費曼圖與散射

微擾論的階(the order of perturbation theory)

假設你要把一長串數字加起來,其中每個數都比前一個小一百倍:先是1,然後0.01,再是0.0001,依此類推。你不需要整個無窮的列表就能得到極好的答案;頭幾項已經算準了,因為其餘的可以忽略不計。這就是微擾論(perturbation theory)的精神:當耦合很小時,完整的答案是一系列迅速變小的貢獻之和,而你只保留頭幾項。所謂「階」,不過是你深入到第幾項。

用費曼圖的語言說,階與一張圖帶有多少頂點(從而帶有多少次方的耦合)掛鉤。頂點最少、最簡單的圖叫做領頭階(leading order)——主導性的貢獻。再加上下一批稍微複雜些的圖,你就得到次領頭階(next-to-leading order),一種細化;再往下是次次領頭階,依此類推。每一步都加入更小的修正和更多的圖,讓預言更銳利。走向更高階,正是物理學家把計算逼到與越來越精密的測量相符的辦法。

微擾論是粒子物理學的主力,但它有一個誠實的極限:只有當耦合小到後面的項真的微不足道時,它才有效。對電磁力和弱交互作用而言,這套辦法運轉得極好。對低能下的強交互作用,耦合很大,級數無法收斂安定下來,物理學家就必須改用別的方法,比如格點(lattice)計算。所以微擾論的階,既是你用功多少的標尺,也提醒著我們:這套方法本身只適用於旋鈕擰得很低的地方。

當實驗人員在大型強子對撞機上測量兩個質子生成一個希格斯玻色子的頻率時,理論家會提供一個算到次次領頭階——深入三項——的預言。之所以非走到這一步不可,是因為強交互作用在每一階的修正都相當可觀,只有把它們都納入,預言才精確到足以被檢驗。

深入三項,以匹配一次真實的測量。

微擾論只在耦合很小時有效;對低能下的強交互作用它會失效,必須改用格點量子色動力學等非微擾方法。

又稱
perturbative expansionleading order, next-to-leading order微扰展开微擾展開