从量子场论看真空的物质形态问题,天体、类星体、分子、强子、夸克、规范场、引力场等都是物质不同的形态

 

 

 

 

第4卷第12期

200 5年12月

南阳师范学院学报

Journal of Nanyang Teachers College

Vo1．4 No．12

Dec． 2005

从量子场论看真空的物质形态问题

姚丽萍 ，黄金书

(1．洛阳师范学院物理系，河南洛阳471022；2．南阳师范学院物理系，河南南阳473061)

摘要：从量子电动力学、量子色动力学和量子味动力学三方面论述了真空是物质的一种特殊形态，是基态的量子场，

而不是物质的一种特殊状态。量子场的基态才是物质的一种特殊状态。搞清真空的物质形态问题可以对研究真空的复杂

结构提供理论基础。

关键词：真空；量子电动力学；量子色动力学；量子味动力学

中图分类号：o 413 文献标识码：A 文章编号：1671—6132(2oo5)12—0028—03

0 引言

对于粒子物理学给出的关于真空新奇而复杂

的特性，人们的理解仍存在着一定的分歧。一种观

点认为真空是物质的一种特殊状态，另一种观点认

为真空是物质的一种特殊形态。这两种判断虽然

只有一字之差，但却反映着对于真空概念的两种不

同理解。

首先对“形态”和“状态”的不同意义加以分析。

我们周围的世界是由物质构成的，而物质的形态则

具有多样性。天体、类星体、分子、强子、夸克、规范

场、引力场等都是物质不同的形态。我们通常说电

磁场是物质的一种特殊形态，就是说电磁场是一种

特殊的物质。如果认为真空是物质的一种特殊形

态，实质上就是说真空是一种特殊的物质。

物理学中物质运动呈现着多种多样的状态，对

于不同的运动状态描述的方式也不相同，通常把

“运动状态”简称为“状态”。如果认为真空是物质

的一种特殊状态，实际上就是说真空本身并非一种

物质，它只不过是物质具有的一种特殊状态而已。

真空到底是什么呢?考察量子电动力学、量子

色动力学和量子味动力学等方面对于真空问题的

认识，从中可以得出正确的解答来。

l 量子电动力学和真空问题

现代的真空理论实质上是量子理论。量子场

是物质的基本形态，它是既具有波动性又具有微粒

性的物质客体，它具有多种运动状态，如激发态和

基态。量子场激发态的出现代表实粒子的产生，激

发态的消失代表实粒子的消失。实粒子的消失只

是表明量子场的激发态消失了，而不是量子场这种

客体本身消失了，量子场还存在，不过此时量子场

处于能量最低的运动状态，也就是处于基态，人们

把基态的量子场称为“真空”。真空不空，真空本身

就是一种特殊的物质，即基态的量子场。所以说真

空是物质的一种特殊形态，而不是物质的一种特殊

状态。

真空就是基态的量子场，因而真空和其他形态

的物质一样可以具有各种各样的物理性质。如量

子电动力学中的真空零点振荡、真空涨落、真空极

化等等，真空零点振荡是量子场的各振荡模式在基

态中不停地振荡，真空涨落就是真空中不断地有各

种虚粒子产生、消失或相互转化，而真空极化就是

带电的实粒子对真空作用改变了真空中虚粒子云

的电荷分布。如果认为真空是物质的一种特殊状

态，即真空只是物质的一种性质的话，就很难理解

真空涨落、真空极化等物理内容。关于量子电动力

学的精确实验，不但观察到真空涨落和真空极化所

导致的种种物理效应，而且得到的实验值与量子电

动力学的理论计算以非常高的精确度相符合。例

如氢原子的兰姆能级移动，如果不考虑真空对处在

2s ／2和2P ／2两个能级的氢原子的作用，氢原子的

能量相同；当考虑到真空对它的作用时，2s ／2的能

级高于2PI／2的能级，这两个能级间的能量差所对

应的光子频率的实验值为(1057．86±0．06)×

106rad／s，而量子电动力学计算的理论值为

(1057．91±0．16)×10 rad／s。又如关于电子的磁

矩，实验值为(1．001159652209±0．000000000031)

亡

，

 

而理论值为 (1．001159652460 ±

收稿日期：2005—09—20

作者简介：姚丽萍(1971一)，女，河南洛阳人，硕士，讲师，从事粒子物理与场论的研究。

第l2期 姚丽萍等：从量子场论看真空的物质形态问题

0．0000000000127) ，只是小数点后第十位数字

厶¨ lC

才有差别。这一方面说明人们由量子电动力学中

所发展的一整套符合狭义相对论要求的计算真空

涨落和真空极化的方法所得的结果和客观现实极

为一致；另一方面也说明把基态的量子场作为真空

的概念是恰当和正确的。

2 量子色动力学和真空问题

夸克通过它所带的色和色规范场即胶子场发

生强相互作用，描述这种强相互作用的动力学称为

量子色动力学。量子色动力学也只有认为真空是

物质的一种特殊形态，才能对规范场真空的结构及

其性质加以研究。在量子色动力学中，非阿贝尔规

范场的真空状态是多重真空态，可以用一系列不同

的矢势nA， ( )来描述，其中n=0，1，2，⋯称为绕

数，真空间隔有势垒，这就是非阿贝尔规范场经典

真空的多重性质。

在量子真空情况下，设I n>表示绕数为n的

真空态，由于真空能量的起伏，不同绕数的真空态

之间有可能不是相互独立的。人们曾证明SU(2)

规范场的运动方程，在欧氏空间中求解时存在有经

典解，而自耦方程的解也是运动方程的解，这种解

称为赝粒子或瞬子，因为它是一种局限在一个很小

时空区域内的孤子。然而它实际上并不代表一种

粒子，而是代表一种量子跃迁过程，这一解的物理

意义是它把绕数为n与n±1间的真空态沟通起

来，即不同绕数的量子真空态是可以贯穿的。由于

量子贯穿效应，绕数为n的真空态I n>的线性叠

加构成物理真空态I >，这个规范场真空，我们称

为 一真空。它就是由于瞬子所引起的量子贯穿

效应而产生的一种特殊的真空结构，能够导致可观

测的效应，如CP破坏等。

因此说，规范场真空是 一真空，它的状态是

各种绕数n的真空态的线性迭加。不同绕数真空

态之间的贯穿效应是通过规范场方程的瞬子解来

实现的。瞬子解的发现说明了非阿贝尔场具有丰

富的真空结构。

作为规范场真空的一种方便的几何图像，可以

把真空看成是瞬子的集体，甚至可以看做是单个瞬

子的稀薄气体，称为稀薄气体近似。由于瞬子气体

可以相当于色磁偶极气体，所以真空即可看做是色

磁偶极气体。色磁偶极气体对弱外磁场(夸克的色

场)的反应可以用磁导率 来描述，在夸克色场作

用下顺磁气体 >1，如同通常磁介质那样，会呈现

磁致伸缩现象，即在外磁场下极化介质密度减小。

这种相不稳定，会发生相变而转变为一密集相 =

。。，这种真空对称性发生突变的现象称为真空相

变。因此在存在夸克时，真空在夸克附近区域有两

种相，稀薄相和密集相，这两种真空相共存的现象

称为真空具有畴结构。

量子色动力学真空所呈现出的真空相、真空贯

穿、真空相变、真空畴结构等，说明真空完全类似于

介质，尽管这种介质具有很多奇特的性质，但它们

却是一种物质的各种不同的属性。由于介质是一

种物质，所以我们有充分的理由认为量子色动力学

的真空是物质的一种特殊形态，而决不能认为是物

质的一种特殊运动状态。

3 量子味动力学和真空问题

描述夸克参与电磁作用和弱作用的动力学，称

为量子味动力学。在量子味动力学中，人们对于黑

格斯真空的物理性质的探索，如真空态对称性自发

破缺等，取得了重大成果，这是关于真空物理性质

研究中的一个飞跃。所谓黑格斯真空态对称性自

发破缺，就是指此种真空态所具有的对称性低于这

一

 

系统的拉格朗日所具有的对称性。通常人们认

为给定体系的真空态具有惟一性，任何不涉及动力

学的变换都不能使这个真空态改变，即真空态对于

这种变换具有不变性，这种真空态称为正常真空

态。当体系的真空态不具有惟一性时，若在一种变

换下真空态可以变到另一个真空态，即真空态对于

这种变换不具有不变性，这种对称性的破坏，称为

真空态对称性自发破缺，简称真空自发破缺。

在对称性破缺的真空中，总是凝聚着许多零动

量的虚标量粒子。一定的相互作用会造成真空零

动量的玻色凝聚，从而造成对称性的自发破缺，这

个真空凝聚的密度是用某个场算子或复合算子的

非零真空平均值来描写的，称作真空的序参量。例

如，对于手征对称性，序参量是复合夸克场的真空

平均值< ( ) ( )>，对于弱作用规范对称性，

序参量是黑格斯标量场的真空平均值。

把真空自发破缺应用到规范场理论中，需要引

入一个真空自发破缺的黑格斯标量场，这个标量场

可以有几个状态，即它是一个多重态。为了使黑格

斯场的运动方程具有定域规范不变性，必须引入一

些和它有相互作用的规范场。规范场是没有静止

质量的矢量场，可以有纵极化，因而有三个自由度。

规范场理论指出，在黑格斯真空自发破缺下，和某

些状态相应的标量粒子的静止质量为零，这种粒子

称为哥德斯通粒子，它和规范场作用时规范场获得

静止质量，这意味着它增加了一个自由度，这个增

南阳师范学院学报 第4卷

加的自由度可以由哥德斯通玻色子提供。这一现

象我们称之为哥德斯通玻色子被规范场“吃掉”，而

规范场“变胖”获得静止质量。这种规范粒子“吃

掉”哥德斯通玻色子并获得静止质量的机制，就称

为黑格斯机制。

弱电作用统一规范理论，虽然曾经提出过不少

方案，但是和实验符合的是格拉肖一温伯格一萨拉

姆模型。他们以真空自发破缺和黑格斯机制为基

础，用su(2)×U(1)变换群把弱作用和电磁作用

统一起来，建立了弱电统一模型。在SU(2)×

U(1)变换群下引进四个规范场和适当的黑格斯标

量场，就可以使得其中三个规范粒子 、 一、z0

获得质量，剩下一个仍然是没有静止质量的粒子，

就是描述电磁作用的光子。

弱电统一模型和实验事实相当符合，特别是弱

规范玻色子 、 一、z。的发现，不仅证明了弱电

统一理论的正确性，同时也使人们对真空物理性质

的理解更进了一步。这说明真空态具有简并的性

质，从而具有自发对称破缺性，而真空正是这种性

质的载体。显然可见，真空应当理解为物质的一种

特殊形态，而不是物质的一种特殊状态。

4 结论

通过以上关于量子电动力学、量子色动力学、

量子味动力学中真空及其物理性质的讨论可知，目

前人们对真空具体特性的认识已经取得了多方面

有意义的成果，如真空涨落、真空对称自发破缺等。

除此之外，人们关于反常核态所导致的真空激发，

强电场附近真空衰变和带电真空，黑洞场引起的真

空发射等的讨论，都大大开阔了人们对于真空认识

的视野。尽管真空的某些特性还有待于实验的最

后证实，然而毫无疑义，这些对于真空是物质的一

种特殊形态的命题却提供了令人信服的论据。

综上所述，真空乃是基态的量子场，它是物质

的一种特殊形态；量子场的基态人们常称为真空

态，真空态才是物质的一种特殊状态。既然真空是

基态的量子场，而量子场有各种各样的，如电磁场、

弱矢量玻色子场、胶子场、引力场、黑格斯场等等，

那么这些基态的量子场即各种各样的真空，处在同

一

 

空间又是如何并存的呢?这个问题还有待于人

们对统一场论的继续研究和探索，尽管超弦理论在

这方面已经取得了一些重要成果。

参 考 文 献

[1] 吴泳时．真空是物质的一种特殊状态[J]．自然辩证法

通讯，1979(2)：42—46．

[2] 刘辽．现代物理学中的真空概念[J]．物理通报，1983

(3)：17—20．

[3] 彭宏安．物理内容丰富的真空[J]．物理，1986(9)：126

—

 

131．

[4] 王伟．宇宙常数疑难[J]．物理，2002(8)：504—509．

[5] 薛晓舟．超弦／M理论真空及其哲学问题[J]．自然辩

证法研究，2003(2)：1—5．

Material form of vacuum from quantum field theory

YAO Li—ping ，HUANG Jin—shu2

(1．Department ofPhysics，Luoyang Teachers College，Luoyang 471022，China；

2．Department ofPhysics，Nanyang Teachers College，Nanyang 473061，China)

Abstract：From the three aspects of quantum electrodynamics，quantum chromodynamics，and quantum flavordynam—

ics，this paper explains that the vacuum is the special form of matter，the quan tum field of ground state，but not the

special state of matter．Understanding the material form of vacuum Can afford the theoretical basic to study the compli—

cate structure of vacuum．

Key words：vacuum ；quan tum electrodynamics；quan tum chromodynamics；quantum flavordynamics