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物理中的各种「场」,到底是什么?

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大野喵渣,感觉再不能成为爱豆的话学校就要破产了。

之前写的答案是给本科高年级学生看的,补充一个给高中生看的版本吧。

在学物理的一开始,大家都是在跟木块,小球,粒子打交道。这玩意够硬,够重,可以很简单的想象把它们放在手里掂量一下是什么感觉,于是,一个幻觉就产生了,必须是能在手里掂量一下的,我才认为它是存在的。

场这种东西是什么呢,按照上面的观念,场并不存在,因为他不可能像木块或者小球一样被真真切切的感知到。但是,一旦打破了旧的观念,把它当成真真切切存在的东西,场的概念也就容易接受了。

我高中的时候,曾经花了相当多的时间来说服自己,电磁场是存在的,而不仅仅是另一种视角:你看啊,库仑定律是这样的,电场也是这样的,这不就是脱裤子放屁多一道工序么?

实际上不是的,电磁场是存在的,否则靠一个简简单单的库伦定律不但无法解释运动电荷的相互作用,更无法解释电磁波的辐射。虽然不能握在手里掂量,但是把它当成一个实体来研究真的是一件很有意义的事情,它存在于全空间,它会动,会和世界相互作用,也能被人类控制和改变。

于是电磁场就作为场的一个很好的应用实例出现了。

再后来呢,量子力学建立起来,人们发现,就算是本来认为看得见摸得着的东西,其实也是弥散在全空间的波函数,这下子不但电磁场是场,木块,小球,粒子也变成了场,场这个概念就慢慢的进入了物理学最核心的部分,出现了可以统治现在一大半物理世界的量子场论。

说到底,场的概念就是时空每一点的函数,这个概念太宽泛以至于无法传递任何信息,因此我只是在最后才提一下它。

涉及场的概念很多,比如温度场,流体的速度场等等,上文中我只是提供了几个最常见的例子,在许多理论中都会以一类场作为研究对象,它们满足的动力学性质各不相同,上面提到的电磁场,物质场会在最理论的科学中出现,而温度场,流速场,高度场等等会在应用一些的领域出现。但不论是什么场,只要它们都满足场的定义,需要的数学基础工具都是相通的。

 

以下是原答案:如何理解量子场论中场的必然性,以及它和物理世界的联系。

我觉得温伯格的场论说的挺好的。

他的观点是,一个物理体系要遵循三个基本的原则,一个叫洛伦兹对称性,一个是量子力学的公理,一个叫集团分解。

第一步、如果以产生湮灭算符作为出发点,可以很直接的让构造出的哈密顿量满足集团分解,以及正则对易关系,但是产生湮灭算符在构造一个洛伦兹不变的哈密顿量时却不那么好用。

第二步、这时候我们希望利用产生湮灭算符构造一个洛伦兹协变,而且很容易满足集团分解的量,于是就构造出了“场”。然后再用这些场构造出适合的哈密顿量,就可以达到我们的目的。

第三步、为了满足一些因果性的条件,可以得出场必须现在这个产生 + 湮灭算符的形式,同时可以比较自然的得出反粒子。

再往下就跑题了,就略去了,想要详细了解可以看温伯格第一卷的前五章。

再多说两句我个人的理解。

如果站在高能散射的角度来看待问题,那么产生湮灭算符是一个更容易理解的东西。毕竟单粒子总是从无穷远处入射,再出射到无穷远的。入射和出射都是简简单单的一个产生湮灭算符。

相比而言,场的视角就更加含混一些,因为它是一种混合的状态,从它的表达式就可以看出来,粒子的动量是全动量空间取值的,而位置是固定的,这就让人不太容易接受,毕竟高能散射里面不会把两个粒子扔到空间两处来观测相互作用,应该是给它们一个确定的动量让它们散射。

但是,有时候会遇到另一种情况,单粒子不会简简单单的出现在系统中,反而是所有粒子像一锅粥一样被局限在一个空间区域。比如一团气体,要计算它的物态方程时,很难想象把它写成产生湮灭算符的形式,因为这一点也不直观,这时候用场来作为基本单元就是一个非常好的选择。

其实自由的场和产生湮灭算符之间的变换关系实在是很简单,所以想要自由的在这两种描述方式之间穿梭也没什么复杂的,所有的场论书都是利用场来写拉氏量,然后算出来费曼规则再转换到动量空间,并没有多么费劲。

只是在人的脑子里,想要有一个完整的认识,还是得选择那个让自己最舒服的形象。


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