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宇宙中的场

2019-10-20 01:38| 发布者: | 查看: 31| 评论: 0

摘要:   1.   如果你对现代物理学稍有了解,那么你对量子力学的那些不可思议的奇异性应该并不陌生。量子力学是一门描述微观世界的粒子的行为的物理学,它以惊人的精确性,准确地描述了我们周围的一切,比如它解释了原 ...

  1.

  如果你对现代物理学稍有了解,那么你对量子力学的那些不可思议的奇异性应该并不陌生。量子力学是一门描述微观世界的粒子的行为的物理学,它以惊人的精确性,准确地描述了我们周围的一切,比如它解释了原子如何运动,分子如何形成等等。

  上个世纪,当要将量子力学的原理应用(比如电磁场)上时,即便是那个时代最聪明的物理学家也感受到了极大的挑战。在不懈地努力下,物理学家最终发展出了一个奇妙的理论——量子场论(QFT),它将量子力学从单一的局部粒子,扩展成为到无处不在的场。

  我们知道,光即是电磁波,又是由粒子构成的,这很令人困惑,但量子场论为我们提供了一个解答。用非常简单的语言来说,它的本质上是这样的:根据量子力学,一个场中的波不可能是任意弱的;相反,通过将大量的不可再分的小波叠加在一起可以产生一个大波。而粒子或多或少就是这种可允许的波中最弱的。

  量子场论还以统一的方式解释了许多听起来像科幻小说的概念,例如有的粒子具有反物质粒子,其实就是同一种场中的不同类型的波;粒子可以被创造和毁灭,变成其他类型的粒子,即一个场中的波可以被转移到另一个场中。2.

  下表所示的是已发现的 17 种基本粒子,从量子场论的角度看,我们会将它们看作是 17 个基本场,例如电磁场(也称为光子场)、电子场、上夸克场、希格斯场等等。

  从场的角度观察粒子,可以更容易地通过方程(称为拉格朗日方程,L)对粒子行为进行定量描述。例如,若要描述光子的物理性质,就必须先写出支配它的电磁场的方程,而这是一个物理学家早就知道的方程:

  我们无需担心这个方程中的符号都各自意味着什么,将它放在这里只是为了表明——利用这样一个短短的等式,可以包含我们所知道的关于电磁学和光的一切。

  当我们想描述其他粒子时,我们也会采用类似的方法。例如,电子场的方程叫做狄拉克方程:  

  这些用来描述粒子场行为的方程都非常简单,通过将不同的方程结合在一起,就可以用来描述两种不同的粒子是如何相互作用的,例如电子和光子之间的相互作用就可以表述为:

  事实上,我们可以用一个更为复杂的方程来描述所有已知场之间的相互作用:

  在这个长长的方程中,有的代表希格斯场,有的代表轻子场,也有的代表夸克场等等。想要理解这个方程的每一个符号的含义,需要受过专业的物理训练。但我们可以立马了解到的是,这个方程与那张基本粒子列表一起,被称为粒子物理学的标准模型。这个复杂的等式实则包含了除引力之外的所有自然法则,想到这里,这样的复杂性似乎也是可以理解的!

  3.

  标准模型是迄今为止最成功的科学理论之一,它描述了所有已知基本场之间的相互作用。现在我们要用它来计算产生于场中的粒子的一些东西。例如,当一个电子和一个正电子(电子的反物质)碰撞时会发生什么?

  首先,我们从刚刚提到的描述光子场与电子场的相互作用的方程开始:

  并将量子力学的规则应用到这个方程中。从表面上看,它涉及到令人恐惧的数学计算,但才华横溢的理查德·费曼(Richard Feynman)用一种巧妙的视觉方式来表达这些高深的数学,那就是费曼图

  在费曼图中,光子被画成波浪线,而电子和正电子被画成带有箭头的直线,箭头表示负电荷的流动方向。在线的旁边有一个额外的箭头,表示进出粒子的运动方向。

  原则上,费曼图并不能描述碰撞中实际发生的情况,它只是数学表达式的一种有效的视觉简化。但把它们理解为是碰撞的动态视频——横轴为时间、纵轴为空间,是一种非常对我们的直觉非常有用的解释。

  例如,上面的这张图看起来就像一个电子和一个正电子碰撞,转变成一个光子,然后再转变成一个电子和一个正电子。

  下面这张图看起来像是两个粒子交换了一个光子,然后继续它们愉快的旅程:

  下图与第一张图类似,不同的是中间光子以电子-正电子对的形式存在了一段时间:

  费曼图在计算中很有用,因为尽管原则上你必须画出所有可能的图形,并将它们全部加起来,但实际上最重要的往往是最简单的图。(关于费曼图可以进一步阅读《革命物理学的图》)

  4.

  量子场论中含有许多引人入胜的细节,需要很多篇章才可能解释清楚。它的其中一大优点就是——这是一门非常丰富的学科,从它的基本原理出发,可以得出许多令人惊讶的结论。我们可以简单地了解一下两个最重要的结论:对称缩放

  在物理学中,对称变换是一种对世界没有可见影响的变化。例如,如果有人将整个宇宙向左移动了几米,或者将它旋转了几度,这是完全不可能被探测到的。对称性是量子场论中一个非常丰富的方面。例如,电荷的数学定义只是一个场在给定的对称变换中如何变化的问题。

  标准模型中有许多的对称性,但希格斯场最终“打破”了原来的对称性。这就是希格斯机制,这一发现让Peter HiggsFrançois Englert获得了 2013 年诺贝尔物理学奖。

  缩放在量子场论中也扮演着非常重要的角色,用来描述它的术语是重正化。当我们放大或缩小时,有的理论会改变它的外观,所以两个看似不同的理论可能实际上是同一个理论,之所以表面上看起来不一样只是因为缩放的程度不同而已。

  从数学上讲,标准模型看起来是缩小了的,因此我们认为它是某种未知的、更基本的理论的缩小版。大多数理论会在缩小变得不那么复杂。一个意外的发现是,当夸克和胶子的理论在缩小时会变得更加复杂,这也是 2004 年的诺贝尔物理学奖所授予的发现。


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