科学家谈物理——各种场概念,从经典到现代物理

§6 场,粒子和真空 在物理学的发展过程中,人们对于物质存在形式的认识是在不断变化 的.最初认识到微粒是物质存在的基本形式,微粒在空间占有一定的体积, 有不可入性,有质量,有能量,有动量,有角动量,场是作为描述微粒间的 相互作用的辅助概念引入的,并不能脱离开微粒而独立存在.后来电磁学的 发展使人们认识了电磁场,又认识到场不能只看作是为了描述物理规律方便 而引入的概念,场本身也是物质存在的基本形式.场也具有质量,有能量, 有动量,有角动量,这些性质和微粒是一样的.但是场是充满全空间的,没 有不可入性,可以互相重叠地一起存在,这些性质和微粒是不一样的.场可 以脱离微粒而独立存在,独立地运动,传播和演化.这时,微粒和场被认为 是物质存在的两种基本形式. 粒子世界各种粒子丰富多彩的运动,相互作用,相互转化使人们对物质 存在形式有了新的认识.量子场论给出了物质存在形式的一个基本物理图 象,可以描述如下: 与每种粒子相对应存在一种场,场没有不可入性,充满全空间.对应各 种不同粒子的各种场互相重叠地充满全空间.例如与光子相对应存在电磁 场,与电子相对应存在电子场,与中微子相对应存在中微子场,与质子相对 应存在质子场,与中子相对应存在中子场,它们同时存在于全空间. 各种场的能量最低的状态称为这种场的基态,当一种场处于基态时,这 种场就不能通过状态的变化释放能量而输出任何信号,从而不会显现出直接 的物理效应,这时表现为看不到存在粒子.场处于激发状态时表现为出现相 应的粒子,场的不同激发状态表现为粒子的数目和运动状态的不同.例如电 磁场的激发状态表现为出现光子,电子场的激发状态可以表现为一个电子, 也可以表现为多个电子. 按照这样的认识,物质的两种存在形式中,场是更基本的,粒子只是场 处于激发状态的表现. 一般说来,场的运动状态用一个复数量来描写,场的激发也通过复量来 描写,互相为复共轭的两种激发状态表现为粒子和反粒子互换的两种物理状 态.例如,电子场的一种激发状态表现为存在一个电子,这种激发状态的复 共轭的激发状态表现为存在一个能量,动量,自旋角动量相同的正电子.如 果有某种场是用实数量来描写的,相应地场的激发也用实量描写,这时复共 轭就是它自己,粒子就是它自身的反粒子.这种场就是纯中性场,这种粒子 就是纯中性粒子.电磁场就是用实数量来描写的纯中性场,光子的反粒子也 就是它自己. 反粒子的概念最初是狄拉克提出的,狄拉克提出空穴理论预言正电子的 存在.按照空穴理论的认识.尽管正电子的性质和电子的性质在物理上是高 度对称的,正电子的地位和电子并不对称,电子是粒子而正电子是"空穴". 现在的认识就不同了,他们处于完全对称的地位.正电子是电子的反粒子, 电子也是正电子的反粒子,它们之间是复共轭的关系. 现在知道,一切粒子都有相应的反粒子,反粒子的质量,寿命与自旋与 粒子相同,但带的电荷,重子数等都和粒子符号相反.只有中微子有所不同, 中微子的质量为零,自由中微子永远以真空光速运动.中微子的螺旋度只有 -1/2,也就是说只有"左旋"中微子.反中微子的质量也是零,也永远以真 空光速运动.但反中微子的螺旋度只有 1/2,也就是说只有"右旋"反中微 子.纯中性粒子的反粒子就是它们自己,已知的纯中性粒子的自旋量子数都 是整数.光子和中性π0 介子都是纯中性粒子. 当所有的场都处于基态的时候,任何一个场都不可能释放出能量而给出 信号,显现出粒子,这时是物理上的真空.由此可见,真空并不是"真"的 "空"无一物.真空状态时,全空间充满了各种场,物理真空并不空. 互相重叠充满全空间的各种场之间有相互作用,无论是处于基态还是处 于激发状态的场都同样地与其他场相互作用. §7 相互作用 相互作用的场论机理 粒子是场处于激发状态的表现,因此粒子间的相互作用来自场之间的相 互作用.场之间的相互作用是粒子转化的原因. 场论对粒子间的相互作用的机理给出了清楚的图象.现在考虑中子的衰 变过程.自由中子为什么会自动衰变?一个自然的回答是中子通过相互作用 而衰变.再问中子为什么会自动衰变?自然的回答是中子和质子,电子以及 反中微子相互作用的结果.然而当中子存在的时候,质子,电子以及反中微 子都还不存在.而当质子,电子以及反中微子存在时,中子却已经不存在了. 中子和质子,电子以及反中微子没有一个时刻同时存在,它们之间又怎么能 相互作用呢?这个物理图象和物理概念上的表观上的矛盾,在场论中自然地 解决了. 根据场论给出的基本物理图象,回过来再看中子的衰变过程.在图 5-2 所示的示意图上,我们用一条线代表一种场,水平直线代表场处在基态,水 平线上的隆起峰代表场的激发,表现为一个粒子.左边为真空,即所有场都 处于基态的情形,右边为有一个质子和一个电子的状态.图 5-3 描写 n→p+ e - + v的衰变过程.开始时,中子场处于激发状态,表现为存在一个中 子,而质子场,电子场和中微子场则处于基态,表现为没有质子,电子和中 微子(或相应的反粒子).经过中子场与质子场,电子场和中微子场之间的 弱相互作用,中子场可以跃迁到基态把激发能量传过去而引起质子场,电子 场和中微子场的激发.表现为中子消失而产生了一个质子,一个电子和一个 反中微子.这就是中子衰变过程的场论图象.在这个图象中,衰变过程得以 发生的原因是场之间的弱相互作用.正因为中子场与质子场,电子场和中微 子场之间存在弱相互作用的联系,才使中子场的激发状态的改变引起质子 场,电子场和中微子场激发状态的改变而表现为中子衰变过程. n→p + e + v 四种相互作用 粒子之间存在相互作用.粒子间的相互作用是通过交换媒介粒子来实现 的.不同的相互作用的区别在于媒介粒子的不同以及粒子放出和吸收媒介粒 子的能力不同.粒子间相互作用随距离的减弱行为用相互作用力程描写,力 程的物理意义是相互作用的有效作用范围,相互作用力程的数值正比于媒介 粒子质量的倒数.如果媒介粒子的质量用吉电子伏特为单位,力程用费米为 单位,则力程的值可以由 0.197 被媒介粒子的质量去除得出.粒子放出和吸 收媒介粒子的能力用相互作用耦合常数来描写,不同的相互作用的耦合常数 不同,常常在数量级上有很大的差别. 现在已经发现的粒子之间的相互作用有四种.一种是电磁相互作用,其 媒介粒子是光子,一种是引力相互作用,其媒介粒子是引力子.这两种媒介 粒子的静止质量都是零,这就决定了这两种相互作用都是长程作用,即力程 等于无穷大的相互作用.正因为它们是长程作用,随距离的增加而减弱得不 快,在宏观世界中就可以观察和研究,并且在 19 世纪就已经在宏观世界中研 究得相当清楚了.再一种相互作用是弱相互作用,它的媒介粒子是带正电荷 和带负电荷的 W 粒子和不带电的 Z 粒子.这三种粒子都有很重的静止质量, W 粒子的质量是质子质量的 85.5 倍,Z 粒子的质量是质子质量的 97.2 倍.这 就决定了弱相互作用是力程很短的短程力,其力程约为一千分之二点四费 米,即一百亿亿分之二点四米.还有一种是强相互作用,它的媒介粒子是分 子和胶子,最轻的介子是π介子,它的质量是质子质量的 0.149 倍.这就决 定了强相互作用也是短程力,其力程比弱相互作用的力程约大三个数量级, 约为 1.4 费米,即一千万亿分之一点四米.这四种相互作用的媒介粒子中, 介子的自旋可以是零或 1,引力子的自旋是 2,其他的媒介粒子自旋都是 1. 四种相互作用的强度有很大的差别.如果有两个质子相距约为 2.5 费 米,即一千万亿分之二点五米的距离,两个质子之间这四种相互作用的有效 耦合常数的比较可以从下列表中看出. 相互作用类型 媒介粒子 媒介粒子自旋 质量( GeV ) 力程(费米) 宏观表现 相互作用强度 强作用 介子, 胶子 0 , 11 0.13960 1.413 无 0.15 电磁作用 光子 1 0 ∞ 有 0.0073 弱作用 W, Z 1 80.2 , 91.2 0.00246 无 6.34 × 10-10 引力作用 引力子 2 0 ∞ 有 5.90 × 10-39