費曼圖說明了什麼?為何說費曼是愛因斯坦之後最偉大的物理學家?

2020-12-15 天文同好樂園

在整個物理學界,都公認理察·費曼是繼愛因斯坦以來最偉大的物理學家(之一)。可能很多人對史蒂芬·霍金聽說得比較多,但同時他們卻並不清楚理察·費曼對物理學的貢獻。說起理察·費曼,他對物理學最大的貢獻之一就是他的費曼圖。那麼費曼圖到底是什麼呢?簡單來說,費曼圖就是一種用圖形表達的數學計算,它可用於估算某件事發生的概率大小。

理察·費曼

早在上世紀第二次世界大戰結束之前,費曼就完全接受了量子力學的概率論核心,在之後的幾年,費曼提出了另一種強有力的方法來詮釋量子力學的概率論。從最著名的電子雙縫實驗舉例來說,我們原以為一個電子要麼穿過左縫,要麼穿過右縫,從其中一條縫穿過去的電子本不應該關心是不是還存在另一條縫。然而,事實是這個電子真的受到了另一條縫的影響,結果表現出了幹涉模式。

為了解釋這個現象,薛丁格、德布羅意和玻爾為每一個電子賦予一個概率波,這個概率波能夠像水波一樣幹涉、融合。類似於水中波浪湧起的地方,就是概率波融合增強的地方,也就是電子最可能出現的地方;在波動平緩的地方,就是概率波融合相消的地方馬爺就是電子最不可能出現的地方。雙縫實驗中的電子就是按照這種概率波的分布形態,從而形成了我們熟悉的那種幹涉條紋。

但費曼提出了他的不同觀點。費曼宣布,每個到達螢光屏的電子實際上穿過了兩條縫!這個觀點在薛丁格、玻爾等人看起來很瘋狂,這怎麼可能?但費曼說,每一個電子從發射源頭到螢光屏上的某一點,實際上同時經歷了所有可能的路徑。一個電子可能朝著左縫去,卻突然在空中掉頭走向右縫;它可能前後猶豫,最後確定通過其中一條縫;它甚至有可能先到了仙女座星系,然後又回來穿過一條縫到達螢光屏。總之,所有可能的路徑它都計算過,所有可能的路徑都走過。

費曼證明,他能為電子的每一條路徑賦予一個數,這些數的聯合平均將給出與薛丁格波函數計算相同的概率結果,但不需要為電子聯繫一個概率波。也就是說,電子到達螢光屏的某一點的概率由到達那一點的所有可能路徑的聯合效應來決定,這就是費曼著名的量子力學的「路徑求和」方法。在這一點上,我們的常識已經被顛覆了,一個電子怎麼可能同時經歷不同的路徑?而且還是無限多個?然而,我們的常識有時候並不正確,用費曼的方法計算的結果符合波函數的方法,而且也都符合實驗。

電子-電子散射費曼圖

正如費曼所說,用量子力學描述自然從常識看是荒唐的,但它完全符合實驗,所以我們必須接受一個觀點——自然本來就是荒唐的!費曼將這種技巧最先用到了量子電動力學上,即QED。QED描述的是帶電粒子,如電子,描述它們是如何相互作用的。很多人可能認為量子電動力學的應用領域相當有限,但事實上,你在這個世界所能感受到的一切(除了引力和核現象),幾乎都可以用QED理論去描述。由於在這一領域傑出的貢獻,費曼與施溫格、朝永振一郎一同分享了1965年度的諾貝爾物理學獎。

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    他所提出的費曼圖、費曼規則、路徑積分法,將圖形化的語言引入了物理學的具體計算中,使後來的物理學家們不必再受「抽象思考」的折磨,而能以形象的方式來表述、理解以及計算各種粒子在量子場中的相互作用,可以說為量子力學領域提供了一套絕佳的「視窗化操作工具」。
  • 世界公認最好的學習方法:費曼學習法
    當然,也可以通過優秀的學習法來進行學習,比如今天講的「費曼學習法」,可以將你的學習效率極大的提高。 費曼學習法是由加拿大物理學家費曼所發明的一種高效的學習方法,費曼本身是一個天才,13歲自學微積分,24歲加入曼哈頓計劃(核武器計劃)。而Google創始人謝爾蓋布林都在使用的學習方法,比爾蓋茨、賈伯斯、拉裡佩奇都是費曼學習法的擁戴者。
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    這個路徑空間又是什麼呢?是所有從A到B的三維曲線構成的空間,這就又回到了我們在本系列最開始介紹伯努利的變分法,即「最速降線問題」時候的那個泛函空間。如此一來,貌似高深的量子力學路徑積分與那個簡單的幾何問題又聯繫起來了。後來,費曼企圖將這個作法應用到狄拉克的相對論性量子理論時,碰到了困難。再後來,費曼參加到原子彈研究的曼哈頓計劃中,無暇顧及這個理論問題。
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    諾貝爾獎獲得者、美國康耐爾大學的理論物理學家貝特曾轉用一位數學家的話,說世界上有兩種天才:普通的天才完成偉大的工作, 但讓其他的科學家覺得,如果他們足夠努力的話,那樣的工作他們也能完成如今,在場論中,像費曼圖、費曼積分、費曼振幅等常用的重要概念和方法都 與他的名字連在一起。  1965年,由於在量子電動力學方面的基本工作,費曼與美國物理學家施溫格和日本物理學家朝永振一郎共同獲得了該年度的諾貝爾物理學獎。除了在量子場論和基本粒子理論方面的重要工作之外,在像凝聚態物理等領域中,費曼亦貢獻卓著,尤其是在對液氦的超流動性的理論研究方面。