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“羽毛球为什么会往下掉?”“由于有羽毛球场”
2019-11-24 00:17:47

1.

假如你对现代物理学稍有了解,那么你对量子力学的那些难以想象的奇异性应该并不生疏。量子力学是一门描绘微观国际的粒子的行为的物理学,它以惊人的精确性,精确地描绘了咱们周围的悉数,比方它解说了原子怎么运动,分子怎么构成等等。

上个世纪,当要将量子力学的原理应用到(比方电磁场)上时,即便是那个年代最聪明的物理学家也感触到了极大的应战。在不懈地尽力下,物理学家终究开展出了一个美妙的理论——量子场论(QFT),它将量子力学从单一的部分粒子,扩展成为到无处不在的场。

咱们知道,光便是电磁波,又是由粒子构成的,这很令人困惑,但量子场论为咱们“羽毛球为什么会往下掉?”“由于有羽毛球场”供给了一个回答。用十分简“羽毛球为什么会往下掉?”“由于有羽毛球场”略的言语来说,它是这样的:依据量子力学,一个场中的波不行能是恣意弱的;相反,经过将许多的不行再分的小波叠加在一同能够发作一个大波。而粒子或多或少便是这种可答应的波中最弱的。

量子场论还以一致的办法解说了许多听起来像科幻小说的概念,例如有的粒子具有反物质粒子,其实便是同一种场中的不同类型的波;粒子能够被发明和消灭,变成其他类型的粒子,即一个场中的波能够被转移到另一个场中。

2.

下表所示的是已发现的17种根本粒子,从量子场论的视点看,咱们会将它们看作是17个根本场,例如电磁场(也称为光子场)、电子场、上夸克场、希格斯场等等。

从场的视点调查粒子,能够更容易地经过方程(称为拉格朗日方程,L)对粒子行为进行定量描绘。例如,若要描绘光子的物理性质,就有必要先写出分配它的电磁场的方程,而这是一个物理学家早就知道的方程:

咱们无需忧虑这个方程中的符号都各自意味着什么,将它放在这儿仅仅为了标明——使用这样一个短短的等式,能够包括咱们所知道的关于电磁学和光的悉数。

当咱们想描绘其他粒“羽毛球为什么会往下掉?”“由于有羽毛球场”子时,咱们也会选用相似的办法。例如,电子场的方程叫做狄拉克方程

这些用来描绘粒子场行为的方程都十分简略,经过将不同的方程结合在一同,就能够用来描绘两种不同的粒子是怎么相互作用的,例如电子和光子之间的相互作用就能够表述为:

事实上,咱们能够用一个更为杂乱的方程来描绘一切已知场之间的相互作用:

在这个长长的双胞胎伊莲的博客方程中,有的代表希格斯场,有的代表轻子场,也有的代表夸克场等等。想要了解这个方程的每一个符号的意义,需求受过专业的物理练习。但咱们能够立马了解到的是,这个方程与那张根本粒子列表一同,被称为粒子物理学的规范模型。这个杂乱的等式实则包括了除引力之外的一切自然法则,想到这儿,这样的杂乱性好像也是能够了解的!

3.

规范模型是迄今为止最成功的科学理论之一,它描绘了一切已知根本场之间的相互作用。现在咱们要用它来核算发作于场中的粒子的一些东西。例如,当一个电子和一个正电子(电子的反物质)磕碰时会发作什么?

首要,咱们从刚刚说到的描绘光子场与电子场的相互作用的方程开端:

并将量子力学的规矩应用到这个方程中。从表面上看,它涉及到令人惊骇的数学核算,但才华横溢的理查德费曼(Richard Feynman)用一种奇妙的视觉办法来表达这些深邃的数学,那便是费曼图

在费曼图中,光子被画成波涛线,而电子和“羽毛球为什么会往下掉?”“由于有羽毛球场”正电子被画成带有箭头的直线,箭头表明负电荷的活动方向。在线的周围有一个额定的箭头,表明进出粒子的运动方向。

原则上,费曼图并不能描绘磕碰中实践发作的状况,它仅仅数学表达式的一种有用的视觉简化。但把它们了解为是磕碰的动态视频——横轴为时刻、纵轴为空间,是一种十分对咱们的直觉十分有用的解说。

例如,上面的这张图看起来就像一个电子和一个正电子磕碰,转变成一个光子,然后再转变成一个电子和一个正电子。

下面这张图看起来像是两个粒子交换了“羽毛球为什么会往下掉?”“由于有羽毛球场”一个光子,然后持续它们愉快的旅程:

下图与第一张图相似,不同的是中心光子以电子-正电子对的方式存在了一段时刻:

费曼图在核算中很有用,由于虽然原则上你有必要画出一切或许的图形,并将它“羽毛球为什么会往下掉?”“由于有羽毛球场”们悉数加起来,但实践上最重要的往往是最简略的图。

4.

量子场论中含有许多引人入胜的细节,需求许多华章才或许解说清楚。它的其间一大长处便是——这是一门十分丰富的学科,从它的根本原理动身,能够得出许多令人惊奇的定论。咱们能够简略地了解一下两个最重要的定论:对称缩放

在物理学中,对称改换是一种对国际没有可见影响的改动。例如,假如有人将整个世界向左移动了几米,或许将它旋转了几度,这是彻底不行能被探测到的。对称性是量子场论中一个十分丰富的方面。例如,电荷的数学界说仅仅一个场在给定的对称改换中怎么改动的问题。

规范模型中有许多的对称性,但希格斯场终究“打破”了本来的对称性。这便是希格斯机制,这一发现让Peter HiggsFranois Englert获得了2013年诺贝尔物理学奖。

缩放在量子场论中也扮演着十分重要的人物,用来描绘它的术语是重整化。当咱们扩大或缩小时,有的理论会改动它的外观,所以两个看似不同的理论或许实践上是同一个理论,之所以表面上看起来不一样仅仅由于缩放的程度不同罢了。

从数学上讲,规范模型看起来是缩小了的,因而咱们以为它是某种不知道的、更根本的理论的缩小版。大多数理论会在缩小变得不那么杂乱。一个意外的发现是,当夸克和胶子的理论在缩小时会变得愈加杂乱,这也是2004年的诺贝尔物理学奖所颁发的发现。

来历:原理

修改:fengyao