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量子场论到底有多神秘?为什么说它揭示了宇宙奥秘?

2024-09-06科学

听说张朝阳一口气讲完了鬼魅的量子力学,但假如我拿出物理学中最神秘的量子场论,阁下又该如何应对?

在宏观尺度下,我们可以轻松确定某个物体的准确位置。但在微观世界中,每个粒子都会以一定的概率弥散在整个空间中,并以概率波的形式存在,即在测量与不测量的行为下,使其具备波和粒子两种不同的形态,这就是量子力学。

虽然这能使我们描述单个粒子随时间演变的过程,但却无法描述粒子是如何出现和消失的。就比如一个光子是如何被原子中的电子所吸收的,并且也无法区分如同电子一样拥有相同属性和行为的同类粒子。同时也出现了一个诡异的现象,那便是为什么来自宇宙深处的电子会与苹果中的电子具有完全相同的质量和电荷。

为了解决这一问题,众多物理学家通过将量子力学和狭义相对论结合的方式,从而构建出一个可以描述微观世界的理论框架,量子论。在相对论中,我们所处的宇宙是一个由三维空间和一维时间所组成的四维时空。

当我们将其简化成两个空间维度和一个时间维度时,便会看到任何有质量的物体。在万有引力定律下,其附近的引力场都会对其他有质量的物体产生引力作用。因此,我们的宇宙其实就是一个充满着时空流体的经典场,其中的每个点都充斥着一个数学对象。而根据狭义相对论,任何物理定律在不同的惯性参考系下都会被限制在不变的对称性之中。

所以在经典场内部的每个点中的对称性也要在随着时间的演化中保持一个守恒量。当我们将量子力学中的叠加态嵌入到经典场中,在时间的推移下,将所有不同演化方式的场景进行组合,从而就能够将经典场转变为具有叠加态的量子场。其中这里的粒子在受到虚粒子的作用下,就如同水面上的波一样,不仅使量子场产生一种传播扰动现象,同时也会受到整个量子的掌握。

而在我们的宇宙中,其实存在着 由不同 粒子所组成的量子场,而构成这些场集合到一起就是我们所说的粒子物理的标准模型。但问题是,受限于相对论时,空中的对称性会迫使所有粒子按直线独立运动。为了能够使这些量子场之间发生相互作用,就需要引入可以传递电磁相互作用的虚光子,并通过粒子发射和吸收就能使不同的量子场在同一时刻实现多种可能性的演化。

为了更好的解释这一现象,假设当我们拿起一把吉他,其中的琴弦可以以不同的频,而每种频率都会对应一个纯音。当我们拨动琴弦时,它的震动就是所有频率以不同振幅的叠加,而纯音则是以不同振幅形成的和声,从而构成琴弦发出的总音。同样一个量子场也可以按所有可能的场景演化,并具有不同的振幅,而将这些所有场景进行合成,就能描述物理系统下的真实演化过程。

可以说,量子场论的出现不仅完美 展现了粒子的诞生与湮灭,还能使我们在微观层面下能够更准确的分析宇宙的起源,演化的过程以及未来的可能性,从而使我们能够更进一步的揭开宇宙的真正本质。