量子電動(dòng)力學(xué)（QED）是理查德·費(fèi)曼獲得諾貝爾獎(jiǎng)的理論，他在自己的著作《QED:光與物質(zhì)的奇怪理論》中解釋了這一令人大開(kāi)眼界的理論。這本書(shū)從日常生活中光的行為的例子開(kāi)始，介紹物理學(xué)家可能會(huì)觀察到的光的行為，但他們不知道為什么光會(huì)這樣。書(shū)的結(jié)尾解釋了費(fèi)曼最著名的——費(fèi)曼圖。

光子是粒子還是波，多年來(lái)一直是困擾物理學(xué)家的一個(gè)問(wèn)題。因?yàn)檫@本書(shū)是關(guān)于光和物質(zhì)的相互作用的，所以知道正確答案是很重要的。理查德·費(fèi)曼給出了非常明確的答案。

我想強(qiáng)調(diào)的是，光以粒子形式出現(xiàn)。知道光的行為像粒子是非常重要的——費(fèi)曼。

關(guān)于光，我們關(guān)心的是它的行為，因?yàn)槲锢韺W(xué)家總是想知道為什么，為了弄清楚，他們需要知道事情是如何發(fā)生的。我們知道光從鏡子里反射回來(lái)的角度和它照到鏡子上的角度是一樣的，光在直線上傳播，光在水中彎曲，光可以被分成不同的顏色，我們可以用透鏡聚焦光。

從我們的觀察中，我們知道很多關(guān)于光的行為?，F(xiàn)在，我們可以思考為什么光會(huì)這樣。你知道誰(shuí)知道答案嗎？不幸的是，我不能告訴你為什么光會(huì)這樣，因?yàn)榫拖褓M(fèi)曼一樣，我也不知道答案。

我不打算解釋光子實(shí)際上是如何“決定”是反射還是穿過(guò)，這是未知的。我只會(huì)告訴你如何計(jì)算光從一定厚度的玻璃上反射的正確概率，因?yàn)檫@是物理學(xué)家唯一知道怎么做的事情！——費(fèi)曼

因果關(guān)系的概念可能有助于理解費(fèi)曼想說(shuō)什么。當(dāng)你擊倒了第一個(gè)多米諾骨牌時(shí)，所有的都會(huì)倒下。你能想象一張多米諾骨牌毫無(wú)緣由地自己倒下嗎？沒(méi)有風(fēng)，沒(méi)有力，沒(méi)有摩擦，什么都沒(méi)有。我相信你無(wú)法想象。因?yàn)槟阒烂考碌陌l(fā)生都是有原因的。在學(xué)習(xí)量子力學(xué)之前，我99.9%確定宇宙中發(fā)生的每件事都有原因，但現(xiàn)在，我只有99%確定，因?yàn)橛行┦虑樽屛屹|(zhì)疑因果關(guān)系。

• 來(lái)自費(fèi)曼論文

考慮這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，把一個(gè)光電倍增管放在光源前面，另一個(gè)放在你希望光通過(guò)一片玻璃反射的地方。大部分的光穿過(guò)了玻璃，但也有一部分被反射了。你可能看不出這有什么問(wèn)題，但是有一個(gè)問(wèn)題。假設(shè)你是一個(gè)光子。當(dāng)你從光源中出來(lái)時(shí)，你碰到了玻璃的表面。你會(huì)怎么做？你會(huì)去光電倍增管A還是B？從統(tǒng)計(jì)上看，你有4%的幾率反射回來(lái)，96%的幾率穿過(guò)去，但為什么呢？發(fā)生了什么？正如我告訴你的，我們不知道，但我們至少知道一些其他的東西：我們可以知道有多少的光會(huì)被反射，4%。就實(shí)驗(yàn)結(jié)果而言，我們也能知道如果我們加厚玻璃會(huì)反射多少光。

想象一個(gè)虛構(gòu)的時(shí)鐘。每一種顏色的光都有一個(gè)以不同速度旋轉(zhuǎn)的時(shí)鐘指針。這個(gè)時(shí)鐘表示從光源發(fā)射光子到光電倍增管探測(cè)到光子之間的時(shí)間間隔。因此，當(dāng)一個(gè)光子擊中光電倍增管時(shí)，我們就會(huì)停止秒表并記錄箭頭的方向。然而，如果光子被反射，我們把箭頭轉(zhuǎn)180度。當(dāng)我告訴你這件事的時(shí)候，你可能會(huì)感到失落，因?yàn)槟悴恢牢覀優(yōu)槭裁匆@么做。

這只是一種計(jì)算在給定厚度下，有多少光子會(huì)從玻璃前表面反射的方法。這個(gè)方法沒(méi)有給我們?nèi)魏侮P(guān)于為什么一個(gè)光子選擇去a或b的信息。在記錄了箭頭的方向后，我們把它們加在一起，就好像我們?cè)谧鲆粋€(gè)矢量加法。最后，我們?nèi)『铣墒噶看笮〉钠椒?，這就給出了光子是否被反射的概率。對(duì)于這種方法，秒表中的箭頭的大小被設(shè)置為0.2。因此，我們可以得到的最大反射率是16％，最小的反射率是0％。因?yàn)槊氡碇羔樖茄貓A周運(yùn)動(dòng)的，所以這種方法可以得到正弦反射結(jié)果，而它確實(shí)做到了。

知道了這個(gè)方法，你希望所有顏色的概率都是一樣的嗎？每一種顏色的光都有一個(gè)不同速度的秒表。因此，概率隨玻璃厚度的變化而變化，但概率波的振幅不變。這是有意義的，因?yàn)槲覀冊(cè)谶@個(gè)方法中使用的箭頭的大小是固定的。這也解釋了我們?nèi)粘Ｉ钪械囊患隆．?dāng)?shù)匕迨菨竦?，我們看著地板上的泥，我們可以看到不同顏色的光從地面反射。這是因?yàn)榈孛嫔系哪酀{并不是每一部分都有相同的厚度。我們可以得出這樣的結(jié)論：光不僅沿著一條路走，而且它走每一條可能的路。這是一個(gè)非常有力的聲明，所以我將通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)慢慢地研究它。

在上面的實(shí)驗(yàn)中，我們有一個(gè)可以發(fā)射質(zhì)子的光源，一個(gè)反射這些光子的鏡子，以及一個(gè)光電倍增管放在我們預(yù)期光子會(huì)擊中的地方。當(dāng)我們做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們看到光以與離開(kāi)鏡子相同的角度射向鏡子。但是，如果光通過(guò)了所有的路徑，這也是結(jié)果，因?yàn)槠渌窂降母怕蕰?huì)互相抵消。這并不一定意味著光通過(guò)每條路徑，但它與理論是一致的。現(xiàn)在，讓我們證明光通過(guò)每條路徑。

這是一個(gè)衍射光柵。即使我們不把光源指向衍射光柵，它也能反射不同顏色的光。衍射光柵的一個(gè)簡(jiǎn)單例子就是光盤(pán)！記住，這些箭頭表示的是鏡面的概率。如果我們刮掉或者覆蓋了所有剩下的箭頭，我們就可以防止這些概率互相抵消，這就產(chǎn)生了反射，這就是衍射光柵的工作原理。用費(fèi)曼自己的話說(shuō)：

你可以把一面沒(méi)有任何反射的鏡子取下來(lái)，刮掉一部分，它就會(huì)反射！

最后，談?wù)勝M(fèi)曼圖，我認(rèn)為這就是為什么理查德·費(fèi)曼比其他同年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的物理學(xué)家更出名的原因。通常，在量子力學(xué)中有非常復(fù)雜的方程來(lái)表示電子和光是如何相互作用的，但費(fèi)曼找到了一種用簡(jiǎn)單的圖表來(lái)表示這些概率的方法。在這些圖中，直線代表電子，而曲線代表光子，因?yàn)樗鼈兊男袨橄癫?。耦合是電子在費(fèi)曼圖中發(fā)射或接收光子的事件。上面的圖顯示了兩個(gè)電子是如何相互作用的。其中一個(gè)可以發(fā)射光子，并改變它在空間中的方向，這是由于動(dòng)量守恒，另一個(gè)可以接收光子來(lái)改變方向，這也是由于動(dòng)量守恒。我們知道光子沒(méi)有質(zhì)量，但它們有動(dòng)量，所以這是合理的，但這只是兩個(gè)電子相互作用的一種方式。

這里有更多的圖表顯示其他可能性。隨著耦合數(shù)量的增加，發(fā)生這種交互作用的概率會(huì)降低。

這些費(fèi)曼圖展示了粒子相互作用的可能方式，但我們不知道是否會(huì)發(fā)生這樣的事情，因?yàn)槲覀冋也坏竭@些事情發(fā)生的原因。問(wèn)題是這些計(jì)算是有效的。事實(shí)上，他們做得很好。考慮到更多的可能性，由于量子電動(dòng)力學(xué)的理論，科學(xué)家現(xiàn)在計(jì)算電子的磁矩幾乎沒(méi)有什么不確定性。