科学大唠嗑：物质是什么（12）拼命探索，物质却成为了“幽灵”
科学大唠嗑
张 喆
天津市天文学会会员
天津科技馆科普辅导员
01
量子力场出场了
02
物质成为了“幽灵”
现在，我们试着在麦克斯韦的经典电磁场理论中引入量子的性质和行为。如果结果能够满足狭义相对论的要求，我们将会得到量子版本的电动力学，即量子电动力学。
麦克斯韦方程组是有精确解的，只要用常规的数学方法就可以得出描述电、磁性质和行为的解析表达式。海森堡和泡利在1929年就提出了这种量子场论的一个版本，但是其中包含着巨大的问题。早期的量子电动力学并没有这么简单，它并没有精确解。
理论物理学家们采取的办法就是近似，把一个实际的数学问题近似成一个有精确解的数学问题，再加上一个小小的偏差。对于量子电动力学来说，我们可以从一个能精确求解的、不涉及电子和电磁场之间相互作用的量子场论表达式开始。这样可以得出近似的结果，然后用偏差对结果进行修正，让修正的结果慢慢接近事实真相。
其实，海森堡和泡利当时遇到的问题就是这种“理论上”和“实际上”的问题。本来应该只会在相互作用为零的情况下提供一个小小的修正，然而实际上这个修正项却会迅速扩大到无穷大。这没有任何物理意义，在自然界中无穷大并不存在。
在20世纪30年代初，量子场论似乎走入了死胡同。但是一些物理学家意识到，如果可以解决前面的这些问题，这个理论就将为我们提供一种不同于以往的方式，来理解粒子之间的力是如何发生作用的。
1932年，德国物理学家汉斯·贝特和恩里科·费米提出，这种力的产生是两个电子之间交换光子的结果。这就说明在量子领域中，场和粒子相关联，因此相互作用的场也和“相互作用的粒子”相关。
交换的光子将一个电子的动量传递到另一个电子上，结果是两个电子的速度和运动方向发生改变，相互分开。交换的光子是一个“虚”光子，它直接在两个电子之间传递，我们看不到它从一个电子中转移到另一个电子中的过程。根据这一解释，光子不仅仅是光的量子粒子，同时也是电磁力的“载体”。
说到虚光子，我们需要补充一点相关的知识。像质子、中子、电子这些物质粒子都叫做费米子，其自旋量子数为半整数，会出现1/2的情况，费米子遵循泡利不相容原理。
但是负责在物质粒子之间传递力的粒子则不同，它们都是玻色子，以印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色的名字命名，著名的波色爱因斯坦凝聚也是他和爱因斯坦发现的，波色子自旋量子数为整数。像光子的自旋量子数就是1。玻色子不受泡利不相容原理的限制，它们可以拥有相同的量子数，并且可以“凝聚”成单一的量子态，激光就是一个很好的例子。
尽管量子电动力学解释了物质粒子和传递力的粒子的区别，但是量子场论的问题不解决，我们还是无法取得真正的进展。
到了1947年，物理学家们进行了很多次实验，并且都提出了自己的观点。最终，奥本海默确信，狄拉克预测的值与实际测量值之间的微小差异与量子电动力学有关。这个差异尽管很小，但是完全不可以忽略，当然，这个差异也不可能是无穷大。
就这样，物理学家采用了一些新的术语来描述他们发现的这些概念。
一个被从电磁场中剥离出来的电子是一个“裸”电子，其质量被称为“裸质量”。其实电子永远不可能独立于电磁场存在，所以这个裸质量只是一个假想的量。物理学家面对的在实验中测量到的质量则被称为观测质量，又称“缀饰质量”，就是电子在电磁场中具有的质量。
物理学家认识到，在研究量子场的微观世界时，改变我们的思维方式是很重要的。当然，在任何情况下能量都是守恒的，但这也不能阻止许多奇怪的事情发生。海森堡不确定性原理并不只限定位置和动量，它同样适用于其他被称为共轭性质的成对的物理性质，如能量和时间。
现在，通过量子场论我们来研究一下真空，假设我们创造了一个完美的真空，与外部世界完全隔绝。这意味着在这片真空中的电磁场或是任何其他的场能量为零，其能量变化率同样也是零。但是根据不确定性原理，我们无法同时精确地知晓电磁场的能量及其变化率，因此它们不可能同时为零。
不过，不确定性原理并没有明确禁止“借用”所需的能量来创造一个无中生有的虚光子或电子–正电子对，只要在符合不确定性原理要求的时间间隔里“归还”就行了。这样，真空场会经历随机的量子涨落，就像海面上永不停歇的波浪。
不管是能量还是其变化率，它们的涨落平均都为零，但是在时空中的个别点上来看，涨落可能就不是零。“空”的空间实际上是一片由量子场和虚粒子组成的混沌。
这是有证据的，它被称为卡西米尔效应，由荷兰理论物理学家亨德里克·卡西米尔在1948年提出。将两块小金属并排放在真空中，相隔大约百万分之几米，它们之间除了引力没有任何力的作用，引力的作用十分微弱，完全可以忽略。
两块金属片之间狭窄的空间形成了一个空腔，限制了可以持续存在的虚光子数量，虚光子密度低于其他地方。结果是，它们会受到一种虚拟的辐射压，金属片外侧更高密度的虚光子将它们推向中间。1996年，物理学家史蒂夫·拉莫罗在洛斯阿拉莫斯国家实验室首次测量到了这种效应，他得出的结果与理论预测之间相差不到5%，并在随后的实验中将这一差距缩小至1%。
随着量子电动力学和与质量重正化相关的数学技巧的发展，我们对物质基本成分的理解又发生转变，物质的本质好像变得更难以捉摸了。粒子，也就是早期的希腊原子论者所钟爱的终极的、不可分割的“物质”，已经被量子场所取代。我们开始认为粒子只不过是这些场的特征性扰动，而物质似乎已然沦为一种幽灵般的东西。
下一期继续来聊场与力，咱们下期再见。
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