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暗物质与宇宙98-经典场论与量子场论的差异

已有 91 次阅读 2024-7-26 21:09 |个人分类:暗物质与宇宙模型-第二版|系统分类:科研笔记

暗物质粒子由正反粒子构成,暗物质与正反粒子可以相互转化,这是解开现代物理与现代天文的唯一正确路径。

经典场论与量子场论的差异

经典场论是研究宏观物质和场的作用规律的理论框架。它将物质和场看作连续可变的物理量,通过泛函和变分原理来描述它们的运动方程。经典场论包括了电磁场论、引力场论、流体力学等多个分支。其中,电磁场论是最为经典的例子,它描述了电磁场的传播和相互作用规律。经典场论的基本方程是场的运动方程,如麦克斯韦方程组描述了电磁场的演化,欧拉-拉格朗日方程描述了流体的运动等。经典场论是建立在经典时空观上的场理论,场的性质、作用和运动都遵循经典规律和绝对时空观。

经典场是典型的现象描述。但不得不佩服经典场的先驱,尤其是电磁场的麦克斯韦方程组的建立。他们只知道场物质的存在,但对场物质的构成与结构都一无所知。根本不了解场的本质,通过为数不多的实测数据,竟然能较为精准地建立并统一了电磁场。

经典场论与量子场论最大的区别就是连续性与离散性。经典场论是对场的表现形式进行了全面系统的总结。场的形成与传播在时间上和空间上都表现出连续性。也就是说,经典场论是场的现象描述。观察到的场无处不在,是连续的。

然而,当前的量子场论是通过对经典场进行量子化得到的。在根本没有找到场物质的前提下对空间进行各种扭曲,然后再对扭曲的空间进行切割。没有找到场的本源的量子场论仍然停留在现象描述的层级上。只有真正了解场态粒子,才能对场进行追本溯源。

目前,量子场论仍存在一个很严重的问题——它甚至还不是一个数学上自洽的理论。这是因为有相互作用的量子场论是通过微扰级数展开来描述的。尴尬的是,这一级数展开根本就不收敛。在标准模型中,如果只取级数展开的前几项,标准模型会给出与实验非常接近的结果;但展开项越多,标准模型的结果就与实验差距越大,甚至会趋近于无穷大。

量子场论最大的问题是没有找到真正的场物质。在量子场论中,场的激发态被解释为粒子和反粒子。对于每种类型的场,都需要定义产生算符和湮灭算符来描述粒子和反粒子的产生和湮灭过程。粒子凭空产生与粒子湮灭消失,这种思想就已经抹杀了场物质的存在,所以这样定义的量子场论并不自洽。

经典场论一直研究场物质。哪怕无法真正找到场物质,量子场论也应该把场物质进行量子化,而不是把真空进行量子化。场态粒子是离散的,空间是连续的。用连续的空间取代离散的场态粒子必然出现无穷大的结果。

理论物理、数学物理的先驱一直想给量子场论一个更坚固的基础,找到一个非微扰的数学定义。然而,物理学家和数学家不能使用无穷大进行计算。当理论产生无穷时,它就会对其物理相关性产生质疑,因为无穷大仅仅作为一个概念存在,而不是任何实验可以测量的东西。这也使得理论难以用数学方法来处理。采用变通的应对之措,可以用近似的方法来回避这个问题,只有将空间进行各种切断,计算结果才和实验较好吻合。

量子场论以空间为研究对象,空间是连续的,进行离散化处理的好处就是能够将隐藏于空间的场态粒子的粒子特性等都直接赋予空间,空间离散化后,并且被赋予了场态粒子的一切特性。虽然没有真正地发现场态粒子,但这样的量子场论已经无限地接近了发现场的本质。

总之,经典场论描述了场无处不在的连续传递表现形式,量子场论描述了离散场态粒子规律对称性破缺而产生场的机理,以及通过相互诱导振荡交换光子而无处不在的连续传递机制。经典场论能够对场的现象进行较为精准描述,只知道极少观测数据的条件下,麦克斯韦能够较为精准地描述经典场,这是物理学最难突破的理论。笔者认为麦克斯韦是有史以来最聪明、最伟大的物理学家。量子场论虽然没有真正发现场态粒子,但在经典场论的基础上,通过对空间的离散化处理,歪打正着地将场态粒子的各种特性都巧妙地赋予了真空,并认为不同对称性破缺是不同的粒子,这样使量子场论成为能够较为精准计算的现代物理科学。但这种本末倒置却能带来如此巨大的成果,更突显了麦克斯韦的伟大。目前,量子场论仍然没有找到场的本源,还是建立在现象描述的基础上。在经典场论的基础上进行离散化处理,仅仅是数学手段。直至今日,量子场论不知道粒子性的粒子相互作用机理,也不知道波动性的传递机制。通过将经典场理想化处理得到的量子场论只能算是改良版的现象场论,只是提高了经典场论的精度。量子场论必须完整描述场产生机理与传递机制,且结果与场的现象一致。场态粒子是离散的,场态粒子规律对称性破缺的诱导作用在时间上和空间上都是连续的。量子场论需要明确其研究的对象量子就是场态粒子,并不是所谓的真空,否则永远都是现象描述。量子场论描述场的本质,阐明场态粒子规律对称性破缺形成场的作用机理以及粒子对称性破缺相互诱导产生电磁波的传递机制。对称性破缺产生的电磁力表现出粒子性,具有典型离散的量子特征;对称性破缺产生的电磁波表现出波动性,在时间上和空间上具有典型的连续性。量子场以离散的粒子为研究对象,是场的本源描述;经典场论以连续的电磁波为研究对象,是场的现象描述。

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