物理学家和父亲的故事

物理学家和父亲的故事

父亲问物理学博士儿子：我知道波尔的氢原子模型。氢原子里的电子可以处在具有不同能量的轨道上。并且电子从一个高能量的轨道跃迁到低能量的轨道的时候会有光子辐射出来。这个光子一定是储存在哪里吧？

这个故事有好多版本，好像每个厉害的物理学家都被父亲问过这个问题，然后大部分物理学家都没有回答出令父亲满意的答案而感概。

费曼的版本是：光子没有储存在任何地方。就好比我们说话，声音并没有预选储存在声带上。而是声带的震动挤压空气使空气激发振动。虽然费曼的解释很巧妙，但是也没有让父亲满意。费曼的类比说明了，光子不是释放出来的而是被产生出来的！

父亲的疑惑应该是无法理解基本粒子可以消灭也可以被产生这个事实。而在量子场论之前的量子力学或者说是第一次量子化的确是要求粒子数守恒的，这个是反映了总概率不变。所以说父亲是比费曼聪明的，看出了第一次量子化的局限和不足。

那么考虑量子场论或者二次量子化的答案应该是怎样的？
首先因为量子场代替了量子粒子，即所谓的二次量子化后，不同粒子数的状态对应了场的不同量子态。这样粒子的消灭和产生只是对应了场的不同量子态的转化。然后这里我们要考虑两种场：电子场和光子场。他们可以相互作用的，即可以相互转化的。对称性要求这个转化一定涉及到一个光子和两个电子。所以我们可以假设开始我们有一个高能量的电子，然后通过电磁作用，变为一个低能量的电子和一个光子。
但是我们还没有光子辐射。因为这个量子过程不需要氢原子核的就可以发生，也就是说对于自由电子也可以发生。但是对于自由电子，就有了一个空间的全同性：如果一个量子过程产生一个向北方运动的光子那么一定会有一个对应的量子过程产生一个向南运动的光子。总的效果就是所有的光子会抵消。而氢原子核的存在正是打破了这个对称性，才导致了最后的辐射。