费曼关于“量子电动力学”的论文真的让人大开眼界

启云_9137 2020-07-18

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量子电动力学（QED）是理查德·费曼获得诺贝尔奖的理论，他在自己的著作《QED:光与物质的奇怪理论》中解释了这一令人大开眼界的理论。这本书从日常生活中光的行为的例子开始，介绍物理学家可能会观察到的光的行为，但他们不知道为什么光会这样。书的结尾解释了费曼最著名的——费曼图。

光子是粒子还是波，多年来一直是困扰物理学家的一个问题。因为这本书是关于光和物质的相互作用的，所以知道正确答案是很重要的。理查德·费曼给出了非常明确的答案。

我想强调的是，光以粒子形式出现。知道光的行为像粒子是非常重要的——费曼。

关于光，我们关心的是它的行为，因为物理学家总是想知道为什么，为了弄清楚，他们需要知道事情是如何发生的。我们知道光从镜子里反射回来的角度和它照到镜子上的角度是一样的，光在直线上传播，光在水中弯曲，光可以被分成不同的颜色，我们可以用透镜聚焦光。

从我们的观察中，我们知道很多关于光的行为。现在，我们可以思考为什么光会这样。你知道谁知道答案吗？不幸的是，我不能告诉你为什么光会这样，因为就像费曼一样，我也不知道答案。

我不打算解释光子实际上是如何“决定”是反射还是穿过，这是未知的。我只会告诉你如何计算光从一定厚度的玻璃上反射的正确概率，因为这是物理学家唯一知道怎么做的事情！——费曼

因果关系的概念可能有助于理解费曼想说什么。当你击倒了第一个多米诺骨牌时，所有的都会倒下。你能想象一张多米诺骨牌毫无缘由地自己倒下吗？没有风，没有力，没有摩擦，什么都没有。我相信你无法想象。因为你知道每件事的发生都是有原因的。在学习量子力学之前，我99.9%确定宇宙中发生的每件事都有原因，但现在，我只有99%确定，因为有些事情让我质疑因果关系。

来自费曼论文

考虑这样一个实验，把一个光电倍增管放在光源前面，另一个放在你希望光通过一片玻璃反射的地方。大部分的光穿过了玻璃，但也有一部分被反射了。你可能看不出这有什么问题，但是有一个问题。假设你是一个光子。当你从光源中出来时，你碰到了玻璃的表面。你会怎么做？你会去光电倍增管A还是B？从统计上看，你有4%的几率反射回来，96%的几率穿过去，但为什么呢？发生了什么？正如我告诉你的，我们不知道，但我们至少知道一些其他的东西：我们可以知道有多少的光会被反射，4%。就实验结果而言，我们也能知道如果我们加厚玻璃会反射多少光。

想象一个虚构的时钟。每一种颜色的光都有一个以不同速度旋转的时钟指针。这个时钟表示从光源发射光子到光电倍增管探测到光子之间的时间间隔。因此，当一个光子击中光电倍增管时，我们就会停止秒表并记录箭头的方向。然而，如果光子被反射，我们把箭头转180度。当我告诉你这件事的时候，你可能会感到失落，因为你不知道我们为什么要这么做。

这只是一种计算在给定厚度下，有多少光子会从玻璃前表面反射的方法。这个方法没有给我们任何关于为什么一个光子选择去a或b的信息。在记录了箭头的方向后，我们把它们加在一起，就好像我们在做一个矢量加法。最后，我们取合成矢量大小的平方，这就给出了光子是否被反射的概率。对于这种方法，秒表中的箭头的大小被设置为0.2。因此，我们可以得到的最大反射率是16％，最小的反射率是0％。因为秒表指针是沿圆周运动的，所以这种方法可以得到正弦反射结果，而它确实做到了。

知道了这个方法，你希望所有颜色的概率都是一样的吗？每一种颜色的光都有一个不同速度的秒表。因此，概率随玻璃厚度的变化而变化，但概率波的振幅不变。这是有意义的，因为我们在这个方法中使用的箭头的大小是固定的。这也解释了我们日常生活中的一件事。当地板是湿的，我们看着地板上的泥，我们可以看到不同颜色的光从地面反射。这是因为地面上的泥浆并不是每一部分都有相同的厚度。我们可以得出这样的结论：光不仅沿着一条路走，而且它走每一条可能的路。这是一个非常有力的声明，所以我将通过一个实验来慢慢地研究它。

在上面的实验中，我们有一个可以发射质子的光源，一个反射这些光子的镜子，以及一个光电倍增管放在我们预期光子会击中的地方。当我们做这个实验时，我们看到光以与离开镜子相同的角度射向镜子。但是，如果光通过了所有的路径，这也是结果，因为其他路径的概率会互相抵消。这并不一定意味着光通过每条路径，但它与理论是一致的。现在，让我们证明光通过每条路径。

这是一个衍射光栅。即使我们不把光源指向衍射光栅，它也能反射不同颜色的光。衍射光栅的一个简单例子就是光盘！记住，这些箭头表示的是镜面的概率。如果我们刮掉或者覆盖了所有剩下的箭头，我们就可以防止这些概率互相抵消，这就产生了反射，这就是衍射光栅的工作原理。用费曼自己的话说：

你可以把一面没有任何反射的镜子取下来，刮掉一部分，它就会反射！

最后，谈谈费曼图，我认为这就是为什么理查德·费曼比其他同年获得诺贝尔物理学奖的物理学家更出名的原因。通常，在量子力学中有非常复杂的方程来表示电子和光是如何相互作用的，但费曼找到了一种用简单的图表来表示这些概率的方法。在这些图中，直线代表电子，而曲线代表光子，因为它们的行为像波。耦合是电子在费曼图中发射或接收光子的事件。上面的图显示了两个电子是如何相互作用的。其中一个可以发射光子，并改变它在空间中的方向，这是由于动量守恒，另一个可以接收光子来改变方向，这也是由于动量守恒。我们知道光子没有质量，但它们有动量，所以这是合理的，但这只是两个电子相互作用的一种方式。