现代物理学的精华量子场论-PeacefulMind.PPT

翻譯 王嗚陽 一切基本粒子都誕生自“場” 現代物理學的精華“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，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 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? 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，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“某種東西”。 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“某種東西”。 “場”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“場”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