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1. 緒 論

阿莉克斯·毛特納對物理學很好奇，常常要我給她講解。我想，這事我能應付得來，正如在加州理工學院有一群學生每星期四到我這里來花一個小時討論物理問題我能應付得來一樣。可結果，我最感興趣的這部分卻沒成功：我們老是在討論量子力學那些古怪的概念時給窘倒了。我告訴阿莉克斯，我不能只花一個小時或一個晚上把這些概念給她解釋清楚——這需要花很長時間，但我答應她，總有24小時我會準備一個系列講座來講解這個課題。

我準備了幾講，然后去新西蘭試試如何——因為新西蘭反正遠得很，即使講砸鍋了，也沒什么了不起。噢，新西蘭人認為講得還不錯，所以我猜這講座還可以——至少對新西蘭是這樣。現在我在這里講的就確實是我為阿莉克斯準備的講座，但很遺憾，現在，我不能直接講給她聽了。

我愿意給大家談的是物理學中已經為人所知的部分，而不是未知的部分。人們總是要求我們講解"統一"——把這個那個理論統一起來這一類工作的近期進展，而不給我們機會向他們講解我們已經掌握得很好的一個個理論。他們總是想了解我們尚不知道的東西。所以，與其用一些半生不熟、我們尚且一知半解的理論把你們弄得暈頭轉向，還不如像我所愿意的那樣給你們講一講一個我們已經分析得通透至微而徹底掌握了的課題。我喜歡物理學的這個領域，而且認為它是絕妙的——那就是量子電動力學，或簡而言之，QED。

我這幾講的目的是盡可能地描述關于光和物質的奇妙理論——或者更明確地說，是關于光與電子的相互作用。要講完我想講的所有內容，需要很長的時間。好在我們分四次講，我會好好利用這些時間，把所有內容都弄清楚。

物理學在過往的歷史中，嘗試將眾多現象綜合為很少幾個理論。例如，在早期，人們觀察到運動的現象和熱的現象；還有聲、光和重力的現象。但在牛頓(Sir Isaac Newton)解釋了運動的規律以后，人們很快發現，這些過去看起來毫不相干的現象，其中有些其實是同一事物的側面。例如，聲音現象可以理解為空氣中原子的運動。所以聲音就不再被看作是運動之外的什么事了。人們還發現，從運動規律出發，熱現象也是容易理解的。用這個方式，一大堆物理學理論被綜合成一個簡明易懂的理論。不過萬有引力理論除外，它不能用運動規律來理解，甚至在今天它也還是與其他理論毫無聯系。迄今，萬有引力仍不是借助其他現象所能理解的。

在把運動、聲和熱這幾種現象綜合起來之后，人們又發現了我們稱之為電現象和磁現象的幾種現象。1873年，這些現象同光和光學現象被麥克斯韋(James Clerk Maxwell)的一個理論綜合在一起，麥克斯韋提出光就是電磁波。所以在這個階段，有運動定律、電和磁的定律和萬有引力定律。

1900年前后，一種解釋物質到底是什么的理論出現了。它被稱為物質的電子理論——認為原子中有很小的帶電粒子。這個理論逐漸演化發展，認為原子中有一個重核，并有電子繞它旋轉。1. 緒 論

阿莉克斯·毛特納對物理學很好奇，常常要我給她講解。我想，這事我能應付得來，正如在加州理工學院有一群學生每星期四到我這里來花一個小時討論物理問題我能應付得來一樣。可結果，我最感興趣的這部分卻沒成功：我們老是在討論量子力學那些古怪的概念時給窘倒了。我告訴阿莉克斯，我不能只花一個小時或一個晚上把這些概念給她解釋清楚——這需要花很長時間，但我答應她，總有24小時我會準備一個系列講座來講解這個課題。

我準備了幾講，然后去新西蘭試試如何——因為新西蘭反正遠得很，即使講砸鍋了，也沒什么了不起。噢，新西蘭人認為講得還不錯，所以我猜這講座還可以——至少對新西蘭是這樣。現在我在這里講的就確實是我為阿莉克斯準備的講座，但很遺憾，現在，我不能直接講給她聽了。

我愿意給大家談的是物理學中已經為人所知的部分，而不是未知的部分。人們總是要求我們講解"統一"——把這個那個理論統一起來這一類工作的近期進展，而不給我們機會向他們講解我們已經掌握得很好的一個個理論。他們總是想了解我們尚不知道的東西。所以，與其用一些半生不熟、我們尚且一知半解的理論把你們弄得暈頭轉向，還不如像我所愿意的那樣給你們講一講一個我們已經分析得通透至微而徹底掌握了的課題。我喜歡物理學的這個領域，而且認為它是絕妙的——那就是量子電動力學，或簡而言之，QED。

我這幾講的目的是盡可能地描述關于光和物質的奇妙理論——或者更明確地說，是關于光與電子的相互作用。要講完我想講的所有內容，需要很長的時間。好在我們分四次講，我會好好利用這些時間，把所有內容都弄清楚。

物理學在過往的歷史中，嘗試將眾多現象綜合為很少幾個理論。例如，在早期，人們觀察到運動的現象和熱的現象；還有聲、光和重力的現象。但在牛頓(Sir Isaac Newton)解釋了運動的規律以后，人們很快發現，這些過去看起來毫不相干的現象，其中有些其實是同一事物的側面。例如，聲音現象可以理解為空氣中原子的運動。所以聲音就不再被看作是運動之外的什么事了。人們還發現，從運動規律出發，熱現象也是容易理解的。用這個方式，一大堆物理學理論被綜合成一個簡明易懂的理論。不過萬有引力理論除外，它不能用運動規律來理解，甚至在今天它也還是與其他理論毫無聯系。迄今，萬有引力仍不是借助其他現象所能理解的。

在把運動、聲和熱這幾種現象綜合起來之后，人們又發現了我們稱之為電現象和磁現象的幾種現象。1873年，這些現象同光和光學現象被麥克斯韋(James Clerk Maxwell)的一個理論綜合在一起，麥克斯韋提出光就是電磁波。所以在這個階段，有運動定律、電和磁的定律和萬有引力定律。

1900年前后，一種解釋物質到底是什么的理論出現了。它被稱為物質的電子理論——認為原子中有很小的帶電粒子。這個理論逐漸演化發展，認為原子中有一個重核，并有電子繞它旋轉。

人們想借助力學定律，就是說想仿照牛頓利用運動定律探究出地球如何繞日運行的辦法來理解電子繞核旋轉，這個努力是徹底失敗了：它做的所有預言都是錯的。(附帶說一句，相對論大致也是在這段時間里提出來的，你們大家都把它理解成是物理學中的一場革命。但與牛頓運動定律不能用于原子這個發現比起來，相對論只是個小修正。)建立另一個體系取代牛頓定律花費了很長時間，因為原子水平上的現象是很奇怪的。要領悟在原子水平上發生的事情，人們必須拋棄常識。，在1926年，用來解釋電子在物質中的"新型行為"的一種"非常識性"理論建立起來了。這個理論看來好像荒誕不經，但事實上當然絕非如此：它就叫做量子力學。"量子"這個詞是指自然界那個違背常識的特別的一面。我準備和你們談的，就是關于這一面的問題。

量子力學的理論還解釋了所有各類現象的細節，例如為什么一個氧原子和兩個氫原子合成水，等等。這樣，量子力學就也為化學提供了背景理論。所以說基礎的理論化學實際上就是物理學。

量子力學由于能夠解釋物質所有的化學性質和其他各種性質而獲得極大的成功。但關于光和物質的相互作用還是存在問題。就是說必須將麥克斯韋的電和磁的理論加以改造，使之與已經建立起來的新的量子力學相適應。這樣，在1929年，一個新的理論——關于光和物質相互作用的量子理論——終于由一些物理學家建立起來了。它的名字倒是怪可怕的，叫做"量子電動力學"。

但是這個理論曾有過讓人頭疼的麻煩。如果你粗略地進行計算，這理論能給你相當合乎邏輯的結果。但要是想進行更的計算，你會發現修正值(你原以為計算越，修正值會越小吧!例如一系列的修正值中，下一個會比上一個小)事實上很大——事實上竟然是無窮大!原來，這個理論不允許你把任何一個量計算得超過一定的精度。

順便說一下，剛才我給你們概括講的那些，我把它稱為"物理學家的物理學史"，這種物理學史從來是不正確的。我剛才給你們講的是物理學家給他們的學生講的形式化的神話故事一類的東西，學生又把這些講給他們的學生。我剛才講的這些不一定同真實的歷史發展有什么聯系，說真的，我并不大知道真實的歷史過程到底是怎樣發生的。

無論如何，我還是要接著講這段"歷史"。P·狄拉克(Paul Dirac)利用相對論建立了電子的相對論——不過他沒有把電子與光相互作用的影響考慮在內。狄拉克的理論是說，電子有一個小的磁矩——就像是一個小磁體的力那類東西，它的強度正好為某種單位制的1個單位。后來，大約到了1948年，實驗發現實際值應該是接近于1.00118個單位(小數點后一位數的不定度約為3)。當然，電子要與光相互作用，這是眾所周知的，所以有某個小修正值正在意料之中。人們還期望這個修正值從量子電動力學這個新理論的觀點看來也是可以理解的。但計算的結果，這個修正值不是1.00118，而是無窮大——經驗告訴我們，這結果是錯的!