我們接著上一篇的內容《人人都能看懂的量子電動力學和費曼圖(上)》
費曼圖記錄了量子場在給定初始狀態下的不同演化方式。除了初始和最終粒子是可以被探測到的真實粒子之外,在這些圖中充當信使的粒子被稱為虛擬粒子,這些是無法被探測到的粒子,它們會表現出一些相當奇怪的特性,它們只是用來描述兩個電子在一定距離內如何相互作用的中介。
數學上,每一種情形,每一個費曼圖,都對應一個非常嚴格的方程,虛粒子只是直觀地解釋方程某些部分的一種方式。也就是說,儘管它們只是由我們的數學模型產生的中介物,但考慮這些虛粒子是必要的,因為它們解釋了場的相互作用,因此也解釋了電子的行為。
但是如果我們想要預測電子的實際行為,這並不能給我們太多幫助。我們想知道,如果我們進行這個實驗,會發生哪些情況?這個問題的答案是微妙的,可能看起來違反直覺,但這正是使量子理論如此強大的原因。
我們的宇宙並不只遵循其中一種情況,它根據所有可能的情況同時發展。在某種程度上,從一個給定的初始情境開始,所有的可能性都同時、平行地發生,作為每一個可以想象的場景的疊加。為了描述電子的行為,有必要考慮量子電動力學中的所有費曼圖。
在量子電動力學中,它允許我們為每種情況計算一個數字:振幅。我們可以把每一個圖表想象成層,它們的振幅是一種不透明度。許多不同的場景有不同的振幅,透過對所有這些不同振幅的場景進行疊加,就像我們疊加了許多不透明的層一樣,這樣我們就可以計算系統的機率。
費曼圖與其說是對真實現象的描述,不如說是一種非常強大的工具,它允許我們計算觀察到結果的機率。當我們在現實世界中進行這個實驗時,如果我們丟擲兩個電子,它們在某種程度上互相排斥。在我們的尺度上,我們有這樣的印象:兩個電子受到一個連續的力,而從根本上說,這個力只是電子透過虛粒子交換運動的所有可能的相互作用的機率合成。
總之,量子電極動力學是一個複雜的理論,但它允許我們以令人震驚的方式預測電子、正電子和光子如何相互作用。透過綜合所有具有不同振幅的可能場景,該理論在基本尺度上解釋和預測了所有光學定律和光與物質相互作用時的行為。
從歷史上看,這個模型是量子場理論的第一個成功例子,它將物質描述為量子場,將相互作用描述為虛粒子,並提出了一種基於圖和振幅的非常優雅的計算方法。