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磁场电场等到底是什么?能否称为物质?

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宇宙时空 2021-04-10 20:18

场的概念,最早由拉法基提出,发扬于麦克斯韦建立的经典电磁场理论。20世纪,基于狭义相对论与量子力学,提出了量子场论。

量子场论统一了原有的粒子和场两大概念。

量子场论认为,场是比粒子更基本的物质状态。场具有基态和激发态,而粒子就是场的激发态。

就像平静的水面,代表着一种场的基态,一旦受到外界其他能量的扰动就会激发出水花、水珠,这些水花、水珠就相当于是粒子。

随着20世纪物理学界的两次革命,相对论与量子力学成为了整个物理学世界的两大基石。相对论颠覆了旧有的绝对时空观,统治了宏观世界;量子力学颠覆了旧有的决定论,以概率论描述了微观世界。

随后在观测微粒子的运行时,物理学家发现粒子们似乎一直处于一种高速的运动状态。于是,将描述高速运动状态的狭义相对论与量子力学进行了统一,这就是量子场论。

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在量子场论的思想下,世界万物皆源于场,整个世界就是由不同的场叠加形成的。这其中有三大基本场。一是实物粒子场,也叫费米子场;二是媒介子场,也叫规范场;三是希格斯粒子场。

实物粒子场是描述构成这个世界所有摸得着看得见的实物粒子,包括山川、湖海、大地皆源于这些粒子。

媒介子场是描述这个世界的四大基础力是如何产生及作用的。这个场中的粒子包括:光子、胶子、W粒子、Z粒子以及还没有发现的引力子,它们都叫规范粒子。

希格斯粒子场,它主要是解决一些原本没有质量的粒子,如何生成质量的问题。简单来说,这个场就好像一个泥潭。与它发生相互作用的粒子进去之后,再出来就裹了一身泥,有了额外的质量。

以贝塔衰变为例,场与粒子的相互转变

上图是量子场论的,中子发生贝塔衰变的示意图。一条直线对应一种基本粒子场的基态,而当直线变得隆起,表明这个场受到了激发,生成了我们熟悉的粒子。

上图就是,中子场由激发态退激变成基态,释放的能量引起了质子场、电子场和中微子场的激发,所以生成了一个质子,一个电子和一个反中微子。

这就是量子场论描述的,基本粒子与场之间的转变关系。

根据量子场论,还能解释正反粒子如何湮灭,然后生成一个能量光子。而且如果我们把时间退回到宇宙大爆炸发生时不久,在温度大于10的15次方开尔文的时候,光子可以转换为质子和中子,以及各种粒子。

这就是宇宙之初,能量向物质的转换。

量子场论揭示的真空秘密。

真空,一般被描述成为没有任何实物粒子的理想空间,是一种纯净的空间状态。

所以说,在人们传统的认知中,真空代表着一无所有。但随着大量的理论以及实验的出现,越来越多的科学家逐渐意识到真空也有一定的物理结构,是一种物理实在。

这其中最出名的就是“狄拉克之海”。狄拉克认为真空是由负能量的电子,均匀地堆积出来的一个空间。而现在量子场论在此基础上进行了更深一步的延展,认为真空就是各种场处于基态的一种状态。

这意味着什么?基态,代表的是一种能量的最低状态。能量的最低状态,并不意味着没有能量。所以说,广袤的真空海,里面蕴藏着大量的能量,只是这种能量我们人类无法运用而已。如果把这种能量与熵的概念结合起来,可以理解为,真空里堆积着大量高熵能量。

而且这种能量已经被验证“卡西米尔力”的实验所证明。

在真空中,如果两个金属板的面积为1cm^2、相距为1μm,那么它们之间相互吸引的卡西米尔力约为10^−7N。

但理论与现实还是有不可逾越的差距。因为按量子场论估算,真空能量密度竟高达2×10103J/cm^3,而目前天文观测发现的真空能量密度仅为2×10−17J /cm^3,这差了120个数量级,即10的120次方。

这个巨大的误差,在物理学界目前没有一个被公认的回答。但真空具有能量,已经得到了公认,而宇宙中的所有粒子都在不停地与真空进行着能量交换。

总结

场就像是大海,孕育着无数的“粒子水珠”,这些水珠在大海面上不停地生成又不停地溟灭。只有当这些生成出来的粒子,由于其他原因,相互结合在一起,才能形成我们现在可以看到的,宏观世界里的实在物质。

这就是量子场论,给出的场与粒子之间关系的解释。

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