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权威文献摘录:量子论的二次革命

已有 2896 次阅读 2011-5-15 01:06 |个人分类:观点和方法|系统分类:科研笔记| 量子论, 普朗克, 二次革命

     以下资料摘录自Odd Genius翻译的世界著名科学刊物Science(2000年8月11日)纪念普朗克提出量子概念100周年的一篇评论文(D. Kleppner & R. Jackiw)的第二部分,应该是量子力学正统和权威的说法,供有兴趣学习、了解、研究和讨论量子力学的人员参考。

二次革命

 

20年代中期创立量子力学的狂热年代里,也在进行着另一场革命,量子物理的另一个分支——量子场论的基础正在建立。不像量子力学的创立那样如暴风疾雨般一挥而就,量子场论的创立经历了一段曲折的历史,一直延续到今天。尽管量子场论是困难的,但它的预测精度是所有物理学科中最为精确的,同时,它也为一些重要的理论领域的探索提供了范例。

激发提出量子场论的问题是电子从激发态跃迁到基态时原子怎样辐射光。1916年,爱因斯坦研究了这一过程,并称其为自发辐射,但他无法计算自发辐射系数。解决这个问题需要发展电磁场(即光)的相对论量子理论。量子力学是解释物质的理论,而量子场论正如其名,是研究场的理论,不仅是电磁场,还有后来发现的其它场。

1925年,玻恩,海森堡和约当发表了光的量子场论的初步想法,但关键的一步是年轻且本不知名的物理学家狄拉克于1926年独自提出的场论。狄拉克的理论有很多缺陷:难以克服的计算复杂性,预测出无限大量,并且显然和对应原理矛盾。

40年代晚期,量子场论出现了新的进展,理查德·费曼(Richard Feynman),朱利安·施温格(Julian Schwinger)和朝永振一郎(Sinitiro Tomonaga)提出了量子电动力学(缩写为QED)。他们通过重整化的办法回避无穷大量,其本质是通过减掉一个无穷大量来得到有限的结果。由于方程复杂,无法找到精确解,所以通常用级数来得到近似解,不过级数项越来越难算。虽然级数项依次减小,但是总结果在某项后开始增大,以至于近似过程失败。尽管存在这一危险,QED仍被列入物理学史上最成功的理论之一,用它预测电子和磁场的作用强度与实验可靠值仅差2/1,000,000,000,000

尽管QED取得了超凡的成功,它仍然充满谜团。对于虚空空间(真空),理论似乎提供了荒谬的看法,它表明真空不空,它到处充斥着小的电磁涨落。这些小的涨落是解释自发辐射的关键,并且,它们使原子能量和诸如电子等粒子的性质产生可测量的变化。虽然QED是古怪的,但其有效性是为许多已有的最精确的实验所证实的。

对于我们周围的低能世界,量子力学已足够精确,但对于高能世界,相对论效应作用显著,需要更全面的处理办法,量子场论的创立调和了量子力学和狭义相对论的矛盾。

量子场论的杰出作用体现在它解释了与物质本质相关的一些最深刻的问题。它解释了为什么存在玻色子和费米子这两类基本粒子,它们的性质与内稟自旋有何关系;它能描述粒子(包括光子,电子,正电子即反电子)是怎样产生和湮灭的;它解释了量子力学中神秘的全同性,全同粒子是绝对相同的是因为它们来自于相同的基本场;它不仅解释了电子,还解释了μ子,τ子及其反粒子等轻子。

QED是一个关于轻子的理论,它不能描述被称为强子的复杂粒子,它们包括质子、中子和大量的介子。对于强子,提出了一个比QED更一般的理论,称为量子色动力学(QCD)。QEDQCD之间存在很多类似:电子是原子的组成要素,夸克是强子的组成要素;在QED中,光子是传递带电粒子之间作用的媒介,在QCD中,胶子是传递夸克之间作用的媒介。尽管QEDQCD之间存在很多对应点,它们仍有重大的区别。与轻子和光子不同,夸克和胶子永远被幽禁在强子内部,它们不能被解放出来孤立存在。  QEDQCD构成了大统一的标准模型的基石。标准模型成功地解释了现今所有的粒子实验,然而许多物理学家认为它是不完备的,因为粒子的质量,电荷以及其它属性的数据还要来自实验;一个理想的理论应该能给出这一切。

今天,寻求对物质终极本性的理解成为重大科研的焦点,使人不自觉地想起创造量子力学那段狂热的奇迹般的日子,其成果的影响将更加深远。现在必须努力寻求引力的量子描述,半个世纪的努力表明,QED的杰作——电磁场的量子化程序对于引力场失效。问题是严重的,因为如果广义相对论和量子力学都成立的话,它们对于同一事件必须提供本质上相容的描述。在我们周围世界中不会有任何矛盾,因为引力相对于电力来说是如此之弱以至于其量子效应可以忽略,经典描述足够完美;但对于黑洞这样引力非常强的体系,我们没有可靠的办法预测其量子行为。

一个世纪以前,我们所理解的物理世界是经验性的;20世纪,量子力学给我们提供了一个物质和场的理论,它改变了我们的世界;展望21世纪,量子力学将继续为所有的科学提供基本的观念和重要的工具。我们作这样自信的预测是因为量子力学为我们周围的世界提供了精确的完整的理论;然而,今日物理学与1900年的物理学有很大的共同点:它仍旧保留了基本的经验性,我们不能彻底预测组成物质的基本要素的属性,仍然需要测量它们。

或许,超弦理论是唯一被认为可以解释这一谜团的理论,它是量子场论的推广,通过有长度的物体取代诸如电子的点状物体来消除所有的无穷大量。无论结果何如,从科学的黎明时期就开始的对自然的终极理解之梦将继续成为新知识的推动力。从现在开始的一个世纪,不断地追寻这个梦,其结果将使我们所有的想象成为现实。

 

 

(注:以上资料无商业目的,只供学习,如有版权问题,请告知我会立即删除)



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