我这么说不是为了贬低他。费曼是首屈一指的数学大师,但对他来说,方程只是一种语言工具,而不是最终的目标。你必须把注意力集中在方程所描述的物体上,而不是陷入符号的泥沼。人们用于解决QED的数学语言非常烦琐,而且只能得出部分正确答案,费曼决定发明一种新的数学方法使之简化。
想象一个电子自顾自地在宇宙中穿行。在量子场论中,我们必须这样描述:在电子场中,能量量子从一处传播到另一处。我们用一个叫“传播子”的方程(这个名字很合理)描述它的轨迹。
在费曼的新数学系统中,我们舍弃了电子的传播函数方程,取而代之的是一根与箭头差不多的图形。(注意:严格来说,这个符号表示“运动中的电子”,它不一定是从下到上的沿直线运动,它也可以沿曲线运动,或者绕原子核运动。)
现在,电子沿着预定的轨道运动,一个入射的光子靠近并被电子吸收,还把电子撞到了其他地方。在量子场论中,我们需要描述光子场的量子与我们的电子的相遇,以及这两个场发生的能量转换。
我们用波浪线表示光子的传播函数,并把它们的相互作用画成这样:
从下往上看,我们看到了电子在电子场中传播,并与光子场相互作用(吸收光子),然后在吸收能量时飞往一个新的方向。或者,同样简单地,它可以描述相反的过程:电子激发了一个光子,然后向另一个方向反冲,就像开枪后人手被后坐力反推一样。
图中三条线的交点是“顶点”,进行数学处理时需要用到所谓的“耦合常数”。耦合常数衡量的是两个场交换能量的难易程度,数值越大,两个量子(粒子)相互作用的可能性越高。
整个过程看起来非常简单,这正是费曼的数学方法的力量所在。费曼图删去了一页又一页冗余的数学术语,将其精简为最基本的内容。画入射电子的传播函数、光子的传播函数、出射电子的传播函数以及耦合常数,把它们结合在一起,就可以预测电子和光子将如何相互作用。QED理论行之有效。
电荷的解释……最终
一束普通的光是由光子组成的,这些光子遵循特定的方向、速度和能量定律。如果两个电子相互传递光子,就像足球运动员相互传球那样,它们就可以交换光子。由于海森堡不确定性原理,我们无法知道光子的实际运动方向。我们可以说发生了光子交换,但不知道哪个电子接收光子、哪个电子贡献光子—否则这将提供太多的动量和位置信息。
这些发生在电子之间的光子交换就像临时的光子涟漪,而不是永恒的光束,所以它们显然不是平常的光子。
想象湖面有两艘船,它们紧贴着交错行驶。这样,它们产生的尾迹会在两艘船中间相遇,形成临时的水波扰动,将两艘船分开。这两艘船未曾接触,却通过水波场传递这种瞬时波动,从而交换能量。之后它们不会沿直线通过,而是以一定角度偏转。
玩具船(如上图)代表电子,水中的膨胀(玩具船之间的同心圆)代表交换的光子。当能量转移时,光子只是短暂地存在。
我们把这种电磁场中的瞬时波动称为“虚光子”,用以与构成光束的、实际的、永恒的光子区分开。同理,我们可以把推开两艘船的水波称为“膨胀水波”,而不是独自在海洋中游弋的永恒水波。
虚光子不会长久存在,也不需要遵循通常的物理规则,所以我们可以赋予它们通常看不到的各种属性,来解释我们希望看到的任何现象。
虚光子迫使电子分开,并在电子之间传递能量,但如果其中一个电子带相反的电荷,虚光子就会获得“负能量”,像旋涡一样把粒子吸到一起。[5]
下图左表示两个带相同电荷的粒子相互排斥,下图右表示两个带相反电荷的粒子相互吸引。对它们的计算比较复杂,因为我们要用到两个耦合常数(图中的顶点)和五个传播函数(每个粒子线),但QED得到的答案非常准确。
电荷可以测量粒子与光子场相互作用的强弱,以及虚光子的行为方式。
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