量子场的粒子的诞生与湮灭

量子场论的使用存在着几个理论依据。第一，量子场论是经典场论的自然推广，经典场论是人类关于自然的最为出色的理论。第二，量子场论能够解释（人类已观察到，并且经过系统研究的）粒子的诞生与湮灭，而这些过程在量子力学中并不存在。第三，量子场论从本质上来说具有相对性，并且能够“神奇地”（并非真正解决，只是在简洁的数学层面）解决相对论量子粒子理论中也存在的因果问题。

量子场论中最为简单实用的是量子电磁学。量子电磁学中存在两个场：电磁场和“电子场”。它们不断地相互作用，转化能量和动量，激发由此得以创造或毁灭。举例说来，我们直觉认为，量子电动力学中电子吸收光子的过程是电磁场与电子场之间的一种特定的相互作用。而在这个过程中，电磁场会失去一激发量子，而电子场会获得能量、动量以及角动量。

正反粒子结合体是湮灭还是隐身

此前，正电子与负电子碰撞后被认为是产生了两个“光子”就“湮灭”了，并不是真正湮灭了，而是目前的观测技术无法有效观测到一个正电子与一个负电子的结合体。

实际上，正反粒子对产生与湮灭，本质上就是对称性破缺与对称性恢复的不断循环过程。电子偶素仅仅是正负电子对与电子偶极子转化的过程，且仅仅是一个过程。在量子场论中的正反粒子偶极子是场的基态，而采用不同方法电离分解出的正反粒子对是场的激发态。而观测到的只是正反粒子对结合，并将电势能转变为电磁能释放的过程，并没有发现正反粒子偶极子的最终产生，由于正反粒子偶极子是对称的，只能传递电磁波，不能反射电磁波，因此无法被电磁波所直接探测到，是暂时不可见的暗物质。因此，电子偶素记录的仅仅是一个及其短暂的过程，最终产物是暂时还不可见的正反粒子偶极子。

另外，可以通过能量与物质的辩证关系论证。首先，物质的最重要特征是物质性，即物质不能创生，也不能消失，质量和能量的相互转化缺乏确凿的实测证据。其次，物质是能量的本体，没有物质能量无所依。能量是物质的属性，任何能量都不能脱离物质而单独存在，不存在无物质的能量。目前没有任何证据表明能量能脱离物质而单独存在。还有，物质是能量的受体，没有物质能量无所传。物质和能量不能相互转化，同时，二者是不可分割的共同体。但能量可以转化与传递。最后，没有物质的相互作用，能量无法传递。

电子对能够结合生成电子偶极子；电子偶极子也能够电离分解成电子对。电子偶素只是电子对生成电子偶极子的中间过程。由于现今条件下，只能观测到这个结合过程，还无法“看到”最终的结合产物，因此很多人误认为这个过程是最终不稳定的产物，而忽略了隐藏在背后的最终产物。

总之，一个暗物质粒子中包含一对正反粒子，即暗物质粒子是正反粒子偶极子，而暗物质的主要成分是电子偶极子，其他正反粒子偶极子的性质与电子偶极子基本相同，因此建立暗物质电子偶极子模型。

暗物质已知特性：

①具有质量；

②连接星系的“谱带” ；

③具有万有引力特征；

④具有粒子性；

⑤可被极化；

⑥具有传递能量的粒子效应；

⑦“湮灭”产生等量的电子和正电子。

⑧分布规律与引力场相同。

暗物质构成证据：

根据上述4个大方面的权威文献：

1、暗物质电离出电子对；

支持观测依据代表团队：①大质量弱相互作用粒子(Weakly interacting massive particles，简称WIMPs)团队；②高级薄电离量能器(Advanced Thin Ionization Calorimeter，简称ATIC)团队；③丁肇中团队；④中国悟空团队。

2、真空不空，充满着暗物质；

支持观测依据：2017发现真空摩擦。

3、“真空”中可以采用各种方法电离出电子对；

观测证据：1951年，施温格成功地描述了在静态均匀电场中的正负电子对的产生过程之后，已经有百余种方法“真空”电离出正负电子。

4、正负电子对产生和湮灭是互逆过程，暗物质和可见物质相互转化。

因此，暗物质内包含电子对。

5、正反粒子对结合为不可见物质，“真空”种可以分离处正负离子对。这是量子场论的物质基础。

量子场论的物质基础

在过去，大部分人认为正反粒子相遇便化为乌有，或凭空产生正反粒子对，这是由于他们不了解暗物质的本质。实际上，粒子是相互转化的，仅仅是一种物质转化为另外一种物质而已，物质并没有产生或消灭。

“场”这个名词是物理学家认识物质的历史产物，过去一直认为电荷间相互作用是由电磁场产生。光子是一种虚拟粒子，是粒子间相互作用的媒介粒子，是粒子间某种状态的相互作用，同时通过相互作用交换能量。量子电动力学就是采用这一思想建立起来的。量子点动力学采用光子交换来解释电荷间的相互作用，这就将显态粒子、场态粒子、虚拟粒子和场的概念统一起来。

然而，关于重力场的产生原因，至今没有得到本质解释。也有人提出重力场是由于物质间交换重力子所致，而重力子是否存在，尚无法肯定。

粒子间交换的光子实际上是通过粒子间的相互作用而交换的能量，而重力子本质上也是粒子间相互作用而交换的能量，只是由于场态粒子空间分布密度的梯度，致使场态粒子的空间对称性破缺，由于密度对称性破缺致使相互作用即交换能量产生差异，进而产生了差值。在这种意义上，重力子也是一种虚拟粒子，且是一种作用状态或能量交换的差值。

总之，场是粒子的表现形式，即场是粒子产生的，场的本身是粒子间伴随能量(光子)交换的作用传递。严格地说，尝试不同类型粒子的对称性破缺而产生的伴随能量(光子)交换的作用传递。由此可见，场论就是研究粒子的理论，场论的具体研究内容包括：

①研究粒子（包括场态粒子和显态粒子）的性质；

②研究粒子运动规律；

③研究粒子（包括场态粒子和显态粒子）间伴随能量（虚拟粒子或称光子）交换的相互作用；

④研究粒子（包括场态粒子和显态粒子）间相互转化的概率。

实际上，量子电动力学就是研究场态粒子、显态粒子通过交换虚拟粒子相互作用和相互转化的学问，是场论的重要内容。量子点动力学获得辉煌成就，它能够定量说明场态粒子、显态粒子和虚拟粒子的许多现象，特别是用量子点动力学的理论计算出来的电子附加磁矩和氢光谱能级，得到了实验的精确验证。但早期的量子电动力学还存在严重的缺点，就是用量子电动力学的理论计算出的电子自能，电子本身的质量、电荷等是无限大的，只能采用重整化消除这种无限大。而重整化的假设并没有包含在量子点动力学的原始理论和原始方程式中，因此破坏了逻辑的完整性。

量子场论为描述多粒子系统，尤其是包含粒子产生和湮灭过程的系统，提供了有效的描述框架。粒子产生和湮灭过程本质上就是场态粒子和显态粒子的相互转化过程。

实际上，量子场论是经典场论的自然推广，它能够解释所谓的粒子诞生与湮灭，而这些过程在量子力学中并不存在，而且量子场论能够“神奇地”解决量子力学中的因果问题。量子场论中最为简单实用的是量子电磁学。本质上场态粒子不断被激发而不断是正反粒子创生与湮灭。

在量子场论中，人类认为是粒子的物质其实是量子场自身的激发。实际上，是暗物质粒子，是正反粒子偶极子，是场态粒子，本质上就是场物质。

最被熟悉的电场和磁场，就是场态粒子之间伴随不断能量交换的作用传递。而这种能量传递以电磁波的形式交换传递，而这种以电磁波传递的能量是被熟知的光子，是一种虚拟粒子。

量子场是个复杂的体系。原因一部分在于其涵盖了物理学所有领域：量子场能够描述大量粒子以各种不同方式进行相互作用。另一个原因是量子场论的深奥。

海森伯测不准关系意味着量子场并不是静止的。相反，它会产生泡沫并沸腾，就像是由粒子和反粒子形成的一锅沸腾的汤，不断产生与毁灭。量子场论深奥之处就源于这一过程的复杂性，即便是理解量子场论中的虚无都十分困难。随着向真空中添加粒子，它会以各种有趣方式扭曲。大部分有关量子场论研究的目标在弄明白这种扭曲、弄明白扭曲是如何引起粒子间相互作用的，以及最终，粒子的相互作用又是如何形成各种美丽自然现象。这些理解过程并非易事。尽管距离量子场论的发现已经过去了几十年，想要理解量子场论中所有的精妙之处，前方仍有漫漫长路。

物质既不消灭，也不创生，其量总是守恒的，这就是所谓的物质守恒原理。物理变化中不论物体的形状、状态、位置如何变化，所蕴含的质量不变；物体分裂成几个部分时，各部分质量之和等于原物体质量。在孤立系统中，不论发生何种变化或过程，其总质量保持不变。质量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律之一。它表明质量既不会被创生，也不会被消灭，而只会从一种物质转移到为另一种物质，总量保持不变。

物理变化质量守恒：物理变化中不论物体的形状、状态、位置如何变化，所蕴含的质量不变；物体分裂成几个部分时，各部分质量之和等于原物体质量。即使当物体加减速运动时，动质量也不会变化，动质量恒定等于静止质量。

化学反应质量守恒：化学反应因没有原子变化，质量总是守恒的。化学反应中的质量守恒包括原子守恒、电荷守恒、元素守恒等几个方面。

核反应的质量守恒：由于锁定场态粒子、半锁定场态粒子与自由场态粒子相互转化，锁定场态粒子和半锁定场态粒子位于显态粒子之中，这里存在着场态粒子和显态粒子的相互转化，表面上看，显态粒子的质量发生了变化，但本质上，仅仅是场态粒子和显态粒子的相互转化，质量仍守恒。

量子场论认为粒子可以凭空产生和消失，从此认为物质守恒定律被打破。而实际上，并不是粒子真的凭空产生或消失，而是场态粒子的对称性破缺与恢复的往复变化过程，也就是量子场论中场的基态和激发态的往复变化过程。场态粒子的对称性破缺而形成显态粒子，而对称性恢复又形成了场态粒子。量子场论认为的粒子凭空产生和消失本质上是场态粒子和显态粒子的相互转化，仅仅是粒子存在状态的变化，物质没有创生，也没有消灭。实际上，场态粒子是量子场论的物质基础。

场的本质

没有显态粒子(可见物质)或场态粒子(暗物质)，就不会有场。只有场态粒子时，场态粒子通过相互作用而不断交换能量，这种相互作用而交换的能量为虚拟粒子。若不存在显态粒子，场态粒子处于均匀分布状态，场态粒子会保持良好的对称性，场态粒子的各种相互作用也是相对对称的，因此不会表现为场的特性。但场态粒子与周围的场态粒子不断相互作用交换能量，这种相互交换的能量只能通过微波背景辐射的形式表现出来。

虚拟粒子是场的表现形式，不是真实存在的粒子，仅仅是粒子间某种状态的相互作用，这种作用即包括显态粒子间的相互作用，也包括场态粒子间的相互作用，更包括显态粒子和场态粒子间的相互作用。总之，虚拟粒子是各种粒子间的相互作用，但这种相互作用在量子层级上主要通过交换能量来表现，而宏观上主要表现为场，即表现为显态粒子与显态粒子的“超距”相互作用。所有的场都是通过场态粒子以不同的作用形式传递的，因此，显态粒子的相互作用是不能超距的，只能通过场态粒子以不同场的形式传递。

当显态粒子出现在场态粒子中，由于显态粒子的不均匀分布、电荷的不均匀分布以及运动状态的不均匀，场态粒子存在的对称性破缺，进而产生不同势能，并形成各种场，即各种场是场态粒子的不同势能。

当场态粒子中出现显态粒子时，显态粒子一旦出现电荷对称性破缺，就会引起场态粒子规律性地电荷对称性破缺，场态粒子出现规律极化，进而产生电势能，并形成电场。场态粒子由于显态粒子的电荷运动状态出现对称性破缺，场态粒子内部电荷轨道偏转，进而产生磁势能，并形成磁场。场态粒子或显态粒子的势能变化一定伴随着粒子的相互作用，即虚拟粒子参与粒子间的相互作用，进一步地，如果没有虚拟粒子（相互作用或能量交换），粒子的运动状态或能量状态不会改变，场的状态也不会发生改变。由于电荷对称性破缺而进行的能量交换以电磁波的形式传递，光子就成为了相互作用而传递能量的虚拟粒子。

显态粒子质量对称性破缺，就会引起场态粒子规律性质量对称性破缺，进而产生场态粒子整体密度对称性破缺，场态粒子密度变化产生引力势能，并形成引力场。引力场也是通过场态粒子通过相互作用交换能量的电磁波传递，但由于场态粒子的密度分部不均匀，密度梯度引起受力不均匀，即引力场是密度分部不均匀形成的差值，而这个差值与密度梯度相关，因此引力远远小于电场力和磁场力。一般情况下，场态粒子密度梯度较小，场态粒子通过密度规律性变化传递引力波。由于场态粒子密度变化很少突变，且密度变化传递的电磁波差值是体波，能量衰减更快，因此，引力波很难探测到。

显态粒子一旦出现运动状态对称性破缺，就会引起场态粒子规律性运动状态对称性破缺，形成惯性势能。场态粒子粒子惯性势能的规律性变化传递惯性波。

场态粒子和显态粒子的作用都是通过虚拟粒子传递的，虚拟粒子本质上是各种粒子间相互作用交换能量，总体上是以电磁波的形式传递力和能量，即粒子间的相互作用可以采用波的形式进行描述。

粒子与场辩证统一

确认能够以自由状态存在的各种最小物质统称为粒子。电子、中子、质子等是最早认识的一批粒子，陆续发现了大量的粒子的数目达数百种，粒子是物质存在的一种基本形式。

场是物质存在的另一种形式，这主要在于各种正反粒子偶极子是弥散于全空间并形成各种不同的场，它们互相渗透和相互作用着。正反粒子偶极子的不同势能对应不同形式的场，场的激发表现为正反粒子偶极子电离或粒子对显现，不同激发态表现为粒子的数目和状态不同。场的退激发表现为粒子对结合或正反粒子偶极子隐身。场的相互作用可以引起激发态的改变，表现为粒子的各种反应过程，也就是说场是物质存在的另一种基本形式。

而物质处于显现态时主要表现为粒子性，处于隐身态时主要表现为场的特征。因此，物质的粒子和场是辩证统一的。

场态粒子内部的对称粒子时刻运动，偶极矩不断变化，产生各种不同的瞬时偶极。另外，场态粒子之间的瞬时偶极也会相互诱导，粒子间也会产生诱导偶极。场态粒子的各种运动状态的概率相同，因此整体上具有良好的对称性。

当只有场态粒子时，场态粒子电荷、质量、密度、状态等都是均匀的，具有良好的对称性。在没有显态粒子时，场态粒子对称性不会自发破缺。

当场态粒子中出现显态粒子时，显态粒子一旦出现电荷对称性破缺，就会引起场态粒子规律性地电荷对称性破缺，形成电磁场。即电磁场是由于显态粒子电荷对称性破缺引起场态粒子规律性电荷对称性破缺产生的。

显态粒子质量对称性破缺，就会引起场态粒子规律性质量对称性破缺，进而产生场态粒子整体密度对称性破缺，形成引力场。即引力场是由于显态粒子质量对称性破缺引起场态粒子规律性质量对称性破缺产生的。

当显态粒子一旦出现运动状态对称性破缺，就会引起场态粒子规律性运动状态对称性破缺，形成惯性场。即惯性场是由于显态粒子运动状态对称性破缺引起场态粒子运动状态对称性破缺产生的。

只有显态粒子或只有场态粒子都不会形成场，只有显态粒子和场态粒子不断地相互作用才能产生场。场是场态粒子和显态粒子相互作用形成的，粒子和场是辩证统一的。有的时候我们专注于粒子的粒子性，有的时候我们专注于粒子的场的特性，但二者是无法分割的，因此场具有粒子的一切特征，包括质量、动量和能量。

张延年 - 暗物质与宇宙模型.pdf