我怀着很大的乐趣问你们讲述这个荒唐,因为我发 现做这事很愉快。请你们不要由于不能相信自然界如此 奇怪而背过脸去。你们把我的讲座听完吧;我希望在 讲座之后’你们能象我这样喜爱这个学科。 我准备怎么样给你们讲那些我对二年级以下的研究 生都不讲的内容呢?让我用类比的方法讲吧!玛雅印第 安人对作为“晨星”和“昏星”的金星的升起和落下很 感兴趣他们对这颗星何时出现感兴趣。多年的观察 之后,他们注意到在地球观察到的金星五个周期的变相 与他们按365天为“年”的八年的时间很接近(他们 知道真正的回归年并不是365天,而且对此也做了计 算)°为了进行计算,玛雅人发明∫点画系统来表示数 包括零)’他们还有计算规则。根据这些规则’他们 计算并做出预言的不仅有金星的升落,而且有天上的其 他现象,如月蚀。 在那个时候,仅有少数玛雅神父会做这种精巧的计 算。好!假设我们准备问一位神父’在计算金星下次 何时会作为晨星而升起时,其中的一步—两数相减怎 么个作法?让我们设想,和今天的情况不同,那时我们 不上学,不知道甚么是减法。这位神父会怎样对我们解 释减法是怎么回事呢? 他可能教我们由点和画所表示的数和“减”法规则 也可能告诉我们他正在做的到底是甚么:“假定我们想 从584中减去236。先数出584粒豆子,把它们放到一个 罐子里,然后从这些豆子里数出236粒放在·边。最后
数数罐子里还剩下多少互子。这个数就是584减去236的 结果。” 你也许会说:“我的上帝呀!多没意思的工作 呀—数豆子,把它们放进去,再数一些出来—真无 聊 对此,神父可能会回答说:“这就是为甚么我们对 点画要定些规则。这些规则微妙复杂,但用它们得到答 案比粒粒地数显可有效多了。重要的是,如果我 们所关心的就只是答案的话,那么怎么得到这个答案是 无所谓的:为预言金星出现的时刻,我们可以数豆子 (这很慢’但易于理解)·或者使用复杂微妙的规则 (算起来很快,但你必须花上几年在学校里学习这些规 则) 要理解相减是怎么个做法—一只要你不是非得真把 它算出来不可——确实并不那么难。所以,我的想法 是:我要给你们讲,在物理学家要预言自然界将如何动 作时,他们在做的是甚么,但不打算教你们任何运算 “窍门”·因为“窍门”只是在高效率地运算时才有用。 你们会发现为使用量子电动力学这个新体系来做出合乎 逻辑的预言,非得在纸片上画出多得吓人的小箭头不 可。这需要七年的时间——四年大学和三年研究生 才能把我们物理系的研究生训练得会用这个复杂微妙而 有效的方式进行计算我们准备也就是在这个地方,跳 过这七年的物理训练:我给你们讲量子电动力学只讲我 们到底在做甚么,我希望你们理解得比我们的些学生
还好些 我们再进步看看玛雅人这个例子。我们可能问这 位神父,为甚么金星的五个周期大约等于2,920天,或 者说八年呢?要回答这个“为甚么”,恐怕会有形形色 色的理论。比如,“20在我们的计算系统中是个重要的 数。如果用20去除2,920,你会得到146,这个数比用两 个不同方式得出的平方相加起来多1”等等,诸如此类 但这些理论与金星实际上毫无关系。在现代,我们发现 这类理论点用处都没有所以我再说遍,我们不打 算讨论自然界为甚么以她现在这种独特方式运行这类问 题。没有甚么好的理论能够解释这点 迄今我所做的,是使你们有个正确的态度来听我讲 课。不在这里讲·我们就没有机会讲了。好,这些已经 讲完了,言归正传吧 我们从光开始讲起牛顿在开始研究光的时候,他 发现的第…件事就是白光是色光的混合。他用棱镜把闩 光分解为色光,但他在令种色光—例如红光——通 过另个棱镜时,发现再进…步分解就不可能了。这 样,牛顿就发现了’白光是不同色光的混合,而每一种 色光都是纯的——就是说不可能再进步分解了 (事实上,“种特定的色光还可以以另一种不同的 方式’根据所谓的“偏振效应”[ polarization]再分 解次。不过,不考虑光在这方面的性质对理解量子电 动力学的特徵不是甚么太严重的问题。所以为简化起 见·我把它省略掉——其代价是,我将不能把这个理论
给你们做个绝对完整的描述了。无论如何,这个小小 的简化不会影响到对我所要讲的内容的真正理解。当 然,对所有我略去不讲的东西,我肯定还要十分小心地 告诉大家。) 在这个讲座中,当我说“光”的时候,我的意思并 不仅仅是指我们所能看见的从红到蓝的光。原来,可见 光只是长长的光标度尺L的部分c这叮以同音阶做个 类比·有的音调高于你所能听到的,有的则低于你所能 听到的。光的标度也可以用数(叫做频率)来描述 当数越来越高时·光就从红而蓝丶而紫丶而紫外。我 们不能看见紫外光,但它可以影响照象底片。它也还是 光,只是(频率的)数了不同。(我们不应该太狭隘 能用我们自己的仪器—一眼睛—-直接探测的东西,并 不是世界上仅有的东西!)如果我们再这么继续改变这 个数,就会达到X射线、伽玛射线等等。如果朝着另 个方向改变数·我们就会由蓝而红、而红外〈热 波丶而电视波、而无线电波。对我来说·所有这些都是 “光”。以后在举例时,我打算主要以红光为例,但量 子电动力学的理论适用于我上面所说的整个范围,它是 所有这些各种不同现象背后的理论。 牛顿认为光由粒子组成(他把它们叫做“微粒”) 他是对的(不过他做出这个结论的推理是错的)。我们 之所以知道光由粒子组成’是因为我们使用·种非常灵 敏的仪器’当光照射这个仪器时,仪器就“嗒”“嗒” 作响如果光变暗∫,声响还是那么强,只是响的次数
少了°这样看来,光就有些象雨点一每·小团光就叫 做个光子—-如果所有的光都是同·种颜色的,那么 所有“雨点”的大小都是样的 人的眼睛是很好的仪器:只需丶六个光子就能刺 激·个神经细胞,并将这个信息传递给大脑。如果我们 冉多进化点·使我们眼睛的灵敏度再提高十倍的话 我们就无需再做这个讨论了一一我们所有的人就都可以 把非常微暗的单色光看成是·系列断断续续的强度相同冋 的小闪亮c 你们也许会担心·个单个的光怎么叮能被探测 到。有种仪器可以做这件事,它叫做光电倍增管 ( photomultiplier)o我给你们简单描述一下它是怎么 作的:当个光子打到底部的金属板A(见图1) 时,它将这个板上的个电子从个原子里打出来。这 个自由电子被很强地吸向B板(它上面带正电),并以 足够大的力撞到B板上,打出三、四个电了。从B板上 打出来的每个电子又都被吸向C板(它也带电),这 些电∫与C板的碰撞将敲打出更多的电子。这个过程重 复十或十二遍,直到有上:亿万个电f(这些电子足以形 成股相当大的电流)打到最后块板L上:。这个电流 叮以用个普通的放大器加以放大,并送到扩音器,通 过扩音器发出可以听到的“嗒”“嗒”声。每次某给定 颜色的一个光子打到光电倍增管时,就叮以听到·声声 均勺的“嗒”声。 如果你把许多光电倍增管围成圈,并让·个很暗