量子力場出場了 物質(zhì)成為了“幽靈” 現(xiàn)在,我們試著在麥克斯韋的經(jīng)典電磁場理論中引入量子的性質(zhì)和行為。如果結(jié)果能夠滿足狹義相對論的要求,我們將會得到量子版本的電動力學(xué),即量子電動力學(xué)。 麥克斯韋方程組是有精確解的,只要用常規(guī)的數(shù)學(xué)方法就可以得出描述電、磁性質(zhì)和行為的解析表達式。海森堡和泡利在1929年就提出了這種量子場論的一個版本,但是其中包含著巨大的問題。早期的量子電動力學(xué)并沒有這么簡單,它并沒有精確解。 理論物理學(xué)家們采取的辦法就是近似,把一個實際的數(shù)學(xué)問題近似成一個有精確解的數(shù)學(xué)問題,再加上一個小小的偏差。對于量子電動力學(xué)來說,我們可以從一個能精確求解的、不涉及電子和電磁場之間相互作用的量子場論表達式開始。這樣可以得出近似的結(jié)果,然后用偏差對結(jié)果進行修正,讓修正的結(jié)果慢慢接近事實真相。 其實,海森堡和泡利當(dāng)時遇到的問題就是這種“理論上”和“實際上”的問題。本來應(yīng)該只會在相互作用為零的情況下提供一個小小的修正,然而實際上這個修正項卻會迅速擴大到無窮大。這沒有任何物理意義,在自然界中無窮大并不存在。 在20世紀30年代初,量子場論似乎走入了死胡同。但是一些物理學(xué)家意識到,如果可以解決前面的這些問題,這個理論就將為我們提供一種不同于以往的方式,來理解粒子之間的力是如何發(fā)生作用的。 1932年,德國物理學(xué)家漢斯·貝特和恩里科·費米提出,這種力的產(chǎn)生是兩個電子之間交換光子的結(jié)果。這就說明在量子領(lǐng)域中,場和粒子相關(guān)聯(lián),因此相互作用的場也和“相互作用的粒子”相關(guān)。 交換的光子將一個電子的動量傳遞到另一個電子上,結(jié)果是兩個電子的速度和運動方向發(fā)生改變,相互分開。交換的光子是一個“虛”光子,它直接在兩個電子之間傳遞,我們看不到它從一個電子中轉(zhuǎn)移到另一個電子中的過程。根據(jù)這一解釋,光子不僅僅是光的量子粒子,同時也是電磁力的“載體”。 說到虛光子,我們需要補充一點相關(guān)的知識。像質(zhì)子、中子、電子這些物質(zhì)粒子都叫做費米子,其自旋量子數(shù)為半整數(shù),會出現(xiàn)1/2的情況,費米子遵循泡利不相容原理。 但是負責(zé)在物質(zhì)粒子之間傳遞力的粒子則不同,它們都是玻色子,以印度物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色的名字命名,著名的波色愛因斯坦凝聚也是他和愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的,波色子自旋量子數(shù)為整數(shù)。像光子的自旋量子數(shù)就是1。玻色子不受泡利不相容原理的限制,它們可以擁有相同的量子數(shù),并且可以“凝聚”成單一的量子態(tài),激光就是一個很好的例子。 盡管量子電動力學(xué)解釋了物質(zhì)粒子和傳遞力的粒子的區(qū)別,但是量子場論的問題不解決,我們還是無法取得真正的進展。 到了1947年,物理學(xué)家們進行了很多次實驗,并且都提出了自己的觀點。最終,奧本海默確信,狄拉克預(yù)測的值與實際測量值之間的微小差異與量子電動力學(xué)有關(guān)。這個差異盡管很小,但是完全不可以忽略,當(dāng)然,這個差異也不可能是無窮大。 就這樣,物理學(xué)家采用了一些新的術(shù)語來描述他們發(fā)現(xiàn)的這些概念。 一個被從電磁場中剝離出來的電子是一個“裸”電子,其質(zhì)量被稱為“裸質(zhì)量”。其實電子永遠不可能獨立于電磁場存在,所以這個裸質(zhì)量只是一個假想的量。物理學(xué)家面對的在實驗中測量到的質(zhì)量則被稱為觀測質(zhì)量,又稱“綴飾質(zhì)量”,就是電子在電磁場中具有的質(zhì)量。 物理學(xué)家認識到,在研究量子場的微觀世界時,改變我們的思維方式是很重要的。當(dāng)然,在任何情況下能量都是守恒的,但這也不能阻止許多奇怪的事情發(fā)生。海森堡不確定性原理并不只限定位置和動量,它同樣適用于其他被稱為共軛性質(zhì)的成對的物理性質(zhì),如能量和時間。 現(xiàn)在,通過量子場論我們來研究一下真空,假設(shè)我們創(chuàng)造了一個完美的真空,與外部世界完全隔絕。這意味著在這片真空中的電磁場或是任何其他的場能量為零,其能量變化率同樣也是零。但是根據(jù)不確定性原理,我們無法同時精確地知曉電磁場的能量及其變化率,因此它們不可能同時為零。 不過,不確定性原理并沒有明確禁止“借用”所需的能量來創(chuàng)造一個無中生有的虛光子或電子–正電子對,只要在符合不確定性原理要求的時間間隔里“歸還”就行了。這樣,真空場會經(jīng)歷隨機的量子漲落,就像海面上永不停歇的波浪。 不管是能量還是其變化率,它們的漲落平均都為零,但是在時空中的個別點上來看,漲落可能就不是零?!翱铡钡目臻g實際上是一片由量子場和虛粒子組成的混沌。 這是有證據(jù)的,它被稱為卡西米爾效應(yīng),由荷蘭理論物理學(xué)家亨德里克·卡西米爾在1948年提出。將兩塊小金屬并排放在真空中,相隔大約百萬分之幾米,它們之間除了引力沒有任何力的作用,引力的作用十分微弱,完全可以忽略。 兩塊金屬片之間狹窄的空間形成了一個空腔,限制了可以持續(xù)存在的虛光子數(shù)量,虛光子密度低于其他地方。結(jié)果是,它們會受到一種虛擬的輻射壓,金屬片外側(cè)更高密度的虛光子將它們推向中間。1996年,物理學(xué)家史蒂夫·拉莫羅在洛斯阿拉莫斯國家實驗室首次測量到了這種效應(yīng),他得出的結(jié)果與理論預(yù)測之間相差不到5%,并在隨后的實驗中將這一差距縮小至1%。 隨著量子電動力學(xué)和與質(zhì)量重正化相關(guān)的數(shù)學(xué)技巧的發(fā)展,我們對物質(zhì)基本成分的理解又發(fā)生轉(zhuǎn)變,物質(zhì)的本質(zhì)好像變得更難以捉摸了。粒子,也就是早期的希臘原子論者所鐘愛的終極的、不可分割的“物質(zhì)”,已經(jīng)被量子場所取代。我們開始認為粒子只不過是這些場的特征性擾動,而物質(zhì)似乎已然淪為一種幽靈般的東西。 下一期繼續(xù)來聊場與力,咱們下期再見。 相關(guān)文章鏈接 天文大事件——金星上發(fā)現(xiàn)磷化氫到底意味著什么? |
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