目录 讲座前言 编录者序 致谢 1.引言 2.光子:光的粒子 -39 3.电子和它们的相互作用一 85 4.松散的结尾 139
阿丽克斯·毛特纳对物理学很好奇,常常 要我给她讲解。我想这事我能应付得来,正如 在加州理工学院有群学生每星期四到我这里 来个小时讨论物理问题我能应付得来样, 可结果,我最感兴趣的这部分却没成功:我们 老是在讨论量子力学那些古怪的概念时给窘倒 了我告诉阿丽克斯,我不能只花个小时或 一个晚上把这些概念给她解释清楚—这需要 花很长时间,但我答应她,总有一天我会准备 系列的讲座来讲解这个课题。 我准备了几个讲座,然后去新西兰试试如 何—因为新西兰反正远得很,即使讲砸锅 了,也没甚么了不起。噢,新西兰人认为讲得 还不错’所以我猜这讲座还可以—至少对新 西兰是这样。现在我在这里讲的就是我确实为 阿丽克斯准备的讲座,但很遗憾,现在,我不 能直接讲给她听了 我愿意给大家谈的是物理学中已经为人所
知的部分,而不是未知的部分。人们总是要求我们讲解 统 把这个那个理论统起来这一类I作的最 新进展·而不给我们机会问他们讲解我们已经掌握得很 好的…个个理论。他们总是想了解我们尚不知道的东 西。所以,与其用些半生不熟、我们尚且·知半解的 理论把你们弄得晕头转间,还不如象我所愿意的那样给 你们讲讲个我们已经彻底掌握∫的课题。我喜欢物理 学的这个领域,而且认为它是绝妙的——那就是量子 电动力学。 我这几个讲座的目的是尽可能准确地描述关于光和 物质的奇妙理论——或者更明确地说,是关于光与电子 的相互作用。要讲完我想讲的所有内容,需要很长的时 间。好在我们分四次讲,我会好好利用这些时间,把所 有内容都弄清楚。 物理学在过往的历史中,尝试将众多现象综合为很 少几个理论。例如·在早期,人们观察到运动的现象和 热的现象;还有声、光和重力的现象。但在牛顿(Sir Isaac Newton,l642-1727)解释了运动的规律以后, 人们很快发现’这些过去看起来毫不相干的现象,其实 是同事物的侧面。例如,声音现象完全可以理解为空 气中原子的运动。所以声音就不再被看作是运动之外的 甚么事了。人们还发现,从运动规律出发,热现象也是 容易理解的。用这个方式,大堆物理学理论被综合成 个简明易懂的理论8不过万有引力理论除外,它不能 用运动规律来理解,甚至在今天它也还是与其他理论毫 作物集
无联系。迄令·历有引力不是借助其他现象所能理解 的 在把运动、声和热这几种现象综合起来之后,人们 乂发现∫我们称之为电现象和磁现象的几种现象。1873 年,这些现象同光和光学现象被麦克斯韦( James Clerk maxwell18311879)的个理论综合在起, 麦克斯韦提出光就是电磁波。所以在这个阶段,有运动 定律、电和磁的定律和万有引力定律。 1900年前后,·种解释物质到底是甚么的理论出现 ∫。它被称为物质的电f理论——-认为原子中有很小的 带电粒子。这个理论逐渐演化发展,认为原子中有…个 車核’并有电」绕它旋转 人们想借助力学炷律’就是说想仿照牛顿利用运动 定律探究出地球如何绕日运行的办法来理解电子绕核旋 转,这个努力是彻底失败∫:它做的所有预言都是错 的。(附带说·句,相对论大致也是在这段时间壁提出 来的,你们大家都把它理解成是物理学中的场革命 但与牛顿运动定律不能用于原子这个发现比起来,相对 论只是个小修正:。)建另个体系取代牛顿定律花费 了很长时间,因为原子水平上的现象是很奇怪的。要领 悟在原子水平上发生的事情,人们必须抛弃常识。最 后,在1926年,用来解释电子在物质中的“新型行为 的种“非常识性”理论建立起来了。这个理论看来好 象荒诞不经,但事实上当然绝非如此它就叫做量子力 学。“量子”这个词是指自然界那个违背常识的特别的
面°我准备和你们谈的,就是关于这面的问题。 量子力学的理论还解释了所有各类现象的细节,例 如为甚么个氧原子和两个氢原子合成水,等等。这 样·量子力学就也为化学提供了背景理论。所以说基础 的理论化学实际上就是物理学 量子力学由于能够解释物质所有的化学性质和其他 各种性质而获得极大的成功。但关于光和物质的相互作 用还是存在冋题。就是说必须将麦克斯韦的电和磁的理 论加以改造,使之与已经建立起来的新的量子力学相适 应。这样,在1929年,·种新的理论一一关于光和物质 相互作用的量子理论一终于由一些物理学家建立起来 ∫c它的名字倒是怪可怕的,叫做量子电动力学 但是这个理论曾有过让人头疼的麻烦。如果你粗略 地进行计算,这理论能给你相当合乎逻辑的结果。但要 是想进行更精确的计算·你会发现修正值(你原以为计 算越精确’修正值会越小吧!例如·系列的修正值中, 下个会比上一个小)事实上很大事实上竟然是无 穷大!原来’这个理论不允许你把任何个量计算得超 过一定的精度。 顺便说下,刚才我绐你们概括讲的那些,我把它 称为“物理学家的物理学史”,这种物理学史从来是不 正确的。我刚才给你们讲的是物理学家给他们的学生讲 的形式化的神话故事一类的东西,学生又把这些讲给他 们的学生。我刚才讲的这些不·定同真实的历史发展有 甚么联系,说真的,我并不大知道真实的历史过程到底
是怎样发生的。 无论如何’我还是要接着讲这段“历史”。P.狄拉 克( Paul dirac)利用相对论建立了电子的相对论 不过他没有把电子与光相互作用的影响考虑在内。狄拉 克的理论是说,电子有个小的磁矩—就象是个小 磁体的力那类东西,它的强度正好为某种单位制的1个 单位。后来,大约到了1948年,实验发现实际值应该是 接近于1.0)118个单位(最后·位的不确定量约为3)。 当然,电子要与光相互作用,这是众所周知的,所以有 某个小修正值正在意料之中。人们还期望这个修正值从 量子电动力学这个新理论的观点看来也是可以理解的。 但计算的结果,这个修止值不是1.00118,而是无穷 大——实验告诉我们,这结果是错的 好∫·在量」电动力学中如何进行计算这个问题被 J施温格( Julian Schwinger)、朝永振一郎和我本人 1948年前后解决∫。施温格是第个使用一种新的 壳层游戏”( shell game)计算这个修正值的。他算 出的理论值是1.00116,与实验值已经相当接近,这说 明我们的思路是对的。最后,我们终于有了可以用来进 行计算的关于电和磁的量子理论了。我打算给你们讲的 就是这个理论 量了电动力学的理论到现在已经经受了五十多年的 检验’检验的条件越来越广泛、检验的精度越来越高 现在·我可以骄傲地说,在实验和理论之间,不存在重 大分歧
这里我给你们几个最近得到的数据,让你们约略领 会一下这个理论如何备受艰辛地通过检验∴狄拉克数的 实验值是100115965221(最后·位数的不确定量大约 为4)·而理论值为1.0115965246(不确定量约为实验 误差的五倍)。为了使你对这个精确度有个概念,我给 你打个比方:如果你在测量洛杉饥到纽约的距离时精确 到∫这个程度’那你就是精确到∫人的·根头发那么 细。在过去的五十多年里,量子电动力学就是这样从埋 论和实验两个方面精巧灵敏地经受着考验。顺便说 句·我刚才只是举了·个数据给你们看。实际上量子电 动力学中,其他东西的测定值也差不多是这样精确,它 们与理论值同样符合得相当好。这个理论的内容直在 非常大的尺度范围内—从地球大小的百倍到原子核 大小的百分之·—经受着考验。我介绍这些数据是为 了吓唬你们,迫使你们相信这个理论大概不会太差。下 面,我会给你们讲这些计算是怎么做的 对于量子电动力学所描述的现象,其范围之宽广, 我想再次加深你们的印象。反过来说容易点,让我反 着说:它能描述物理世界的所有现象,只是万有引力作 用——那种把你们束缚在椅子上的作用(实际上,现在 把你们束缚在椅子上的是万有引力再加上你们的礼貌, 我想)——和放射性现象(它们涉及到核的能级跃迁) 除外。这样,如果我们把万有引力和放射性(更恰当地 说’是核物理除开不算,剩下来的是甚么呢?汽车中 汽油的燃烧丶发泡起沫丶盐或铜的硬度丶钢的刚性。事
实上·生物学家正在尽其所能地借助化学对生命做出解 释,而正如我过经说过的,化学背后的理论就是量子电 动力学心 我必须澄清·件事:在我说物理世界的所有现象都 叮以用这个理论解释时,我们并不真的知道是不是这 样。我们所熟悉的大部分现象都涉及极大量的电子,要 我们这贫乏叮怜的头脑去跟踪如此复杂的事物’那可太 难∫。在这种情况下·我们叮以运用这个理论粗略地估 算出甚么情况应该发生·并粗略地佔算出在这种复杂的 环境中·真真止正发生的到底是甚么。但是,如果在实 验室里安排个在简单的环境卜只涉及仅仅几个电子的 实验’我们就叮以很精确地计算出甚么情况可能会发 生,而且也叮以很精确地把它测量出来。我们无论何时 做这种实验,量」电动力学的理论总是表现得很好。 我们物理学家老是在检验,查看这个理论是不是有 甚么毛病。这种查看是种游戏,因为如果真有甚么毛 病’那就很有意思了!但到臼前,我们还没发现量子电 动力学有甚么问题。所以我可以说,它是物理学的颗 珍珠—一我们最骄傲的财富。 量子电动打学还是那些试图解释原子核现象的新理 论的原型。如果你想把物理世界设想成-个舞台,那么 演员可不只是原子核外的电子,还要有核内的夸克丶胶 子等等—数十种基木粒子。虽然这些“演员”的亮相 个与另一个大不相同,但它们的表演却都依照·定的 风格——奇怪而特别·这就是“量子”风格。在这个系
列讲座的最后,我要讲点关于核粒子的内容。而在此 之前的大量的时间,我以打算讲光子——光的粒子 和电子’以使内賽保持简而不繁。因为正是它们作用的 方式才是重要的,而且是很有意思的 现在你们已经知道我打算讲些甚么了。下个问题 是,你们会理解我将要给你们讲的内容吗?去参加科学 讲座的所有听众都清楚’他们不会理解讲座的内容’但 是,讲演者也许系了·条色彩鲜艳的漂亮领带可供观 赏σ在我这里,那叮就错了!(费曼没结领带。 我准备给你们讲述的是我们对研究生院三、四年级 的物理系学生教授的内容你们以为我把这些内容解 释给你们·你们就能理解吗?不!你们别打算能够理解 那么,为甚么我还要用所有这些东西来打扰你们 8 呢?如果你们不叮能理解我准备给你们讲的东西,为甚 么你们还要从头到尾坐在这儿听呢?我的任务是甚 么—我的任务就是要你们相信,不要由于你们不能理 解就走开。你们该知道,我的物理系研究生也不理解 它。而这是因为我忄人也不理解它。没人理解它 关于“理解”·我想稍微讲几句。在我们讲课时 有许多原因使得听众不理解讲授者所讲的内容。·个原 因是’讲授者的语言糟糕——他词不达意’或是讲得颠 三倒四,这当然使听众难于理解。不过,这是小事,我 会尽最大努力来避免我的浓重的纽约!音 另外…个可能性是——特别当演讲者是物理学家 时,他们经常以稀奇古怪的方式运用一些普通的词,例
如,他们常常在本专业的意义上使用“功”呀、“能” 呀—甚至,你将会看到,他们还使用“光”呀这类的 词。所以当我在讲物理学上“功”的时候,它的意思和 我在街头巷尾谈论的“功劳”的“功”可不是一码事。 在这个讲座中,我也许会使用个这类的词而没注意到 我不是以它通常的意义在使用它。我将尽最大的力量使 自已警觉这个问题一一这是我的任务。不过,这是个容 易犯的错误c 你们或会认为,再个使你们不懂我讲述内容的原 因是’在我描述臼然界如何工作时,你们不懂得自然界 为甚么这样I作。但是你们要知道,没人懂得这一点 我不能解释自然界为其么以这样奇特的方式行事 最后,还有种订能性:在我讲了一些内容之后, 你们就是不能相信它·你们不能接受它,你们不喜欢 它。个小小的障碍落下来,你们就不再听下去了。我 在对你们讲述自然界是怎么样的—而如果你们不喜欢 它·你们就要按照你们的方式去理解了物理学家学会 了正确对待的正是这样…个问题:他们学会了承认,对 于一个理论,他们喜欢与否无关宏旨。重要的是这个理 论所给出的预言能否与实验符合。·-个理论是否在哲学 上令人喜爱,或是否容易理解,或是否能从常识的观点 看来完全合乎逻辑,所有这些都无所谓。从常识的观点 来看,量子电动力学描述自然的理论是荒唐的。但它与 实验非常符合c所以我希望你们按自然界本来的面目接 受自然界;它本来是荒唐的·就接受它是荒唐的