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对普通振子而言,例如钟摆,频率不是非常大,台阶的高度(能量量子)非常小。在这种情况下,阶梯图形是由这样的微小台阶组成的,它像一个光滑的斜坡。这就是你永远无法在日常经验中注意到能量量子化的原因。但电磁波可以有非常大的频率,台阶可以非常高。事实上,正如你可能已经推测到的,增加一个台阶高度的电磁波的能量,等同于把一个光子加到光束中。
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对于一个仅有经典装备的大脑而言,能量只能以不可分割的量子增加的事实,似乎不符合逻辑,但这确实是量子力学所蕴含的结果。
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量子场论
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拉普拉斯在18世纪关于世界的图景是冷冷清清的:粒子,只有粒子,在牛顿体制的方程所要求的轨道下,不可变更地运动着。我希望我可以报告,现今的物理学为实在提供了一个温和的、模糊的图景,但恐怕我难以做到,依然只有粒子,但它有了现代的变形。决定论铁一般的规则已经被量子随机性的任意规则所代替。
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代替牛顿运动定律的新数学框架称为量子场论,在它的支配下,自然界中的所有基本粒子从一点移动到另一点,碰撞、分裂和重组。量子场论是由世界线组成的巨大网络,连接着不同的事件(时空点)。这个由点和线组成的巨大的蜘蛛网的数学无法用外行的语言,来轻易地解释,但是它的要点还算简单明了。
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在经典物理中,粒子沿着确定的轨道从时空中的一点运动到另一点。量子力学为它们的运动引入了不确定性。尽管粒子沿着不确定的轨道,我们仍可以认为粒子在时空点之间运动。这些模糊的轨道称为传播子。我们通常用时空事件之间的线来代表传播子,但这仅仅是因为我们无法画出真实的量子粒子的不确定性运动。
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接下来要说的是相互作用,它告诉我们粒子相遇时会有什么样的行为。基本相互作用的过程称为角点。角点就像路中的分岔点,但接下来不是选择其中一条路或是另外一条,粒子分裂成两个粒子,每一个走一条分支。关于角点最著名的例子是由带电粒子发射光子。在没有任何警告的情形下,一个电子突然自发地分裂成一个电子和一个光子。[44](在传统上,我们将光子的世界线画成波浪线或是虚线。)
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这是产生光的基本过程:晃动的电子分裂出光子。
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存在包含其他粒子的多类角点。有一种粒子的名字叫胶子,它被发现存在于原子核之中。一个胶子有分裂成两个胶子的本领。
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任何可以向前进行的事物同时也可以逆向反演,这意味着粒子可以聚合到一起。例如,两个胶子可以聚合到一起形成一个胶子。
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理查德·费曼告诉我们如何结合传播子和顶点,来形成更为复杂的过程。例如,有一个费曼图表明了光子从一个电子跃迁到另一个电子,描述了电子如何碰撞和散射。
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另一个图表明了胶子如何形成复杂的、有黏滞性的纤维材料,从而将原子中的夸克结合在一起。
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给定初始点,包括一组粒子的位置和速度,牛顿力学试图回答有关预测未来这个古老的问题。量子场论用不同的方式提出了同样的问题:假定原来的一组粒子以某种确定的方式运动,那么不同结果的概率分别是多少呢?
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然而,简单地说自然界是随机性的(而不是决定性的),还不是答案的全部。尽管拉普拉斯不喜欢这个想法,但他还是认为世界有一点儿随机性。他可能是这样进行推理的:粒子的行为不是决定性的,恰恰相反的是,由过去(两个电子)到未来(两个电子加上一个光子)的每一个明确的路线的概率都为正值。[45]接下来,依照概率论的通常规则,拉普拉斯将不同的概率相加,得到最终的总概率。对于用经典装备大脑的拉普拉斯来说,这种推理是一种完美的见识,不过它并不是事物真实的运作方式。尽管有点儿怪,正确的方法应是:不要试图去干扰克它,仅仅接受它就可以了。
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正确的规则是奇异的新“量子逻辑”中的一个结果,是在紧随海森伯和薛定谔之后,由伟大的英格兰物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)发现的。费曼追随着狄拉克的引导,给出了计算相应费曼图概率幅的数学规则。而且,你可以将所有费曼图的概率幅加起来,但并不是得到最终的概率。事实上,概率幅不需要是正数,它们可以为正,也可为负,甚至还可以是复数。[46]
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但是,概率幅不是概率。比如说,为了得到两个电子变为两个电子加上一个光子的总概率,你首先要将所有费曼图的概率幅加起来。接着,依照狄拉克抽象的量子逻辑,你得到了结果,然后将其平方![47]所得结果总是正的,它是这个特定输出的概率。
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这是位于量子装备库核心的一个奇异规则。拉普拉斯曾经认为这是胡说八道,甚至爱因斯坦也认为它是没有意义的。但是,量子场论是一种了解万物的不可思议的武器装备,对包括基本粒子及其所组成的原子核、原子和分子在内的万物作出了惊人的精确的解释。正如我们在引言中所提到的,量子物理学家必须用新的逻辑规则来重新装备他们自己。[48]
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