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超炫漫话-第八节粒子窘态

时间:2023-10-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:不仅如此,量子力学,包括量子场论处理一切问题的出发点一直是将基本粒子看作“几何点”,即基本粒子,如夸克、光子、电子等,是没有大小、没有形状、只有位置的“点”。凡此种种,都暴露了“点粒子”理论的窘态!

超炫漫话-第八节粒子窘态

迄今为止,物理学经历了两次大革命。第一次,爱因斯坦提出的相对论,包括狭义相对论广义相对论。在狭义相对论中,爱因斯坦从光速不变原理和狭义相对性原理出发,利用洛伦兹变换,推导出尺钟效应和同时的相对性,以及质能关系式;在广义相对论中,爱因斯坦从局域等效原理和广义相对性原理出发,推导出关于时空曲率、引力和物质能-动张量关系的爱因斯坦引力场方程,得出物质场使时空弯曲的结论,获得了三大实验验证,致使人类对白矮星、中子星黑洞的预测,以及对现代宇宙学的思考。

第二次,玻尔领导的布鲁塞尔学派,包括狄拉克、德布罗意、薛定谔、海森伯、伯恩等,提出一切物质以及电场、磁场、强场、弱场、引力场都是由质子、中子、电子、光子、中微子等点状的基本粒子组成的,这些基本粒子遵守测不准原理,它们的动力学行为遵守薛定谔方程、克莱因-高登方程和狄拉克方程,由此创立了量子力学。量子力学创立了经典理论的量子化规则和二次量子化规则,明确了量子力学的五项基本法则:

(1)描述微观量子体系的基本物理量是赫尔伯特空间的埃米尔算符;

(2)微观粒子的任何态都可以由相应本征算符的归一化本征态展开;

(3)微观粒子的位置算符Xm正则动量算符Pm满足以下关系:

(4)一般情况下的微观粒子体系的态矢量遵守薛定谔方程

(5)全同粒子的交换遵守对易(玻色子)和反对易(费米子)关系。

量子力学解释了经典物理难以解释的物理现象,诸如黑体辐射、光电效应原子结构,提出了微观粒子的波粒二象性、普朗克常数、不确定关系、泡利不相容原理、本征态和本征函数、量子纠缠等新概念。在量子理论指导下,人类制造出以激光核磁共振电子管晶体管、超导体芯片、量子纠缠晶体为核心器件的电视电脑小米手机、LED、激光打印、机器人等新产品,极大地改变了全人类的通信、视听、印刷水平。

不仅如此,人们将量子力学的理论和方法应用于经典电磁学,得到量子电动力学;应用于强相互作用,得到量子色动力学;应用于将电磁力与弱相互作用的统一理论,得到弱电统一理论,萨拉姆、格拉肖、温伯格因此获得诺贝尔物理学奖。现在,强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用三种基本力已经统一起来。凡此种种,无一不是量子力学的成就。(www.xing528.com)

但是,在企图将引力与前三种力统一的过程中,尽管科学家们付出了百倍的努力,却始终不得其解。真是伤透了脑筋!不仅如此,量子力学,包括量子场论处理一切问题的出发点一直是将基本粒子看作“几何点”,即基本粒子,如夸克、光子、电子等,是没有大小、没有形状、只有位置的“点”。痛定思痛,问题就出在“点”上!

1940年,费曼认为,电磁力的相互作用类似于篮球运动员相互传球的过程,而“场”实乃称为玻色子的粒子,电子属于费米子;电子之间的作用力就是玻色子在电子之间被发射和吸收的过程。但是费曼创造的费曼图仍然不能解释“传球过程”中的无穷大问题。于是“重整化”登场了。“重整化”确实立下了汗马功劳。对电磁力的“重整化”消除了无穷大,对弱相互作用力和强相互作用力的“重整化”也基本成功;但是对引力场的“重整化”却始终一筹莫展。

再者,库仑定律告诉我们,电子之间的作用力大小与距离平方成反比,当电子间距为零时电子之间的场强为无穷大,能量为无穷大,因此质量为无穷大。

第三,以量子电动力学计算任何电磁相互作用时,一级近似结果与实验数据相符合;但是,做高级近似计算时将不可避免地出现无穷大。

第四,在强相互作用中,理论和实验都要求“夸克”的存在。但是,“自由夸克”却始终没有观察到,“夸克禁闭”现象无法解释。

第五,电磁场中,有正电荷和负电荷,存在“电单极”;但是N极和S 极总是成对存在的,两者形影不离,不存在“磁单极”现象。

第六,量子场论具有无穷多自由度,精确地求解非常困难,即使利用微绕理论也无能为力。

凡此种种,都暴露了“点粒子”理论的窘态!危机孕育新生,这预示着物理学的第三次革命就要来临了!

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