愛因斯坦說過,世界上有兩種實在的東西:實物和場。
實物很好理解,“手機”“電腦”這些看得見摸得著的東西。
那場是什么呢?
量子力學的進階理論是量子場論。物理專業大學本科學習量子力學,研究生階段才開始學習量子場論,量子場論是現代物理學的根基,“標準模型”就是建立在量子場論的基礎上,“弦論”也是一種特殊的量子場論。
量子場論還是一種全新的世界觀。宇宙萬物都來源于“場”。
接下來就給大家科普一下量子場論。
“場”是空間里每個點長出來的“物理量”,這個物理量可以是一個數字,可以是一個向量,也可以是一個旋量。
比如說溫度場,空間每個點都有一個數字,也就是溫度的大小。比如說風速場,空間每個點都有一個向量,表示風速的大小和方向。
空間里所有的“數字和向量”集合起來,就構成了一個場,溫度場,風速場都是“傳統場”。今天我們主要講量子場,后面出現的場默認是量子場。
量子場有四條基礎規則。
第一,每一種粒子對應著一種場,比如說電磁波對應著電磁場,夸克對應著夸克場,電子對應著電子場,中微子對應著中微子場等等。
各種場在宇宙里面無處不在。即使是空無一物的真空,也充滿了各種場。并且各種場會疊加在一起,在同一個點,同時存在。所有的場都是無處不在的。
第二,場有兩種狀態,基態和激發態。你可以把場想象成海水,要么處于風平浪靜的基態,要么在某些點處于“巨浪滔天”的激發態。
場可以波動。給場增加一份能量,場就會在內部某個點給你激發出一個粒子。比如說給電磁場一份能量,電磁場就會激發出一個電磁波。
宇宙里面的電子為什么基礎屬性都一樣?
就是因為宇宙里面,只有一個電子“場”,所有的電子,都是同一個電子“場”激發出來的。
第三,場的能量降低一個臺階,就會凐滅一個粒子,并且把自己的能量交換給其他的場。兩個電子原來攜帶的能量會被無處不在的電磁場吸收,最后在電磁場里,激發出一個電磁波,因此粒子的誕生或消失本質上是場之間交換能量。
第四,真空里面,所有場都處于能量最低的基態。因為所有場都風平浪靜,所以真空沒有足夠的能量激發出粒子,但是能量最低不代表能量等于0。
場不會完全靜止,而是會隨機微小漲落。比如說真空里的電磁場。它的能量一直在0附近微小漲落。
如果把一顆電子放到真空里面,電子的能量也因此有微小的改變,這就是“蘭姆位移”現象。“蘭姆位移”獲得了1955年諾貝爾物理學獎。
我們可以總結一下。
1.每一種粒子對應著一種場,每種場在宇宙中無處不在。
2.場能量增加會激發粒子,場能量降低會凐滅粒子。
3.真空是所有場的能量最低狀態,真空里的場會隨機漲落能量。
4.場跟粒子一樣,也有質量,能量,動量和角動量
這就是量子場論的世界觀。
因為電子來源于“電子場”的能量激發,夸克來源于“夸克場”的能量激發,電磁波來源于“電磁場”的能量激發。
所以標準模型里面,所有粒子都來源于場的能量激發。因此世間萬物都來源于場的能量激發,宇宙就是各種場的疊加,場和場之間的互相作用,驅動著物質的運動和變化。
世間萬物來源于場是現代物理學的共識,并且有大量的實驗證據。國內外每個學校物理專業的研究生,都要學習量子場論。
那么,場和粒子哪個更本質?
很多物理學家認為“場比粒子更本質”,少量物理學家認為“粒子比場更本質”,還有一些物理學家認為“場和粒子是同一東西”,我個人更傾向于最后一種觀點。
場和粒子是同一物質的兩個不同的觀察角度,場更多的是從“空間和向量”的角度來觀察物質,粒子更多的是從“時間和運動的角度”來觀察物質。
場可以激發出粒子,粒子反過來也可以構造場算符,場算符是在二次量子化的時候,由物理學把“波函數”升級而成的。
物質有兩種形態:粒子和場,這句話很重要。
這也證明了文章開頭愛因斯坦說的,世界上有兩種實在的東西:實物和場。
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