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?

2020-12-03 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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    費曼在很小的時候就意識到了這一點,這可能是他被認為是自愛因斯坦以來最偉大的科學家的原因。人們忘記了他對物理學的偉大貢獻,忘記了我們對現實本質的理解,因為他並不是最好的丈夫。費曼於1918年5月11日出生於紐約皇后學院,由梅爾維爾·阿瑟·費曼和露西爾·尼·菲利普斯撫養長大。梅爾維爾出生在白俄羅斯,靠當銷售經理謀生,而露西爾則照顧年幼的理察。