分享

粒子物理和量子场论

 物理网文 2017-11-15
20世纪20年代末人们认识到,要建立描写微观现象中光子与电子电磁相互作用的理论,一定要把经典电磁理论与狄拉克相对论量子方程结合起来。按照这个想法,人们最终建立了描写电子的电磁相互作用的量子电动力学(简称为QED)。它是量子场论的一个例子,也是第一个获得成功的量子场论理论。
量子场论的研究始于20世纪20年代末。产生它的实验基础是光的量子性质的发现,研究它的理论基础是20世纪初建立的,即描述物质微观行为的量子理论和描述物质高速行为的相对论。量子场论是描述高速(接近于光速)运动的微观物质现象的基本理论,它所研究的是人类迄今为止所能探测到的最小时间和空间尺度内的物质现象。在这个尺度上,物质归结为由称之为粒子的基本组分构成。
量子场论描绘出这样的物质基本结构图象:空间充满了各种为无任何可观测粒子的真空。这些场相互渗透并相互作用着。在某种自然界基本力作用下,场可以激发。场的激发态表现为粒子的产生,不同激发态表现为粒子的数目和状态的不同,场的相互作用可以引起激发态的改变而表现为粒子的各种反应过程。
在量子场论的建立和发展过程中,处在量子理论研究前沿的一些年轻物理学家成为最活跃的研究者,其中一些人还由于他们在量子场论研究中所做出的杰出贡献而荣获了诺贝尔物理学奖。


狄拉克

现在,量子场论已经成功地描述了轻子和夸克在弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用下的运动变化规律。作为一种理论工具,它还被成功地应用到处理多体和统计问题中的多自由度或无穷多自由度的物理问题。因此,量子场论是研究粒子物理的基本理论,它也是物理学基本理论的最前沿。量了场论的成功充分显示出了物理学家们的聪明和智慧,以及他们孜孜不倦地不断深人探索和掌握不同层次的物质现象规律的创新精神,是人类现代文明最具代表性的体现。
广义来说,电磁场量子化的所有电磁相互作用理论都可以统称为量子电动力学。也就是说理论中的所有电磁场都用光来描写,带电粒子可以是经典的、量子的、非相对论的和相对论的。例如在量子光学中,电子通常是用非相对论量子力学来描述的。从狭义上讲,QED(量子电动力学)是电磁相作用的基础理论,带电粒于必须要进行相对论和量子论的处理,成为相对论性量子场论。作为相对论性量子场论中发展得最完善的一个基本理论,QED的预言全都被实验所验证,甚至与极高精度的实验测量也完全一致。该理论在经典极限下自然地回到真空中点电荷的电动力学,当对物质的微观结构求平均时,会自然得到宏观的麦克斯卡方程组。
从20世纪20年代诞生量子场的概念,到50年代基本完成量子电动力学的理论体系,科学家曾经克服了无数的困难。其中最主要的困难以下有四个方面:

(1)如何使理论保持明显的相对论不变性。
(2)规范不变性问题。

(3)如何处理理论计算中出现的无穷大发散问题。
(4)如何很好地处理非微扰问题。


左起:朝永振一郎、费恩曼、施温格尔

狄拉克等人的贡献主要解决了第一个问题。1949年前后,费恩曼、施温格尔和朝永振一郎分别提出量子电动力学的重正化方法,克服了理论中的无穷大发散问题,从而确立了QED的基本体系。


http:///forum.php?mod=viewthread&tid=34450&extra=page%3D1

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多