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让人困惑的量子场论

已有 780 次阅读 2024-10-22 14:26 |个人分类:我思故我在|系统分类:观点评述

    在大学的最后一学期,我已经知道考上了辽师的研究生,所以我花了点时间把大学的物理课程又看了一遍,主要的还是买了曾谨言先生的量子力学上册,仔细的看了一遍。有很多细节现在应该都已经忘了,但是当时一个很重要的事情,就是我自己把量子力学推广到了相对论的情况,这使得我对于负能量的解印象深刻。后来读研究生的时候,不管是高量还是量子场论,都使得我对于这个问题更加关注。

    过去二十年,虽然我已经远离粒子物理和量子场论,但是这个问题时不时就又绕了回来,总是会让我又想一想。偶尔会有一些奇特的想法,但是都不是太对。

    这里的关键,是我一直都在看科普,偶尔也会看点量子场论的书,但是无法深入细节,所以也总是会回来。后来看到霍金辐射以后,让我开始有点明白究竟发生了什么。

    量子场论定义了理论物理,这个理论可以说是有史以来最成功的理论。量子电动力学、电弱理论和量子色动力学都在以一个极高的精度,展示了这个理论的有效性。特别是到了今天,实验上几乎没有发现超越标准模型的结果,这让人极其震惊。如果μ子磁矩的解释真的和量子色动力学有关,特别是最近发现的X17粒子相关,那么这个理论看不到任何瑕疵了。

    但是量子场论从诞生那天开始,就不遭人喜欢,这是一个非常奇特的事情。这个事情就和核物理非常不像,今天已经看到核物理的理论实际上和实验偏差很大,但是研究者依然喜欢。这里边的关键就是,量子场论到处都是无穷大。

    当把量子力学推广到相对论的情况,那么就一定会出现负能量的解,这是不可以的。狄拉克给出了一个奇妙的解释,就是整个宇宙都被负能量的粒子占据了。这个解释我们不是太相信,但是现在看来,似乎的确有什么原则性的抑制了负能量解的出现。所以相对论量子力学虽然能够成功的推导出非相对论下的效应,但是被无情地抛弃了。包括整个负能量的解。

    它变成了反粒子,而重要的是,实验上的确发现了反粒子。

    在惠勒和费曼的理解中,整个反粒子是逆着时间运动的粒子。

    不管如何,量子场论的确是自洽的理论,就是算出来的结果,大部分都是无穷大。然后根据重整化的技术,奇迹出现了,出现了有限的结果,而且和实验非常符合。

    这个结果,让狄拉克非常不满,即使创造这个理论的费曼,最后可能也不满意。

    但是,做粒子物理研究的都很满意,因为能算了。

    首先是微扰论,这个看起来没问题。然后是重整化,当然不是所有的相互作用都能重整化,但是主要的似乎都可以算了。这就看起来很好。

    引力就不能重整化,所以使得一些人找别的出路。

    过去的几十年,都在寻找出路,但是这个量子场论,虽然让人困惑,但是看起来没有破绽。因为它计算出来的结果很完美。

     这给了新理论非常小的空间,也使得粒子物理研究者非常困惑。

     很难理解,出现了无穷大,又消灭了无穷大,问题究竟在哪里。

     不能说量子场论错了,因为它是最好的理论,但是的确让人不满意,因为这么做,不自然。

     量子场论天生是不自然的,但是研究者接受了这个事情。但是在希格斯粒子上,不自然再一次发生,这使得研究者相信,应该存在更好的理论,比如超弦,但是这个推广在今天看来,更像是一个数学技巧的发展,而不是现实的理解。

     无穷大是量子场论的核心,消去它需要大量的技巧。

     而宇宙加速膨胀这个事情,加剧了理论和实验结果之间的冲突。量子场论预言的真空能量是实验结果的几乎10的120次幂,没有比这更胡扯的。

     这就是量子场论带来的困境,一方面的确有问题,一方面看不到问题。因为解释这些实验的结果,量子场论几乎是唯一的,无法改变。但是事实上,的确有问题。这种两相性是让人惊奇的。

     没有人清楚究竟意味着什么。

    



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