关于场的构想,最早出自拉法基的理论,而后由麦克斯韦将之发扬光大,奠定了经典电磁场的理论基石。进入20世纪,受狭义相对论与量子力学的启发,科学界提出了量子场论这一前沿学说。
量子场论巧妙地融汇了粒子与场的二元概念。
量子场论提出,场是超越粒子存在的更基础的物质形态。场可以处于基态和激发态,粒子则被视为场的激发态的表现形式。
犹如平静水面所呈现的,便是场的一种基态形象。一旦受到外界能量的影响而激动起来,便会涌现出四溅的水花与滚动的水珠,这些动态的表现正是粒子的象征。
随着物理学在20世纪经历的两次伟大变革,相对论与量子力学成为物理学科的两大支柱。相对论摒弃了陈旧的绝对时空观,在宏观世界中占据主导;量子力学则摒弃了决定论,而用概率分布来描述微观世界。
而在观察微小粒子的移动时,科学家们发现这些粒子似乎始终处于不断的快速运动之中。于是,将描述高速运动现象的狭义相对论与量子力学相结合,产生了量子场论。
在量子场论的视野中,万物皆源自场,世界是由不同类型的场相互叠加构建而成。在这其中,存在三大基本场。第一是实物粒子场,亦称费米子场;第二是媒介子场,也叫规范场;第三是希格斯粒子场。
实物粒子场描绘了世间所有可触可见的实体粒子,它们是山川湖海、大地等万物的基础构成单元。
媒介子场则描述了世界四大基本力如何产生以及其作用机制。场内的粒子有光子、胶子、W粒子、Z粒子,以及尚未发现的引力子,它们都被称为规范粒子。
而希格斯粒子场,主要涉及原本无质量的粒子如何获得质量的问题。简单比喻,该场如同一片泥泞,与之互动的粒子经过便会裹上一层泥,从而携带了额外的质量。
以贝塔衰变为例,解释场与粒子的互动转化。
上述图形展现了量子场论中,中子经历贝塔衰变的情景。一条直线代表某一基本粒子场的基态,当直线呈现隆起状态,意味着场受到了激励,从而产生了我们所熟知的粒子。
图形显示了,中子场从激发态退回到基态,释放出的能量激发了质子场、电子场及中微子场,进而产生了一个质子、一个电子和一个反中微子。
这就是量子场论对于基本粒子与场间相互转变的阐释。
依据量子场论,我们还可以解释正反粒子如何湮灭,转化为能量光子。并且,如果我们回溯至宇宙大爆炸初期,当时温度超过10的15次方开尔文,光子可转变为质子、中子以及其他各类粒子。
这正是宇宙诞生时,能量向物质转变的奥秘。
量子场论揭示了真空的隐秘真相。
通常意义上,真空被视为不存在任何实体粒子的理想空间,代表了一种纯净状态。
然而,在传统观念中,真空象征着空无一物。然而随着众多理论和实验的涌现,越来越多的科学家开始意识到真空具有一定的物理结构,是一种真实的存在。
其中最知名的非“狄拉克之海”莫属。狄拉克提出,真空由堆积均匀的负能量电子构成。而量子场论在此基础上更进一步,认为真空即是各场处于基态的情形。
这意味着什么呢?基态,代表能量的最低点。但这并不意味着没有能量存在。因此,看似空旷的真空海洋中实则蕴含着庞大的能量,只是人类尚无法利用这些能量。结合熵的概念来看,可以理解为真空中积存着大量的高熵能量。
而这种能量已经被“卡西米尔力”实验所证实。
例如,在真空中放置两块面积为1平方厘米、相距1微米的金属板,它们间相互吸引的卡西米尔力约为10的负7次方牛顿。
然而,理论与现实之间仍存在着难以逾越的鸿沟。因为根据量子场论估算,真空的能量密度高达2×10的103次方焦耳每立方米,而天文观测得出的实际数值仅为2×10的负17次方,误差高达120个数量级,即10的120次方倍。
这个巨大的偏差在物理学界尚无公认的解释。尽管如此,真空含有能量的事实已被广泛接受,并且宇宙中的所有粒子都在不断与真空进行能量交换。
综述
场犹如一片广阔的海洋,孕育着无数的“粒子水珠”,它们在海面上不断生成又不断消失。正是这些粒子相互结合,才能形成我们可见的宏观世界中的坚实物质。
这就是量子场论为我们揭示的场与粒子之间的深层联系。