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前沿物理理论——量子场论

原创
2019-11-12  FanqiangM...

牛顿的万有引力定律所描述的引力是一种超距作用,具有瞬时性质,不管距离有多远。牛顿表示,如果没有通过任何其它非物质的媒介他不认为物质会作用或影响于别的不与其接触的物质。

到了18世纪,数学物理学者发现,万有引力的影响可以很方便地用一个“数学场”来描述,即在空间的每一个位置给定一个数量来展示作用于那位置的引力。但是,他们并没有赋予这数学场任何实在的物理意义。

1845年迈克尔·法拉第最早使用“场”。他主张形成场的?#24085;?#32447;是空间的物理状况,而这空间可以是虚无一物的空间。倚赖满布于空间的?#24085;?#32447;,作用力可以从一个物体经过一段时间传递到另一个物体。

1862年,詹姆斯·麦克斯韦以完整的麦克斯韦方程组建成电磁学理论。通过麦克斯韦方程组,电场、磁场、电荷与电流这四种物理量彼此之间的关?#24403;蝗范ā?/span>

1920年代,电磁场是唯一已知的场。量子场论开启于对于电磁相互作用的量子化研究。

1925至1926年,马克斯·玻恩、海森堡和帕斯库尔·约当利用正则量子化程序,将电磁场视为一组量子谐振子,建立了自由电磁场(即不与物质相互作用)的量子理论。

1929年,狄拉克等人发现,要解决狄拉克方程解中有负能量态的问题,必须假设某?#20540;?#33655;和电子相反但质量相同的粒子──正子。只要有足够能量(例如吸收光子),就可以产生一对电子和正子;电子和正子还可以互相湮灭,产生光子。这点证明,粒子数目在相互作用中没有必要是固定的。正子在最初被视为一种新粒子,是在无限电子海中的空穴,这一理论也称为“狄拉克空穴理论”。

1954年,杨振宁和罗伯特·米尔斯对量子电动力学的局域对称性进行推广,从?#30475;?#29702;论的角度建立了基于更复杂的对称性的理论──?#21069;?#36125;尔规范场论(又称杨-米尔斯理论)。

1967年,史蒂文·温伯格和萨拉姆在先前的理论上加以希格斯玻色子的自发对称破缺机制,建成描述轻子之间弱电相互作用的理论。

1971年,哈拉尔德·弗里奇、默里·盖尔曼和海因里希·洛伊特维勒发现?#21069;?#36125;尔规范场论还可以解释一些强相互作用现象,建立了量子色动力学。

用量子场论观点来看,物质存在的基本形态是量子场,每一?#33267;?#23376;都可以看成是一种独特的场的量子化的表现形式。

量子场论向我们描述了一个场与粒子统一的物理图景:全空间同时充满各种场,各种场相互重叠,粒子与场相互对应。比如光子对应着电磁场,电子和正电子对应着电子场,?#24418;?#23376;和反?#24418;?#23376;对应着?#24418;?#23376;场等?#21462;?2 种基本粒子对应着的基本场可以分为三大类:

图片来自网络

1)第一类是实物粒子场,也叫费米子场。实物粒子(场)包括轻子和夸克?#32422;?#23427;们的反粒子,它们均为自旋量子数为1/2 的费米子。

2)第二类是媒介子场,也叫规范场。媒介子场由自旋为1 或2 的玻色子组成,它们是传递实物粒子之间的相互作用的媒介粒子,包括光子、胶子、W 和Z 粒子、引力子,共13 种。除引力子自旋量子数为2 外(理论预言),其他12 种自旋量子数均为1。

3)第三类是希格斯粒子场,它由自旋为0 的希格斯粒子组成。

△ 粒子是场的激发态,或说场的局域振动。

在量子场论中,场是最基本的存在,粒子是衍生的。粒子运动的主要特征是它们在时空中的产生和湮灭,而这主要来自于它们所对应的量子场之间的相互作用。

量子场论的核心是规范场。粒子之间的相互作用是通过交换规范场的粒子而实?#20540;摹?/span>规范场是传递相互作用的场,不同的规范场,传递不同的相互作用。四种基本相互作用对应引力场、强力场、弱力场、电磁场?#20154;?#31181;规范场。规范场的粒子叫规范粒子。

从数学上?#29627;?#37327;子场是一个算符值分布。算符与波函数的关系相当于统计上的随机变量跟概率的关系。

直到今日,场的标准描述:即场是空间的物理状况。

场的?#36136;?#29289;理意义

一、若宇宙空间真实存在无形的“场

1)空间非空,它具有“场”的物理特性。

2)物质不实,物质(粒子)是由“场”激发产生的。

3)量子波动性本质是“场”的相互作用现象。

4)能量本质是“场”的振动现象。

5)量子纠缠是“场”所产生关联粒子的“纠结”现象。

6)“场”本质是类似“幽灵”的超物理?#36136;怠?/span>

二、若宇宙空间不存在无形的“场”。

事物之间存在某种隐秘关联,目前科学家观测不到这种关联现象,所以,用“场”来刻画事物之间的联系。“场”只是科学家用来描述事物关联的数学方式。

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