现代物理学的精华量子场论PeacefulMind课件.ppt

1、翻譯 王嗚陽一切基本粒子都誕生自一切基本粒子都誕生自“場場”現代物理學的精華現代物理學的精華“量子場論量子場論”我們在之前介紹了物理學的一個基本觀點，那就是，“無的空間”充滿了“場”，而力是通過“場”傳遞的。然而現代物理學對於“場”又有了更深入的認識。藤井博士說：“現代物理學把基本粒子與場的概念聯系起來，認為不同種類的基本粒子都是場的表現形式。按照這種觀點，所謂基本粒子并不是實體，而是在場中由於能量集中而形成的能夠一個兩個地加以計數的那種分立狀態。”換句話說，我們習慣於想像為堅實顆粒的所謂基本粒子其實不過是充滿空間的場所表現出來一種能量集中的狀態。誠然，我們的周圍存在著各種各樣的物體，看得見，

2、摸得著，我們對於這些物體的存在確信無疑。但是，我們其實并不知道作為物質基本單元的基本粒子是否也是如此。下面，我們就來介紹現代物理學是怎樣得到這個結論的。電場和磁場，以及電磁場電場和磁場，以及電磁場事情要從法拉第首先使用“磁力線”描繪磁場以后的19世紀后半叶說起。在當時，物理學家所知道的力，除了磁力和引力之外，還有“靜電力”。磁力和靜電力的性質十分相似，英國物理學家詹姆士麥克斯韋(1831-1879)成功地將磁力和靜電力結合在一起，得到了一個統一的方程組。這樣，他就把傳遞磁力的場和傳遞靜電力的場統一起來，并把這種統一的場稱為電磁場。電磁場的特點是，電場的變化會引起磁場的變化，磁場的變化也會激起電

3、場的變化，兩者互相感應，并以波的形式向前傳播。這種波叫“電磁波”。麥克斯韋從理論上推算出了電磁波的行進行速度，結果同當時用實驗測得的光的速度十分接近。這就揭示出光也是一種電磁波。是粒子還是波是粒子還是波?在另一方面，阿爾伯特愛因斯坦(1879-1955)在1905年發表了他的認為光是一種“能量包”的“光量子假說”。這種假說其實是把光看成粒子。在某種意義上，這一觀點是同麥克斯韋認為“光是在電磁場中傳播的一種波”的觀點相對立的。光既是波，又是粒子，也就是說，光好似同時具有互不相容的這種性質。這樣一個結論，即使當時的第一流物理學家也感到十分困惑，無法理解。但是，隨著研究的不斷深入，大量的實驗都証實，

4、光的確在某些場合會顯示粒子的性質，而在另一些場合又會顯示波的性質。這就是說，光似乎是既非純粹的粒子也非純粹的波的光似乎是既非純粹的粒子也非純粹的波的“某某種東西種東西”。物理學家后來又發現，本來以為是純粹的粒子的“電子”竟然也具有波的性質。這就是說，電子也是既非粒子也非波的電子也是既非粒子也非波的“某種東西某種東西”。“場場”如何表現為基本粒子如何表現為基本粒子在20世紀從世紀之初到30年代是說明微觀世界物理規律的物理理論“量子力學”誕生和形成的時期。把這種量子力學應用於電磁場，結果從本來應該是傳播作為波的光（電磁波）的電磁場導出了處於粒子狀態的光（光子）。這就是說，把量子力學應用於“場”，成

5、功地實現了粒子和波這兩種性質的統一。這樣的工作叫做“場的量子化”，而這樣建立起來的關子“場”的新理論則叫做“量子場論”。關於“場”和基本粒子的關係，我們可以在頭腦中將圖像放大，用一塊點陣二極管顯示屏的比喻來加以說明。二極管顯示屏是由許多發光二極管排列起來形成一面點陣，通過調節使點陣中選定位置的二極管點亮發光，便可以顯示新聞或者廣告。假定顯示屏上現在是位於某一個位置的二極管被點亮發光。按照“場”的觀點，顯示屏上的這個點亮的二極管就相當於一個基本粒子。在這塊二極管顯示屏“場”中，二極管點亮的地點集中了能量，這裡就相當於在著基本粒子的狀態。二極管沒有點亮的那些地點，“場”保持沉默，則相當不存在基本粒

6、子的狀態。再假定有某一個位置的二極管被瞬間點亮，迅即熄滅后，在接下來的下一個瞬間它右側緊鄰的二極管被點亮，熄滅，然後再是它右側緊鄰的二極管被瞬間點亮，這樣，我們在顯示屏上看到就是一個光點逐漸向右方移動。其實二極管并沒有移動，移動的只是被點亮的二極管的位置。實際的基本粒子的運動與此類似，不是什麼“堅實的顆粒”在移動，而是“場”中能量集中的地點在移動位置。採用二極管顯示屏比喻也不難理解前面所介紹的假想粒子的成對生成和成對煙灰。假如顯示屏上一個二極管的大小就像基本粒子那樣微小，那麼根據不確定性原理，那些二極管就不會總是處在不發光的狀態（因為能量在瞬間可以取各種值）。在任一瞬間，顯示屏上都會有這裡或那

7、裡的二極管或者暫時點亮處在發光狀態或者暫時熄滅處在不發光狀態。這種情況就相當於基本粒子的成對生成和成對煙滅。基本粒子是基本粒子是“場場”的表現形式的表現形式量子場論就是以上述方式將“場”和基本粒子這兩類看似截然不同的對象成功地統一在一起，因而在現代物理學中，幾乎所有種類的基本粒子都有各自所對應的“場”，例如電子有“電子場”，跨克有“跨克場”，等等。事實上，按照量子場論，在“無的空間”存在著與所有種類的基本粒子相對應的各種“場”。因此，每一種基本粒子都是它所應對的“場”的某種特殊狀態的表現形式。換句話說，所謂基本粒子并不是存在於空間的“堅實顆粒”，空間的主體是充滿空間的“場”，而這種“場”的某種

8、特殊狀態（能量集中的狀態）的表現形式就是基本粒子。需要特別指出的是，現代物理學中的“場”并不是充滿空間的“物質”，而是空間本身所具有的一種固有特性。在物理學發展的早期，物理學家曾經設想存在著一種叫做“以太”的物質，認為那種物質就是傳播電磁波的介質。今天物理學家所說的“場”并不是那種假想的物質“以太”概念的復活。同時，在現代物理學中，電磁力和引力這些力全都可以用物體之間交換基本粒子來加以說明。於是，作為物質的基本粒子和傳遞力的基本粒子，也就是世界的一切，全都利用充滿“無的空間”的“場”得到了說明。這就是現代物理學發展到今天向我們揭示的這個本來面目。“無的空間無的空間”是否真的彌漫著一種未知的是否

9、真的彌漫著一種未知的”場場”期待著在加速器上進行的實驗能夠發現期待著在加速器上進行的實驗能夠發現”希格斯場希格斯場”從前面的介紹我們已經看到，“無的空間”具有生成基本粒子的能力，而且這種能力很容易從”場”的觀點得到解釋。然而在充滿“無的空間”的那些”場”中有一種非常特殊的”場”，那就是“希格斯場”。在介紹希格斯場之前，我們需要先回顧一下自然界究竟存在著多少種力。我們這個世界總共存在著四種基本力，它們是”電磁力”、”引力”(萬有引力)、”強力”和”弱力”。關於電磁力和引力，這裡不需要作說明。強力是在原子內部把“質子”和“中子”結合在一起形成“原子核”的那種力，也是在質子和中子內部把叫做“夸克”的

10、一類基本粒子結合在一起的那種力。弱力剛是引起中子衰變的那種力。在現代物理學中，這四種力都是借助基本粒子（“場”的狀態變化）進行傳遞。傳遞電磁力的是“光子”，傳遞引力的是“引力子”，傳遞強力的是“膠子”，傳遞弱力的是“弱玻色子”。在理論研究寫出的表示基本粒子如何傳遞力的那個方程中，傳遞力的基本粒子的質量必須等於零。理論正是在這一點上暴露了它的漏洞。這是因為，在上世紀60年代以前所進行的那些加速器實驗全都表明，如果弱力是由弱玻色子傳遞的話，這種弱玻色子應該具有很大的質量。這至少說明關於弱力的理論還存在著問題。為了解決理論和實驗的這個矛盾，英國的一位物理學家彼特希格斯在1964年便設想應該還存在著一

11、種希格斯場。設想的這種希格斯場應該像“無的空間”一樣無所不在。在空間行進的弱玻色子穿過希格斯場將受到後者的阻滯作用。這種情形就好比一個人在游泳池裡行走會受到水的阻力。前進將十分困難。對於行進中的弱玻色子，希格斯場會像水那樣產生阻力，於是本來質量（表示運動困難程度的一個量）為零的弱玻色子也變得難以移動，從外部看，它就像是獲得了質量。不僅弱玻色子，事實上，所有種類的基本粒子的質量都可以由它們與希格斯場的相互作用而得到說明。據認為，希格斯場並不是宇宙剛一誕生出來就具有這種作用。在宇宙誕生後經過大約1000億分之1秒，空間狀態發生急劇變化，即出現了一種叫做“真空相變”的現象，那以後，希格斯場才與基本粒

12、子有相互作用（關於相變，詳見後兩頁說明）。在出現真空相變以前，不僅弱玻色子，包括電子和夸克子在內的所有基本粒子都是沒有質量的。這其中光子比較特殊，即使在相變以後也不與希格斯場發生相互作用，所以直到現在，它的質量仍然為零。不過，希格斯場現在只是一種理論假設，還沒有得到實驗的証實。計劃在瑞士剛建成不久的大型加速器“LHC”（大型強子對撞機）上和在日本等國正在籌劃中的加速器“ILC”(國際直線對撞機)上安排的粒子對撞實驗，都有可能用來檢驗希格斯場是否真實存在。空間的性質發生過急劇變化空間的性質發生過急劇變化質量真的是由於質量真的是由於“真空相變真空相變”產生的嗎？產生的嗎？如前兩頁所介紹的，自然界總

13、共有電磁力、引力、強力和弱力四種基本力。傳遞這四種力的基本粒子，在理論上，質量全都應該為零。但是實驗証實，傳遞弱力的弱玻色子卻具有質量。解決這個矛盾的一條途徑，是設想還存在著一種阻滯基本粒子使它們獲得質量的希格斯場。這裡，我們就來對那種使這種希格斯場的性質發生變化，從而使得粒子獲得質量的“真空相變”稍作詳細介紹。一般說來，所謂相變，譬如水這種物質，是指在水蒸汽、液態的水和固態的冰這三種狀態之間水的性質發生急劇變化的一種現象。與此類似，據認為，宇宙初期的空間也曾經發生過這樣的急劇變化。理論研究又認為，自然界的四種力本來都屬於同一種力。空間每發生一次“真空相變”，原來的一種力就發生一次分化而產生出

14、另一種力。在今天，這樣的看法已經是現代物理學的一種標準觀點。在初始宇宙中出現真空相變的歷史過程大致如下。在宇宙誕生出來的瞬間，本來只有後來才分化成四種力的那惟一的力，我們如且把那種力稱為“原始力”。現代物理學現在還沒建立起描述那種原始力的方程，因此，我們對於剛誕生出來的宇宙的當時的情況可以說知之甚少。理論研究認為，那種原始力一定是在宇宙誕生出來的一瞬間就出現了。做出這種判斷的根據是，在宇宙誕生出來10秒鐘後就發生了第一次相變，從原始力中最先分離出了引力。分化出引力之後的原始力仍然綜合了電磁力、強力和弱力三種力，叫做“大統一力”。目前，建立描述這種大統一力的方程的理論研究工作已經接近於完成。宇宙

15、誕生出來經過10秒之後再發生了第二次相變。經過這次相變，從大統一力中分化出了強力。當時，宇宙中存在著的是三種力，即引力、強力和“電弱力”（綜合了電磁力和弱力的一種力）。接下來，在宇宙誕生出來10秒之後又發生了第三次相變。經過這次相變，電弱力分離為電磁力和弱力。至此，四種力全部出現。此時，希格斯場的性質也發生了變化，與基本粒子發生相互作用，使得弱玻色子等粒子有了質量。在宇宙誕生出來10秒後還發生過第四次相變。不過，這次相變同力的分化沒有直接關系，而是，夸克之間實現強結合，出現“夸克禁閉”。這種禁閉的夸克就成為構成物質的材料質子和中子。上面介紹的內容就是真空相變在宇宙歷史中所起作用的大致情況，這些都是按照基本粒子物理學標準模型導出的結果。宇宙最初處在一種超高能狀態，隨著溫度下降，“無的空間”發生戲劇性變化，改變了性質，最後才逐漸演化成今天這種樣子。