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量子场论中的无穷大究竟是不是一个问题,在今天这恐怕已经都不是一个问题了。自从量子电动力学的重整化技术取得突破以后,这就已经不是一个问题了,可能只有狄拉克一致在坚持不懈的寻找更好的理论,一直到他去世。费曼虽然也不是很满意,但是也没有看到什么问题。
一个理论先是出现让人费解的无穷大,然后是一顿奇特的数学操作,叫做重整化,然后得到了一个和实验符合的结果,这真的是不可思议的过程。如果这个理论是一个有效的近似理论,那么这也许是必需的,所以不需要担心。如果我们能够发现一个更好的理论,那么一切问题就都不存在了。
无穷大的存在也许意味着我们对于细节的无知。
但是现实的结果却是让人大跌眼镜,在我们能够达到的细节上,也就是在10的-19次方米的尺度上,我们什么新物理都没有发现。(有一些反常的现象,但是现在整体来看,应该是量子色动力学的计算问题,因为有问题不能如此稀少)在2035年,LHC将会进一步升级,我们将会看到更小尺度的物理,但是出现新物理的可能性依然不大。问题是,就是出现了,当下的标准模型也已经看起来非常的不自然了。如果依然没有发现,那么这个问题就会变得极其诡异。
我很希望中国能够建造一个高达500TeV的高能加速器,这样我们会看到更多的细节。如果在这个细节上还是什么都没有发现,那么现在的标准模型就真的是一个奇特之物。
我自己不做粒子物理,我只是对这个无穷大非常好奇。
这个无穷大真的存在么?电子的质量和电荷真的是无穷大的么?真空能真的是无穷大的么?在广义相对论量子化的过程中为什么会有这么多无穷大呢?当希格斯粒子被发现以后,我们知道电子实际上质量为0,这种冲突意味着什么呢?
我们知道真实的世界,一个无穷大都不可能存在。
所以标准模型不但是一个正确的理论,甚至有可能是一个精确的理论,我们必须为这个可能性做好心理准备。也就是说,就是存在新物理,也会发生在一个非常高的能量上,要比当下能够达到的能量至少高五六个量级,因为当下的能量下什么都没看到。
如果LHC升级以后,依然没有发现新物理,这真的是不可思议的情况。因为我们知道在毫米的尺度,就可以称为宏观,而纳米是量子力学的尺度,只是小了6个数量级。实际的差距比这还小。小三四个数量级,就应该会出现新物理才对。
这意味着标准模型是一个彻头彻尾的不自然的理论。
弱相互作用的历史,也许可以给我们一些启发。
泡利提出中微子以后,费米建立了弱相互作用的四费米理论,这个理论算圈图会出现无穷大,而且无法重整化。
后来施温格等人,猜测弱相互作用应该和电磁作用很像,也是通过玻色子来传递作用的,于是提出了W和Z玻色子。这样一来,整个理论看起来更自然一些,但是也会出现无穷大,因为这个玻色子有质量,也不是可以重整化的。
所以,当我们知道更多细节的时候,理论就会更自然。当希格斯机制提出以后,我们知道玻色子的质量,是和希格斯场耦合产生的结果,这样看起来虽然复杂,但是理论就更自然了。但是由于太复杂了,不知道能不能重整化。
随后我们知道了,在特霍夫特的努力下,这个理论被证明的确是可以重整化的,这是一个巨大的进步。
所以,如果出现了问题,应该是里边的细节没有搞清楚。
这样的经验也许对于无穷大也是同样成立的。首先是出现无穷大,然后是重整化,有不能重整化的,原因是不能把无穷大归因于有限个物理量上,这也许意味着一些细节不清楚。而无穷大出现,也可能依然在于细节。
标准模型的不自然性就更加突出,因为它最终给出了正确的结果,甚至是精确的结果,但是它导致希格斯粒子的质量涨落非常大,而且与真空加速膨胀冲突。这就使得这个无穷大,看起来更像是障眼法。
无穷大的问题不是不存在的,是很可能的。
任何一个正常的理论,都不应该从无穷大开始。这里边的关键,正如前边所猜测的,就是这个作用的细节,我们没有搞清楚,我们搞清楚的是最后的测量结果,这是它正确的原因。但是究竟是什么样的细节,这就需要反复的研究了。不过考虑到最后的结果是正确的,甚至是精确的,可能就差一点点。
如果真的就差了一点点,这恐怕是有史以来最不可思议的事情了。
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GMT+8, 2024-12-28 10:18
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