Sunday, May 20, 2012

#3 The Strange Theory of Light and Matter / Richard Feynman


Part 3 - 電子和它們的相互作用

... 物理學中我們了解得最好的部份,即光和電子的相互作用。熟悉的大部分現象~如全部化學和生物學的現象~都涉及光和電子的相互作用。量子電動力學這個理論能將所有現象(除引力現象、核現象之外)囊括其中。

... 即便對最簡單的現象,如:光在玻璃上的部份反射,我們也沒有一套令人滿意的機制可以描述。我們也無法預測某一特定的光子是穿透玻璃?還是自玻璃表面反射?我們所能做好的事情就是:計算某一特定事件發生的機率~對於剛剛的粒子,就是預測光是否被反射?(當光垂直向下照射到玻璃的單表面,被反射的機會是 4%,當光以更傾斜的角度照射玻璃,反射的可能性就會增加。)

我們在處理一般情況的機率問題,有一套"合成規則"(rules of composition)
:1) 若某事件可以從各種可能的方式發生,我們把所有不同方式的機率加起來
:2) 如果這事件是以一系列的相繼步驟出現~或者,依賴獨立併發的幾個子事件~我們將個別步驟(或子事件)的機率相乘

在量子物理這個奇異而美妙的世界中,計算機率的方法是將箭頭的長度平方... 對自然現象的這種分析~其背後沒有"輪子與齒輪":如果想理解自然界,你只能採用這個方法。

(接下來講 雙狹縫實驗 ~ 理查德·費曼有一句他很喜歡的名言:仔細地思考雙縫實驗的意義,我們就能夠一點一滴的了解整個量子力學。透過雙縫實驗,我們可以明瞭量子世界的真諦。 )


Part 1 The Strange Theory of Light and Matter / Richard Feynman

#2 of The Strange Theory of Light and Matter / Richard Feynman


Part 2 - 光子:光的粒子

這是關於量子電動力學系列講座的第二講。顯然諸位上次都不在座(因為上次我告訴大家,他們別打算聽懂任何東西),所以我先把第一講的內容簡要地總結一下。(猜:第二講的聽眾人數比第一講多,費曼開玩笑說:啥?上次講的東西,居然沒把人嚇光?)

第一講我們講的是光。光的第一個重要特點,它看起來是粒子:如果我們用非常微弱的單色光(只有一種顏色的光)打到探測器上,那麼當光越來越弱時,探測器作響的次數就越來越少,但每次作響的聲響大小不變。(想:如果光只是波動,弱光只是振幅的減弱,探測器應該聽到變弱且持續的聲響,而不是一樣大聲但間歇次數降低的聲響。)

上一講討論光的另一個重要特性是:單色光的部份反射。打到玻璃單一表面的光子有 4% 被反射回來。這點已經是個艱深的奧秘了,因為不可能預測哪個光子反射回來,哪個光子穿透過去。在加上第二個表面後,結果更是奇怪,兩個表面的部份反射並非期望的 8%,而是可以高達 16%,或者完全沒有(反射)~究竟結果如何,則取決於玻璃的厚度(註:兩個表面之間的距離)

兩表面部份反射的奇怪現象,在強光的情況,可以利用波動理論來解釋;但波動理論不能解釋~在光越來越微弱的狀況,探測器發出的~搭、搭、、聲總是一樣的響。量子電動力學"解決"了這個「波粒二象性」的問題,它的說法是,光是由粒子組成的(正如牛頓原來的設想一樣),但巨大的科學進步的代價~物理學被迫向後撤退,撤退到它只能計算的只是一個光子打中探測器的機率~這個地步,而無法給出一個很好的模型來說明:實際發生的到底是什麼?



我們現在比較仔細地研究一下這一小束光:把光源放在 S,光電倍增管在 P,S 與 P 之間安放一對屏障,以防光路太散(圖 33)。我們把第二個光電倍增管放在 P 下方的 Q,為了簡單起見,再次假設:光只沿著成一角度的兩段直線所構成的路徑從 S 到達 Q。好!我們看會怎樣呢?在兩屏障之間的距離大得足以容納多條彼此靠近的到達 P 路徑和到達 Q 的路徑時,到達 P 的路徑箭頭相加是彼此增長的(因為所有到 P 路徑都需要幾乎相同的時間),而到達 Q 路徑的箭頭卻都彼此相消(因為這些路徑所需的時間大不相同)。所以,Q 點的光電倍增管就不會作響。

但是,讓我們把兩個屏障推得彼此靠近,當接近到某一個程度時,Q 的探測器開始作響!在兩屏障間的空隙小到幾乎合攏,因而只有很少幾條緊鄰的路徑可以通過時,到 Q 的那些箭頭也彼此相長了,因為它們所需時間也幾乎沒有差別(圖 34)。當然,P、Q兩處的最終箭頭都是很小的,所以無論到 P 還是到 Q 都沒有多少光能通過這個小孔,而 Q 探測器作響的次數幾乎和 P 一樣多!所以,當試圖把光路壓得極窄以確定光只走一條直線時,光會因為壓得太窄而拒絕合作,並開始散射開來。



[3] 這是「測不準原理」(uncertainty principle) 的一個例子:關於光在兩屏障間走哪條路?和此後走哪條路?這兩個知識之間有一種"互補"關係 ~ 想要精確地知道是不可能的!我願意把測不準原理放在它的歷史地位上來考察:在量子物理的革命性思想剛剛提出的時候,人們還力求借用老觀念(如:光走直線)去理解一些現象。但到了一定的時候,老觀念開始不靈光了,於是出現了這樣的警告:事實上,"當___時,你的老觀念就一文不值了。" 如果放棄所有的老觀念,換成這個講座提到的~將單一事件的所有可能方式的箭頭都加起來 ~ 測不準原理就不再需要了。