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量子场是什么?他是如何与物质相互作用的?

量子场是经典场的理论概括。我们知道的有两种典型的经典场是麦克斯韦电磁场和爱因斯坦度量引力场。思考量子化过程的一种方法是我们首先在数学运算符号代替了一些数值(这部分为纯代数或微积分,新物理仍未引进)的基础上重新构造(仍然是经典的)场的方程;然后,我们“求解”得到的算子值方程,包括并未在经典理论中出现的解,然后断言(经观察验证)这些新的“无意义的”(凭直觉而不是数学意义)解精准地描述了自然,包括观察到的所有与经典理论矛盾的量子行为。

使用量子场有几种基本原理。第一,这是多种经典场论的自然概括,它们是我们对自然研究出的最成功的(非量子)理论。第二,量子场论可以解释并不存在于量子力学的粒子和过程的(经过观测和研究的)创造与毁灭。第三,量子场论本质上是相对论性的,“神奇地”(不是真的,只是优雅的数学)解决了因果关系的问题,这些问题甚至困扰着相对论性的量子粒子理论。

但是,量子场并不与物质相互作用。量子场就是物质。在量子场论中,我们认为粒子正是量子场本身激发出来的。

最简单的“实用”量子场论是量子电磁学。在量子电磁学中,两种场同时存在:电磁场和“电子场”。 这两种场持续不断地互相作用,能量和动量被转移,激发被创造和毁灭。所以,例如,我们所出于直觉所描述的电子吸收中子的现象,在量子电动力学中就是电磁场和电子场之间具体的相互作用,其中电磁场失去一个激发量子,电子场得到了它的能量、动量和角动量。

Lesson#1:场是最基础的物质。我们在学校学了物质的基本构造块是粒子。事实上,我们在大学也会继续教授这个,我们会在大学里解释夸克和电子组成了乐高积木,所有的物质都从这样的乐高积木中产生。

但这个表述隐藏了一个深奥的真相。根据我们最完美的物理法则,自然的基本构造块不完全是分离的粒子。相反,存在着连续不断的物质,像液体一样,分布在整个空间中。我们称这些物质为场。最为人熟知的场当属电场和磁场。这些场的波纹产生了光,或更普遍地说,电磁波。铁屑在磁场中有确定指向的现象就是由条状磁铁引起的。

Lesson # 2:粒子由场产生。如果你在距离电磁波足够近的地方观察,就会发现他们由中子组成。在我们将量子力学的作用包含在内时,电场和磁场的波纹会变成粒子。

但是对于所有其他我们所知道的粒子,同样的过程也在起作用。在宇宙中存在着一层薄薄的分布在整个宇宙中的东西,我们称之为电场。电场的波纹被量子力学束缚成为一捆能量。这捆能量就是我们所说的电子。同样地,还有夸克场、胶子场以及希格斯玻色子场。在你身体中的每个粒子——事实上,是宇宙中的每个粒子——都是由量子力学机制塑造成粒子的基本场的微小波纹。

Lesson # 3:就像生活一样,QFT也很难!

“QFT是目前现代物理学中最难的理论,25年中没有一个人可以完全相信它。”-E.Witten

量子场是一种复杂的物质。一部分原因是它包含了所有的物理学:场可以描述大量的粒子,以无数种方式作用。但是,在我们抵达这些难题之前,还有另一个原因令量子场难以理解。

上述动画是计算机对真空的模拟。这是真空的样子,是一片完全没有粒子的区域。这看起来一点也不无聊。海森伯格不确定关系意味着量子场不能保持静止。与静止相反,它起泡、沸腾,就是一锅不断冒泡的粒子和反粒子汤,不断地被创造和毁灭。正是这种复杂性造成了QFT巨大的难度。

在QFT中,甚至虚无也是非常难以理解的。当你开始加入粒子,真空就会以有趣的方式扭曲。许多QFT的研究就是为了理解这种扭曲,理解它是怎么造成粒子之间不同的相互作用的,最终,理解它如何造就我们周围大自然的各种各样的美。这非常困难。在发现了QFT许多年后,我们距离理解它的精妙之处仍然很远。

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