量子場論:「一花一世界」是錯誤的,無限分割的盡頭是基本粒子

其實很多人都明白一個道理,宇宙萬物都是有更小的物質構成,但這個更小的物質到底是有盡頭的還是無盡頭的,很多人都說不清。

在人類歷史上,有相當一部分哲學家認為物質的盡頭必然是一個不可再細分的基本物體。比如古希臘哲學家德謨克利特的原子論。原子論認為宇宙中的一切都是由一種不可再分割的原子構成。

當然,還有很多哲學思想反對原子論,比如佛教中的「一花一世界」的概念。

事實上,這兩種思想基本上都是主觀臆斷,沒有任何實驗證明。

這種問題最后還得物理學出手。

在現代物理學的體系中,更傾向支持德謨克利特的原子論。

當然古希臘的原子概念和現代的原子概念完全不同,相同的是,以目前物理學的認知,物質細分到最后就是不可再分的基本粒子。

在量子力學中,物體分割到最后必然是不可再細分的基本粒子。目前人類發現的基本粒子有61種,宇宙中所有的物質都是由基本粒子構成的,包括我們熟知的光子,電子,中微子,夸克等粒子都屬于基本粒子。

基本粒子的運動規律完全不符合牛頓力學,量子力學也是經過長達半個多世紀的發展和完善,才進化成了比較成功的量子場論。

如今,物理學家描述基本粒子都會用到量子場論,量子場論之所以極其復雜,是由于微觀粒子的特性十分反常。

最顯著的反常就是波粒二象性,在微觀尺度上,粒子既可以表現成波,又可以表現成粒子。

這些粒子甚至也沒有固定的空間位置,粒子會同時散布在不同的位置,彌漫在整個空間中。只有在我們測量粒子的那一刻,才知道粒子在哪。與此同時,粒子的波函數態就會坍塌,而不再分散。

所以尷尬的就來了,我們該如何描述粒子的空間位置呢?

在測量前,粒子以波的形式彌漫整個空間。雖然測量粒子后,會得到粒子的位置信息,但是這種位置信息是完全隨機的,再測量一次,粒子的位置信息也就不同了。

薛定諤方程主要描述的是粒子的波動性,雖然這一方程在粒子的波動性上取得了巨大的成功,但卻忽略了粒子性,無法兼顧狹義相對論效應。

在微觀世界,接近光速運動的粒子是十分普遍的。當粒子速度接近光速,質量會變大,時間會變慢,這就是狹義相對論效應。

薛定諤方程主要描述的是粒子在空間的波動變化。狹義相對論描述的是粒子在時間上的變化。

要想完美描述粒子的運動規律,必須要兼顧粒子在空間和時間上的變化。這就導致了量子場論的誕生。在量子場論中,粒子只是量子化的波。

可能很多人看到這里就有點迷糊,到底什麼是量子化的波?

由于粒子具有波粒二象性,它即是波,又是粒子。我們如果要利用波粒二象性解決具體的問題,就很麻煩,即是波,又是粒子這種兩面性處理起來會十分麻煩。

為了方便計算,我們要麼就把粒子統一描述成波動性,要麼就把粒子統一描述成粒子性。

而一旦我們將粒子統一描述成粒子性,就很難兼顧波動性了。但如果,我們將粒子統一描述成波動性,卻可以很好地兼顧粒子性。

量子化的波就是將粒子統一描述成波動性后,兼顧粒子性的體現。因為量子化是不可再分,且不連續的概念。如果波是連續的,那麼就喪失粒子性了,正是由于波不連續,是量子化的,所以波的粒子性就體現出來了。

為了可視化理解,可以將波想象成海面上的波浪。每一個波代表不同的基本粒子,但是一定要注意,海面上的波是連續的,而量子場論中的波是不連續的,是離散的。

在這里可能很多人會問,不連續到底是什麼意思?

舉個例子,真實海洋中的波浪可能有無數個高度,比如1米,0.5米,2米,2.5米,3米,1.25米,1.75米。

因為這種波的高度是連續過渡的,波浪高度從0米到3米,必然要經過0.5米,1.75米……的過程,所以高度會經歷0到3米之間的任意值。

但是量子場論中的波是量子化的,也就是不連續。波的高度要麼一米,要麼兩米,要麼三米,不可能存在0.5米,1.25米這類過渡的高度值。

因為在量子化的概念中,一米的高度就是基本高度,不可再分割,波的高度只能是一米的整數倍。

在量子場論中,粒子就是波的激化,波的激化必須也是整數倍才能增加粒子數,比如波的高度從1米突然變成2米或者3米,才能增加粒子數,如果不是整數倍變化,不可能激化出新的粒子。

除此之外,真實海洋表面可能是平靜的,但是量子場論中的波是不可能平靜的,它存在一個最小的能量狀態。

假設一米高的波就是最低高度的波,那麼一米高的波浪會一直存在于空間之中,不可能消失。這種一米高的波也就是最小能量,也叫真空零點能量。真空之所以可以憑空冒出虛粒子,也就是我們常說的正反粒子對,是因為真空存在不同整數高度的波。

波之間的撞擊可以形成新整數倍高度的波,比如兩個一米高的波撞擊會形成2米高的波,這時候真空中就會冒出粒子。但是很快,其他波就會立馬撞擊新產生的波,導致其消失,所以這個粒子就會很快消失掉。

這樣的場景在真空中不斷上演,十分熱鬧,所以狄拉克也用海洋描述真空的這種現象,這就是著名的狄拉克之海。

量子化波動的海洋正是量子場論的核心思想。每一種基本粒子就是一種量子,不同的基本粒子具有不同的量子場,比如光子場,電子場,夸克場等。

標準模型中有61種已知的基本粒子(引力子除外),所以至少就有61種量子場。

在標準模型中,每一種基本粒子都是在其量子場中傳播,且相互作用。粒子加速碰撞后,之所以會產生新的粒子,是因為不同量子場交互會形成新的量子場。就和不同的海浪撞擊會產生新的波浪一樣。新產生的波浪可能就是一種未知的新粒子。


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