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量子场论中的无穷大 (8) 霍金

已有 990 次阅读 2024-10-26 11:09 |个人分类:我思故我在|系统分类:观点评述

    如果量子场论中的无穷大是真实存在的,那么在希格斯粒子质量的附近就应该有新物理的迹象,否则希格斯机制很难在太高的能量区域支撑重整化的过程。所以如果有一个500TeV的高能加速器,基本上就可以帮助我们彻底断定这个结果,当然也可以帮助我们确定这个希格斯粒子究竟是个什么东西。

    我们的世界是拼凑在一起的,这是一个让人难过的结果。首先是所有的粒子都是没有质量的,在三维的空间中到处以光速乱飞。然后进来了这个希格斯场,光速粒子和希格斯场的作用,就产生了质量。质量不是内禀的属性,而是产生的。这真是让人吃惊。这可能是物理学中最让人感觉不可思议的结果,所以我把希格斯列为有史以来最伟大的二十位科学家之一(提出希格斯机制的人很多,但是提出希格斯粒子的就是他自己)。

    如果真的有新物理,那么量子场论中的无穷大没什么意义。如果就只剩下标准模型了,这就重新有意义了。因为我们需要把广义相对论量子化,如果只能在标准模型下来操作,似乎没有任何可能性。这是让人无法理解的。

    要么广义相对论真是一个有效理论,要么就是这个无穷大是一个障眼法。我的态度是,我得支持爱因斯坦,因为这是一个原理性的理论。

    狭义相对论和量子力学的联姻,似乎出现了什么隐藏的东西,因为电子自旋感受到的方向比我们的世界大了一倍。但是究竟如何,我们自然不清楚,但是这似乎意味着的确有新的可能性。

    有一种可能性,是被霍金带来的。贝肯斯坦和霍金开启了物理学的第三个时代,但是至今没有什么真正的进展。在他们的关于黑洞视界的研究中,带来难以想象的事情,也让我们对于普朗克尺度的物理看到了第一眼。由于万有引力一直无法量子化,所以这么多年来过去了,虽然文章发了一大堆,但是没有真正有意义的进步。

    在基础物理研究中,大部分文章都没有意义,甚至是不正确。

    在贝肯斯坦的研究中,黑洞是有熵的,这似乎不是很奇怪的事情,奇怪的事情是黑洞的熵在黑洞的视界上。这是第一个全息的结果。在霍金的研究中,黑洞的视界是发光的,称为霍金辐射。这两个事情结合在一起,究竟意味着什么,我们并不清楚。

    在霍金辐射中,发生了难以想象的事情,就是这个隐晦难测的虚粒子现形了,正是它变成了实粒子脱离了黑洞。

    这个事情正好发生在五十年前。此后,理论物理没有取得真正的进步。

    发生了什么呢?这里把卡罗尔在《从永恒到此刻》中的描述扒下来。“量子场论意味着除了我们的老交情真实粒子之外,还有虚粒子存在。我们可以把量子场中这些小小的不稳定看成是粒子在倏忽隐现,每次一个粒子一个反粒子,隐现得太快,所以我们观测不到。我们永远无法直接探测到这虚粒子。只要我们看到一个粒子,就会知道这是真实粒子,而不是虚粒子。但虚粒子可以和真实粒子相互作用,稍微改变真实粒子的性质,这样的影响已经观测到很多,其中大量细节也已经得到研究。虚粒子确实存在。”

    “黑洞的引力场能将虚粒子转变为真实粒子。一般来说,虚粒子都是成对出现的,有一个粒子就有一个反粒子。两个粒子同时出现,存在时间极短,随后又湮灭了,没有人能看见。但是因为有事件视界存在,黑洞改变了局面。当虚粒子反粒子对在非常靠近视界的地方闪现时,其中一个可能会坠入黑洞,显然也就别无选择,只能义无反顾地奔向奇点。这个时候,另一个粒子就可以逃出生天了。事件视界帮助拆散了虚粒子对,吞噬了其中一个粒子,逃出来的那个粒子就是霍金辐射的一部分。”

    “这时候,虚粒子有个关键特征开始大显神威:虚粒子的能量可以是任意值虚粒子/反粒子对的总能量肯定刚好是零,因为这对粒子必须能在真空中出现,又归于真空。这样一来,如果逃离黑洞的真实能量为为正,而起初虚粒子对的总能量又是零,那就意味着掉进黑洞的那个粒子能量必须为负。当这个粒子掉进黑洞时,黑洞的总质量就下降了。”

     关于霍金辐射的描述,很多科普书中都有,但是说的都非常晦涩难明,像卡罗尔在这个本书中说的如此清楚,又和量子场论中的结果完全冲突的,非常少见。卡罗尔在他的科普中所描述的世界,和别人其实是不一样的。

     如果要理解霍金辐射,那么就一定会出现负能量的粒子,这是把负能量的粒子理解为反粒子以后,再一次出现了负能量的粒子这个概念。

     大家可能奇怪,负能量的粒子和反粒子究竟有什么区别。这可能是最核心的问题了,你可以说它们没有区别,也可以说它们完全不一样。反粒子的背后,是负能量的粒子,负能量粒子的现实,就是反粒子。也可能真实出现的是负能量的粒子,而我们探测到的是反粒子。

     所以我说的东西就在这里,我们可能没有完全理解负能量粒子和反粒子之间的关系,他们似乎完全一样,又似乎是两个东西。理解这个,也许就是理解量子场论中无穷大的关键。如果你能明白这里边的禅机,你就解决了量子场论中的无穷大的问题。

    (关于量子场论中的无穷大就说到这,我不知道看文章的有没有理解我的意思,但是这真是太难了,因为把这说清楚几乎是不可能的,特别是负能量粒子和反粒子,我也没有搞清楚,我只是感觉到,新的实验结果支持标准模型,所以量子场论中的无穷大可能是一个假象,但是怎么清除,这需要反复的尝试,当然可能依然没有意义。)

    (我写这几篇文章,也主要帮助我自己理顺一下思路,确定一下问题究竟出在哪里。在后边有时间的时候,我可能会进一步细化这些文章,进一步确定是不是真的有问题,问题究竟出现在哪里,这还需要长时间的思考。)



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