量子場是什麼?他是如何與物質相互作用的?

2020-12-18 天文在線

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

量子場是經典場的理論概括。我們知道的有兩種典型的經典場是麥克斯韋電磁場和愛因斯坦度量引力場。思考量子化過程的一種方法是我們首先在數學運算符號代替了一些數值(這部分為純代數或微積分,新物理仍未引進)的基礎上重新構造(仍然是經典的)場的方程;然後,我們「求解」得到的算子值方程,包括並未在經典理論中出現的解,然後斷言(經觀察驗證)這些新的「無意義的」(憑直覺而不是數學意義)解精準地描述了自然,包括觀察到的所有與經典理論矛盾的量子行為。

使用量子場有幾種基本原理。第一,這是多種經典場論的自然概括,它們是我們對自然研究出的最成功的(非量子)理論。第二,量子場論可以解釋並不存在於量子力學的粒子和過程的(經過觀測和研究的)創造與毀滅。第三,量子場論本質上是相對論性的,「神奇地」(不是真的,只是優雅的數學)解決了因果關係的問題,這些問題甚至困擾著相對論性的量子粒子理論。

但是,量子場並不與物質相互作用。量子場就是物質。在量子場論中,我們認為粒子正是量子場本身激發出來的。

最簡單的「實用」量子場論是量子電磁學。在量子電磁學中,兩種場同時存在:電磁場和「電子場」。 這兩種場持續不斷地互相作用,能量和動量被轉移,激發被創造和毀滅。所以,例如,我們所出於直覺所描述的電子吸收中子的現象,在量子電動力學中就是電磁場和電子場之間具體的相互作用,其中電磁場失去一個激發量子,電子場得到了它的能量、動量和角動量。

Lesson#1:場是最基礎的物質。我們在學校學了物質的基本構造塊是粒子。事實上,我們在大學也會繼續教授這個,我們會在大學裡解釋夸克和電子組成了樂高積木,所有的物質都從這樣的樂高積木中產生。

但這個表述隱藏了一個深奧的真相。根據我們最完美的物理法則,自然的基本構造塊不完全是分離的粒子。相反,存在著連續不斷的物質,像液體一樣,分布在整個空間中。我們稱這些物質為場。最為人熟知的場當屬電場和磁場。這些場的波紋產生了光,或更普遍地說,電磁波。鐵屑在磁場中有確定指向的現象就是由條狀磁鐵引起的。

Lesson # 2:粒子由場產生。如果你在距離電磁波足夠近的地方觀察,就會發現他們由中子組成。在我們將量子力學的作用包含在內時,電場和磁場的波紋會變成粒子。

但是對於所有其他我們所知道的粒子,同樣的過程也在起作用。在宇宙中存在著一層薄薄的分布在整個宇宙中的東西,我們稱之為電場。電場的波紋被量子力學束縛成為一捆能量。這捆能量就是我們所說的電子。同樣地,還有夸克場、膠子場以及希格斯玻色子場。在你身體中的每個粒子——事實上,是宇宙中的每個粒子——都是由量子力學機制塑造成粒子的基本場的微小波紋。

Lesson # 3:就像生活一樣,QFT也很難!

「QFT是目前現代物理學中最難的理論,25年中沒有一個人可以完全相信它。」-E.Witten

量子場是一種複雜的物質。一部分原因是它包含了所有的物理學:場可以描述大量的粒子,以無數種方式作用。但是,在我們抵達這些難題之前,還有另一個原因令量子場難以理解。

上述動畫是計算機對真空的模擬。這是真空的樣子,是一片完全沒有粒子的區域。這看起來一點也不無聊。海森伯格不確定關係意味著量子場不能保持靜止。與靜止相反,它起泡、沸騰,就是一鍋不斷冒泡的粒子和反粒子湯,不斷地被創造和毀滅。正是這種複雜性造成了QFT巨大的難度。

在QFT中,甚至虛無也是非常難以理解的。當你開始加入粒子,真空就會以有趣的方式扭曲。許多QFT的研究就是為了理解這種扭曲,理解它是怎麼造成粒子之間不同的相互作用的,最終,理解它如何造就我們周圍大自然的各種各樣的美。這非常困難。在發現了QFT許多年後,我們距離理解它的精妙之處仍然很遠。

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3. Viktor T. Toth-七裡香

如有相關內容侵權,請於三十日以內聯繫作者刪除

轉載還請取得授權,並注意保持完整性和註明出處

相關焦點

  • 量子場論是什麼?
    傳播電磁相互作用和電磁波的介質,叫做電磁場。無論是物體的內部,還是抽掉空氣的真空,電磁場是無處不在的。電磁場攜帶著能量和信息,它具有物質的屬性。因此,現代物理學接受,看不見摸不到的真空,也是一種物質形態,電磁場是這種物質的一個屬性。
  • 宇宙中的量子場最早是何時形成的?
    在可觀測宇宙中的任意時間點上,廣義相對論(主宰引力)與量子場理論(主宰其它已知力)的應用形式似乎都與地球上別無二致。但情況一直如此嗎?宇宙中的量子場有沒有可能曾經不同過?甚至一度根本沒有量子場?眾籌網站Patreon的支持者克裡斯•肖(Chris Shaw)很想知道這些問題的答案,於是他問道:「宇宙中的第一批量子場是何時形成的?它們是自從宇宙大爆炸以來就一直存在嗎?
  • 光子準粒子:光與物質的相互作用
    因此,光與物質的相互作用通常可以被視為非常弱的,並且在量子電動力學計算中往往只保留到最低階來處理。然而,如果要理解光子與材料準粒子(表面等離激元、聲子和激子)的耦合方面取得的進展,需要對光-物質相互作用的本質進行更深刻的認識。
  • 基本粒子和相互作用的標準模型|眾妙之門
    而其中組成物質的基本單元以及它們之間的基本相互作用是物理學研究的重要內容。2 基本相互作用除了研究物質的基本組分外,對自然的理解還需要了解基本組分之間基本相互作用的性質,即什麼力使質子和中子在一起形成原子核?是什麼力把電子和原子核結合成原子,然後再把原子結合成分子?是什麼力使分子在我們體內聚集,又是什麼力使我們保持在這個星球的表面呢?我們可以研究自然界相互作用並對它們進行系統的分類嗎?
  • 天殺的上帝粒子與物質質量的起源|展卷
    這對解釋量子場論遇到的問題有什麼意義呢?其實,楊振寧和米爾斯以及格拉肖提出的SU(2)量子場論就像是一個裝著超純水的非常光滑的玻璃瓶,物理學家意識到,要打破對稱性,就需要在量子場的「背景環境」中添加某種東西,這是一種原本缺失的成分。從某種意義上來說,他們需要找到某種東西,可以讓量子場中無質量的力的載體「依附」其上。
  • 基本粒子和相互作用的標準模型簡介
    在微觀世界中,所有物質都具有波粒二象性,這就是物質基本的量子性質。粒子的波長隨著能量的增加而變短。這正是引入加速器的原因:產生一束更高能量的光束,其解析度足以探測微小的基本粒子世界。沒有顯微鏡中複雜的透鏡陣列,人們就永遠不會直接從光束中看到細胞。同樣,如果沒有一組複雜的探測器,人們就無法看到加速器發出的光束照亮了什麼。
  • 反物質和暗物質和我們常見的物質有什麼不同?
    我們在平時經常會聽到反物質,暗物質,暗能量等詞彙,這些其實都是物理學中的概念。那它們之間有什麼區別,又和我們這個世界的一般物質有什麼關係呢? 今天,我們就來說說這個問題。
  • 反物質有黏性嗎?科學依據是什麼?
    但是,如果我們問「是什麼原因導致了這些物理特性」,那麼我們必須一直深入到微觀世界,以了解真正發生的事情。在微觀尺度上,遠低於人眼所能看到的極限,一切都是由原子構成的。這些原子結合在一起成為分子,然後通過原子間力將它們結合在一起,構成我們在傳統經驗中相互作用的大型物體。
  • 時間是不是「物質」?現代科學關於時間本質的定義是什麼?
    關於時間是不是物質是不是這個問題,問題的本質並不是時間,而是我們對物質的定義究竟是什麼?「物質」概念其實就是一種人為的定義與假想。舉個例子,你正在看的手機是物質這點沒有疑問吧,但是它之所以是物質是基於你的感知的。
  • 那裡有什麼?
    事實上,暗能量與宇宙中物質的數量(暗物質+重子物質)是同一個數量級的。這相當巧合,這是為什麼被稱為巧合問題的原因,也是宇宙中最大的未解之謎之一。當然,也有可能真空不具有任何引力和暗能量也沒有任何關係,這在筆者眼裡更不可能。無論暗能量是什麼,由於巧合問題,暗能量肯定與物質以及物質受到的作用力有關,或者與物質有共同的形成原因。
  • 粒子到底是什麼?文小剛點評|眾妙之門
    因為它讓研究者能夠以極高的精度計算粒子之間相互作用時會發生什麼——從最基本的層面而言,粒子的相互作用是世界組合在一起的方式。上世紀70年代,Helen Quinn 提出了仍然是假設的「軸子場」。更複雜的弦網液體中的波,可以滿足描述電弱相互作用的楊-米爾斯方程,強相互作用也可以用不同的弦網波動來描述。因此,不同的弦網波動會產生不同的規範群,也就是相互作用,這樣弦網液體就統一了光子、膠子等玻色子。另一方面,開弦的端點滿足費米統計,對應於費米子,也就是構成物質的基本粒子。而這些費米子帶自旋1/2,其滿足的波動方程正好是狄拉克方程。
  • 物理科普——反物質和暗物質有什麼區別?區別有點大
    反物質和暗物質有什麼區別?雖然都有物質兩個字,但這兩者的區別真的有點大…… 反物質最早是英國物理學家保羅·狄拉克根據電子的相對論性方程——狄拉克方程預言的一種反粒子。由於在狄拉克方程中存在負能解,為了解決這個問題,狄拉克提出了狄拉克海和空穴理論。
  • 新的研究理論誕生,解釋了暗物質是如何形成的,以及它的尋找方向
    如果是的話,這些粒子的性質是什麼,比如它們的質量和自旋,這些粒子被施加了什麼力,它們經歷了什麼相互作用,暗物質是什麼時候產生的等等,它被各種謎團籠罩。 新理論誕生,或許能解釋暗物質是如何形成的 近日,一項新的研究表明,早期宇宙中膨脹的宇宙蒸汽可能導致了現在大量的暗物質,這一理論或許能解釋暗物質是在什麼時候
  • 反物質和暗物質有什麼區別?
    物質構成了宇宙,大到整個宇宙,小到我們身邊周圍,物質無處不在,那麼物質的本質是什麼? 138億年前,奇點大爆炸之後,誕生了正物質,反物質,暗物質等,很多人經常把暗物質與反物質混在一起,但暗物質不是反物質,它們之間也沒有什麼聯繫,下面我們來介紹一下這兩種物質。
  • 我們如何知道太空中的化學物質?
    比如,科學家是如何從地球上了解到金星大氣中的化學物質的?幸運的是,天體發出的光進入我們的望遠鏡之後,不僅可以創造出精彩的圖像,也攜帶了這些天體的構成信息。幫助我們了解天體構成信息的研究,叫做天體光譜學。
  • 暗物質衛星上天 揭秘暗物質是什麼?
    常進說,「衛星除了尋找暗物質外,還是一個宇宙射線望遠鏡,可以研究宇宙射線的起源、傳播和加速。宇宙射線發現了將近100年,但那麼高能量的宇宙射線究竟來自於什麼?人類到現在也沒有弄清楚,這很奇怪。」常進說,尋找暗物質需要全世界科學家的共同努力,何時能發現暗物質尚難以預計。至於發現暗物質後能如何利用,常進說,量子物理剛發現時,人們認為一點用處都沒有,但是現在什麼都與量子物理有關係。
  • 納米尺度下的光和物質強相互作用
    當這種交換速度超過了系統自身的損耗率,光子和輻射點就會形成新的光-物質混合態,體現為頻譜上的能級劈裂(圖1b)。我們把這個過程稱之為強耦合過程,又叫光和物質強相互作用,而相關研究被稱為腔-量子電動力學 [cavity-quantum electrodynamics (cavity-QED)]。
  • 早期的宇宙結構,是如何形成的?
    然而,我們很難解釋宇宙初始漲落是如何以數量級的幅度增長,並導致如今的密度差異。紐西蘭奧克蘭大學的Nathan Musoke等人,利用高精度的數值計算來預測初始較小的量子漲落如何演化。通過只關注一個時間非常早、空間非常小的特定區域,他們能夠通過自洽計算追蹤這些量子漲落的演變。他們預測發展後的複雜結構比初始的密度要大了幾個數量級。