宇宙是什么

13. 电磁力的作用距离

  光子的交换，如同没有通过正规手续从公司的保险柜里借用公款（或者说是随意挪用），因此必须在违规行为暴露之前将借款还给公司。

  当随意借用保险柜里的公款时，借款金额不同，在暴露之前还款的时限也不同。例如，如果只是中午借用公款买午饭，那么只要在傍晚经理确认好金额并关闭保险柜之前还回去，应该就不会暴露。但是，如果挪用了100万日元，由于存在马上暴露的风险，所以不得不迅速返还。

  粒子借用能量的情况也是如此。借来的能量越大，返还的速度也要越快。反过来说，就是能量的返还时间越短，粒子就用了越多的能量来制造光子。

  在此，请大家回想一下时间与能量的不确定性原理。能量的不确定程度（ΔE）越大，时间的不确定程度（Δt）就会变小。“不确定程度大”是指“大小的取值范围大”。我们可以将其理解为“能够取大的数值”。因此，时间越短就能让能量越大。

  粒子从借能量到还能量之间的时间短，意味着即使以光速运动，它也走不了多远，因此此时粒子之间的“距离近”。也就是说，距离近的带电粒子之间，能够交换高能量的光子。

  让我们回头再看一下卢瑟福的实验。实验中，α粒子离原子核越近，其运动轨迹的弯曲程度就越大。也就是说，距离越近，斥力越强。相信有的读者可能已经明白其中之意了。

图3-8 虚光子

  原子核“借来”能量制造并释放出光子，这些光子被α粒子吸收时，那些“借来”的能量就被“返还”了。因此，借用能量的时间越短（也就是距离越近），能够使用的能量就越大。因此，离原子核近的α粒子吸收了能量较高的光子，呈现出急转弯式的运动轨迹；反之，离原子核较远的α粒子吸收的光子的能量就比较低，其运动轨迹的弯曲程度也比较小。这便是卢瑟福的实验中α粒子运动轨迹的弯曲程度不同的原因。这其实也是“传递过去的力”的差异。

  量子电动力学就是用“光子的交换”来解释带电粒子间的相互作用的。“费曼图”将这一过程用图的形式表现了出来。费曼与朝永振一郎几乎同时完成量子电动力学理论，这两位物理学家共同获得了1965年的诺贝尔物理学奖。

图3-9 费曼图示例

  费曼图是基于费曼规则的计算方法描绘出来的，它能够简洁地呈现出所有基本粒子的活动。例如，我在上面给出的费曼图就描述了以下过程：电子与正电子湮灭释放能量，然后这些能量转化成虚光子，虚光子又变成μ子及其反粒子。如图所示，我们不难发现图中的反粒子是逆时间而行的。这个图是众多费曼图中的一个例子，过于认真去思考这些东西很容易导致大脑混乱，心情也会变得很差（笑），所以大家只要有个大体的认识，知道“原来费曼图是这种东西”就可以了。说实话，我也没怎么认真去思考过这些东西。