物理学家朱利安·施温格(与费曼共享诺贝尔奖)说,我们应该想象电子本身不断地激发和吸收虚光子,就像一个人在不停地抛接球,因此在运动时创造了一个虚光子云,其他粒子可以撞到这片云中。QED解释了电荷的本质。
打破定律
从很久以前起,我们就一直相信一件事:有果必有因,无因必无果。你永远不可能无中生有,也永远不可能化实为虚。这一原则由夏特莱侯爵夫人提出,现在的表述是“能量既不会凭空产生,也不会凭空消失”,这就是能量守恒定律。虚光子打破了这一定律。
海森堡不确定性原理说,我们不可能准确地测量一个粒子。动量和位置不可能同时被测量,因此粒子永远不会静止不动。量子场论扩展了这一观点,认为无论粒子符合什么定律,其潜在的场也一定符合该定律。这意味着场也有不能被测量的值。
量子场必须不断地晃动,然后虚粒子也不断地晃动。这意味着每一秒场中都有不计其数的虚粒子产生和消失。随着虚粒子的诞生和湮灭,你周围空间的每一点都在发泡和起泡,所用的时间非常之短。真空不空。
费曼计算出,如果抽出一个电灯泡体积内的所有虚粒子,其能量足以煮沸整个地球的海洋。这么庞大的能量我们却没有注意到,这是因为它几乎在诞生的那一刻就湮灭了。
这意味着在量子场论中,你可以无中生有,因为“无”是不稳定的,不确定性原理禁止“无”的状态。如果“无”的时间足够长,能量就会没缘由地产生。这听起来有些疯狂,但我们不得不接受它,因为有好几个重要证据支持QED。
这是科学史上最准确的理论
并不是只有费曼一个人为电子和光子的量子场论提出了完全可行的设计。费曼与朝永振一郎以及前面提到的朱利安·施温格共享了1965年的诺贝尔物理学奖,后两位科学家用自己的方法独立分析发展了QED并给出了重要预言。
但施温格与朝永振一郎的方法要复杂得多,并且纳入了许多费曼认为不必要的额外工作。(费曼与施温格的方法截然不同,甚至没有人意识到他们在解决同一问题,直到他们的共同好友弗里曼·戴森在一个下午与他们联系,并在去伊萨卡岛的巴士上意识到了这个问题。)[6]
费曼图很优雅,但一个人不会仅仅因为画了漂亮的图就获得诺贝尔奖。相信我,我已经向诺贝尔委员会提交了我书中的几十张插图,但什么也没有得到。然而QED做得更好一些,因为费曼图不仅仅是天马行空的示意图,它们还有很强的预测能力。
关于QED的能力,有一个例子是它能计算光子场和电子场相互耦合(交换量子)的强度。2012年,仁尾真纪子和他的团队对这个数字做了最详尽的计算,他们用电脑计算了12,672张费曼图,结果是每张费曼图的光子场和电子场之间都有10个顶点。
他们计算出的耦合常数值是0.00729735256,而实验测量的耦合常数值是0.00729735257。理论和数据在小数点后十位是一致的。[7]
费曼说这种精确程度相当于测量纽约到洛杉矶的距离,只有一根头发丝直径的误差。科学上没有其他预测能与之媲美。
如果你接受暖空气上升的理论,如果你接受病毒如何起作用的理论,如果你接受任何科学理论,那你也应该接受QED,因为它的证据更有力。如果数字还无法说服你,QED还有另外一个重要的预测,即反物质。
听起来像电影的情节
谈到场中出现的粒子,狄拉克指出,这会在场中留下一个洞。回到冰激凌的类比,我们从桶中每挖一勺冰激凌都会产生一个冰激凌粒子,同时也会在表面形成一个同等大小的凹坑。
我们可以把粒子放回凹坑从而抵消它,这就像是在产生粒子的同时创造了一个颠倒的粒子洞。这就是反粒子。
费曼的QED也预测了反粒子,但它以一种不同的方式出现—并非电子场中出现一个电子和一个空洞,而是有两个场:电子场和反电子场,光子场同时与这两个场耦合。
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