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磁場電場等到底是什么?能否稱為物質?

發布時間:2019-11-16 11:29:40  作者:宇宙探索  來源:宇宙探索  閱讀:77

      場的概念,最早由拉法基提出,發揚于麥克斯韋建立的經典電磁場理論。20世紀,基于狹義相對論與量子力學,提出了量子場論。
      量子場論統一了原有的粒子和場兩大概念。
      量子場論認為,場是比粒子更基本的物質狀態。場具有基態和激發態,而粒子就是場的激發態。
      就像平靜的水面,代表著一種場的基態,一旦受到外界其他能量的擾動就會激發出水花、水珠,這些水花、水珠就相當于是粒子。
      隨著20世紀物理學界的兩次革命,相對論與量子力學成為了整個物理學世界的兩大基石。相對論顛覆了舊有的絕對時空觀,統治了宏觀世界;量子力學顛覆了舊有的決定論,以概率論描述了微觀世界。
      隨后在觀測微粒子的運行時,物理學家發現粒子們似乎一直處于一種高速的運動狀態。于是,將描述高速運動狀態的狹義相對論與量子力學進行了統一,這就是量子場論。
    磁場電場等到底是什么?能否稱為物質?
      在量子場論的思想下,世界萬物皆源于場,整個世界就是由不同的場疊加形成的。這其中有三大基本場。一是實物粒子場,也叫費米子場;二是媒介子場,也叫規范場;三是希格斯粒子場。
      實物粒子場是描述構成這個世界所有摸得著看得見的實物粒子,包括山川、湖海、大地皆源于這些粒子。
      媒介子場是描述這個世界的四大基礎力是如何產生及作用的。這個場中的粒子包括:光子、膠子、W粒子、Z粒子以及還沒有發現的引力子,它們都叫規范粒子。
      希格斯粒子場,它主要是解決一些原本沒有質量的粒子,如何生成質量的問題。簡單來說,這個場就好像一個泥潭。與它發生相互作用的粒子進去之后,再出來就裹了一身泥,有了額外的質量。
      以貝塔衰變為例,場與粒子的相互轉變
    磁場電場等到底是什么?能否稱為物質?
      上圖是量子場論的,中子發生貝塔衰變的示意圖。一條直線對應一種基本粒子場的基態,而當直線變得隆起,表明這個場受到了激發,生成了我們熟悉的粒子。
      上圖就是,中子場由激發態退激變成基態,釋放的能量引起了質子場、電子場和中微子場的激發,所以生成了一個質子,一個電子和一個反中微子。
      這就是量子場論描述的,基本粒子與場之間的轉變關系。
      根據量子場論,還能解釋正反粒子如何湮滅,然后生成一個能量光子。而且如果我們把時間退回到宇宙大爆炸發生時不久,在溫度大于10的15次方開爾文的時候,光子可以轉換為質子和中子,以及各種粒子。
      這就是宇宙之初,能量向物質的轉換。
      量子場論揭示的真空秘密。
      真空,一般被描述成為沒有任何實物粒子的理想空間,是一種純凈的空間狀態。
      所以說,在人們傳統的認知中,真空代表著一無所有。但隨著大量的理論以及實驗的出現,越來越多的科學家逐漸意識到真空也有一定的物理結構,是一種物理實在。
      這其中最出名的就是“狄拉克之海”。狄拉克認為真空是由負能量的電子,均勻地堆積出來的一個空間。而現在量子場論在此基礎上進行了更深一步的延展,認為真空就是各種場處于基態的一種狀態。
      這意味著什么?基態,代表的是一種能量的最低狀態。能量的最低狀態,并不意味著沒有能量。所以說,廣袤的真空海,里面蘊藏著大量的能量,只是這種能量我們人類無法運用而已。如果把這種能量與熵的概念結合起來,可以理解為,真空里堆積著大量高熵能量。
      而且這種能量已經被驗證“卡西米爾力”的實驗所證明。
    磁場電場等到底是什么?能否稱為物質?
      在真空中,如果兩個金屬板的面積為1cm^2、相距為1μm,那么它們之間相互吸引的卡西米爾力約為10^−7N。
      但理論與現實還是有不可逾越的差距。因為按量子場論估算,真空能量密度竟高達2×10103J/cm^3,而目前天文觀測發現的真空能量密度僅為2×10−17J /cm^3,這差了120個數量級,即10的120次方。
      這個巨大的誤差,在物理學界目前沒有一個被公認的回答。但真空具有能量,已經得到了公認,而宇宙中的所有粒子都在不停地與真空進行著能量交換。
      總結
      場就像是大海,孕育著無數的“粒子水珠”,這些水珠在大海面上不停地生成又不停地溟滅。只有當這些生成出來的粒子,由于其他原因,相互結合在一起,才能形成我們現在可以看到的,宏觀世界里的實在物質。
      這就是量子場論,給出的場與粒子之間關系的解釋。
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