简单易懂的费曼图和量子电动力学(下)

我们接着上一篇的内容《人人都能看懂的量子电动力学和费曼图(上)》

费曼图记录了量子场在给定初始状态下的不同演化方式。除了初始和最终粒子是可以被探测到的真实粒子之外,在这些图中充当信使的粒子被称为虚拟粒子,这些是无法被探测到的粒子,它们会表现出一些相当奇怪的特性,它们只是用来描述两个电子在一定距离内如何相互作用的中介。

简单易懂的费曼图和量子电动力学(下)

数学上,每一种情形,每一个费曼图,都对应一个非常严格的方程,虚粒子只是直观地解释方程某些部分的一种方式。也就是说,尽管它们只是由我们的数学模型产生的中介物,但考虑这些虚粒子是必要的,因为它们解释了场的相互作用,因此也解释了电子的行为。

简单易懂的费曼图和量子电动力学(下)

但是如果我们想要预测电子的实际行为,这并不能给我们太多帮助。我们想知道,如果我们进行这个实验,会发生哪些情况?这个问题的答案是微妙的,可能看起来违反直觉,但这正是使量子理论如此强大的原因。

我们的宇宙并不只遵循其中一种情况,它根据所有可能的情况同时发展。在某种程度上,从一个给定的初始情境开始,所有的可能性都同时、平行地发生,作为每一个可以想象的场景的叠加。为了描述电子的行为,有必要考虑量子电动力学中的所有费曼图。

简单易懂的费曼图和量子电动力学(下)

在量子电动力学中,它允许我们为每种情况计算一个数字: 振幅。我们可以把每一个图表想象成层,它们的振幅是一种不透明度。许多不同的场景有不同的振幅,通过对所有这些不同振幅的场景进行叠加,就像我们叠加了许多不透明的层一样,这样我们就可以计算系统的概率。

简单易懂的费曼图和量子电动力学(下)

费曼图与其说是对真实现象的描述,不如说是一种非常强大的工具,它允许我们计算观察到结果的概率。当我们在现实世界中进行这个实验时,如果我们抛出两个电子,它们在某种程度上互相排斥。在我们的尺度上,我们有这样的印象:两个电子受到一个连续的力,而从根本上说,这个力只是电子通过虚粒子交换运动的所有可能的相互作用的概率合成。

简单易懂的费曼图和量子电动力学(下)

总之,量子电极动力学是一个复杂的理论,但它允许我们以令人震惊的方式预测电子、正电子和光子如何相互作用。通过综合所有具有不同振幅的可能场景,该理论在基本尺度上解释和预测了所有光学定律和光与物质相互作用时的行为。

历史上看,这个模型是量子场理论的第一个成功例子,它将物质描述为量子场,将相互作用描述为虚粒子,并提出了一种基于图和振幅的非常优雅的计算方法。

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投稿时间:2022-01-12  最后更新:2022-04-24

标签:电动力学   量子   振幅   相互作用   粒子   易懂   概率   场景   理论   情况   简单   电子

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