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第12章 直线和波浪线（第2页）

从很久以前起，我们就一直相信一件事：有果必有因，无因必无果。你永远不可能无中生有，也永远不可能化实为虚。这一原则由夏特莱侯爵夫人提出，现在的表述是“能量既不会凭空产生，也不会凭空消失”，这就是能量守恒定律。虚光子打破了这一定律。

海森堡不确定性原理说，我们不可能准确地测量一个粒子。动量和位置不可能同时被测量，因此粒子永远不会静止不动。量子场论扩展了这一观点，认为无论粒子符合什么定律，其潜在的场也一定符合该定律。这意味着场也有不能被测量的值。

量子场必须不断地晃动，然后虚粒子也不断地晃动。这意味着每一秒场中都有不计其数的虚粒子产生和消失。随着虚粒子的诞生和湮灭，你周围空间的每一点都在发泡和起泡，所用的时间非常之短。真空不空。

费曼计算出，如果抽出一个电灯泡体积内的所有虚粒子，其能量足以煮沸整个地球的海洋。这么庞大的能量我们却没有注意到，这是因为它几乎在诞生的那一刻就湮灭了。

这意味着在量子场论中，你可以无中生有，因为“无”是不稳定的，不确定性原理禁止“无”的状态。如果“无”的时间足够长，能量就会没缘由地产生。这听起来有些疯狂，但我们不得不接受它，因为有好几个重要证据支持QED。

这是科学史上最准确的理论

并不是只有费曼一个人为电子和光子的量子场论提出了完全可行的设计。费曼与朝永振一郎以及前面提到的朱利安·施温格共享了1965年的诺贝尔物理学奖，后两位科学家用自己的方法独立分析发展了QED并给出了重要预言。

但施温格与朝永振一郎的方法要复杂得多，并且纳入了许多费曼认为不必要的额外工作。（费曼与施温格的方法截然不同，甚至没有人意识到他们在解决同一问题，直到他们的共同好友弗里曼·戴森在一个下午与他们联系，并在去伊萨卡岛的巴士上意识到了这个问题。）[6]

费曼图很优雅，但一个人不会仅仅因为画了漂亮的图就获得诺贝尔奖。相信我，我已经向诺贝尔委员会提交了我书中的几十张插图，但什么也没有得到。然而QED做得更好一些，因为费曼图不仅仅是天马行空的示意图，它们还有很强的预测能力。

关于QED的能力，有一个例子是它能计算光子场和电子场相互耦合（交换量子）的强度。2012年，仁尾真纪子和他的团队对这个数字做了最详尽的计算，他们用电脑计算了12，672张费曼图，结果是每张费曼图的光子场和电子场之间都有10个顶点。

他们计算出的耦合常数值是0。00729735256，而实验测量的耦合常数值是0。00729735257。理论和数据在小数点后十位是一致的。[7]

费曼说这种精确程度相当于测量纽约到洛杉矶的距离，只有一根头发丝直径的误差。科学上没有其他预测能与之媲美。

如果你接受暖空气上升的理论，如果你接受病毒如何起作用的理论，如果你接受任何科学理论，那你也应该接受QED，因为它的证据更有力。如果数字还无法说服你，QED还有另外一个重要的预测，即反物质。

听起来像电影的情节

谈到场中出现的粒子，狄拉克指出，这会在场中留下一个洞。回到冰激凌的类比，我们从桶中每挖一勺冰激凌都会产生一个冰激凌粒子，同时也会在表面形成一个同等大小的凹坑。

我们可以把粒子放回凹坑从而抵消它，这就像是在产生粒子的同时创造了一个颠倒的粒子洞。这就是反粒子。

费曼的QED也预测了反粒子，但它以一种不同的方式出现—并非电子场中出现一个电子和一个空洞，而是有两个场：电子场和反电子场，光子场同时与这两个场耦合。

我们来重新看看电子吸收（或吐出）光子的费曼图。

费曼图有一个绝妙的特征，那就是它的任何角度都是有效的，所以我们可以旋转它，得到同样正确的答案。如果我们把上图翻转90度就会得到：

我们从下往上读。光子场中的量子在空间中传播，然后随机地决定消亡，将其能量转移到电子场中（一个光子转变成一个电子）。但如果我们仔细观察，就能看到一些奇怪的东西。其中一个电子的传播函数箭头指向相反的方向。

右边的传播函数代表电子，那么左边的传播函数一定是同时产生的某种相反的电子。我们再次翻转这张图：

图中的两个箭头表示相互靠近的一个电子（右）和一个反电子（左），它们湮灭产生了一个光子。（注意：由于数学上的原因，碰撞实际上产生了两个光子，而非一个。这对我们的图没有任何影响。[8]）

“反电子长什么样？”我听到你这样问。它就像正常的电子，但是带相反的电荷。反电子是正电子而非负电子。但是，如果电子的电荷来自某个方向的光子，那么相反的电荷来自相反方向的光子吗？费曼神秘兮兮地回答，是的。

费曼在1949年证明，如果你画一个普通电子的传播子，并在方程中使它反向（费曼图的箭头相反），就能得到反电子的传播子。费曼认为，反粒子是在时间上后退的普通粒子。[9]

一些物理学家不喜欢时间后退粒子的观点，因为你不能一本正经地说电子可以穿越时间。在我看来，这有点像爱因斯坦反对叠加态。他不喜欢叠加态所暗示的东西，但无法判断它究竟是对还是错。我们只能说，方程是成立的。因此这只是一个喜好的问题。反物质粒子确实存在，而且它们的行为与费曼所说的完全相同。

建造你的粒子检测器

卡尔·安德森用一种叫“云室”的设备发现了反物质。云室的设计非常简单，每个人都可以建造一个。我尝试了几次，但我在实验室里和海森堡一样无能—尽管我知道如何更换烟雾报警器中的电池（有趣的是，烟雾报警器对我工作的任何实验室来说都至关重要）。

现在你可以这样做：找一个透明的容器，用一条浸过酒精（异丙醇／外用酒精效果最好）的毛毡把它的边缘包起来。将容器密封，整体放在一层冰上，使底部表面冷却。这会在容器内建立一个稀薄的酒精蒸气大气层，任何穿过塑料壁的粒子都会在尾迹中留下蒸气的痕迹，显露出浅色的线条—仿佛是凭空出现的。

你也可以在容器里放一块磁铁，带电粒子会绕着它做曲线运动。电荷与磁性是同一个场的性质。

卡尔·安德森当时正在研究宇宙射线，他计算了到达地球表面的电子数量。宇宙射线就是从太空中不断降落在我们身上的粒子碎片。计算的时候，大多数电子的行为都和预测的一样，但有15条绕着磁铁的轨迹偏离了方向。安德森观察到了带正电荷的电子。从太空来的反物质。[10]

反电子也叫“正电子”。然而，令人扫兴的是，带相反电荷的质子叫“反质子”，带相反电荷的中子叫“反中子”。你可能很奇怪，众所周知，中子是一种中性粒子，怎么可能有带相反电荷的中子？我们将在下一章讨论这个问题。

QED让我们对现实的认识更加复杂，因为现在我们要处理7种粒子／场：质子、反质子、中子、反中子、电子、正电子、光子。

光子没有对应的反物质，这在费曼的时间反演理论中是完全合理的。如果反物质真的是在时间上后退的普通物质，光子应该就是它自身的反粒子，因为光子不经历时间。

在狭义相对论中我们已经看到，随着速度的加快，时间会逐渐减慢，直至到达宇宙的极限速度。光子正是以那个极限速度移动，对它们而言没有时间的概念。光子的时间不会前进，也不会后退。

漫画书中反派的首选武器

反物质粒子的寿命很短，因为一旦遇到普通粒子（宇宙中的大部分粒子），它们就会湮灭，从而产生光子。但不必担心，你可以在地球上自己制造反物质粒子，价格非常低，每克只需62万亿美元！[11]

很明显，制造反物质非常困难和昂贵，所以粒子物理学家需要非常细致，才能制造少量的反物质。在撰写本文时，保持最多反物质活跃的记录是2011年309个反氢原子（带1个正电子的反质子）活跃了惊人的16分30秒。[12]

反物质技术值得研究的主要原因是，物质和反物质的碰撞能产生大量的能量，一茶匙那么大的物质-反物质就可以把火箭发射到半人马座α星系。它也可以把一艘中等大小的宇宙飞船加速到光速的14，从而在几年内完成几个世纪才能完成的旅途。

当然，这种能量确实为武器制造提供了条件，军方官员偶尔也会讨论反物质炸弹的概念。反物质可能会成为地球上最具破坏性的武器，也可能会成为我们逃离地球的唯一方法，这取决于我们如何利用它。

（1）　电影《星球大战》中的主要人物之一。—译注