費曼的奇想:量子迷宮裡的電子

■費曼跟其他偉大物理學家最大的差異,並不是在於他特別聰明或優秀,而是無論面對什麼樣的科學難題,他總是像個小孩一樣,既好奇又充滿獨特的點子。也就是因為如此特別的思考模式,當理論學家仍在就著雙狹縫實驗結果,爭論電子究竟是波還是粒子時,費曼已經跳過這個非黑即白的常人邏輯,調皮地設想各種可能性了。

講師|清華大學物理系教授 林秀豪
整理撰文|高英哲

以別出機杼著稱的費曼,對於他為什麼經常會嘗試跳脫框架思考,曾經有過一段很精彩的說明。「對於同一個理論,只要是優秀的理論物理學家,都知道六、七種不同的表述方式。從科學的角度來說,這些表述方式都是等價的,但是從心裡的角度來看,它們就有兩點不同。其一是出於哲學上的考量,你可能特別偏愛某一種說法;更重要的是,當你在猜想新定律的時候,這些表述方式帶來的啟發,也會大不相同。」

以原子模型為例,湯姆笙的葡萄乾模型雖然簡陋,卻是一個很容易讓人理解的說法;相對來說,拉塞福跟波耳提出的行星模型,雖然比較精緻,卻無法解釋電子在發射出電磁輻射,損失能量之後,最終會塌陷到原子核裡,無法維持原子的矛盾。這個矛盾一直到海森堡跟薛丁格等人,提出量子力學的概念之後,才獲得解決,但這又引發了新的矛盾:電子在微觀尺度下的性質,有時像粒子,有時又像波,它到底是波還是粒子呢?當時的主流看法認為是波,薛丁格方程式就用波函數來描述電子,只要你接受電子是波的前提,這個方程式幾乎可以完美地解釋一切。

但是費曼並不接受這些在關鍵之處打迷糊仗的解釋。「對於我想要解決的問題,既然他們都沒能給出一個令人滿意的答案,我就不必去管他們說了什麼。」他提出「最小行動原理」,指出粒子行進的每條路徑,對應的作用量不同,正確的路徑是對應作用量最小的路徑,並且藉此導出薛丁格方程式。他也不把自己困在「電子到底是波還是粒子」的二分法窠臼裡,他把每條路徑積分全部加總起來,結果恰足以解釋電子在微觀尺度下,既像粒子又像波的波粒二象性。

當其他物理學家一本正經,在爭論雙狹縫實驗裡的電子,什麼情況會走第一個,什麼情況會改走第二個時,費曼已經在想像電子在這個「量子迷宮」裡繞來繞去,鑽不出來的調皮情境。這個跳脫框架的思考模式,甚至讓他想出了「時光旅行」的可能性。量子力學對於電子運動的解釋,是認為電子放出光子後,會改變運動方向;費曼順著這個思路做延伸,提出電子若是「轉彎過頭」,逆著時間運動,就會變成正子,正好可以解釋電子與正子對生對滅的現象。這樣的思路乍看匪夷所思,但就如同他「科學頑童」的稱號,也許你我所需要的,也就只是多一點點的玩心而已。

 

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