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七、曲率解释中量子场的真空
甲:场的真空如何定义?在对场量子化之前,物质以‘场’的形式存在,场只有‘波性’,没有‘粒子性’。显然,在量子化之前,没 有‘场’存在,才是真空。更具体地说,没有电磁场存在,才是电磁场真空,没有引力场存在,才是引力场真空。真空空无一物。应当强调,没有‘场’存在的真空,就不可能对‘真空场’进行量子化,就不可能使‘真空场’出现‘粒子性’, 因而就不可能出现真空中粒子的产生和湮没现象。而真空不出现‘粒子性’,‘振子’的零点能便不存在!真空没有能量。
只是真空也有场存在并对场量子化后,才能出现‘粒子性’,表现为真空粒子的产生和湮灭现象,且常有多个‘粒子’存在。场量子的能量有如‘振子’的能量,它包括与该‘振子’相联系所出现之‘粒子’的能量及‘振子’的零点能。不少物理学者常在量子场论中把真空定义为‘不存在任何粒子的空间’, 真空态能量为零。而我认为,在量子化前,若某物质场的真空中没有该物质场存在,因之在量子化后该物质场的真空中便不出现该物质场的‘粒子性’,因之零点能也就不存在,真空才应当没有能量。而场量子的真空有场存在,主观上令其为零没有依据。
乙:问题是,我们讨论的是“真空的定义”,还是“量子场的真空定义”, 两者应该是有区别的。没有经典场,或什么物质都没有就叫真空,没有人反对。现在问题是,“量子场的真空定义”是有特定所指的。具体就是如何理解场能表达式中的粒子能量∑nk ħ ωk与能量∑(1/2)ħ ωk的物理实质。显然,E=∑nk ħ ωk+∑(1/2)ħ ωk是场的能量,当∑nk ħ ωk=0(nk=0),∑(1/2)ħ ω k定义为场的什么能量呢?若没有粒子(nk=0)的状态,定义为“场的真空态”,∑(1/2)ħ ωk自然是“量子场真空” 的能量。
众所周知,经典电磁振子在某能级的驻波波包数等于能级数,波包是连续场的运动结构。电磁振子的能量由全体波包所具有,该能级每个波包所具有的能量=电磁振子能级能量÷波包数,而波包数=能级级n。由于单个波包具有的能量大于单个光子的能量ħωk(两者在场中占有的面积不一样),因此,当令能级中光子数等于能级数时,电磁振子能量就多出了一块,它刚好就是∑(1/2) ħ ω k。量子场把它定义为“量子场真空”有合理性。
薛晓舟教授认为“基态的量子场”是量子场的‘真空’。这是把‘真空’落实到‘场’,落实到‘物质’上,真空有物质,与量子场论的观点一致。‘真空’不是指场的状态,‘真空态’才是场的状态,能量最低态。因而‘真空’不是指“量子场的基态”。‘态’可用函数表示,是运动形式的描述。把‘没有场定义为真空’,与‘定义量子场的真空’不是一回事。前者可定义在宏观经典领域后者则是在微观量子世界。
经典电磁场的力学模型用的是质点模型!‘质点’是粒子忽略‘形’的抽象,经典连续场可以认为是构成场的‘粒子’忽略‘形’的近似,当然连续电磁场就是忽略光子‘构形’的宏观近似。说经典场“只有波性,没有粒子性”是指质点的连续性运动而言的,场的粒子性被‘质点’隐藏起来了。经典场的波动描述与点粒子波动运动描述,经典区别是模糊不清的。
场量子化之前与场量子化后,或者说经典场与量子场的区别在于,认识层次的深入,物质存在形态的变化,描述场的力学模型的转换;在于点粒子(质点)向‘粒子←R→场ψ’二象性的转换,正是因为量子场ψ是‘粒子性R’ 的展示,所以才能在宏观条件下转化出‘点粒子’。 如果场没有被宏观‘隐藏’ 起来的‘粒子性’(R≠∞),纯属数学操作就可在微观层次无中生有粒子是不可能的。
有没有真正的连续物质场?可能引力场就是。从我们揭示的场的量子化物理本质看,动量量子化是必备的条件之一。引力场与加速系相关,物体的宏观加速运动可被认为是无限连续过程,当然动量量子化条件不存在,由此形成的弯曲空间场——引力场不能量子化就十分可理解了。引力场是真正能采用质点模型的场。
量子力学曲率解释中,量子场的真空可看作是曲率场R=0时的形变。R=0表明,要么R=P/ħ(P=m v)中质量m=0,要么m≠0、速度v=0。而m=0则对应没有物质的虚空,为量子场真空零点能E0=0提供依据,这比因真空能量无穷大无法测量[1]p80,反令E0=0逻辑自恰得多。更多的情况可能是m≠0、v=0(静能,不可直接观察部分,1/2ħωk)与m≠0、v≠0(可直接观察部分,从场中激发出实际粒子)共存。m≠0、v=0只是看不到粒子的宏观位移运动,但却对应真空物质的存在;因此,多余的部分能量被扫到地毯底下(真空)藏起来了,能量(1/2ħωk) 有了说法。这就为真空能量无穷大提供物理基础,解除量子场论中真空能量无穷大的困惑,也为真空不空提供哲学基础。它比“真空中没有物质场存在”有更大的包容度。这样理解场量子的粒子性和场的波动性、场量子态之间的突变性和粒子的产生与湮灭,逻辑畅通而自然。因此,通常质点模型基础上对场的量子化的物理理解值得商榷[8]p446-483。
一方面,量子力学曲率波理论是点粒子理论失效条件下的替代理论;另一方面,点粒子理论又是量子曲率在特定宏观条件下“构形”忽略不计的极限抽象。曲率在两种描述中都有实在论意义。R=0是两类描述的交集,‘场的真空’是物质m≠0,V=0时“基态的量子场”。
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