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基本粒子是什么?(全局诠释之七)

已有 3187 次阅读 2020-9-1 07:27 |个人分类:量子力学|系统分类:论文交流| 标准模型, 量子力学

在《物理世界的真实图像》一节中,我们讨论了真实的物理世界是什么样的。基本结论是:物理世界的相互作用是复杂的,多体的,非线性的。对于单个粒子,甚至真空,都是一样。

在经典图像中,我们定义的粒子一般是一个点,或者为了避免出现无穷大,我们把粒子设想成一个小球(实在没有理由设想成其它几何形状),比如,像一颗玻璃球,一粒沙,或者更小的颗粒。显然这个图像是不合理的,因为如果是小球,那么小球的材料是什么呢?不同粒子的材料相同吗?材料的物理性质是什么?这些问题都无法回答。

如果是点粒子,可以规避材料的问题,但是却又出现了无穷大的问题,无论带电荷还是不带电荷,因为还要有自旋,以及质量。

所以经典粒子图像是不成立的。

那么基本粒子应该是什么样的,或者说,什么东西呢?

我们再回到第四节的标准模型拉氏量。该拉氏量已经包括了除引力之外的所有相互作用,当然也必须包括除引力子之外的所有基本粒子。拉氏量是存在于,或者说,作用于任何一个时空点的。也就是说,在时空任何一点,都同时具有所有的相互作用。也可以说,所有粒子都存在。那什么条件决定了某个点,或者某个小区域究竟出现什么粒子呢?取决于该区域有多少能量,以及其它的一些基本属性,如能量分配在哪些自由度上,满足什么对称性,等等。但是,原则上,每个点,或者这个点附近的区域,都存在所有的基本相互作用,或者所有种类的基本粒子,只要条件合适。

某点或者区域具体出现了,或者维持为哪个粒子,取决于能量及其它物理属性对该时空点的扰动模式,有些扰动模式不稳定,会扩散掉,或者变成别的较稳定的模式,就是衰变。有些扰动模式稳定,比如电子,中微子,等。有些复合模式是稳定的,比如质子,中子,而其中的组分(夸克)是无法分离的。如果一定要输入足够的能量,将它们撕开,只能得到更多的,可以单独存在的粒子。

我们世界的每一个时空点都有复杂的交织和作用,某些交织模式是稳定的,表现为稳定的粒子,某些是不稳定的,表现为容易衰变的粒子。这些粒子在空间的平移,可以理解为该模式在一处消失,紧接着在附近一处出现,就像绳子上一个稳定波峰的传播。而这些交织或者对空间的扰动来源是能量。能量密度越高,能激发的自由度越多,可能出现的稳定或不稳定交织模式就越多,也就是粒子的种类越多。

所以,基本粒子,就是一定密度能量对空间的稳定,或者比较稳定的扰动模式。一般有一定的空间范围,或者说,主要扰动范围。

基本粒子,虽然表现为某一特定粒子,但仍然包含了拉氏量中定义的所有相互作用,只是有些相互作用贡献大,有些贡献小,因为各种相互作用有显著贡献的能量区间不一样。对于低能状态的电子和光子,一般我们只需要计算电磁力的贡献就行了(量子电动力学,QED)。

即使如此,从量子场论的角度来说,每个电子仍然是一个极端复杂的存在,因为它会影响它附近的每一个时空点,激发出无穷多的“虚光子”。只有把这些虚光子都考虑进去,量子电动力学才能正确计算出电子的性质。也就是说,这些“虚光子”是有实在贡献的,无法从电子中剥离出来,实际上是电子的一部分。从这个角度来说,这些虚光子是实在的。

从经典的角度来说,就像我们在第四节中举的例子那样,每个电子都是无穷大的,因为它的影响范围是无穷大的。实际上,所有参与电磁相互作用的粒子都有这个属性。

从经典角度来说,不可能把场从粒子上面剥离出去,场是它的一部分,就自然要包含其它物质对场的反应,以及其它物质场对它的影响,因为其它物质的场对它的影响也无法剥离。

我们再看看基本粒子的性质,或者叫“内禀属性”。每个基本粒子都应该有个质量,就是扰动产生它需要的能量,一般我们只考虑它的静质量。还有两个基本性质是自旋、和电荷。电荷就是静电荷,有1/3,2/3,1这样的分立值(绝对值),都是该粒子,或者说时空扰动的性质。对于特定的粒子,静质量和电荷是不变的,比较好理解。

但是自旋有点不一样,虽然我们说粒子的总自旋也是不变的,但在测量中,却会出现不同的值。以电子为例,测量它的自旋,有时候是1/2,有时候是-1/2,如果没有测量过,就不可预测。光子就更奇怪。光子可以偏振,自旋是从-1到1之间的任意值。实际上,光子还要更奇怪,我们以后会有专门一节讨论。

至少从经典的角度,一般我们还认为,粒子独占相当于它大小的空间。而不可剥离的“影响”的部分,别的粒子可以占有。

没有静质量的基本粒子只有光子。光子的物理图像并没有共识。有很多人认为,光子跟别的基本粒子一样,有局域的位置和大小。因为我们要另外专门讨论光子,这里只给出我们对光子的看法:至少对于低能光子(能量低于X射线,百电子伏特量级以下),跟声子的概念一样,可以理解为准粒子,仍然是时空一定范围内的低能激发,或者说,就是波,即电磁波。随着频率的提高,能量集中,能量密度增加,时空能标更高的自由度就会激发,比如正负电子对,更高自由度的复杂激发模式,使得光子更像一个局域的基本粒子。

总结如下:

  • 基本粒子不是点粒子,每个粒子不可剥离的影响范围很大。如果不人为截断,每个粒子的影响范围都是无穷大。

  • 不存在经典图像的基本粒子,所有粒子都是复杂群体效应,是时空纠缠结构,表现不一样是因为驱动的能量不同。每个粒子原则上无穷复杂,是多体的,非线性的。只是低能情况下,高能自由度的参与可以忽略。

  • 基本粒子表中的粒子,可能是组分单一(特定自由度)的激发,可能是本征态,不一定能独立存在。自然界稳定或者比较稳定的粒子,可能是基本粒子,如电子,或者稳定的组合激发模式,如质子(复合粒子)。

  • 对于有静质量的粒子,其质量主体空间范围很小,可以用测不准关系估算。其大小就是我们通常说的粒子大小,可以测量。这种粒子大小及位置是局域的。

  • 低能光子是电磁波,是大范围低能激发。高能光子更像粒子。

我们可以发现,把所有的基本粒子列出来,没有一个东西叫量子。虽然爱因斯坦曾把光子叫光量子,但光子概念的争议最大。那么,什么是量子呢?

(修改中)




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