物理學家和父親的故事
父親問物理學博士兒子:我知道波爾的氫原子模型。氫原子里的電子可以處在具有不同能量的軌道上。并且電子從一個高能量的軌道躍遷到低能量的軌道的時候會有光子輻射出來。這個光子一定是儲存在哪里吧?
這個故事有好多版本,好像每個厲害的物理學家都被父親問過這個問題,然后大部分物理學家都沒有回答出令父親滿意的答案而感概。
費曼的版本是:光子沒有儲存在任何地方。就好比我們說話,聲音并沒有預選儲存在聲帶上。而是聲帶的震動擠壓空氣使空氣激發振動。雖然費曼的解釋很巧妙,但是也沒有讓父親滿意。費曼的類比說明了,光子不是釋放出來的而是被產生出來的!
父親的疑惑應該是無法理解基本粒子可以消滅也可以被產生這個事實。而在量子場論之前的量子力學或者說是第一次量子化的確是要求粒子數守恒的,這個是反映了總概率不變。所以說父親是比費曼聰明的,看出了第一次量子化的局限和不足。
那么考慮量子場論或者二次量子化的答案應該是怎樣的?
首先因為量子場代替了量子粒子,即所謂的二次量子化后,不同粒子數的狀態對應了場的不同量子態。這樣粒子的消滅和產生只是對應了場的不同量子態的轉化。然后這里我們要考慮兩種場:電子場和光子場。他們可以相互作用的,即可以相互轉化的。對稱性要求這個轉化一定涉及到一個光子和兩個電子。所以我們可以假設開始我們有一個高能量的電子,然后通過電磁作用,變為一個低能量的電子和一個光子。
但是我們還沒有光子輻射。因為這個量子過程不需要氫原子核的就可以發生,也就是說對于自由電子也可以發生。但是對于自由電子,就有了一個空間的全同性:如果一個量子過程產生一個向北方運動的光子那么一定會有一個對應的量子過程產生一個向南運動的光子。總的效果就是所有的光子會抵消。而氫原子核的存在正是打破了這個對稱性,才導致了最后的輻射。