希格斯场.PPT

* * * * * * * * * * * * * * * 翻译 王呜阳 一切基本粒子都诞生自“场” 现代物理学的精华“量子场论” ? 我们在之前介绍了物理学的一个基本观点，那就是，“无的空间” 充满了“场”，而力是通过“场”传递的。然而现代物理学对于“场”又有了更深入的认识。 藤井博士说：“现代物理学把基本粒子与‘场’的概念联系起来，认为不同种类的基本粒子都是‘场’的表现形式。 按照这种观点，所谓基本粒子并不是‘实体’，而是在‘场’中由于能量集中而形成的能够一个两个地加以计数的那种分立状态。”换句话说，我们习惯于想象为坚实颗粒的所谓基本粒子其实不过是充满空间的‘场’所表现出来一种能量集中的状态。 诚然，我们的周围存在着各种各样的物体，看得见，摸得着，我们对于这些物体的存在确信无疑。但是，我们其实并不知道作为物质基本单元的基本粒子是否也是如此。下面，我们就来介绍现代物理学是怎样得到这个结论的。 电场和磁场，以及电磁场 事情要从法拉第首先使用“磁力线”描绘磁场以后的19世纪后半叶说起。在当时，物理学家所知道的力，除了磁力和引力之外，还有“静电力”。磁力和静电力的性质十分相似，英国物理学家詹姆士．麦克斯韦(1831-1879)成功地将磁力和静电力结合在一起，得到了一个统一的方程组。这样，他就把传递磁力的‘场’和传递静电力的‘场’统一起来，并把这种统一的场称为‘电磁场’。 电磁场的特点是，电场的变化会引起磁场的变化，磁场的变化也会激起电场的变化，两者互相感应，并以波的形式向前传播。这种波叫“电磁波”。麦克斯韦从理论上推算出了电磁波的行进行速度，结果同当时用实验测得的光的速度十分接近。这就揭示出光也是一种电磁波。 是粒子还是波? 在另一方面，阿尔伯特．爱因斯坦(1879-1955)在1905年发表了他的认为光是一种“能量包”的“光量子假说”。这种假说其实是把光看成粒子。在某种意义上，这一观点是同麦克斯韦认为“光是在电磁场中传播的一种波”的观点相对立的。光既是波，又是粒子，也就是说，光好似同时具有互不兼容的这种性质。这样一个结论，即使当时的第一流物理学家也感到十分困惑，无法理解。 但是，随着研究的不断深入，大量的实验都证实，光的确在某些场合会显示粒子的性质，而在另一些场合又会显示波的性质。这就是说，光似乎是既非纯粹的粒子也非纯粹的波的“某种东西”。 物理学家后来又发现，本来以为是纯粹的粒子的“电子”竟然也具有波的性质。这就是说，电子也是既非粒子也非波的“某种东西”。 “场”如何表现为基本粒子 在20世纪从世纪之初到30年代是说明微观世界物理规律的物理理论“量子力学”诞生和形成的时期。把这种量子力学应用于电磁场，结果从本来应该是传播作为波的光（电磁波）的电磁场导出了处于粒子状态的光（光子）。这就是说，把量子力学应用于“场”，成功地实现了粒子和波这两种性质的统一。这样的工作叫做“场的量子化”，而这样建立起来的关子“场”的新理论则叫做“量子场论”。 关于“场”和基本粒子的关系，我们可以在头脑中将图像放大，用一块点阵二极管显示屏的比喻来加以说明。二极管显示屏是由许多发光二极管排列起来形成一面点阵，通过调节使点阵中选定位置的二极管点亮发光，便可以显示新闻或者广告。 ? 假定显示屏上现在是位于某一个位置的二极管被点亮发光。按照“场”的观点，显示屏上的这个点亮的二极管就相当于一个基本粒子。在这块二极管显示屏“场”中，二极管点亮的地点集中了能量，这里就相当于在着基本粒子的状态。二极管没有点亮的那些地点，“场”保持沉默，则相当不存在基本粒子的状态。 再假定有某一个位置的二极管被瞬间点亮，迅即熄灭后，在接下来的下一个瞬间它右侧紧邻的二极管被点亮，熄灭，然后再是它右侧紧邻的二极管被瞬间点亮……，这样，我们在显示屏上看到就是一个光点逐渐向右方移动。其实二极管并没有移动，移动的只是被点亮的二极管的位置。实际的基本粒子的运动与此类似，不是什么“坚实的颗粒”在移动，而是“场”中能量集中的地点在移动位置。 采用二极管显示屏比喻也不难理解前面所介绍的假想粒子的成对生成和成对烟灰。假如显示屏上一个二极管的大小就像基本粒子那样微小，那么根据不确定性原理，那些二极管就不会总是处在不发光的状态（因为能量在瞬间可以取各种值）。在任一瞬间，显示屏上都会有这里或那里的二极管或者暂时点亮处在发光状态或者暂时熄灭处在不发光状态。这种情况就相当于基本粒子的成对生成和成对烟灭。 基本粒子是“场”的表现形式 量子场论就是以上述方式将“场”和基本粒子这两类看似截然不同的对象成功地统一在一起，因而在现代物理学中，几乎所有种类的基本粒子都有各自所对应的“场”，例如电子有“电子场”，跨克有“跨克场”，等等。事实上，按照量子场论，在“无的空间”存在着与所有种类的基本粒子相对应的各种“场