6　衰变　自旋　量子场论

我们已经在量子力学发展的过程中看到衰变和自旋在其中的桥梁作用。在非相对论量子力学方程中，自旋只能作为一个假设引入，而在把相对论和量子力学结合发展相对论量子力学方程的时候，自旋能够自然而然地包括在方程里面。这揭示相对论与粒子的自旋是密切相关的。相对论量子力学和量子场论之所以能成功地解释原子光谱和高能实验中的粒子规律，相对论的自旋本质起着决定性的作用。自旋是电磁相互作用的根本原因，自旋对洛仑兹变换保持不变是电磁规律对洛仑兹变换保持不变的根本原因。可见，洛仑兹变换反映的是自旋在相互作用中的规律。

我们可以从量子力学的整个发展过程中看到粒子自旋在量子力学中的作用和中心地位。1923年路易·德布罗意（Louis de Broglie）提出物质波的概念，人们才始注意到粒子的波动行为，这是量子力学的前奏。上面证明粒子的波动与自旋有关。1924年，玻色-爱因斯坦统计的建立，提出粒子全同性的思想及基新的统计规律。后来来证明电子遵循一种新的统计规律，费米-狄拉克统计，所有的粒子要么遵循费米-狄拉克统计，要么遵循玻色-爱因斯坦统计。虽然这两类粒子的基本属性很不相同，但都是由于粒子自旋能量的存在使粒子的能量分布背离玻耳兹曼统计规律。沃尔夫刚·泡利（Wolfgang Pauli）提出的不相容原理直接与电子的自旋有关。保尔·A·M·狄拉克（Paul A. M. Dirac）提出了相对论性的波动方程用来描述电子，阐明了电子的自旋，同时预测了反物质的存在。在此基础上，狄拉克提出电磁场的量子描述，建立了量子场论的基础。

在这段量子力学的发展史上，相关的主要物理学家展开了对粒子自旋这一关键性问题的争论[1]。1925年，Samuel Goudsmit和George Uhlenbeck提出电子自旋的概念，玻尔对此深表怀疑。10月玻尔乘火车前往荷兰的莱顿参加亨德里克·A·洛伦兹（Hendrik A. Lorentz）的50岁生日庆典，泡利在德国的汉堡碰到玻尔并探询玻尔对电子自旋可能性的看法；玻尔用他那著名的低调评价的语言回答说，自旋这一提议是“非常，非常有趣的”。后来，爱因斯坦和Paul Ehrenfest在莱顿碰到了玻尔并讨论了自旋。玻尔说明了自己的反对意见，但是爱因斯坦展示了自旋的一种方式并使玻尔成为自旋的支持者。在玻尔的返程中，遇到了更多的讨论者。当火车经过德国的哥挺根时，海森堡和约当接站并询问他的意见，泡利也特意从汉堡格赶到柏林接站。玻尔告诉他们自旋的发现是一重大进步。

1925年，玻恩，海森堡和约当发表了光的量子场论的初步想法，狄拉克于1926年也独自提出了一种新的场论，但直到40年代晚期量子场论才出现了实质的进展。理查德·费曼（Richard Feynman），朱利安·施温格（Julian Schwinger）和朝永振一郎（Sinitiro 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了锹拉克场论中的无穷大量。量子场论被认为是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观测值仅差2/1,000,000,000,000。量子场论是量子力学与狭义相对论相结合的结果，而自旋始终是它们成功的主线。（方程）