老子与粒子物理学(4)

实际应用两方面完善起来。具体的方法是将无穷大值引入理论中无法测量的物理量之中予以抵销。当然这方法也不是普遍有效。事实上发散问题与点粒子的假定图像关系密切，进行积分运算时就会得出无穷大。这也是量子场论在一段时间被许多人质疑的缘由之一。但因为量子场论与实验高度符合，才得以不断发展。正因为无休无止的发散问题存在，弦理论一当提出，就得到人们的青睐。

3.3 量子场论

3.3.1 场、统一场、量子场

场：“场”是法拉第首次引入到物理学中的。为了说明电和磁关系，他假定带电物体和带磁物体的周围空间中存在着连续性分布的“场”，电力和磁力通过“场”这个介质以有限速度传递。“场”概念与早前就有的古希腊以太、笛卡尔涡旋一脉相承。此后麦克斯韦发展出电磁场理论，以简洁的数学形式描述电磁场（电和磁相互耦合，形成电磁场），并将电学、磁学、光学统一起来，还预言了电磁波的存在，20年后电磁波被赫兹证实。麦克斯韦认为“场”具有运动性、振动性、一定的独立性，事实上麦克斯韦以为“场”是“以太”的特殊状态，是一种物质性的存在。这也是当时主流观点。

目前物理学家所说的“场”，都是量子化的“场”。一般认为，“场”是比粒子更基本的物理实在。

统一场：从场的观念出发，试图把四种相互作用统一或分别统一起来的理论。麦克斯韦的电磁场就是早期的统一场。前文介绍的电弱统一理论和大统一设想，都属统一场论。爱因斯坦把“场”的观点引进引力理论而创立了广义相对论，不久出现了以统一引力场和电磁场为目标的统一场论研究。由于广义相对论中引力场乃是时空的弯曲，所以，许多研究者都在设法把电磁场和时空的其他几何属性联系起来（物理学的几何化

是当时统一场研究的基本思路）。但所有的方案都只考虑经典场论（引力场和电

磁场），没有涉及场的量子效应。

量子场：以量子形式处理“场”，就是量子场。量子场论实际上是相对论与量子力学的结合，是从“场”的观点研究粒子的性质、粒子的产生与湮灭过程以及四种相互作用的理论。

量子电动力学的成功，促使人们对其他基本粒子的波场进行量子化。量子场论能够描述粒子的产生与湮没、能够描述基本粒子间的普遍相互转化过程。量子场极大地扩展了旧有的场概念，场不仅包括相互作用场（如电磁场），还包括物质粒子的场（如电子场）。场都是量子化场，不再是早前连续分布（物理量连续）的场。基本粒子间的相互作用是通

过交换场量子进行的。在量子场理论中，场是物质的基本存在形态，而且比粒子更基本。

具体言之，目前的量子场论有这样一些基本内容：

1，“场”是物质的基本存在形式，分布于全空间之中，可达无限远，没有不能进入的地方。不过，人们从来没有观测到“场”（有些人据此认为“场”

是描述相互作用的工具性假定），但是确有大量的间接证据，如引力场效应、电

磁场效应。“场”具有能量、质量、动量、角动量等自身的物理属性。

2，每一种基本粒子对应一种量子场，每种粒子也就是该量子场的场量子。各种不同粒子的场在空间中互相重叠，充满全空间。

3，粒子是“场”的激发态，场的不同激发状态表现为粒子数目和运动状态不同。如电子场的激发状态可以表现为一个电子，也可以表现为多个电子。当“场”退出激发状态时，粒子也就消失了。这就是说粒子是“场”的衍生物，“场”和粒子可以相互转化。

4，“场”的能量最低状态称为基态。如果所有的场都处于基态，这时的空间称为物理真空。物理真空并非空空如也，而是充斥着各种“场”，只因能量最低，所以没有可观测的物理效应、没有粒子存在。

5，“场”可以脱离粒子而独立存在、运动、演化，而粒子却无法脱离“场”。

6，各种场之间都存在相互作用，无论是处于基态还是处于激发状态的场都同样地与其他场相互作用。这可以解释自由中子的衰变。

7，粒子之间的相互作用可以通过其对应场的相互作用来描写。如四种相互作用就可以用场量子来说明，电磁相互作用是通过交换其场量子（光子）实现，弱相互作用是通过交换中间玻色子来实现。交换过程实际上是场量子的产生和湮灭过程。

量子场论数学形式。一般而言，“场”用数学方式（复数）描写。互为复共轭（两个实部相等，虚部互为相反数的复数）的两种激发态就是粒子和反粒子互换的两种物理状态。例如，电子场的一种激发状态表现为一个电子，其复共轭的激发状态表现为存在一个能量、动量、自旋角动量相同的正电子。至于纯中性场，则用实数量描写，这时复共轭就是它自己，粒子就是它自身的反粒子，如电磁场就是纯中性场，电磁场的激发态表现为光子，光子的反粒子就是自身。

3.3.2 量子场论中的真空

量子场论中的真空是指所有的场都处于基态（能量最低的状态），也是没有任何实物粒子的状态。真空并不空，具有复杂的结构和特性。这与经典理论中的真空图景完全不同。

真空振荡：处于真空态中的各量子场仍处于不断振动之中。量子场论认为，各个量子场在基态中仍不停地振荡（真空零点振荡），但一般不导致观测效应。可如果量子场能够局限于有限的空间内，当其体积变化时，局限于其中的量子场的零点振荡能量将发生有限的改变，从而导致可观察的后果（卡西米尔效应，在真空中两片平行的平坦金属板之间的吸引压力。如果使

两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起，较长的波长就会被排除出去。金属盘外的其他波就会产生一种往往使它们相互聚拢的力。金属盘越靠近，两者之间的吸引力就越强。该效应已得到实验证实）。

真空涨落：所谓真空涨落，即真空中不断有虚粒子在产生、消失或相互转化。量子场论认为，真空中的各量子场仍有相互作用（包括自作用），在这种相互作用中，会有各种瞬间生灭且无法观测的虚粒子。甚至可能存在某种粒子束缚态或集体激发态的相干凝聚（真空凝聚）。虚粒子在最初是为了解释的需要而引入的假定实在，但现在多认为是真实的，只因瞬间生灭且在空间移动距离极小而永远无法检测到，所以仍称为虚粒子。

真空极化：量子场论认为，粒子与真空存在相互作用。带电实粒子对真空的作用，会改变真空中虚粒子的电荷分布。例如，带正电的粒子会吸引真空中的虚电子，排斥虚的正电子，从而改变虚粒子云的电荷分布。这种现象很类似于宏观媒质的极化，叫做真空极化。最简单的真空极化是，光子变成虚粒子对，再变成光子。

真空极化会反过来影响粒子的性质，导致许多物理效应。如氢原子能级的兰姆移位（氢原子能极间存在微小差别，被认为是真空极化的体现）和电子的反常磁矩。

真空相变：真空也存在相和相变（相指物质聚集的状态。例如水有三相：固相、

液相和气相。随着外界条件变化，三相之间可以发生转变，称为相变；在一定的条件下，不同的相还可以共存）。同样的，量子场系统在不同的条件（如温度、粒子密度和外场强度等）

下，可能有不同类型的真空态，即真空相（比如，正常真空叫做正常相，对称性破

缺的真空叫做破缺相）。在一定条件下，真空的对称性可能发生突变，不同的

真空相可以彼此转变，这就是真空相变；另外，不同的真空相在适当条件下可共存，从而使得某一区域内的真空具有与邻近区域的真空极其不同的性质。真空相变概念被用于说明夸克禁闭的原因以及宇宙早期的演化。

真空自发破缺：（此段内容摘自《中国大百科全书》）“量子场不同类型的相互作用(包括自作用)，会导致不同类型的真空态。从对称性的角度看，早先总是习惯性地假设真空的对称性和相互作用的对称性一致，这就是所谓正常(普通)真空；量子电动力学的真空就属于这种类型。然而，也有

真空的对称性小于相互作用的对称性情形，即发生了真空（对称性）的自发破缺。这种现象很类似于铁磁媒质中空间各向同性的自发破缺：分子的磁作用总是空间转动不变的，但铁磁媒质基态中自发磁矩的定向排列破坏了各向同性。

是否有真空（对称性）自发破缺，取决于量子场系统的具体的相互作用（包括自作用）。一般说来，如果系统的能量最低态是唯一的，则为正常真空；而如果存在多个能量相等的最低态（即简并的基态），且物理真空只是其中的一个状态，这时就会发生真空(对称性)自发破缺。

在对称性破缺的真空中，总凝聚着许多零动量的虚标量粒子（基本场

量子或束缚态）；这是此种新型真空态与正常真空不同之处。物理上，是一

定的相互作用造成了真空零动量玻色凝聚，而后者的存在又破坏了相互作用原有的对称性，从而造成对称性的自发破缺”。

在量子场论中，真空是个非常重要而基本的概念。目前的主流观点是：真空不再是物理学上的公设假定，而是真实的存在。

4，弦和超弦

在量子理论中，经常会遇到无穷大和反常问题。比如电磁场中电子的自作用，量子电动力学的作用模型是，电子发射一个光子然后吸收这个光子。（经典力学中这是不可能的，因为光子如何产生、发射和吸收、湮灭是无法解释的问题。

但在量子力学中，因为测不准关系存在，所以理论是允许光子发射、转弯、返回的。量子场中，位置和速度、能量和时间等共轭量是模糊不定的）。在模型中光子是点粒子，而光子被

发射和吸收的时间非常短，因此，光子携带的能量可以无限大。实际上涉及到的无穷大项相当多（如点粒子中的电荷量），但这类发散问题多数会经过重整化而解决。所谓反常问题是指经典理论量子化以后（按照量子论重新

表述经典理论），原先的一些对称性（往往意味着守恒性）会被破坏，比如能量、

质量、电荷等在经典理论中守恒，但在量子场论中可以不守恒（上述携带

无穷大质量的光子）。

当人们将引力场量子化，就遇到不可重整化的发散问题。这是因为在极小尺度下，粒子半径非常小，于是真空中会形成许多黑洞（虚黑洞）。所以在点粒子模型下，量子引力理论事实上无法建立。

弦理论是维尼齐亚诺提出的，最初仅仅是为了解释大量涌现的强子家族而想象的线状结构，其数学形式能够描述强子间的相互作用。我们知道，标准模型中强子包含夸克，而夸克之间存在强相互作用。在弦理论中，这种相互作用所产生的束缚类似于连接在夸克之间的橡皮筋。事实上，夸克之间的相互作用力和橡皮筋一样，随着间隔加大而增强。当

夸克运动起来时，强子内部的相互作用就像一根扭转的弦。不过弦理论还是很快被量子色动力学淹没了。

维尼齐亚诺的弦理论只适合媒介粒子，但就在当时，也遇到了麻烦，即它所描述的粒子中存在自旋为2的零质量粒子，而这种粒子在强子谱中并没有具体对应。但是随后不久施瓦茨等人发现，弦理论描述的这个粒子可以当成引力子看待（引力子无质量、自旋为2）。于是，弦论可以变成量子引力理论，甚至可以发展为包罗四种相互作用的统一理论。在施瓦茨等人的持续努力下，最初的弦理论中数学上的自洽性问题诸如理论涵有的快子、无穷大、反常得到一些消解，又引入了超对称（设想中的费米子和

玻色子之间的一种对称性，在一种数学化的超空间中存在，可以相互转化。超空间是超过四维的空间，只是数学抽象，没有物理对应）。于是，弦理论发展到超弦理论，试图对整

个物质世界予以描述。

超弦模型的基本观点：

1，粒子不是点状或其他结构，而是一段弦、一段线。

2，线或弦的几何形状在不同的模型中不尽一致，主要有开弦（两端自由的线段）、闭弦（闭合线段）。

3，弦或线的空间尺寸非常小，大约是普朗克量级，即10?35米。 4，弦或线处于振动状态，不同的振动方式（如频率等）对应某类粒子。

5，弦或线具有一定的弹性，可以拉伸、扭曲，甚至在一定条件下还可以断裂和结合。弦的断裂或结合就是弦之间的相互作用。

6，弦的张力趋于无限时，过渡到点粒子状态。 7，超弦理论都是超对称性的理论。

8，超弦理论的维数（自由度，数学中独立参数的数目，物理学中独立时空坐标的数

目）为

10。但通过紧致化，使得10维卷缩为4维。

弦理论第一次打破了长久以来的球状和点状粒子图景，带来了思想观念的变革，将会产生深远的影响。但在目前，理论虽然有不少优越之处，如避免引力量子化时产生的发散、比传统量子场论更具预言能力（如

暗物质、磁单极子等），但仍然处于理论物理阶段（甚至被认为是纯数学建构），缺乏

确切的实验支持。也许随着更大的加速器建成，会有一些间接的验证。

5，以太与波

以太：“以太”一词在古希腊时期指青天、上层大气。亚里士多德则把“以太”当成土火水气（世俗界的构成元素）之外的第五种元素，是圣洁物体的组成要素。17世纪时，笛卡尔为了解释行星围绕太阳旋转引

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库老子与粒子物理学(4)在线全文阅读。