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量子宇宙 [:1700921913]
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量子宇宙 反物质（anti-matter）
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回到我们的世界，图10.3展示了两个电子相互散射的另一种方式。一个入射电子从A跃至B，并于此处发射出一个光子，目前还算顺利。但现在电子又顺时至Y，在彼处吸收另外一个光子，再顺时而下，最后可能在C处被探测到。这张图并不违反我们关于跃动与分枝的规则，因为电子完全按照理论规定的方式辐射和吸收光子。按照规则这可以发生，并且如本书标题所示，只要可能都会发生。然而，这种事情似乎的确违反常识，因为我们得接受电子能在时间中逆行回到过去的观念。用这种观念能写出不错的科幻小说，但违反因果律可没法造出宇宙。并且，它看似也会制造量子理论和爱因斯坦狭义相对论之间的直接冲突。
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图10.3：反物质……或在时间中逆行的电子。
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值得注意的是，正如狄拉克于1928年所意识到的那样，亚原子粒子的这种特殊时间旅行并没有被禁止。如果从“顺时”的角度来重新诠释图10.3中发生的事情，就可以看到一点暗示，一切可能并不像看上去那样有缺陷。在图中，我们得从左向右追踪事件。我们来从时刻T=0开始，那时的世界只有两个电子，位于A和B。我们在这个仅含两个电子的世界中继续，直到时刻T1，这时下方电子发射出一个光子；在时刻T1和T2之间，世界包含两个电子和一个光子。在时刻T2，光子没了，由一个电子（最终到达C）和第二个粒子（最终到达X）所替代。我们不愿将第二个粒子称为电子，因为它是“在时间中逆行的电子”。问题是，从一个顺时间前进的人（比如你）的角度来看，一个在时间中逆行的电子看起来是什么样的？
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要回答这个问题，我们来想象，给一个在磁铁附近运动的电子拍摄一些录像片，如图10.4所示。只要电子的速度不太快[219]，它通常会做圆周运动。如前所述，电子可以因磁铁而偏转，这就是老式CRT[220]电视机或者更令人向往的粒子加速器包括大型强子对撞机背后的基本构造理念。现在想象把录像倒放。这就是从我们“顺时”的角度来看“一个在时间中逆行的电子”的样子。我们现在会看到，随着录像播放，“逆时电子”沿相反方向做圆周运动。从物理学者的角度来看，倒放的录像就完全像是另一个正放的录像，其中的粒子和电子几乎完全相同，除了它似乎带正电荷。现在，我们有了问题的答案：逆时电子对我们而言像是“带正电的电子”。因此，如果电子真的能在时间中逆行，则我们可以期待遇到的是“带正电的电子”。
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图10.4：一个电子在一块磁铁附近做圆周运动。
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这种粒子确实存在，被称为“正电子”（positron）。它们被狄拉克于1931年初引入，来解决他为电子写下的量子力学方程中的问题，可以说这个方程似乎预测了负能量粒子的存在。后来，狄拉克对他的思维方式——特别是对自己数学推导正确性的坚定信念——阐述了绝妙的洞见[221]：“我最终接受了负能态不能从数学理论中被排除掉的事实，所以我想就试着给这些负能态找一个物理解释吧。”
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仅仅一年多以后，显然还不知道狄拉克预言的卡尔·安德森[222]（Carl Anderson），在观察宇宙射线（cosmic ray）粒子时，在他的实验仪器中看到了一些奇怪的轨迹。他的结论是[223]：“看似有必要用到一种带正电的粒子，其质量与电子相当。”这再一次说明了数学推理的奇妙力量。为了搞清楚一条数学结论的意义，狄拉克提出了一种新粒子的概念——正电子；几个月后，它就在高能宇宙射线碰撞的产物中被发现了。正电子是科幻小说中常见的元素——反物质。
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掌握了这种将逆时间旅行的电子诠释成反物质的方法，我们就可以完成对图10.3的解释了。要说的就是，当光子在T2时刻到达Y时，它分裂成一个电子和一个正电子。两者都顺时而下，直到T3时刻，来自Y处的正电子到达X，在那里它与原来的上方电子融合，产生第二个光子。这个光子传播至T4时刻，并被下方电子吸收。
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这听起来可能有点太牵强了：只因为允许粒子在时间中逆行，我们的理论中就得出现反粒子。我们的跃动和分枝规则允许粒子顺时和逆时跃动；尽管我们的偏见可能认为不能允许它们这样做，但我们最后发现，我们不会阻止它们这样做。其实是不能，讽刺的是，如果我们不允许粒子逆时跃动，就会违反因果律。这很奇怪，因为事情看似应该反过来才对。
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事情能顺利解决，并不是偶然的；它还暗示了一套更深层的数学结构。其实，当你阅读本章时，可能会感觉到，分枝和跃动规则似乎都比较任意。是否可以制定一些新的分枝规则，并调整跃动规则，来探究这样做的后果？好吧，如果我们这样做，几乎肯定就会造出一个糟糕的理论——比如，一个违反因果律的理论。跃动和分枝规则背后更深层的数学结构，叫作量子场论（QFT）。非凡之处在于，它是建立微小粒子量子理论的唯一方式，并遵守狭义相对论。要使用QFT的工具，跃动和分枝规则就是固定不变的了，我们失去了选择的自由。对于那些追寻基本规律的人来说，这是一个非常重要的结果，因为用“对称性”来去除选择，给人一种宇宙本当“如此”的印象，这给人以理解上的进步之感。在这里用到了“对称性”一词，它是很恰当的，因为爱因斯坦的狭义和广义相对论，可以看成是在对空间和时间结构施加对称性的约束。其他“对称性”进一步约束了跃动和分枝规则，我们会在下一章中与它们简短地相遇。
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图10.5：氢原子。
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在离开QED之前，还有最后一个坑要填平。如果你还记得谢尔特岛会议的开场报告是有关兰姆位移的，它无法用海森伯和薛定谔的量子理论来解释，是氢原子光谱中的反常（anomaly）现象。会议结束后一周内，汉斯·贝特提出了第一个近似得出答案的计算方法。图10.5展示了以QED的方式理解的氢原子。保持质子和电子结合的电磁相互作用，可以用一系列愈发复杂的费曼图来表示，就像我们在图10.1中看到的两电子相互作用一样。我们在图10.5中画出了最简单的两张图。在QED之前，对电子能级的计算只包含了最上面一张图，它包含了电子陷在由质子产生的势阱中的物理过程。但是，如前面发现的那样，在相互作用中还能发生很多其他的事情。图10.5中的第二张图展示出光子在短暂地涨落（fluctuate）后变成一个电子-正电子对的过程，而它也须包含在电子能级的计算中。这和其他很多图都会作为主要结果[224]的小修正进入到计算中。贝特正确地将“一圈”（one-loop）图——就像图10.5中第二张那样——的重要效应包含了进来，并发现它们会稍微移动能级，从而也稍微改变观测到的光谱细节。他的结果与兰姆的观测一致。换句话说，QED迫使我们把氢原子想象成一个嘶嘶作响的噪声源，亚原子粒子在其中不断诞生和消亡。兰姆位移是人类第一次直接接触到这些空灵的量子涨落。
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没过多久，另两位谢尔特岛与会者理查德·费曼和朱利安·施温格就接过了接力棒。几年内，QED就发展成了我们今天所知的样子——量子场论的原型，以及作为范例支撑即将发现用以描绘弱和强相互作用的理论。由于他们的努力，费曼、施温格和日本物理学家朝永振一郎[225]（Sinitiro Tomonaga）获得了1965年诺贝尔奖，“以表彰他们在量子电动力学中的奠基性工作，这对基本粒子物理学产生了深远的影响”。我们下面要讨论的就是这些深远影响。
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[183]出自《物理和现实》，于1936年发表于《富兰克林研究所期刊》第221卷第3号第313页；英译版发表于期刊同号第349页。
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[184]汉斯·贝特，1906年生于今属法国大东部大区的斯特拉斯堡，2005年卒于美国纽约州伊萨卡，犹太裔德籍美籍物理学家。
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[185]戴维·玻姆，1917年生于美国宾州威尔克斯—巴里，1992年卒于英国伦敦，美籍巴西籍英籍物理学家。
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[186]格雷戈里·布莱特，1899年生于今属乌克兰尼古拉耶夫州的尼古拉耶夫，1981年卒于美国俄勒冈州塞勒姆，犹太裔美籍物理学家。
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[187]卡尔·达罗，1891年生于芝加哥，1982年卒于纽约，美国物理学家。