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突破经典物理中粒子和场的作梗题目的钥匙:量子场论

未知 2019-01-07 11:43 行业资讯
 

量子场论固然与实验惊人地相符,但是也存在一些弱点。量子场论包含大量复杂和冗长的演算,而且在数学推演中会展现很众无穷大,必要议定所谓的“重正化”手段把它们消去。从这个角度来望,它能够并不是一个彻底的和完善的理论。

19.1 场与粒子的同一

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强力场的规范粒子是胶子,强力场的规范场理论称为量子色动力学(quantum chromodynamics, QCD),是描述夸克与胶子间作用有关的。但是迄今为止,所有的实验都未发现单个的解放夸克和解放胶子,即使行使现在添速器所能产生的最高能量的粒子束也未能将夸克、胶子从强子中轰击出来。人们实在无能为力,只益把这栽形象叫“夸克禁闭”。

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19.6 量子色动力学:夸克禁闭

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遵命量子场论,相互作用存在于场之间,不论是处于基态照样处于激发态的场,都同样地与其他场相互作用。粒子之间的相互作用来自它们所对答的场之间的相互作用。图19-2 描绘了中子议定β 衰变变为质子、电子和逆中微子的过程,图19-2(a)外示中子场处于激发态,存在一个中子,其他场处于基态,异国展现出粒子;图19-2(b)外示由于中子场与质子场、电子场与中微子场之间的弱相互作用,中子场退激到基态,放出能量,进而引首质子场、电子场和中微子场的激发,外现为中子女灭而产生了一个质子、一个电子和一个逆中微子。图19-2 中,β 衰变得以发生的因为是场之间的弱相互作用。

量子场论预示,真空只是一栽能量最矮的状态,而并非能量为零的状态,以是真空是有能量的。真空中蕴藏着必定的本底能量,它在绝对零度条件下照样存在,称为真空零点能。对卡西米尔(Casimir)力(一栽由于真空零点电磁涨落产生的作用力)的准确测量,证实了这一物理形象。

场的能量最矮的状态称为基态,所有的场都处于基态时就是真空态。

量子场论中,场在空间某一点上的强度能够挑供找到其对答粒子的概率。比如电磁场在空间某一点的强度,为吾们挑供在那里找到光子的能够性。

按量子场论估算,真空能量密度竟高达2×10103J/cm3,这简直比天文数字还天文数字,然而天文不悦目测发现的真空能量密度仅为2×10−17J /cm3,差120 个数目级。于是题目就产生了,到底是谁错了?这个题目不停困扰着物理学家和宇宙学家们,谁是谁非只能期待异日的追求了。

20世纪初,物理学发生了两次革命,深切地转折了人们对于世界的理解——这就是相对论和量子力学。相对论突破了经典物理学的绝对时空不悦目,展现了时间、空间、物质和活动的内在有关;量子力学则突破了经典物理学对世界的决定论描述,行使概率论展现了世界的规律。

1996 年,人们自然检测到这栽吸引力(卡西米尔力)的存在,而且与理论展望值相差不到1%。1997 年,美国《科学》杂志载文声称:“这是一个让所有教科书都要改写的实验。关于卡西米尔效答的实验效果表明,真空中实在存在零点能。”

图19-1 场产生粒子的暗示图

(2)第二类是序言子场,也叫规范场。序言子场由自旋为1 或2 的玻色子构成,它们是传递实物粒子之间的相互作用的序言粒子,包括光子、胶子、W 和Z 粒子、引力子,共13 栽。除引力子自旋量子数为2 外(理论预言),其他12 栽自旋量子数均为1。

图19-2 中子的β 衰变

有人要问了,真空涨落产生的是吾们望不到的虚粒子,既然望不到,如何判定其展现过呢?下面一个实验会表明,固然虚粒子来无影去无踪,但它们却会留下它们曾经到此一游的证据。

卡西米尔。图片来自网络

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人们最早意识的规范场是电磁场,电磁场的规范粒子是光子,电磁力的规范场理论称为量子电动力学(quantum electrodynamics, QED),它是描述带电粒子与光子间作用有关的。

量子场论的中间是前述三栽基本场的第二栽——序言子场,或叫规范场。粒子之间的相互作用是议定交换规范场的粒子而实现的。规范场是传递相互作用的场,分歧的规范场,传递分歧的相互作用。四栽基原形互作用对答引力场、强力场、弱力场、电磁场等四栽规范场。规范场的粒子叫规范粒子。

19.5 量子电动力学:准确度惊人的展望

根据量子场论,一对正逆粒子可发滋生灭变成一对高能γ 光子,而一对高能γ 光子在高温下亦可转化为一对正逆粒子。比如在T>1015K 的温度下可发生光子向质子和中子等粒子的转化。

稍微复杂一点的手段,是一个电子发射出一个光子后,光子变成一个“电子−正电子”对,然后这个正负电子对相互息灭而形成另一个光子, 这个光子才被另一个电子汲取(见图19-5)。

吾们再来分析一下两个电子相互作用的费曼图,图19-3 是各栽能够过程中最浅易的一栽情况。在A点,一个电子发射出一个光子(γ 射线),在B 点,这个光子被另一个电子汲取,云云就完善了一个光子的交换,其效果是电子的动量转折,从而转折了速度和活动倾向,这就是电磁相互作用过程。

在自然界里,大如汜博的宇宙空间,幼如原子内部的空间,都能够近似地望做是这栽清白空间。但人们印象中的“真空是一无所有的虚空”这一物理图像,是一个舛讹的图像,大量理论和实验外明,真空是一个具有必定物理性质和必定物理组织的物理实在。喜欢因斯坦曾指出:

吾们既然能够借助真空传播能量,能够从真空中“挑取”物质,那么吾们就答该能够与真空进走能量交换。真空中零点能和背景辐射的意识,外明在汜博的宇宙“真空海”中,到处都在进走着这栽能量交换。

“狄拉克之海”是人们意识到“真空不空”的起头。现在,“狄拉克之海”的真空图像已经被量子场论的基态场图像所取代,所有的场都处于基态时的空间就是真空。

时间到底能不及倒流?现在望来,照样存在一个时间箭头能将昔时和异日区张开来,那就是炎力学第二定律。这个定律指出,在任何闭相符编制中紊乱度总是随时间而增补。云云就使时间有了倾向,时间倒流望来是不能够实现的。

在真空状态下,全空间足够各栽场,只是由于每个场都处于基态而都不展现出相答的粒子,以是整个空间都异国实粒子(实粒子指可不悦目测到的粒子)存在。但是,在普朗克时间尺度下,由于不确定有关的节制,能量的不确定性专门大,能量的强烈震动会激发真空产生正逆虚粒子对(虚粒子是不及被不悦目测到的粒子),然后这些虚粒子对会快捷息灭。就像是虚粒子对从真空中借取能量从而被激发出来,然后转瞬息灭将能量璧还于真空。

(摘自《从量子到宇宙》,作者:高鹏。)

现在吾们已经能够从真空中“挑取”出很众基本粒子。所有的逆粒子,如逆电子、逆质子、逆中子、逆氢原子等,理论和实验都判明,它们都是在真空中“挑取”出一个正粒子后,在真空中留下的一个“逆粒子”。

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但夸克原形是由于轰击粒子束能量不足而一时禁闭,照样只能存在于强子内部而长期禁闭,尚待实验的检验。

19.2 粒子的产生与转化

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(3)第三类是希格斯粒子场,它由自旋为0 的希格斯粒子构成。

图19-1(a)外示中子、电子、质子、中微子、光子等粒子所对答的场都处于基态,这时场所在的空间为真空,不悦目察不到粒子;图19-1(b)外示有一个质子和一个电子的状态,它们由各自所对答的场的激发而产生。

再来望一个更稀奇的费曼图。图19-4 给出了一个电子与逆电子(即正电子)重逢的一栽手段,它们互相息灭后在彼此相逆的倾向产生了一对光子。

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用量子场论不悦目点来望,物质存在的基本形态是量子场,每一栽粒子都能够望成是一栽稀奇的场的量子化的外现形势。它向吾们描述了一个场与粒子同一的物理图景:全空间同时足够各栽场,各栽场相互重叠,粒子与场相互对答。比如光子对答着电磁场,电子和正电子对答着电子场,中微子和逆中微子对答着中微子场,等等。62 栽基本粒子对答着的基本场能够分为三大类:

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粒子活动的主要特征是它们在时空中的产生和息灭,而这主要来自于它们所对答的量子场之间的相互作用。在这个意义上,量子场论就是描述各栽粒子体系运脱手段的动力学模型。

在这幅图中包含两个三叉顶点A 和B。顶点是费曼图的主要特点,它外示粒子间的相互作用。顶点的主要特征是,它由两条费米子线和一条玻色子线交汇。这是一个共性,世界上所有相互作用最后都是由轻子和夸克在某个时空点发射或者汲取序言子来实现的。

物理学家们意识到,粒子的活动速度很高,而且粒子活动时,常外现出粒子之间的相互转化。因此,粒子物理学中所钻研的物理规律必然是既能逆映粒子的量子性,又能逆映高速活动的相对性,还能表现粒子产生或息灭的过程。由此发展出能够同时表现上述三方面特点的量子场论。

由于这些过程吾们从未见过,是从理论上推导出来的,都是虚过程,这其中的粒子也都是虚粒子。既然从未有人见过虚过程,凭什么说这些过程就是准确的呢?

量子色动力学对此的注释是:当夸克间距离介于10−16~10−15m 时,夸克的结相符势能随距离添大而线性增补;当夸克间距离达到10−15m 数目级(约等于原子核的空间尺度)时,结相符势能随距离添大而无穷添大,这就导致了“夸克禁闭”。

最浅易的手段(见图19-3)已经在19.4 节平分析过了,是一个电子发射出一个光子,另一个电子汲取这个光子。详细过程是:其中一个电子放出一个光子,此电子变成能量较矮的电子;放出的光子向第二个电子移动并被汲取,于是第二个电子变成能量较高的电子;然后第二个电子再放出光子被第一个电子汲取。如此循环去复,光子在两个电子之间赓续前后传递,把能量和动量从一个电子传到另一个电子。每个电子的动量的变化率等于另一个电子向它施添的电磁力。

仔细,在费曼图中费米子的箭头并不外示活动倾向,而是为了标记正粒子和逆粒子:与时间倾向相通的箭头代外正粒子,与时间倾向相逆的箭头外示逆粒子。以是图中正电子箭头与时间倾向相逆。

1947 年到1952 年间,美国科学家兰姆以极高的准确度测量了氢原子中电子轨道能量的微幼变化(称为兰姆移位)。兰姆移位激首了物理学家们的钻研炎潮,效果发现,原子内部空间是真空,在其中会有正负虚粒子对的产生与息灭,它能使电子的轨道略有转折。电子轨道能量的理论计算值倘若不把真空的这栽奇怪效答考虑进去,就与实验效果不符;逆之则与实验效果准确相反。这表清新真空中的虚粒子具有实的效答。

费曼图展现出,现在言子(力的传递粒子)在两个粒子之间交换时,吾们所认为的一些过程就“实在地”发生了,从而表清新粒子间的相互作用,让吾们清亮地望到实物粒子间如何议定序言子的交换产生作用力。

更复杂的,产生出来的正负电子对还能够再进一步发射光子,光子能够再变成正负电子对……而所有这些复杂的过程,最后外现为两个电子之间的电磁力。

“空间– 时间意外能望作是能够脱离物质世界的实在客体而自力存在的东西。并不是物体存在于空间中,而是这些物体具有空间广延性。云云望来,关于‘一无所有的空间’的概念就失踪了意义。”

真空中赓续地有各栽虚粒子对的产生、息灭和相互转化的形象,称为真空涨落(也叫量子涨落或量子真空涨落)。真空涨落展现了真空与物质之间的深切有关,展现出真空是统共自然物质产生及变化的根本源头。

不走思议是吗?但费曼认为能够,由于两栽手段在数学上是十足等价而异国区别的。

19.3 真空里暗藏的稀奇

图19-1 所示为一栽用线条外示的场产生粒子的暗示图,图中用一条线外示一栽场,程度直线外示基态场,程度线上隆首的峰外示场的激发。

这个吸引力被称为卡西米尔力,力的强度与金属原料无关,它倚赖于普朗克常数和光速。在真空中,倘若两个金属板的面积为1cm2、相距为1μm,那么它们之间相互吸引的卡西米尔力约为10−7N——大致等于一个直径为半毫米的水珠所受的重力。固然这栽力望首来很幼,但在矮于微米的距离之内,卡西米尔力却成为两个中性物体之间最强的力。

19.4 再析费曼图:时间能倒流吗?

图19-5 两个电子间电磁相互作用另一栽过程的费曼图

宇宙中的各栽粒子都在赓续地与真空进走着能量交换,倘若真空零点能真的很大而且能够挑取,无疑将是人类所能够行使的最佳能源了。

“场”的概念最早是由麦克斯韦挑出的,他据此竖立了电磁场理论。但麦克斯韦的电磁场属于经典场,当代物理学在狭义相对论和量子力学的基础上,又产生了量子场的概念。依据量子场论的不悦目点,物质存在的基本形态是量子场,粒子是场的激发态。量子场论突破了经典物理学中粒子和场的作梗,将物质的基本层次、基本力和物质世界的首源纳入了一个同一的物理图景之中。

描述电子自旋有个物理常数叫g 因子(一个磁矩和角动量之间的比例常数),倘若异国虚过程,g 因子在量子理论中的数值答该是2,而按以上虚过程理论展望,则g 因子数值为2.00231930476。现在所测的实验值是2.00231930482,考虑到实验的偏差,这个展望效果是如此惊人的实在,不由得人们不承认以上理论的准确性。用费曼的话来说,这一精度相等于测量纽约与洛杉矶之间的距离而偏差只有一根头发丝的粗细。

1925年,海森堡的同事、德国物理学家和数学家约丹在一篇关于量子力学的论文中挑出了“场的量子化”的原创性的不悦目点。1927年,狄拉克把量子理论引入电磁场,将电磁场量子化,为竖立量子场论奠定了基础。1928 年,狄拉克把狭义相对论引进薛定谔方程,竖立了相对论性质的震动方程——狄拉克方程,把狭义相对论和量子理论同一首来。同年,约丹和维格纳竖立了量子场论的基本理论。1929 年,海森堡和泡利竖立了量子场论的远大形势。量子场论曾一度由于在计算过程中会展现无穷大而面临危机,益在人们议定一栽所谓“重正化”的数学技巧解决了这个题目,其中费曼的路径积分作出了主要贡献。

场的能量增补称为激发,当基态场被激发时,它就处在能量较高的状态,称为激发态。

图19-4 电子-正电子女灭过程的费曼图

从图19-4 能够望出,费曼图的稀奇之处在于,一个沿正时间移动的正电子等价于一个沿负时间移动的电子。不仅电子如此,其他粒子也相通,这就意味着量子场论在微不悦目尺度上批守时间倒流。正负电子的息灭过程也能够云云理解:在A 点,入射电子发射一个光子,并且产生一个新的电子,新电子向B 飞去,在那里它发射出另外一个光子,然后变成一个沿负时间活动的带负能量的电子。

量子电动力学认为,两个带电粒子之间的电磁力是议定互相交换光子而产生相互作用的,这栽交换能够有很众栽分歧的手段。下面以两个电子之间的电磁力作用手段为例表明。

这边又展现A 和B 两个顶点。在A 点,入射电子发射一个光子,并且产生一个新的电子,新电子向B 飞去,并在那里遇到一个入射的正电子,二者互相息灭并且发射出另外一个光子。

(1)第一类是实物粒子场,也叫费米子场。实物粒子(场)包括轻子和夸克以及它们的逆粒子,它们均为自旋量子数为1/2 的费米子。

必要仔细的是,两个顶点之间的连线称为内线,内线是中间过程的物理机制,它所外示的粒子是不能够被不悦目测到的,是虚粒子。逆之,向外发散的线是外线,它代外实粒子,实验能不悦目测到。以是上图中的γ 光子是不悦目测不到的,而电子是能够不悦目测到的。

近代物理实验技术已经十足肯定,在基本粒子的相互变化过程中,真空直接参与了作用。1928 年,狄拉克根据他竖立的相对论电子方程,预言了高能光子激发真空可使真空产生正负电子对,而正负电子对又可息灭为真空同时放出光子。1929—1930 年,在美国添州理工学院深造的吾国科学家赵忠尧发现,当高频γ 射线议定薄铅板时会产生他所谓的“变态汲取”(两个光子产生一对正负电子)和“稀奇辐射”(正负电子对息灭为两个光子)形象,从而最早不悦目察到了真空中正负电子对的产生和息灭形象,证实了狄拉克的预言。

上图还表现出所有费曼图的一个特点,那就是相互作用都是一栽灾变事件,在这一过程中所有粒子要么损坏,要么产生。在A 点,从左下方入射电子被损坏了,产生了一个光子,与此同时产生了一个新的电子(能量与入射电子分歧),向左上方飞去。同理,从右下方入射电子汲取一个光子也被损坏了,产生了一个新电子朝右上方飞去。

赵忠尧不但用γ 射线从真空中“挑取”出一对正负电子,而且测得正负电子对息灭时辐射的光子能量为0.5 MeV,正益等于一个电子的能量。一对正负电子女灭产生一对同等能量的光子,能量刚益守恒。这个实验使人类真切意识到真空是“不空”的。

第11 章中吾们介绍过费曼图。费曼图不仅挑供了形象化的手段直不悦目处理量子场中各栽粒子间的相互作用,而且它的线段和顶点在物理上有相答的含义并对答着准确的数学方程,它为吾们挑供了分析粒子间能够发生的逆答的一栽途径,能够方便地计算出一个逆答过程的跃迁概率,以是费曼图成为量子场论钻研中的一个主要工具。

1948 年,荷兰物理学家卡西米尔挑出了一项检测真空零点能存在的方案。由于真空涨落形象,真空中赓续地有各栽虚粒子对的产生、息灭和相互转化,以是真空中足够着几乎各栽波长的粒子。卡西米尔认为,倘若使两个不带电的呈镜面坦平的金属薄板在真空中平走挨近,两板间较大波长的粒子就会被倾轧出去。于是,金属板内能量密度变得比板外幼,云云就会产生一栽使金属板相互围拢的力,金属板越挨近,两板之间的吸引力就越强。

量子场论认为,当某栽场处于基态时,由于该场不能够议定状态变化开释能量,因而无法输出任何信号或展现出直接的物理效答,不悦目测者也因此无法不悦目测到粒子的存在。但当场处于激发态时,就会产生相答的粒子,场的分歧激发态所对答的粒子数现在及其活动状态是分歧的。粒子的产生和息灭代外着量子场的激发和退激。因此,场是比粒子更基本的物质存在,粒子只是场处于激发态时的表现。

“真空”是指在其中异国任何实粒子的理想空间,它是一栽清白空间。

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图19-3 两个电子间电磁相互作用过程的费曼图

这将是一栽取之不尽、用之不息的清白能源,不过这一柔美的期待何时能实现却无法预知。

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虎扑1月6日讯 今天猛龙球员丹尼-格林在Instagram上传了一组自己此前重回马刺主场与昔日的教练、队友的合影。

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