了說明這種區(qū)別,，可以想象有一個(gè)宇宙魔術(shù)師把地球顛倒了過來，要將地球再轉(zhuǎn)180度才能恢復(fù)正常,。一個(gè)360度的旋轉(zhuǎn)會(huì)使地球回復(fù)到初始狀態(tài),。這一切似乎很顯然。 但問題是,，如果把一個(gè)電子旋轉(zhuǎn)360度,，它不會(huì)回到初始狀態(tài)——要旋轉(zhuǎn)720度才可以。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家可以很容易地進(jìn)行一次這樣的實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)將電子旋轉(zhuǎn)兩圈的結(jié)果,。因此對于電子來說,，旋轉(zhuǎn)有著全然不同的意義,。由于電子要旋轉(zhuǎn)兩次才能回歸到初始狀態(tài)的奇怪需求，電子磁性的強(qiáng)度也同樣增加了一倍,。 上世紀(jì)20年代末,，一個(gè)簡單的方程優(yōu)雅地描述了這一切，這個(gè)方程被稱為狄拉克方程,。狄拉克通過將量子理論與相對論結(jié)合,，推導(dǎo)出了電子自旋的特殊幾何性質(zhì)。 ○ 在威斯敏斯特教堂,，我們可以看見優(yōu)雅而簡潔的狄拉克方程,。 然而，簡單的將2這個(gè)因子納入考量似乎并不正確,。因?yàn)?/span>嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y量結(jié)果表明,，電子的磁場比狄拉克方程預(yù)測的結(jié)果要大0.1%左右。因此,，解決這個(gè)差異是現(xiàn)代理論物理學(xué)的一大勝利,。 電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)射出光子，描述這個(gè)過程需要微觀世界的物理學(xué)——量子力學(xué),。量子力學(xué)神秘的規(guī)則允許電子發(fā)射光子到廣闊的世界,，并且允許電子在發(fā)射了一個(gè)光子之后，再迅速地將這個(gè)光子吸收,。那些在被吸收之前只能短暫存在的光子被稱為“虛”光子,，以區(qū)別于那些飛向遠(yuǎn)方的“真實(shí)”光子。 根據(jù)這種量子描述,，所有的電子都被包裹在一片虛光子云中,。這種虛光子云會(huì)導(dǎo)致真實(shí)的物理效應(yīng)（盡管很微弱），比如能略微改變電子的磁場,。 要計(jì)算到底改變了多少是極其困難的,。1948年，量子電動(dòng)力學(xué)（QED）的奠定人之一朱利安·施溫格（Julian Schwinger）第一個(gè)做出了嘗試,，他發(fā)現(xiàn)對于因子2來說，應(yīng)該有一個(gè)校正因子α/π,，其中α是所謂的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)——自然界另一個(gè)具有深刻內(nèi)涵的常數(shù),。它的值約為0.0023228，對解決理論與實(shí)驗(yàn)的不相符具有很大的幫助,。 ○ 在 ○ 在施溫格的名字上刻著α/2π,。| 圖片來源：Jacob Bourjaily/Wikipedia |
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