我們身處的宇宙多姿多彩,物理現象五花八門。現代物理學的一項輝煌成就，是把一切已知的物理現象歸結為四種基本交互作用。這四種基本交互作用分別為 電磁交互作用 (electromagnetic interaction)、重力交互作用 (gravitational interaction)、強交互作用 (strong interaction) 和弱交互作用 (weak interaction) 。在本章,我們會簡單介紹電磁交互作用。 的產生，我們必須考慮微觀圖像。一顆原子的電荷分佈如圖二。原子中心的原子核帶正電荷，而在外圍圍繞着原子核運動的電子帶負電荷，形成一個帶負電荷的電子雲。總體來說一顆原子的電荷是中性的。所以，當兩顆原子相距很遠時，它們並沒有交互作用。圖三顯示了當杯遠離桌子時，杯底和桌面的原子分佈。因為杯底遠離桌面，它們之間並沒有交互作用。可是,當兩顆原子非常接近，甚至它們的電子雲互相重疊時,電子雲的負電荷使得兩原子互相排斥【註 1】。也就是說,只有在極近的距離下,才能有足夠的解析能力 (resolving power) 偵察到原子中電荷分佈的細節。圖四顯示了當杯底碰到桌面時的原子和電荷分佈。電子雲的互相重疊造成了強大的靜電斥力 F ，使得杯的原子不會穿進桌子。F 通常稱為接觸力，它基本上來自電子間的靜電斥力，也就是電磁交互作用。 當然，日常生活中遇到的電磁現象還有許多。例如，雷電、地球磁場對指南計的偏轉、物質的顏色 ( 原子對光的吸收 )、物質的發光、光的反射、折射、散射和干涉、發電廠發電、雷射、無線電、半導體技術等。可以說，大部份的現代科技都是基於我們對電磁交互作用的認識。一切電磁交互作用都可歸結為帶電荷粒子與電磁場的交互作用。電磁場由光子組成。所以，電磁交互作用即帶電荷粒子與光子的交互作用。例如,兩顆電子之間的靜電斥力，可以看成是兩顆電子通過交換光子來交換動量的結果，如圖五，其中實綫代表電子，波浪綫代表光子。圖的最左邊是初態，最右邊是終態,而只有初態和終態被觀察到。圖五稱為費曼圖，它形象地描述了粒子間的交互作用。一顆電子發出一顆光子，然後該光子被另一顆電子吸收。這樣，光子把動量從一顆電子傳送到另一顆電子。如圖中的光子，在 費曼圖中出現但不出現在初態或終態的粒子稱為虛粒子 (virtual particle)； 如圖中的電子，出現在初態或終態的粒子稱為 實粒子 (real particle) 。帶電荷粒子之間的電磁交互作用都是透過交換虛光子來達成。 電磁交互作用是一種長程交互作用。例如,兩帶電荷粒子間的靜電力在任意距離下均非零 。這是因為光子的質量為零。考慮兩電子間的静電斥力，如圖五。長程交互作用需要交換長波長虛光子。在量子力學裏，動量與長波成反比，所以長波長光子對應低動量光子。而根據相對論，粒子的能量 E 、動量 p 和質量 m 有關係 E ( 這裏光速 c 被定為 1)。也就是說，如果粒子質量為零，我們有 E = p ，所以當粒子動量趨向零時，粒子能量也趨向零。所以低動量光子即低能量光子。在圖五的費曼圖裏，一顆電子放出一顆虛光子，在動量守恆下，能量必不守恆【註 2】。當然 ，由於我們觀察到的是兩顆電子因靜電排斥而導致的散射，我們只觀察到初態和終態的兩顆實電子，而並没有觀察到虛光子 。所以，電子放出虛光子，然後虛光子再被另一顆電子吸收，雖然過程中涉及能量不守恆，過程的初態和終態仍具有相同能量。這種不被觀察到的能量不守恆過程在量子力學裏是容許的，但發生的時間長短受到限制。根據量子力學，能量不確定度 ΔE 和量子態變化的時間尺度 Δt 成反比【註 3】。 電子發出低能虛光子，雖然能量不守恆，但不守恆的程度很小,因此 ΔE 很小。所以,，Δt 很大 。在圖五的電子散射中，量子態變化的時間尺度 Δt 是兩電子動量改變的時間，即電子發出虛光子和虛光子被另一顆電子吸收之間所需的時間，也即虛光子存在的時間。 Δt 很大，所以虛光子有足夠時間走得很遠。這就解釋了為何光子質量為零導致了電磁交互作用為長程交互作用。 基本交互作用都具有以下特性：交互作用由某種特定基本粒子傳遞。該種基本粒子稱為 力傳遞子 (force mediator) 。而只有帶 特定交互作用荷 (interaction charge) 的基本粒子能與力傳遞子發生交互作用【註 4】。還有，基本粒子與力傳遞子的交互作用具有 局域性(locality) ，即交互作用發生在一時空點上。電磁交互作用的力傳遞子是光子，交互作用荷是電荷。圖五中電子線和光子線的交點體現了電子和光子交互作用的局域性。 描述電磁交互作用的粒子理論稱為量子電動力學。它是歷史上第一個成功被實驗驗證的量子場論，而且至今仍是與實驗吻合度最高的科學理論。量子電動力學有很多驚人預言,如反粒子、真空極化和真空能等,它們都一一被實驗證實。我們會在將來對這些現象作詳細介紹。 1. 兩非常鄰近原子間的排斥，除了因為兩電子雲之間的靜電斥力，也因為電子遵從量子力學中的包立不相容原理(Pauli's exclusion principle)。另外，兩原子核間的靜電斥力也有貢獻。 2. 設想一顆電子放出一顆光子。考慮初態電子的靜止參考系。在該參考系，初態電子是靜止的。如果動量守恆，那麼終態便是一顆電子和一顆光子作反方向運動，各具有非零動量。根據 E ，終態電子能量大於初態電子。所以，終態的總能量 ( 終態電子和光子的能量總和 ) 大於初態的總能量 ( 初態靜止電子的能量 )，能量不守恆。 3. 能量不確定度 ΔE 和量子態變化的時間尺度 Δt 遵從以下不等式：