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四、量子色动力学的类似分析
量子色动力学也有类似的情形。将电子换成夸克,电磁场换成胶子场,数学上要用到群论,但考虑到夸克场波函数的物质实在性及其相位的物理意义,量子色动力学完全可以做出相同的力学分析[7]。
1、整体规范变换
重子是夸克组成的。重子间的强作用由夸克间的强作用形成,夸克间的强作用是由色荷引起的,并通过胶子场实现。若自由夸克场量为q(x),则自由夸克的拉格朗日密度
式(13)形式上与电磁场拉格朗日密度完全相同,对自由夸克颜色空间三行一列矩阵作整体规范变换
q(x)→q(x)′= u q(x)
即可得到不变的拉格朗日密度
Lq → Lq′ Lq
将拉格朗日密度Lq、Lq′代入拉格朗日方程
∂L /∂q-∂μ (∂L /∂∂μ q)=0
可得到相同形式的场方程。因此,量子色动力学中对场量q(x)作整体规范变换,能保证自由夸克及场运动方程的形式不变。物理规律——拉氏函数、场方程等在整体规范变换、洛伦兹变换中具有不变性。
2、局域规范变换
若对自由夸克的场量q(x)做局域规范变换
自由夸克拉格朗日密度
Lq=q-(x)(irμ∂μ-m)q(x) (14)
不能保持不变。其原因,我们的解释是,自由粒子整体规范变换过渡到局域规范变换,将自由夸克自动放进强相互作用——胶子场中,相互作用和粒子的运动状态发生了变化, 附加场的存在使时空发生了畸变[8]。引入附加的胶子场势及协变导数
Dμ=∂μ-Aμ
使规范场与夸克的作用抵消原附加强场对夸克的作用,即可得到局域变换下的协变形式
Dμ q→Dμ′q′=u Dμq
Lμ+i=q-(irμDμ-m)q (15)
(15)式包含了引进的胶子场A μ与夸克的作用。规范势Aμ′的变换是
A μ′=uA μu-1 +u∂μu-1
对于一个盖尔曼矩阵λα就引进一个规范场Aα μ,八个盖尔曼矩阵就引进八个规范场。它们的线性组合构成A μ。定域规范不变的拉格朗日密度。
Lq+i L q′+i′=q-′(irμDμ′-m)q′ (16)
胶子场的拉格朗日密度
LA=-(1/4)Fα μ ν Fα μ ν
总的拉格朗日密度
L=Lq+LA+Li (17)
将(17)式代入拉格朗日方程,即可得到相应的场方程形式不变。由于协变微分中引进附加场与夸克的作用,因此,通常认为(17)式对应的场的运动方程是包含有夸克与强相互作用的运动方程。
可见,强相互作用与电磁作用有完全类似的物理背景。我们引入协变微分及相应的规范场,目的是通过抵消相互作用,形式上使粒子恢复自由运动,使相对性原理成立,物理规律不变。
仔细分析发现,引进的电磁场和胶子场有一个共同特点,即与它们对应的规范粒子静止质量均匀为零。规范粒子对任何惯性系有着相同的运动速度,建在规范粒子之上的坐标系亦是惯性系。粒子的质量为零,速度不变,时空均匀、各向同性三者,实际上是等价的。由于建在规范粒子之上的坐标系是惯性系,时空均匀而且各向同性,故规范场的引入不破坏所研究的物理系统(实则为量子伴生空间)的时空均匀、各向同性特性。相对性原理在综合系统中成立。
总之,微观量子客体不是“质点”[9] [10],物质波是物质的波动存在形态,波函数的相位包含有速度信息,有特定的更多物理含义,在波函数整体规范变换与局域规范变换中,如果忘记它的特定物理含义,很可能会在抽象的数学演算及游戏中迷失方向。这也很可能是标准模型当前遇到困难的根本原因。
本文的讨论将可能对量子色动力学及弱电统一理论中,认识真空对称性破缺的物理意义和哲学意义,有重要启示作用。那里规范粒子的静质量有不等于零的情形,希格斯粒子的引进是为了消除空间奇变引进的假想粒子,希格斯粒子也许并不存在。
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