量子那些事儿 关注
手机版

真空不空

  1. 云栖社区>
  2. 量子那些事儿>
  3. 博客>
  4. 正文

真空不空

雪花又一年 2018-05-04 15:14:00 浏览152 评论1

摘要:  物理上的真空实际上是一片不停波动的能量之海。当能量达到波峰,能量转化为一对对正反基本粒子,当能量达到波谷,一对对正反基本粒子又相互湮灭,转化为能量。真空充满物质,不仅有希格斯粒子的冷凝,还有夸克和胶子的冷凝物,这里我们主讲希格斯粒子即希格斯波色子和希格斯真空的有关内容。

 物理上的真空实际上是一片不停波动的能量之海。当能量达到波峰,能量转化为一对对正反基本粒子,当能量达到波谷,一对对正反基本粒子又相互湮灭,转化为能量。真空充满物质,不仅有希格斯粒子的冷凝,还有夸克和胶子的冷凝物,这里我们主讲希格斯粒子即希格斯波色子和希格斯真空的有关内容。


1.背景介绍:

   最初认为真空就是什么都没有的空间。


   后来发现电磁波后,因为电磁波是可以存在于真空中的,人们将真空引申为没有物质(有质量粒子)存在的空间。


给真空赋予崭新物理内容的是狄拉克。1930年为了解释狄拉克方程负能解,他提出真空是充满了负能态的电子的狄拉克海的概念。当负能态的电子吸收了足够的能量跃迁到正能态成为普通电子时,电子海中就留下可观测的空穴,即正电子。随着1932年正电子的发现,狄拉克海的概念就广为人们接受了。


   从现代量子场论的观点看,真空是有质量粒子的量子场的基态。在场论中,每种粒子对应于一种量子场,粒子就是场量子化的场量子。当空间存在某种质量粒子时,表明这种量子场处于激发态;不存在粒子时,就意味着场处于基态,也即真空。质量粒子来自真空的激发是被当代多数物理学家接受的概念。正反粒子对产生已经被许多实验室证实,但真空的直接激发还缺乏直接的实验证据,因为激发真空需要克服正反粒子产生的阈能,这需要非常高的能量密度。现代激光技术为真空的直接激发提供了可能,目前激光的功率密度可以达10^23W/cm^2,当激光强度达到10^30W/cm^2,能量密度就达到了真空激发最轻粒子(正负电子)的阈值,人们就可以看到真空的直接激发。

640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy

(此图瑞典物理学家首次从真空中创造出闪光)


2.我的理解:

   下面我引入希格斯波色子。不过首先我略微提一下“质量的起源”,这对后面的理解有所帮助。


   当我们讨论量子电动力学中的光子和电子时,我们分别介绍了它们各自适用的跃迁规则,并且他们是不同的——用符号P(A,B)来代表与某一个从A点跳到B点的电子相关的规则,并用L(A,B)代表一个光子对应的规则。差异之所以存在,是因为电子分为两种不同类型(它们以两种不同的方式“自旋”),而光子分为三种不同的类型。然而,还存在另一个区别,因为电子有质量,而光子没有质量!


640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy

 看上图11.4,说明了一种我们可以用来分析某个大质量粒子传播的方法。图中显示了一个粒子分阶段从A点跳到B点,它从A点运动到点1,从点1到点2,直到最终从点6到B点。当这样描写规则的时候,适用于每一次跳跃的规则,也就是适用于一个零质量粒子的规则,但每当粒子改变方向,我们就需要应用一个新的收缩规则,收缩的量和我们所描述的粒子的质量成反比。这意味着,在每一个折曲,重粒子的时钟接受的收缩量比质量更轻粒子的时钟接受的量要小。对于零质量粒子,和每一个折曲相关的收缩系数是一个杀手,因为它是无穷的,唯一有意义的路线就是直线。对于非零质量粒子,折曲是容许存在的,如果粒子很轻,那么收缩系数就会大大影响到折曲很多的路线,因此,最有可能的路径就是折曲最少的路线。相反,当重粒子经过折曲时受到的影响很轻微,于是描述它们的路线往往带有很多的“之”字形。之字形(折曲)的数量就是我们所说的“质量”。(见下图11.5)

640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy

 最为广泛接受的关于质量起源的理论对之字形路线作出了一个解释:它提出了一个新的基本粒子,其他粒子在通过宇宙的道路上会“偶然碰见”这种粒子。

    这个粒子于2012年在欧洲大型强子对撞机中发现并命名为希格斯波色子。根据标准模型,如果没有希格斯波色子,基本粒子会从一个地方跳到另一个地方,不会采取任何之字形路线。但是,如果我们用希格斯粒子充满真空的空间,那么它们可以使粒子发生偏移,从而采取之字形路线,并且会导致“质量”的出现。


    苏格兰爱丁堡的理论家彼得•希格斯提出希格斯真空,即真空的空间充满了希格斯粒子,但并没有解释为什么,或者问那些希格斯粒子是怎么来的?答案实际上还是未知的。真空中的希格斯粒子提供了“之”字路线机制,它们加班加点地与宇宙中的任何一个和每一个质量粒子相互作用,选择性地阻碍这些粒子的运动,从而创造了质量。普通的物质和充满希格斯粒子的真空之间相互作用,最终后果就是世界从一个单一的没有结构的地方变成了一个多钟多样的美好的地方,世界充满了活力,有着恒星,星系和人类。


3.结语:

   在本文中,我们研究了量子理论在真空不空的有力认知,并得出一个非常简单的概念——。“真空的空间不是空的,是充满了希格斯波色子,这导致了粒子的‘之’字形路线,从而产生质量”。同时,经过对比狄拉克提出的真空是一片不停波动的能量之海的观点,我们发现,对于希格斯粒子,在宇宙大爆炸之后不久的高温阶段,真空处于沸腾状态,出现短暂的量子波动,粒子和反粒子从无到有,然后又再次突然消失。


原文发布时间为:2017-03-23
本文作者:张永锋
本文来源:量子趣谈,如需转载请联系原作者。

用云栖社区APP,舒服~

【云栖快讯】诚邀你用自己的技术能力来用心回答每一个问题,通过回答传承技术知识、经验、心得,问答专家期待你加入!  详情请点击

网友评论

1F
1730436044807099

不错,武汉康健了解一下