按照相对论,实物粒子的速度永远达不到光速。我们也讲到,德布罗意就是类比于光子,认 为实物的粒子(例如电子),也既有粒子性,也有波动性。德布罗意提出这个观念是发现量 子力学的一个主要步骤。所以,很自然地从量子力学建立开始,人们就努力去把量子力学对 待电子等微观粒子的观念和物理图象应用来处理光子,也就是处理电磁场,发展电磁场的量 子力学。人们叫它作量子电动力学。由于光子是以光速运动的粒子,所以处理它的理论一定 要和爱因斯坦的狭义相对论结合起来,因此发展量子电动力学一定同时要发展相对论性的量 子力学,它和普通的量子力学比较,就好比牛顿力学和爱因斯坦的狭义相对论的关系。从上 世纪的20年代到四十年代末,相对论量子力学和量子电动力学发展起来了,取得许多实验 证实。是一个完全成熟了的科学理论。但是,和前面讲到的普通的量子力学一样,它的基本 观念和传统的经典物理有很大的区别。比如说和位置和动量是互补的,不可能要求同时确定 得很精确一样,在量子电动力学中,空间同一点上得电场和磁场强度也是不可能同时确定的 只有在一定的时间或空间范围内的平均值才可以确定。这便和经典的电动力学有了本质的分 别,对电磁场,人们也只能有不确定的、几率型的描述。 在量子电动力学中,实物粒子之间的电磁相互作用被理解为交换光子。比如一个电子对 另外一个电子有排斥力,推动它们相互离开;在电磁学中是解释为根据库仑定律,两个带电 粒子间有作用力,方向是沿着两个粒子的连线,同号相斥,异号相吸。在量子电动力学中, 就理解为相互交换光子,光子带去能量和动量,推动着相互离开。具体说其中一个过程就是 第一个粒子放出一个动量为q的光子,自己的动量减少了q,传过去被第二个粒子吸收,这 个粒子的动量增加q;许许多多这些过程叠加在一起,成为电子间的相互作用。交换光子的 过程有些是“实”的,就是说能够用物理测量来观察到这个光子的,比如说,一个高速运动 的电子,在有外力使它改变速度时,会发射出光子;而光子打到一个电子上会使电子改变速 度:发射光子和吸收光子都是满足能量和动量守恒的。这种过程已经在实验上完全证实。但 是有一类交换过程是“虚”的。交换的光子是不能用物理测量来观察到的,比如电子间的静 电相互作用,它们交换的光子是纵向偏振的,这是实际测量中没有的光子,因为大家知道 在空间传播的电磁波都是横向偏振的(偏振是指电磁波中电场的方向,电场垂直于传播方向 的叫横向偏振,平行的叫纵向偏振),但是产生静电作用的光子却是纵向偏振的。两个粒子 交换“虚”光子时,能量守恒只是在最后的结果上体现出来,对其中每一个交换说,并没有 保持的要求:这从量子力学来看也是很自然的,因为量子力学中能量是表现为德布罗意波的 频率,确定频率的精确性和观察时间的区间是联系的,时间区间越短,频率便愈加不确定, 所以,能量和时间区间也构成海森堡关系。“虚”光子的存在时间太短,就是发生这样情况 的一种理解。但是从经典物理的观念这却很难接受。 按照量子电动力学,实物粒子和光子是可以相互转换的,一个Y光子(y射线,是原 子核发射的一种射线,它是一种波长很短的电磁波,也就是波长很短的光)在一定条件下可 以转变成一对正负电子,反过来,一对正负电子合起来会变成一个Y光子,过程也都符合 能量和动量守恒。这也是实验上完全证实了的事实。实物和场(在经典物理中它是表示相互 作用的)的相互转换是一件全新的实物。而且,在量子电动力学中,真空的概念和经典物理 是十分不同的。经典物理中,真空就是什么也没有,而量子电动力学认为真空是电磁场的基 态,就是能量最低的状态,充满了各种各样的“虚”的过程,而且在一定条件下,这些“虚” 的过程还会有“实”的表现。如果我们找来两块金属板,把它们平行地摆着,中间隔着一段 真空。就会测量到即令两块板上一点电荷也没有,它们之间还会有一种吸引力;这种吸引力 不像库仑力,随两板间距离地增大下降得很快,虽然很微弱,但确实是可以测量到的。这种 力的来源就是真空的特殊物理效应:真空中会发生“虚”的涨落,产生出“虚”的光子,这 些“虚”的光子会“虚”的产生正负电子,电子的电荷会在两边的金属板上感应出现电荷, 于是两块板间出现了吸引力:计算出来的力与实验符合得很好。这不是“从无到有”吗?所9 按照相对论，实物粒子的速度永远达不到光速。我们也讲到，德布罗意就是类比于光子，认 为实物的粒子（例如电子），也既有粒子性，也有波动性。德布罗意提出这个观念是发现量 子力学的一个主要步骤。所以，很自然地从量子力学建立开始，人们就努力去把量子力学对 待电子等微观粒子的观念和物理图象应用来处理光子，也就是处理电磁场，发展电磁场的量 子力学。人们叫它作量子电动力学。由于光子是以光速运动的粒子，所以处理它的理论一定 要和爱因斯坦的狭义相对论结合起来，因此发展量子电动力学一定同时要发展相对论性的量 子力学，它和普通的量子力学比较，就好比牛顿力学和爱因斯坦的狭义相对论的关系。从上 世纪的 20 年代到四十年代末，相对论量子力学和量子电动力学发展起来了，取得许多实验 证实。是一个完全成熟了的科学理论。但是，和前面讲到的普通的量子力学一样，它的基本 观念和传统的经典物理有很大的区别。比如说和位置和动量是互补的，不可能要求同时确定 得很精确一样，在量子电动力学中，空间同一点上得电场和磁场强度也是不可能同时确定的。 只有在一定的时间或空间范围内的平均值才可以确定。这便和经典的电动力学有了本质的分 别，对电磁场，人们也只能有不确定的、几率型的描述。 在量子电动力学中，实物粒子之间的电磁相互作用被理解为交换光子。比如一个电子对 另外一个电子有排斥力，推动它们相互离开；在电磁学中是解释为根据库仑定律，两个带电 粒子间有作用力，方向是沿着两个粒子的连线，同号相斥，异号相吸。在量子电动力学中， 就理解为相互交换光子，光子带去能量和动量，推动着相互离开。具体说其中一个过程就是 第一个粒子放出一个动量为 q 的光子，自己的动量减少了 q,传过去被第二个粒子吸收，这 个粒子的动量增加 q；许许多多这些过程叠加在一起，成为电子间的相互作用。交换光子的 过程有些是“实”的，就是说能够用物理测量来观察到这个光子的，比如说，一个高速运动 的电子，在有外力使它改变速度时，会发射出光子；而光子打到一个电子上会使电子改变速 度；发射光子和吸收光子都是满足能量和动量守恒的。这种过程已经在实验上完全证实。但 是有一类交换过程是“虚”的。交换的光子是不能用物理测量来观察到的，比如电子间的静 电相互作用，它们交换的光子是纵向偏振的，这是实际测量中没有的光子，因为大家知道， 在空间传播的电磁波都是横向偏振的（偏振是指电磁波中电场的方向，电场垂直于传播方向 的叫横向偏振，平行的叫纵向偏振），但是产生静电作用的光子却是纵向偏振的。两个粒子 交换“虚”光子时，能量守恒只是在最后的结果上体现出来，对其中每一个交换说，并没有 保持的要求；这从量子力学来看也是很自然的，因为量子力学中能量是表现为德布罗意波的 频率，确定频率的精确性和观察时间的区间是联系的，时间区间越短，频率便愈加不确定， 所以，能量和时间区间也构成海森堡关系。“虚”光子的存在时间太短，就是发生这样情况 的一种理解。但是从经典物理的观念这却很难接受。 按照量子电动力学，实物粒子和光子是可以相互转换的，一个 γ 光子（γ 射线，是原 子核发射的一种射线，它是一种波长很短的电磁波，也就是波长很短的光）在一定条件下可 以转变成一对正负电子，反过来，一对正负电子合起来会变成一个 γ 光子，过程也都符合 能量和动量守恒。这也是实验上完全证实了的事实。实物和场（在经典物理中它是表示相互 作用的）的相互转换是一件全新的实物。而且，在量子电动力学中，真空的概念和经典物理 是十分不同的。经典物理中，真空就是什么也没有，而量子电动力学认为真空是电磁场的基 态，就是能量最低的状态，充满了各种各样的“虚”的过程，而且在一定条件下，这些“虚” 的过程还会有“实”的表现。如果我们找来两块金属板，把它们平行地摆着，中间隔着一段 真空。就会测量到即令两块板上一点电荷也没有，它们之间还会有一种吸引力；这种吸引力 不像库仑力，随两板间距离地增大下降得很快，虽然很微弱，但确实是可以测量到的。这种 力的来源就是真空的特殊物理效应：真空中会发生“虚”的涨落，产生出“虚”的光子，这 些“虚”的光子会“虚”的产生正负电子，电子的电荷会在两边的金属板上感应出现电荷， 于是两块板间出现了吸引力；计算出来的力与实验符合得很好。这不是“从无到有”吗？所