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量子场是如何产生粒子的?

发布时间:2020-01-15 21:14    点击次数:185次   

  在非常年轻的宇宙中,在获得足够能量的高温条件下,不仅粒子和光子可以自发产生,而且反粒子和不稳定粒子也可以产生。然而,即使在这些条件下,也只能出现少数特定的状态或粒子。宇宙是由什么组成的?在基本层面上,答案很简单:粒子和场。例如,构成人类、地球和所有恒星的物质类型都是标准模型中的已知粒子。暗物质理论上是粒子,而暗能量理论上是空间本身固有的场。但是所有存在的粒子,其本质的核心,都只是激发态量子场本身。到底是什么赋予了它们这些性质?如果将粒子的特性建模为各种独立场的激励,那么是什么导致这些激励波一起运动呢?这些波下真的存在某种粒子实体吗?

  标准模型中的粒子和反粒子现在都已被直接探测到,而最后一个没有被探测到的希格斯玻色子,是本世纪初在大型强子对撞机上落下的粒子。所有这些粒子都可以在大型强子对撞机的能量下产生,粒子的质量会产生基本常数。这些粒子可以用量子场理论的物理原理很好地描述、这些粒子的特征似乎是与生俱来的。所有相同类型的粒子,包括电子、介子、上夸克等等,在某种程度上是无法彼此区分的。它们都有许多其他同类型粒子所共有的特性,包括:质量、电荷、弱荷、自旋、颜色、重子数、轻子数和更多。有些粒子的值为0,其他的几乎都有非零的值。但不知何故,每一个存在的粒子都包含了所有这些特殊的内在属性,它们被束缚在一个单一稳定的“量子态”的粒子中。

  宇宙中基本粒子的剩余质量决定了它们可以在什么时候及什么条件下被创造出来。粒子质量越大,在早期宇宙中自发形成需要的时间就越少。粒子、场和时空的性质都是描述宇宙所必需的。宇宙中存在着各种各样的场。比如希格斯场,它是一个量子场,渗透到整个空间。电磁场和色电荷场也是基本的量子场。

  场在空间中无处不在,即使没有粒子存在。场本质上是量子的,这意味着它有一个能量最低的状态,我们称之为零点能量,它的值可能为零,也可能不为零。在空间和时间的不同位置,场的值会波动,就像所有量子场一样。就我们所知,量子宇宙有其基本的不确定性。

  量子场论计算的可视化,显示量子真空中的虚粒子。即使在真空中,这种真空能量也是非零的,但是没有特定的边界条件,单个粒子的性质就不会受到约束。如果一切都是场,那么什么是粒子?粒子是量子场的激发。换句话说,这些量子场不是处于最低能量或零点状态,而是处于某些高能量状态。

  以上讨论的量子场无处不在,但是粒子并不是同时存在于所有地方。相反,它们是局部的,或局限于空间的特定区域。

  在经典力学(A)和量子力学(B-F)中,一个粒子在无限方阱中的轨迹。在(A)中,粒子以恒定速度运动,前后弹跳。在(B-F)中,给出了具有相同几何形状和电势的时变薛定谔方程的波函数解。横轴表示位置,纵轴表示波函数的实部(蓝色)和虚部(红色)。在前量子宇宙图景中,粒子仅仅是点而已,是具有一系列属性的个体实体。但是在量子宇宙中,必须用波函数来代替粒子,波函数是用一组概率参数来代替经典量,比如“位置”或“动量”。

  与粒子相关的一些性质是连续的,比如位置,而另一些则是离散的。离散粒子是最有趣的基本粒子性质,因为它们只能取特定的值,这些值是由宇宙设定的特征条件定义的。

  吉他弦本身可以以无限的振动模式振动,对应于一组不受约束的声音。但是通过限制弦的厚度、所承受的张力以及振动部分的有效长度,只有一组特定的音符可以出现。这些“边界条件”与可能的输出集是不可分割的。在吉他上有六根不同厚度的弦,我们可以把厚度看作弦的基本属性。如果只有这些弦而没有吉他,这些弦就有无数种不同的振动方式。

  每根弦的有效长度受起点和终点的限制。可能的激励数量受指板上的琴格位置的限制。振动模态受到几何和泛音音乐的限制。发出的声音受到每根弦张力的限制。这些属性是由每个吉他的大小、弦属性和调音唯一决定的。

  拉格朗日标准模型是封装了粒子和相互作用的标准模型。它有五个独立的部分:胶子(1)、弱玻色子(2)、物质如何与弱力和希格斯场相互作用(3)、幽灵粒子减去希格斯场冗余(4)、影响弱交互冗余的法代夫-波波夫幽灵重影(5),不包括中微子质量。在标准模型粒子的情况下,也有一组有限的可能性。它们起源于一种特定类型的量子场理论:规范场论。规范场论在一系列的变换下是不变的,所以物理定律在这些变换下也应该是不变的。

  SU(3),一组由3×3的矩阵,描述强相互作用。SU(2),一组由2×2矩阵,描述了弱相互作用。U(1),又称为圆群,由绝对值为1的所有复数组成,描述了电磁相互作用。

  此图显示了标准模型的结构。它描述了标准模型中的所有粒子,包括它们的字母名称、质量、自旋、旋向性、电荷以及与规范玻色子的相互作用。它还描述了希格斯玻色子的作用,以及电弱对称破缺的结构,说明了希格斯真空期望值是如何破缺电弱对称以及剩余粒子的性质是如何改变的。标准模型不仅仅是一组物理定律,还提供了众所周知的边界条件来描述可能存在的粒子的光谱。因为标准模型不是由一个单独的量子场构成,而是由所有基本的量子场共同作用而成,所以最终得到的粒子光谱具有一组固定的性质。

  每个粒子都对应于宇宙中所有以特定方式激发的基本量子场,它们与所有的场耦合,这决定了它们的粒子属性,比如质量、电荷、颜色、弱荷、轻子数、重子数和自旋。

  标准模型是在考虑了一组对称性的情况下建立的,这些对称性打破的特定方式决定了允许粒子的光谱。要确定粒子属性的具体值,还需要基本常数。

  粒子物理学的标准模型解释了四种力中的三种,其中重力除外,还解释了发现的全部粒子以及它们之间的所有相互作用。是否有额外的粒子和相互作用?这是一个有争议的话题,只有当人们探索过已知的能量边界,才能知道答案。那么如何得到具有这些性质的量子粒子呢?

  根据量子场论定律,这个定律描述了能被激发到不同特征态的场。根据标准模型的数学结构,它规定了场的允许组合。根据基本常数,它们为每个允许的组合提供特定属性的值,即每个粒子的属性。也许还有更多。

  标准模型可以很好地描述现实,但不能解释一切。它不能解释暗物质或暗能量,也解释不了物质-反物质不对称的起源以及基本常数值背后的原因。


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