費曼圖與散射
樹圖與圈圖(tree-level vs loop diagrams)
想像一棵家譜樹:它向外分叉,從不繞回自身。有些費曼圖就是這樣——線條分裂又匯合,卻從不形成閉合的回路。這類圖叫做樹圖(tree-level diagram),它給出一個過程發生機率的最簡單的領頭估計。另一些圖則含有一個閉合的圈,內部的粒子線繞了一圈又回來,像一條短暫打轉再繼續的路。這類圖叫做圈圖(loop diagram),它們是為答案做精細調校的量子修正。
這種區別並非只是外表。樹圖沒有閉合的圈,所以它的值只靠把各零件直接相乘就能求出。圈圖則包含一個(或幾個)虛粒子,它憑空出現、繞一圈、再消失;因為圈所攜帶的能量和動量並不由入射粒子固定,你必須把圈可能攜帶的所有取值都加起來——這個求和會變成一個積分。每多一個圈也會多出頂點,所以圈圖帶著額外次方的耦合,通常是疊加在樹圖結果之上的較小修正。一圈是小修正;兩圈,更小。
圈圖既是量子場論精度的來源,也是它頭痛的來源。它們產生那些微小而可測的偏移——比如電子的反常磁矩,其預言與測量吻合到小數點後十多位——這是科學史上最偉大的勝利之一。但圈積分起初常常算出無窮大,要馴服這些無窮大,需要重整化(renormalization)這套精細的機制。坦白說,計算多圈極其困難,所以更高階的預言本身就是一項重大的研究工程。
在樹級,電子的磁性由一個簡單的值預言。加上一個圈——電子短暫地發射又重新吸收一個虛光子——預言便偏移約千分之一。這個微小的圈修正,被計算和測量到極高精度,是對量子電動力學最有力的驗證之一。
一個圈,千分之一——也是理論的一次凱旋。
在重整化以一種良好定義的方式消除無窮大之前,圈積分常常算出無窮大;這是計算本身的特點,而不是圈不真實的標誌。
又稱
另見