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20年代初期，物理学家已经知道原子是由正电荷和负电荷组成，并且正电荷和负电荷具有一定的量子化单位：质子和电子。他们还了解到，原子中有一个小核心，称为原子核，由质子和中子组成，电子围绕核心运动。他们还知道电子运动规律遵循波粒二象性，即电子可以表现为粒子或波。

然而，这个看似完美的理论仍然存在一些尚未解决的问题。例如，氢原子光谱的一些细微差别。氢原子只有一个电子，因此它的光谱应该很简单。但事实上，在氢原子的光谱中，有一些谱线是由两条非常接近的谱线组成的。这就是所谓的精细结构。物理学家试图用相对论效应来解释精细结构，但仍然不能完全同意实验结果。

1921年，康普顿提出了一个大胆的假设：或许电子不仅有轨道角动量，还有它自己的角动量，或者说自旋。他认为电子可以被视为一个围绕自身旋转并产生磁场的带电小球。这给了电子两种可能的自旋状态：顺时针或逆时针。康普顿还推测，如果将带有自旋的带电粒子置于外部磁场中，由于其磁矩会与外部磁场相互作用，因此其能量会发生变化。这就是所谓的塞曼效应。康普顿用这个假设来解释一些铁磁材料的特性，但他没有给出电子自旋的具体值，也没有提供实验证据。

1922年，斯特恩和格拉赫设计了一个实验来检验康普顿的假设。他们让一束银原子蒸气穿过不均匀的磁场，然后观察屏幕上银原子的分布。如果没有旋转，那么它们应该在屏幕上形成连续的条纹。如果存在旋转，并且旋转可以呈现任何值，那么它们应该在屏幕上形成模糊的斑点。然而实验结果却出人意料：银原子在屏幕上形成了两个清晰的斑点，对应着两个不同的自旋方向。这证明了电子自旋的存在，并且电子自旋是量子化的，只能取两个离散值：+1/2或-1/2。这个实验被称为斯特恩-格拉赫实验，是量子力学史上的一个里程碑。

1925年，在得知Stern-Gerlach实验的结果后，Gudsmit和Uhlenbeck提出了更完整的电子自旋理论。他们认为电子自旋不是由电子真正的空间旋转引起的，而是一种内在的量子特性。他们还引入了第四个量子数：自旋量子数m，来描述电子自旋的状态。 m只能取两个值：+1/2或-1/2，分别对应于向上或向下的自旋方向。他们用这个理论来解释氢原子光谱中的精细结构，并发现了很好的一致性。

量子电动力学的诞生

电子自旋理论虽然成功地解释了一些实验现象，但也带来了一些新问题。例如，如果电子被视为具有固定磁矩的带电点粒子，它将与其产生的电磁场相互作用。这样，电子就会受到无穷大的力，并释放出无穷大的能量。这显然是不合理的。另外，如果将电子视为一个有限尺寸的球体并具有固定的角速度，那么它将具有很大的表面速度，这将违反相对论。这也是不可接受的。

为了解决这些问题，物理学家开始发展一种新理论：量子电动力学，简称QED。 QED是一种结合量子力学和相对论来描述光与物质相互作用的理论。 QED认为光是由称为光子的粒子组成的，物质是由称为费米子的粒子组成的。电子是费米子，光子是自旋为1 的无质量、无电荷的玻色子。

QED不仅可以解释已知的实验现象，如康普顿散射、光电效应、拉曼散射等，还可以预测一些新的效应，如真空闪烁和兰姆位移。 QED 被认为是物理学中最成功、最准确的理论之一。它可以对许多物理量进行高阶修正，并且与实验结果吻合良好。

重整化的发明

我们说过QED是一种描述光与物质相互作用的理论。然而，QED 并不是一个完美的理论。它有一个大问题：无穷大。在QED中，一些物理量有无限的结果。这些无穷大是由于我们将电子和光子视为没有尺寸或结构的点粒子而引起的。当我们计算它们的相互作用时，我们会遇到一些不可避免的奇点。这些奇点导致QED 失去其预测能力和一致性。

为了解决这个问题，物理学家想出了一个非常巧妙的方法：重整化。重整化的思想是这样的：我们不再将电子和光子视为点粒子，而是视为具有一定尺寸和结构的粒子。这样，我们就可以忽略他们内部的细节，只关注他们的外在行为。我们可以用一些可观测的物理量，如电子质量、电子电荷、光子自能等来定义它们的大小和结构。这些可观测的物理量就是所谓的重整化常数。我们可以通过实验测量这些重整化常数，并用它们来代替无穷大的原始结果。这样我们就可以获得有限的、有意义的、实验性的结果。这就是重正化的过程。

重整化的发明归功于几位物理学家：朝永信一郎、施温格和费曼。他们在1947年至1949年间独立发展了QED的重整化理论，并使用图解方法来简化计算。他们利用重正化理论成功解释了电子的异常磁矩，即电子磁矩与自旋之间的比例系数与天真的预期不符的现象。他们为QED的发展做出了巨大贡献，并荣获1965年诺贝尔物理学奖。

电子反常磁矩的实验与理论

电子的异常磁矩是一个非常有趣的物理现象，它体现了QED的准确性和有效性。我们已经说过，电子自旋产生一个磁矩，一个微小的磁偶极矩。如果我们将电子视为经典的带电旋转球体，那么它的磁矩和自旋之间应该存在一个简单的关系：

其中是电子磁矩，g是比例系数，e是电子电荷，m是电子质量，S是电子自旋。如果我们用相对论修改这个关系，那么我们得到g=2。这就是所谓的兰德因子。然而，在QED中，由于电子与自身的虚光子相互作用，并受到真空极化等效应的影响，其磁矩会略有偏差。这种偏差就是所谓的异常磁矩，或者异常Land因子。

如何测量电子的异常磁矩？一种方法是使用一种称为潘恩-爱德华兹-罗姆尼克环的装置。该装置可以在真空中将一些高速电子束捕获在环中，并施加恒定的垂直磁场和交变的水平磁场。这样，电子就会在环内作两种运动：一种是沿环方向的回旋运动，另一种是沿垂直方向的自旋进动运动。如果我们调整交变水平磁场的频率，使其等于两个运动之间的频率差，就会发生共振现象。这时，我们可以通过测量电子束发射的同步辐射来获得电子异常磁矩的值。

利用这种方法，物理学家在过去的几十年里不断提高测量电子反常磁矩的精度，并将其与QED理论给出的结果进行比较。目前最准确的实验结果为(1159652180.730.28)10^12，目前最准确的理论结果为(1159652180.220.29)10^12。可见两者的一致性非常高。这是物理学史上最精确的实验与理论对比之一，也是对QED理论的一次重要检验。

寻找电子电偶极矩

电子的自旋不仅产生磁矩，还可能产生电矩，即微小的电偶极矩。如果一个电子具有电偶极矩，那么它就相当于一根带有两个相反电荷的小棒，并且这两个电荷不在同一条直线上。这样，电子就违反了一个非常重要的对称原理：宇称对称性。

宇称对称意味着如果我们反转物理系统中的所有空间坐标，物理定律不会改变。换句话说，物理系统和它的形象是等价的。然而，如果电子具有电偶极矩，那么它与其镜像不一样。因为它的电偶极矩会和它的自旋方向成一定的角度，而它的镜像的电偶极矩会和它的自旋方向成相反的角度。

那么，电子真的有电偶极矩吗？在标准模型（我们目前所知的描述基本粒子和相互作用的理论）中，电子的电偶极矩非常小，小到无法通过实验测量。然而，在标准模型之外的一些理论中，例如超对称性，电子的电偶极矩可能具有可观测的值。因此，寻找电子的电偶极矩是探索新物理的一种途径。

如何测量电子的电偶极矩？一种方法是利用一种称为阿卡姆-赫伯特康普顿-桑德斯环的装置。该装置将一堆分子捕获在真空中，并施加强垂直电场和弱水平磁场。这样，分子中的电子就在两个方向上进行自旋进动运动，并受到电偶极矩与外场的相互作用。如果我们调整水平磁场的方向，测量分子发出的荧光光谱，就可以得到电子的电偶极矩的值。

使用这种方法，物理学家测得电子的电偶极矩几乎为零。为了给大家直观的感受，可以想象这样一个类比：如果把地球想象成一个带电球体，那么它的电偶极矩就相当于两个相隔0.1纳米（即原子大小）的细胞。 ） 收费。这是多么微不足道的效果啊！

你可能会问，既然电子的电偶极矩这么小，我们为什么还要费力去测量呢？答案是，因为它可能会给我们带来一些惊喜。如果我们能够测量到一个与标准模型不一致的电子电偶极矩的值，就意味着我们发现了一些新的物理现象。这样，我们就可以开拓新的视野，探索我们不知道的自然奥秘。这就是物理学的美妙之处。

磁共振的发明

电子自旋不仅是一个理论概念，它还有许多实际应用。最重要的应用之一是磁共振或核磁共振。磁共振是利用电子自旋或原子核自旋在外磁场中的行为来探测物质结构和性质的技术。可应用于化学分析、物理测量、医学诊断、生物研究等领域。

磁共振的原理是这样的：如果将一个带有自旋的粒子置于恒定的外部磁场中，它的自旋会与外部磁场相互作用，并趋于与外部磁场平行或反平行。这两种状态分别对应两种不同的能量，我们可以将它们称为低能态和高能态。如果我们对这个粒子施加交变电磁波，那么当电磁波的频率等于两个能态之差时，就会发生一种现象：粒子会从低能态跃迁到高能态，或者从高能态到高能态。状态转变到较低能量状态。这称为共振。当粒子发生共振时，会吸收或释放一定量的能量，这就是电磁波的能量。我们可以通过测量电磁波的吸收或释放来获得有关粒子自旋的信息。

磁共振的发明归功于两位物理学家：普赫斯和布洛赫。他们于1946年几乎同时发现了核磁共振现象，并分别以氢原子和锂原子为实验对象。他们使用强恒定磁场来产生外部磁场，并使用线圈来产生交变电磁波。他们发现，当交变电磁波的频率等于氢或锂原子核自旋之间的能级差时，就会观察到电流或电压的变化。这证明了核磁共振现象的存在，为后续研究和应用奠定了基础。

不代表中国科学院物理研究所立场

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