科普连载之二十七：量子场论 场是弥散在空间中的一个区域，或者说是空间的一种紧张状态 量子场论的核心是，万物都是由场构成的，而且仅

来源: marketreflections 于 2011-02-17 12:13:44 [] [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 阅读数 : (5330 bytes)

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科普连载之二十七：量子场论

1楼

     狭义相对论在宏观世界里无疑是一个成功的理论，他用简洁优美的公式统一了低速和高速世界，发现高速世界的景象并不是我们常识中的东西。量子论在微观世界也无疑是一个成功的理论，它发现了一个全新的微观世界，原子并不是我们想象中的那样是一个宏观物体的缩小，它会干涉、衍射，还会跃迁、坍缩。然而狭义相对论进入微观领域就有些力不从心了，虽然质能方程仍然普遍成立，虽然微观世界也不存在超光速信号，但微观粒子既然连轨道的概念都不存在，又怎么会受到相对论力学的束缚呢？同样，量子论中的薛定鄂方程也不满足相对性原理，所以在处理高速问题时肯定会有麻烦。即使是氢原子，它也无法解释精细结构，需要相对论修正，更何况还要引入一个看上去毫无道理的电子自旋概念。所以自然的想法就是找到一个新的理论，既满足相对性原理，又可以在低速近似下退化为薛定谔方程。通过探索，学者们找到了两条路。其中一条路上走着的是克莱茵和狄拉克，他们的思路是找到一个新的满足相对论的波动方程。于是分别建立了KG方程和狄拉克方程。狄拉克求出了氢原子的严格解，并且自然的预言了电子自旋。同时，相对论方程预言了反物质的存在。现在我们去第二条路上看看。 
    爱因斯坦认为，法拉第最大的贡献不是电磁感应定律，而是他的力线。法拉第为了理解磁现象，首先提出了场的概念。简单地说，场是弥散在空间中的一个区域，或者说是空间的一种紧张状态，它代表了一种施力的可能性，而且场可以独立的存在。麦克斯韦关于电磁场的场方程组一直是物理美的典范，爱因斯坦广义相对论也是一种经典场论。量子场论的核心是，万物都是由场构成的，而且仅仅由场构成。场具有能量，因此有质量。实物粒子都是场的状态，粒子是场的中心。 
    1926年，玻恩、海森伯、约当提出了电磁场的量子理论，量子场论从此诞生。在这个理论里，电磁场本身是一个同时满足量子力学原理和相对性原理的系统，从而建立起描述这个系统的场方程。它实际上就是描述电磁场本身运动的“薛定谔”方程，如同电子的Ψ场一样，描述了电磁场的Ψ场。更确切的说，它预言了在空间某点处发现电磁场有不同强度的概率。薛定谔方程预言粒子能量量子化，同样，电磁场的量子场论预言电磁场会量子化为各种频率的能量包，这些能包就是光子。新的理论解释了光子存在的理由，而爱因斯坦的光量子假说只是假设光子存在，并没有更基本的理由。 
    量子场论的思想是：从场论出发，然后将场量子化，从而导出与场相联系的粒子，这些粒子是场的量子，它以分立的能包形式（粒子）显示自身的存在。 
    1929年，海森伯和泡利将量子场论思想应用到实物粒子，对电子的Ψ场进行了量子化。这种电子场遵从量子论原理和相对性原理。他们发现，量子化后的电子场会以分立能包的形式显示自身，只是这个能包不再是光子，而是电子。或更确切的说，量子场论预言了电子的存在。推而广之，自然界中所有的粒子都有对应的场，都是这个场的量子，如质子场、中子场、中微子场、μ子场……因为自然界是由场构成的，而量子化后的场以粒子的形式显示自身，所以我们看到的自然界由粒子构成。 
    有了量子场，我们可以描述单个电子和单个光子的行为了，但自然界中一个最基本的过程：光电效应或康普敦散射我们如何理解呢？爱因斯坦光电效应方程和康普敦散射的推导只用到了能量（以及动量）守恒这一普遍原理，并没有揭示相互作用的细节。1947年，费曼和施温格分别以不同的方式建立了电子与光子相互作用的理论：量子电动力学。量子电动力学是目前为止最精确的理论，它精确预言了兰姆移位和电子反常磁矩。费曼发现，为了使量子场符合相对性原理，必须存在一个时间上逆行的电子。而这个在时间的反方向上运动的电子其可观测效应与另一个带正电的电子在时间正方向上完全相同。这就是正电子。早在1928年，狄拉克就利用他的相对论波动方程预言了正电子的存在。现在已经有很多学者改变了他们对反物质的看法，放弃了狄拉克的真空负能海，转而认为，反物质就是在时间上逆行的物质。 
    引用一位化学家的名言：世上没有废物，只有被放错地方的财富。 
    可是如果我们不了解光子，又怎么能指望会将它放对地方呢？
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