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1、自然辩证法研究Vol。10,No.1,19 94里子场论的哲学问题薛晓舟张会量子场论是研究量子场的结构、运动及其相互作用规律的物理理论1。从基本粒子物理学角度来看,量子场论的任 务,是描述相对论性粒子之间相互作用和相互转化的规律性。量子场论在其历史发展过程中曾表现有两种 形式。第一种是传统量子场论,即通常所说的量子场论,它 的主要内容是量子电动力学(QED ),即研究带电粒子与电磁 场相互作用的规律。由于重整化技月诀豹发展,量子电动力学已成为物理学中最精 确的理论。第二种是 现代量子场论,即所谓的量子规范 场论,它的主要内容是量子色动力学(QC D )和 量子味动力学(QFD)。前者是夸克之
2、间色作用的理论,后者是夸克、轻子之间电磁作用和弱作用统一 的动力学,其典型代表就是如所周知的SL枯 拉肖、S温伯格和A萨拉姆的弱电统一规范模型。目前,作为微观物理现象的基 本理论的量子场论,已经广泛 地应用于现代物理学的诸分支之中。除了在基本粒子物理学 中卓有成效地应用之外,在统计物理、凝聚态 理论和原子核理论中,均广泛地采用 量子场论的格林函数和微扰论方法,它们已经成为这些物 理学 分支的重要理论工具。尽管量子场论已成为 现代物理学众多分支的共同基础理论,它的任何一个较大的进展,都会对不只是一个分支的发展具有推动作用;但是人们对量子场论的基础问题和哲学问题,却研究 得十分不够,对一些基本概念
3、和物 理所指还相当混乱2。例如场和粒子的关系、真空的物理本质、虚粒子问题、重正化问题、场论中的因果性、规范对称原理、规范场论几何化的实质、统一 场问题、公理场论 问题等,在物理学和哲学的认识和理解上,都存在着不同的分歧。本文目的只对量子场论的重要哲学问题,加以探讨和分析,并对其中某些问题,提出我们 的见解,这对论证和.深化量子 场论世界图景的自然 观,具有十分重 要的意义。1场和粒子关系的哲学意义这涉及到物质的基本形态有多少种类的问题。也就是说,通常所谓实物和场是物质的两种基本形态这个命题是否正确?如果实物粒子和场之间有派生关系,那么物质基本形态岂不是成了一种?由于法拉第和麦克斯韦关于 电磁现
4、象的研究工作,场的概念被引入经典电动力学。在狭义相对论建立以后,超距作用思想被抛弃,场这一概念又被应用于引力 现象。爱因斯坦建立的广义相对论,否定了牛顿以后广泛流行的将一切 物理过程,还原为机械运动的企图。从而在基础 物理学中,不少人认为物质以两种基本形态出现,这就 是实物和场3。对物质存在的基本形态分为两种的这个论断,物理学 家中感到不满意的首先当推爱因斯坦,他试图把实物还原 为场的一种特殊形态。但是他只完成了引力场理论的工作,而没有把这理论推广,包括其它基 本作用的领域。因此在他的相对论性、经典的引力场 理论中,实物则是处于和场对立的地位存在于场方程中,或作为奇点存在于场 中。不少物理学
5、家认为,由于爱因斯坦仍然以为场是连续的经典场,而 没有从场的量子理论出发,因而不可能解释微观世界出现的粒子性。量子场论的发展,通过不同的途径,达到了实物粒子是场的一种 特殊形态的结论。当 然具体论述内容和爱因斯坦的观点 并不相 同。但就消除实物和场之间的界限,将物质存在的基本形态归结为场 的这一形态而言,和爱因斯坦的观点 并没有什么区别。现在我们通过电子和正电子这两种实物粒子,说明它们是怎样从属于电子场的。我们知道,在相对论量子力学中,狄拉克波动方程实质上是描述单个电子的运动方程,它不能 用49自然辩证法研究第01卷第1期来描述两个或两个以上 电子的运动,也不能 用来描述电子的产生和消失的现象
6、。狄拉克的空穴 理论,虽然实质上 预见了正电子的存在,开辟了研究粒子和反粒子的广阔道路,但是电子和正电子在这个理论中都是不能转化的。在量子电动力学中,起始就根据实验事实,引入两类实物粒子即电子和正电 子,并且认为狄拉克方程是描 写电子正 电子场 运动的波动方程4。为简单起见,电子正电子场我们统称 为电 子场。于是狄拉克方程中的波函数冲,就是描 写电子场运动状 态的函数。和电磁场一样,我们可以把电子场量子化。电子场在量子化后就自然地得出实物的电子和正电子是电子场的量子,从而说明了电子和正电子的 出现是电子场的元激发,电子和正电子的湮没是电子场的退激。可见电子和正电子是电子场派生的,它们对于电子场
7、来说是第二性的。对于其它实物粒子,可以和 电子、正电子类比,我们 把它们所对应的场方程加以量子化,从而得到这些实物粒子是它们所从属的量子场白优元激发,它们 是这些量子场的量子即粒子。于是根据量子场论得知,在实物粒子和场的关系上,量子场是基本的,实物粒子是场派生、从属于场的,粒子和场获得了高度的统一。因而我们认为:量子场是物质的基本形态,这个命题具有重要的哲学意义。2真空的根本哲学问题现代物理学的真空理论,实质上是量子理论。具体说来,真空的众多新奇性质,正是被量子场 论所揭示。真空的根本哲学问题5,确切地说,就是真空是量子场的基态,还是 基态的量子场?我们已知,量子场是物质的基本形态,它是既具有
8、波动性又具有微粒性的客体,它呈现多种运动状态,例如各种 激发态和非激发态即基态。各种 激发态的量子场,代表在各种运动状态下的粒子 系统。量子场激发态的出现,代表着 通常实粒子(相对虚粒子而言)的产生,量子场激发态愈肖失,代表着实粒子的消失,实粒子的消失,只 是表明t子场激发态消失了,而不是量子场这种客体本身消失了,作为物质客体的量子场 当然还存在着。不过这时恳子场是处于能最最低的非激发态,也就 是说处于基态罢了1基态的量子场我们 称为真空,量子场的基态我们 称为真空态,它是洛仑兹不变的能量最低态6。真空和真空态是两个不同 的概念。真空的物理和哲学本质,在于 它是基态的量 子场,真空和其它形态的
9、物质一样,可以具 有复杂的结构和特性。显然,真空的哲学意义,不应理解为量子场能量最低的状态。在量子 电动力学中,零电磁场的振荡、零电子一正电子场的涨落和极化,即人们 称为的真空振荡,真空涨落、真空极化等等,都是真空所具有的特性。所谓真空振 荡,就是量子场钓各种振荡模式在基态中不停地振 动,例如电磁场的零 点振荡,可给电子运动 附加上一个随机的布朗运动。所谓真空涨落,即真空中不断地有各种虚粒子在产生、消失或相互转化。所谓真空极化,即带电的实粒子对真空的作用,改变了真空中虚粒子的电荷分布。显然如 果认为真空是量子场的基态,即真空是物质的一种特殊状态,而不是物质的一种特殊形态,那么就 很难理解真空涨
10、落,特别是真空的极化的物理内容了。在 量子色动力学中,人们研究了非阿贝尔规范场真空的结构和特性。这种非阿贝尔场真空,有所谓0一真空,即它是由于瞬子所引起的真空贯穿效应而产生的一种特殊的真空结构。此种真空还具有相变、畴结构等特性,这说明真空完全类似于介质。在 量子味动力学中,人们对于希格斯真空物理性质的探索,例如真空态对称自发破缺的研究,取得了重大成果。所谓希格斯真空对称自发破 缺,就是指此种真空态所具 有的对称性,低于这一系统的拉格朗日函数所具有的对称性。人们通常认为给定体系真空态具 有唯一性,因此任何不涉及动力学的变换,都不能使这个真空态改变,也就是说真空态对于这种变换具有不变性,这种真空态
11、称为 正常真空态。但是当体系的真空态不具有唯一性时,这样在一种变换下,真空态就可以变到 另一种真空态,也就是说,真空态对这种变换不具有不变性,这种对称性的破坏,即真空对称自发破缺,简称真空自发破缺。格拉肖一温伯格一萨拉姆弱电统一标准模 型,是利 用SU(2)xU(1)变换群,以真空自发破缺和希格斯机制为基础,把弱作用和电磁作用统一起来的弱电统一规范模型。这个标准模型取得的成50量子场论的哲学问题功,指 出了人们在对真空物理本质探索的漫长道路上,向前跨进了一大步。这说明真空态可以具有简并的性质,从而 具有 自发对称破缺性,而真空正是这种性质的载体。正因如此,在哲学 上我们能以同语反复地说:真空是
12、物质的基 本形态。3“虚”粒子不虚幻在量子场 论中,对微扰 方法的标准解释,虚粒子扮演着重要的角色。然而 关于虚粒子是 否真实存在这个问 题,却有两种截然不同的观 点?。一种 认为虚粒子完全是由于采用散 射矩阵微 扰展开,为了近似地计算散射过程的特性而 引起的假想粒子,一种则是 基于量子场客体的普遍本性,认为虚粒子 是真实存在日儿为了把这个问题叙述得清楚些,我们首先对这里所说的虚粒子的概 念听指,加以明确 地界定。已知狭义杯对论的自由粒子,其质量m,动量P,能量E之间的关系是E“一PZCZ=mZC,这个式子称为粒子的质壳关 系。由于粒子是量子场的元激发,它同周围其它量子场之间存在着复 杂的相互
13、作用,这种相互 作用自然会影响到基本粒子的质量。实验所观察到的粒子质量,包括相互作用影响在内的质量,所以又称为物理质 量,以区别于假想的将粒子绝对孤 立起来时,它具有的裸质量。那么怎样测量粒子质量呢?一种常用 的方法是先利 用能量动量守恒定律,测出它的能量和动量。然后通过质 壳关系,把粒子的质量计算出来。但是质壳关系只适用于始 态和终态的粒子,而在相互作用过程中某些中间态粒子,一般并不满足质壳关系式,这种现象称为离 壳。这些 中间态是无法观察的,称为虚态,把在 中间存在的不满足质壳 关 系的粒子,称为虚粒子,产生和湮没虚粒子的过程,称为虚过程。现在我们可以讨论虚粒子是 否真实存在的问题。粒子间
14、的散射过程是在真空背景中进行的,真空是在永恒不息地振荡着,即所谓零点振荡,而在真空中的正反粒子也永恒地在产生着和湮没着,即所谓真空涨落。粒子在碰搜时,必然受到真空白洲乍用,这就使得散射粒子的能量发生这样或那样的变化。在散射的中间过程,如果不考虑宾空作用,自然要得出粒子能量不守恒的论断,实际上粒子的能量并非真正地不守恒,而是由于投有考虑到其空对它的作用而已。虚粒子没 有确定的质量,它 只能在一般极短时间内和极小空间内存在。相互作用过程中的能量越大,相互作用的范围越小,此 时传递相互作用的虚粒子的质量也就越大。微扰计算方法,正是揭示这些虚过程的一种手段或工具,在这种方法中,虚粒子的真实性恰好被唯
15、象地揭示出来。如 果其它方法,没有把虚粒子显示出来,由此并不能肯定说虚粒子就根本不存在,即虚粒子是假想的、虚幻的l在量子场论中,“虚粒子”还可以在另一种 意义上使用,即把真空态中的粒子,由于 它们是不能直接测量的,也称为虚粒子。在这 种情况下,因为真空态是真实的,当然真空态中的粒子也是真实的,而非假想的、虚幻 的1上述虚粒子的两种意义,实际上是相通的,可见“虚”粒子真实不虚。至于在规范场论中所讨论的法捷耶夫一彼彼夫鬼场这类的虚粒子,经过适当地选取变换完全可以消去的对象,并不是我们这里说的虚粒子问题。4量子场论中的因果性现代物理学中因果性的数学表达,是建立在两个物理观念的基础 之上,这就是狭义相
16、对论的 时间空 间观 念,和由场所引起的相互作用转移的观念。物理学中的因果关系是和两个事件相联系的。作为原因的事件必定先于作为结果的事件,因果 之间的这个属性称为因果性。不论进 行如何的变换,也不论产生什么现象,这种属性 总具有不变性。按照狭义相对论,具有因果关系 的两个事件的时空间隔,一定是类时的或类光的。如果两个事件的时空间隔是类空的,则 这两个事件之间不可能存在因果关系。在微观世界中发生的事件,结果也必 然在原因之后,这就是微观因果性。量 子力学中的薛定谬方程是时间的一次偏微商方程,因此 波函数协(x,y,乙,t)完全 由初始 时刻t。的状态中(工,y,z,t。)(t。CZ(t一t),t),应满足局域反 对称性,对于费 冲(r,- 今 t),幸(r,t,二0,(r一)“)C,(t一t).。由此可知,对于微观可测量,当两次 测量点间的时空隔是类空情况下,则不会被此干扰。在量子场 论中,粒子散 射以实变量(如能量、动量、角动量、散射 角等)的复函数(称散射振幅)来描述。由微观因果律可证明散射振幅的解析性,即可将它拓广为解析函数,
