The really strange theory of light and matter

QED: The Strange Theory of Light and Matter
by Richard Feynman
Penguin, 1985
158 pages

薄薄的一本，卻比大多數的書要貴，要價十英鎊，不過在 Amazon 買便宜許多，感謝玫梅榮軍、秀娟汶捷（話說 Munkit 的中文名到底是哪幾個字？）的聖誕禮卷。

我在大學四年都沒接觸過光學，在去劍橋前半年才開始惡補基礎光學。我遇到第一個，也是最困擾我的問題，就是光到底是什麼？那時找到的解釋是 light is neither wave nor particle; it behaves like waves in some situations, but like particles in some others. This is the so-called　wave-particle duality of light. This anwser is good enough for the majority of engineering applications，工程師不需要去深究光的本質，只需要知道在什麼情況下可把光簡化成一顆顆沿直線前進的彈珠，又什麼情況下該把光當成光波計算，才能得到符合實驗的結果，做出產品。我的 PhD 就都是用古典物理的光波理論，光的本質的研究比較是 fundamental physicists 的問題。

而從很久以前，科學家就在不斷的爭辯研究光的本質。從一般生活中的觀察，光就像是沿著直線前進的彈珠。包括牛頓在內的許多科學家認為光是由個別的 particle（牛頓稱之為 corpuscles）構成，但這個理論無法有效解釋光的繞射 (diffraction)。光的繞射在日常生活中不容易被注意到，但一個簡單的實驗可證實光有部分會繞過障礙物，因而不會完全被障礙物遮蔽掉。Young, Fresnel and Maxwell 的理論和實驗證據使 wave theory of light 得以被科學界接受，成功取代牛頓所支持的 corpuscular theory。直到近代，量子物理的發展又反轉了人們對光的認知：light DOES behave like particles, but not the way Newton believed it to be. Quantum electrodynamics (QED) 就是目前被接受，解釋光如何和物質 interact 的理論。

這本書很薄，因為它是 Feynman（台灣譯為費曼）一系列四堂 public lectures 的紀錄改編而成，一堂一個 chapter。Feynman 很明白的說，"while I am describing to you HOW nature work, you won't understand WHY nature works that way... I can't explain why nature behaves in this peculiar way." QED 只能正確描述各種現象的產生，但不能解釋它為什麼產生。舉例來說，QED 能預測當一堆 photon 遇到一片玻璃時，這些 photons 會被反射或穿越的整體機率，但它無法解釋為什麼是 photon A 被反射而不是 photon B。I get a bit annoyed not knowing WHY it happens, but this is not Feynman's fault - no one knows why Nature behaves this way and not the other way. QED 的核心就是在計算各種現象（event）發生的機率。在 QED 的理論架構下，什麼都是有可能的！譬如說，一般人可能認為光都是沿著直線前進，但 QED 說要從甲地到乙地，一個 photon 可能是直線殺過去，也可能來繞個九拐十八彎才到，而且每種可能路線（基本上有無限種可能）被採用的機率都是一樣的。Feynman 以箭頭來表示這種機率：箭頭的長短代表機率的大小，所以每條路線的箭頭長短是一樣的；箭頭的指向則取決於路線的長短。當我們把代表所有路線的箭頭加起來，有一些箭頭會相互抵銷，而真正對最終總箭頭產生貢獻的（也就是沒有被抵銷掉的）絕大部分是直線和幾乎是直線的路線，所以我們會覺得光好像是沿著直線前進。

書的第一章在說明古典光學理論不正確的地方，還有介紹用上述箭頭方法去計算一個 event 發生的機率。第二章舉出幾個簡單的例子，像是鏡子的反射，用第一章介紹的方法來計算，顯示 QED 是真的能合理解釋各種常見的光學現象。第三章算是核心章節，內容也最難理解，where Feynman talks about the interactions of photons and electrons。他在這裡提出了 time-space 的概念，所有機率的計算不只牽扯到空間，時間也要考慮。這章有幾個地方把我搞得一頭霧水，像是 anti-particle travels backwards in time (!)，還有 photon 有時會以不同於光速的速度行進，Feynman 都只提到而沒有多做解釋。Feynman 用第四章來講述他認為 QED 在當時還不完美的地方，還有將 QED 延伸到原子核（nucleus of an atom）本質的研究。總體來說，能以這麼短的篇幅將這麼複雜而且 counter-intuitive 的理論講解得如此清楚淺白，Feynman 真是很厲害！

因為我的背景，對我來說第二章是最有趣的。我熟悉的光學是 wave theory，看 QED 怎麼以完全不同的觀點去解釋同一現象，真是讓我大開眼界。QED 很多地方是 counter-intuitive，跟我們由日常生活經驗中得到的觀念、跟我們透過五官觀測到的自然法則大相庭徑。人類用受到限制的五官觀察自然，試著瞭解自然的運作。由於我們五官的不足，我們對自然的觀測往往不知不覺的受到主觀意識影響，將我們自己擺在中心，所以古人會很自然的以為宇宙星體是繞著地球在轉。科學應該要跳脫主觀意識，以絕對客觀的角度觀察、實驗、思考，不過我覺得大部分的人在大部分的時候都做不到，嘿嘿。

註：The lectures were first given at the University of Auckland, New Zealand in 1979 (my university! 我那時還沒投胎就是了). The book is based on Feynman's delivery at UCLA later in 1983. The video recording of the original Auckland lectures can be viewed here if you're interested: http://www.vega.org.uk/video/subseries/8