爽是一种量子态

从量子场谈爽源和爽感

李后强

2024年4月23日下午,习近平总书记在重庆主持召开新时代推动西部大开发座谈会并发表重要讲话。他强调,要坚持把发展特色优势产业作为主攻方向,因地制宜发展新兴产业和新质生产力,加快西部地区产业转型升级,打造具有地域特色的乡村建设模式,发展各具特色的县域经济,培育一批农业强县、工业大县、旅游名县,促进农民群众就近就业增收,因地制宜推进城镇化进程,把旅游等服务业打造成区域支柱产业。

在全国文旅系统,贵州最早把“爽”与文旅结合,提出“爽爽贵阳”的概念。围绕“产业融合、旅游提质”目标,贵阳构建了“六爽”产业体系,提升了城市品牌和旅游能级。这“六爽”就是爽眼、爽口、爽心、爽身、爽购、爽游。习近平总书记指出,新质生产力的特点是创新,关键是质优,本质是先进生产力,本身就是绿色生产力。为学习贵州“六爽”经验,四川学界提出建立“爽学”和建设“爽村”的设想,取得了一些进展。我们认为,新质生产力包括量子技术、量子场论,“爽村”建设是打造具有地域特色的乡村建设模式的具体行动,是发展特色优势产业,促进农民群众就近就业增收,把旅游打造成区域支柱产业的重要举措。

那什么是“爽”?爽感又是什么?2023年,我们提出“爽是一种张量”,这是从数学层面表述“爽”,有了一种刻画工具。今天,我们提出“爽是一种量子态”,阐述爽是激发态和共振态,这就可以深入到微观层面认识什么是“爽”。从数学“张量”到物理“量子场”,完成了从形式到内容、从表象到本质、从宏观到微观的思考历程,能使我们的认识得到深化。

爽字演变过程

爽及爽感,具有复杂性和多样性,本质上是能量的分布和冲击。从甲骨文“爽”字可知,一人两手提两灯,爽与光(光子)有天然亲缘关系。因为电磁场是光子,两个带电粒子之间的作用力是通过光子的交换来实现的。如果爽感是电磁作用,那么场景是:第一个带电粒子放出光子被第二个吸收,而第一个带电粒子的作用(信息)和光子同时传到第二个粒子;第二个带电粒子也放出光子被第一个吸收,如此继续下去,就是相互作用,也是爽感来源。

在提出光子概念后不久,著名科学家爱因斯坦提出对晶体中的振动进行量子化,由此发展成第一个准粒子概念──声子。之后,列夫·朗道主张,各种各样凝聚态系统的低能量激发态都可以用一组准粒子之间的相互作用来描述。直到1928至1930年,科学家们发现物质粒子也同样可以视为量子场上的激发态,就如光子是电磁场的激发态,且每一种粒子都有其对应的量子场:电子有电子场,质子有质子场等等。在此基础上,费米在1932年提出原子核本身虽不含电子,但在衰变的过程中,会在其周边的电子场中激发出一个电子,就像光子可以在电磁场中被激发出来一样。因此可以认为,磁场能是爽源,爽感是能量作用,主要是光子的作用。

原子激发态示意图(李后强 韩毅 绘)

当高能光子(如γ射线)进入物质后,可以发生三种效应──电子对产生、康普顿散射和光电效应,同时还会产生“次级效应”。例如,高能光子进入物质,产生了正负电子对。产生的高能电子和正电子又可以产生轫致辐射,发射出高能光子。这个高能光子又能产生正负电子对等等,如此循环链接不断。宇宙线的级联簇射就是由于这类多级过程构成的。人体是凝聚态,由电子、核子等组成,本质是由光子构成,光子是可能正电子与负电子的平衡态,因此,爽是激发态、量子态和共振态。

爽感是主观感觉,但也是客观原因造成的,具有爆发性、瞬时性、延时性和记忆性。感觉愉快、兴奋、舒适、美好就是爽。

究竟是什么因素引起爽感?要素很多,但抽象地看,就是能量的冲击作用,电子能级跃迁,出现激发态、共振态。

爽感与“库柏对”有关。由约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·罗伯特·施里弗三人提出(BCS理论获得诺贝尔奖)“库柏对”(1956年提出Cooper对概念),解释了超导现象,原因是电子可结合成“库柏对”,这是自旋相反的两个电子的束缚态、结对体,记为(k↑,-k↓)。

自然界的粒子只能分为两类,即费米子及玻色子,费米子只能有一种状态,泡利不相容;玻色子是多种粒子同时共存,不遵守泡利不相容原理。玻色子的自旋都是整数,费米子的自旋都是奇数的一半。费米子包括夸克,质子,中子等,它们是构成物质的基本材料,而玻色子则是将这些费米子粘合在一起的“粘合剂”,玻色子包括光子,胶子,W±玻色子,Z玻色子等,它们是相互作用(基本力)的传递者,通过玻色子传递相互作用使得费米子得以凝聚在一起构成基本物质。我们可以想象费米子是构建大楼的不同类型的砖块,而玻色子则是这些砖块之间的水泥钢筋,它们在组成大自然的物质中发挥了各自不同的作用。这两类粒子特性的区别,在极低温时表现得最为明显:玻色子全部聚集在同一量子态上,体现“集体主义”。费米子则与之相反,更像是“个人主义者”,各自占据着不同的量子态。两个电子不能同时在同一位置,电子是费米子,光子是玻色子。从物质构成看,费米子是“组成物质”的基本粒子(例如电子,质子,中子这些都是费米子),而玻色子(例如光子,胶子,W粒子都是玻色子)是在不同的费米子之间传递相互作用的,玻色子有点像不同费米子之间的邮递员、快递哥。玻色子的传递性质使得它很容易被用一个场来表示,实际上,标准模型中的规范场都是玻色子场,满足洛伦茨对称性,而费米子则直接使用波函数来表示。

玻色子与费米子差异(李后强 韩毅 绘)

科学家能够把两个费米子结合在一起成为具有玻色子性质的“费米子库柏对”,这样使费米子对冷凝,成为费米凝聚。“玻色一爱因斯坦凝聚态”物质由玻色子构成,其行为像一个大超级原子。而“费米子凝聚态”物质采用的是费米子,当物质冷却时,费米子逐渐占据最低能态,但它们处在不同的能态上,更像爬楼梯一样由低到高占据所有可能的能级。科学家设法将费米子成对转变成玻色子(库柏对),得到“费米子凝聚态”。人体由玻色子和费米子构成,爽感来自玻色子的传递,关键在“库柏对”形成。因此,研究爽学,必须要用好量子学。

目前看,研究物质结构最充分的理论是粒子物理的“标准模型”,它是关于已知物质的微观最基本单元—轻子和夸克,最基本相互作用(三种规范相互作用:强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用),产生粒子质量机制—希格斯机制及其量子—轻子、夸克、希格斯粒子和规范相互作用的量子相互作用和转化的基础理论。纯粹从能量角度研究宇宙行为的科学是理论物理学中的量子场论(Quantum field theory,简称QFT)。量子场论是结合了量子力学、狭义相对论和经典场论的一套自洽的概念和工具,涉及许多基本原理和重要概念,包括波粒二象性、测不准原理、光电效应、希格斯场、能量包、库柏对等。这些在爽学中都有应用。在量子场中,特别需要关注的是“量子电动力学”“量子色动力学”“费曼图”“希格斯场”和“标准模型”“弦理论”等概念。理解了这些概念,我们就能透彻把握爽源与爽感的实质。

量子(quantum)是现代物理的重要概念,即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。它最早是由德国物理学家M·普朗克在1900年提出的。他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的,只能取能量基本单位的整数倍,从而很好地解释了黑体辐射的实验现象。后来的研究表明,不但能量表现出这种不连续的分离化性质,其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物理,强调连续性有根本的区别。量子化现象主要表现在微观物理世界。自从普朗克提出量子这一概念以来,经爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定谔、狄拉克、玻恩等人的完善,在20世纪的前半期,初步建立了完整的量子力学理论。绝大多数物理学家将量子力学视为理解和描述自然的基本理论,由此发展量子场论。

激发态示意图(李后强 韩毅 绘)

量子场论将粒子视为更基础的场上的激发态,即所谓的量子,而粒子之间的相互作用则是以相应的场之间的交互项来描述。每个相互作用都可用“费曼图”来表示,这些图不但是一种直观视化的方法,而且还是相对论性协变摄动理论中用于计算粒子交互过程的一个重要的数学工具。换句话说,量子场论把世界看成是能量而不是物质,而且是由最小基本单位——量子构成的系统。因此,我们的身体和我们的感觉都是量子化的,爽及爽感当然也是量子化的,这是全部科学的基点和法则,没有例外和惊讶。我们认为,爽学的理论基础在量子场。爽是光电效应,由光子作用产生。光子有多种形式,不同光子的能量大小不同,由频率或者波长决定。比如太阳光就是系列光子构成的光谱。可以猜测,物质就是由系列不同光子构成,光子的能量和质量可以相互转化。人也是辐射体,在不断吸收和释放光子。

太阳光波谱示意图(李后强 韩毅 绘)

在四个基本相互作用(强作用力、电磁力、弱作用力和万有引力)之中,引力是唯一无法用量子场论来描述的。除去引力,另三种相互作用都找到了合适满足特定对称性的量子场论来描述。粒子物理的标准模型,共发现了61基本粒子,但不能解释引力和暗物质,并且都是明物质。费米子构成物质基本粒子:轻子和夸克;轻子包括电子、电子中微子、中微子及各自反粒子共12种。夸克包括带有3种不同颜色的u、c、t上夸克,d、s、b下夸克,及各自反粒子共36种。玻色子传递相互作用的粒子:光子、w/z粒子、胶子、Higgs玻色子共13种。目前共计61种基本粒子。如果把引力子算上就是62种。理论物理学家在量子引力方面的各种尝试,促使了1970年代弦理论的发展,希望解释基本粒子的结构和“四种力”特别是引力难题。1968年提出弦理论,最初是为了解释原子核内的强相互作用,基本观点是万物归一,这个“一”就是同一种东西即“弦”。标准模型认为61种基本粒子不可再分,但弦理论认为61种基本粒子可以再分,最后是“弦”,用“弦”把61种粒子统一起来。世界上有意义的最小可测长度是普朗克长度,是长度的自然单位,是物质的最小尺度,普朗克长度1.616x10-35米,即1.616x10-33厘米。弦的长度为1.62x10-35米,比普朗克长度稍大一点。弦理论认为自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子,而是很小很小的线状的“弦”(包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或闭合弦),弦的不同振动(能量)就产生出各种不同的基本粒子,能量与物质可以转化。物理模型认为组成所有物质的最基本单位是一小段“能量弦线”,大至星际银河,小至电子、质子、夸克一类的基本粒子,都是由这占有二维时空的“能量弦线”所组成。正如小提琴上的弦,一定的振荡模式或共振频率由波长准确地刻画。基本粒子长度在10—17米到10—28米之间,比弦长大得多,也比普朗克长度大,从弦到粒子中间没有说明,因此研究弦如何直接产生基本粒子“这个大跨度”,中间还要哪些过渡态。弦理论需要高维度,一般是10维,有的需要26个维数,版本很多。为解释引力,提出超弦理论,就是认为玻色子和费米子在更深层次是同一种东西,在底层上是统一的,这就是超对称性。超弦理论有5个版本。为解释引力,必须有引力子,其自旋必须为2,这样才只有引力没有斥力。如果自旋为1(如光子)就同时有引力和斥力。我们认为,这超弦可能是量子的存在形式,说明量子是二维时空的线弦,实际就是“莫比乌斯膜”(从1维到2维),因此具有“波粒二象性”,既是粒子又是波,变为“莫比乌斯环”(从2维到3维)。在高速运动中,量子可能成为“克莱因瓶”(从3维到4维),因此很多现象我们目前无法解释,原因在于4维空间的事我们还不清楚如何办。这些都是从拓扑学来谈量子特征。弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论,它本身是一种具有“共形对称性”的二维量子场论。简单地说,共形场是一类具有标度不变性的量子场。弦论表明,弦尺度非常小,存在着几种尺度较大的薄膜状物体。直观地说,我们所处的宇宙空间可能是9+1维时空中的D3膜。这说明,爽学也是量子场论的分支,有可能用量子理论统一描述爽感及其他爽现象。因为爽也是一种力量,甚至包括了四种作用力,从1维到2维,从2维到3维,最后到4维。爽感属于弦论的研究范畴,可能与超弦有关。弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论,也能说明若干爽现象。

量子态示意图(李后强 韩毅 绘)

爽应该是一种量子态。所谓量子态(quantum state),指物质演化过程中在某时刻客观存在的状态。例如电磁波在某时刻的电磁转化周期中动量和质量的变化,我们就说其在该时刻能量的量子态。或者说,电子做稳恒的运动,具有完全确定的能量,这种稳恒的运动状态称为量子态。换句话说,量子态指量子系统粒子运动的状态,由一组量子数表征,这组量子数的数目等于粒子的自由度数。人类社会在某时刻的状态也是一种量子态,它是表征人类社会在该时刻的相互作用状态等等。

我们知道,量子是不可再分的最小能量单位,“光子”就是光的最小单位。量子态通常也指宇宙物质在量子化运动过程的混沌态(表面无序、实质有序)。爽感也是一种量子态,处于模糊混沌状态。

量子化过程有混沌和有序两种状态,二者可以转变,量子有序态也叫可积态(可集态)。现代物理学中对量子的这两种状态之间转变的逻辑关系理不清,才出现了所谓“量子纠缠”的说法。在奇特的量子世界里,量子存在一种奇妙的“纠缠”运动状态。在物理学上,每一次对纠缠光子的测量都会破坏原有的状态,就像冰淇淋,你必须尝一口才知道它的味道。但当你尝了一口时,冰淇淋就已经发生改变。实际上,量子纠缠可能是“一币两面”,同一事物的两种形态,本身就是一个整体,并不是完全独立的两个粒子。“量子纠缠”是由于不明白或不理解量子相互作用而对量子现象的表述,涉及“量子态隐形传输”。这种传输的对象是信息而不是物质。宝山村位于龙门山“神阙穴”,可能处于“时间隧道”上,或许能发生“量子态隐形传输”。

爽感实际上涉及量子电动力学(Quantum Electrodynamics,QED)。描述电子场和电磁场相互作用的量子场论称为量子电动力学,它是电磁作用的微观理论,是量子场论中最成熟的一个分支,这里“电”主要指电子和光子。爽感主要与电子和光子有关,实际是关于电磁场的性质与作用。

正负电子相遇湮灭(李后强 韩毅 绘)

高级爽也与量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)有关。这是一个描述夸克之间强相互作用的标准动力学理论,夸克的质量不大,这里“色”指“色荷”。实验发现,质子内有无数点电荷,且基本上是自由运动的。强作用的特点是:强度大、力程短、对称性多,在短距离内随着时空距离的变小相互作用变弱,就是在小范围内(10—15—10—10米内)距离越大作用力越强,在范围外立即为零,与引力、磁力这种长程作用力完全不同。夸克之间通过一些自旋为1,被称为胶子(gluon)的规范粒子场传递作用,胶子的质量为零,可被夸克所吸收或发射,并传递夸克之间的色作用力。这种力把夸克束缚在强子中,叫“夸克禁闭”,是两个强子之间的通常的强作用力的来源。胶子是负责在两个夸克之间传递强作用力的基本粒子,类似光子负责在两个带电粒子之间传递电磁力。

夸克与胶子(李后强 韩毅 绘)

高级爽是涉及更多精神层面的爽,与夸克性质关系很大,有“味”还有“色”。但是夸克的“味”以及“色”都是对夸克性质的定义,并不对应实际生活中的味道与颜色。夸克(quark,又译“层子”或“亏子”)是一种基本粒子,也是构成物质的基本单元。夸克的种类被称为“味”,有六种“味”,分别叫:上、下、粲、奇异、顶、底。夸克每一种味都有一种对应的反粒子,叫反夸克,它与夸克的不同之处,只在于大小一样但正负不同。

夸克一词,是盖尔曼取自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》的词句“向麦克老人三呼夸克(Three quarks for Muster Mark)”。另外,夸克在该书中具有多种含义,其中之一是一种海鸟的叫声。生活中的夸克(Quark),是德国、部分北欧国家和部分斯拉夫国家的传统美食,夸克的制作过程和希腊酸奶(去乳清酸奶)较类似,它的原料是低脂牛奶。接种细菌后,在一定温度发酵,直到产生凝乳,再用纱布把乳清过滤掉,就得到了夸克。夸克可以作为很多食物的原料。比如可以用它做芝士蛋糕。夸克的味道就是口感厚实绵密,带有很浓的奶香、微酸。

六种夸克的性质

夸克还要“色”(色荷),就是红、绿、蓝三种。色荷是描述夸克和胶子性质的术语,和生活中的颜色没有关系,不要真的认为夸克具有颜色,这只是夸克的一个标签。色荷是一种具有三个可能性的新量子数。例如组成Ωˉ粒子的三个奇异夸克(sss)红的(r)、绿的(g)、蓝的(b)。每个夸克所携带的色荷只有一个颜色单位。胶子本身带有强相互作用的色荷,携带两个色荷,这与光子不同,光子不带有色荷。反夸克(antiquark)则为夸克的三种颜色红、绿或蓝的反色(anticolors)中的一种,称作“反红”(antired)“反绿”(antigreen)及“反蓝”(antiblue),有些时候也会用互补色──青(cyan)、洋红(magenta)及黄(yellow)来表示。同样的模式下,胶子可说是两种颜色的混合。爽源及爽感的复杂性和多样性,可能来源于夸克的性质。

爽感与量子场论中“虚粒子”(virtual particle)特征有关,没有爽感可能是由于“量子真空”。虚粒子是一种振荡,能量涨落,不是没有,只是微弱。根据量子场论的解释,所有粒子都是场的量子化,真空的本质就是量子场的基态。真空并非没有物质。处于基态的场具有量子力学所特有的零点振动和量子涨落。“量子涨落”是什么?不确定性原理允许在全空无一物的空间(纯粹空间)中随机地产生少许能量,前提是该能量在短时间内重归消失。产生的能量越大,则该能量存在的时间越短,反之亦然。当我们测量能量E和时间t时,测得的能量E越准确,那它存在的时间t就越不确定;反之,t知道的越精确,那涨落涉及的能量就越不确定。它们之间的关系遵守一定的原则:△E×△t > h/2π(h是普朗克常数,π是圆周率)。涨落涉及的能量与它存在的时间之间的乘积总要满足大于 h/2π 这个值。真空中虽不存在任何实粒子,但由于量子涨落,时时处处充满了虚粒子的产生和湮灭。这些虚粒子以正反粒子成对的方式出现,并在极短时间内再次湮灭。然而,与量子真空相关的物理现象非常微弱,且时间、空间尺度很小,只有在极端物理环境中才会被诱导出来,并通过极其精密的实验测量才可能观测到。既然真空中充满了虚粒子对,那么有没有可能将这些虚粒子对激发成实粒子,即在真空中直接产生物质呢?理论上可行,在虚电子-正电子对重新湮灭之前,通过超强激光场施加外部作用力将它们分开,从而让这一对虚粒子变成实粒子保留下来。中国科学院上海光学精密机械研究所已通过超强激光打靶实验产生了电子与正电子。按照真空的思路大胆想象,我们的宇宙或许原本就是一顿从无到有的“免费午餐”,从真空的量子涨落中产生,逐渐变成现在的样子。利用超短超强激光也许能够帮助我们更深刻地理解真空的本质。

研究爽的来源,要知道“上帝粒子”和“真正赋能”的希格斯场。因为真正的“爽”是一种赋能,一种提神。希格斯场(Higgs field)是一种假定遍布于全宇宙的量子场、标量场,以英国物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)姓氏为名。

彼得·希格斯教授

理论物理表明,某些基本粒子因为与希格斯场之间相互作用而获得质量,希格斯场是真正意义上的“赋能”。希格斯玻色子被称为“上帝粒子”,是希格斯场的振动。1964年,希格斯写了一篇短小的论文发表在欧洲核子中心(CERN)办的刊物《物理学通信》上。高兴之余,随后他又写了一篇论文投给《物理学通信》,提出了就是现在被称为“希格斯机制”的模型,认为宇宙间遍布“希格斯场”,基本粒子在与希格斯场的相互作用下形成质量。而形成希格斯场的是一种未发现过的“上帝粒子”存在,这种粒子后来就称为“希格斯波色子”(Higgs boson),但文章被编辑打回。不过他有信心找到上帝粒子。

2012年7月4日,欧洲核子中心(CERN)宣布发现新亚原子粒子“上帝粒子”就是希格斯玻色子。2013年10月8日,瑞典皇家科学院宣布,2013年度诺贝尔物理学奖获奖者是两位老人:84岁的英国人彼得·希格斯和81岁的比利时人弗朗索瓦·恩格勒。他们都是理论物理学家,因“上帝粒子”的理论获得诺奖。但是当时宣布消息的时间被推迟了,原因是诺贝尔委员会无法与获奖人彼得·希格斯及时取得联系。令人惊讶的是,希格斯没有手机,住所也没接通网络,家里连电视机都没有。这位提出20世纪最重大科学发现之一的英国科学家,居然过着完全“低科技”的生活,这事让人充满敬佩。

希格斯场的标量场遍布于宇宙。借着与希格斯场耦合,某些原本没有质量的粒子可以获得能量,根据质能关系式,这就等于获得质量。粒子与希格斯场耦合越强,则粒子的质量越大。

真正的“爽”来自希格斯场的“自发对称性破缺”。深层次的爽来自暗能量、暗物质、反物质和介子的参与。暗能量是驱动宇宙运动的一种能量,起斥力作用,可能是“光压”,光子产生的压力。暗物质(Dark Matter)是一种比电子和光子还要小的物质,不带电荷,不与电子发生干扰,能够穿越电磁波和引力场,是宇宙的重要组成部分。暗物质的密度非常小,但是数量庞大,因此它的总质量很大,它们代表了宇宙中26%的物质含量,其中人类可见的只占宇宙总物质量的5%不到(约4.9%)。暗物质无法直接观测得到,但它能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测,研究表明:宇宙的密度可能由约68.3%的暗能量、4.9%的重子物质、26.8%暗物质组成。暗能量和暗物质都不会吸收、反射或辐射光,所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。

在粒子物理学里,反物质是反粒子概念的延伸,反物质是由反粒子构成的。反物质和物质是相对立的,两者相遇会湮灭并释放出高能光子或伽马射线。1928年,狄拉克给出描述相对论性电子的波动方程──狄拉克方程,成功解释光子和相对论性电子之间的相互作用,预言了正电子、反物质的存在。1932年,卡尔·戴维·安德森在宇宙射线中发现了正电子存在的证据。只要有足够能量(例如吸收光子),就可以产生一对电子和正电子;电子和正电子还可以互相湮灭,产生光子。这点证明,粒子数目在相互作用中没有必要是固定的。

我们可以大胆猜测,介子传递爽感。历史上,介子是在研究强相互作用时首先由汤川秀树预言存在的一种粒子,其质量介于电子质量和核子质量之间,故称为介子。目前实验上已发现许多参与强相互作用的粒子,质量有在电子和核子之间的,也有大于核子质量的,但都统称为介子。介子都不能稳定存在,经历一定平均寿命后即转变为别种基本粒子。有的介子是荷电的,也有中性的。近几年在高能加速器中使粒子相互碰撞,新的介子(共振态)续有发现。

爽感的破解可能寄希望于“非阿贝尔规范场”。20世纪50年代初,许多理论学家都相信量子场论最终可描述和解释所有微观物理现象,并不仅限于电子、正子和光子间的相互作用。人们把单个波函数的规范变换推广到含N个粒子的形式,就是SU(N)规范变换与非阿贝尔规范场〔非交换的SU(N)的群,数学上称之为“非阿贝尔群”〕。1954年,杨振宁和罗伯特·米尔斯对量子电动力学的局域对称性进行推广,从纯粹理论的角度建立了基于更复杂的对称性的理论──非阿贝尔规范场论(又称杨-米尔斯理论)。在量子电动力学中,带电荷粒子之间的相互作用是由光子传递的;同样,在非阿贝尔规范场论中,带某种新的“荷”的粒子之间的相互作用则是由无质量的规范玻色子传递的。与光子不同的是,这些规范玻色子自身也带荷。强相互作用耦合常数在高能量下会变得很小。对于非阿贝尔规范场论非摄动方法的发展,导致单极子、流量管、瞬子等先后被发现。

爽感可用“费曼图”和“费曼法则”展示。科学家们发现,量子场论中的费曼图方法能够很自然地描述凝聚态系统的各种现象。理查德·费曼(Richard P.Feynman)是诺贝尔物理学奖的获得者,也是量子电动力学的创始人。费曼发明了一套图形来代表作用因子,而图形的组合代表关联函数。他并给出计算有关过程跃迁几率的计算规则,称为费曼规则。费曼图是一种形象化的方法,是能方便地处理量子场中各种粒子相互作用的图。

电子相互作用示意图

根据“霍金辐射”,爽感可以长留宇宙。1975年,霍金(Hawking)发表了一个令人震惊的结论:如果将量子理论加入宇宙学,黑洞好像不是十分黑!相反,它们会轻微地发出“霍金辐射”之光。该辐射包括光子、中子和少量的各种有质量的粒子。霍金辐射通常被解释为当一对虚拟粒子形成后,其中一个进入黑洞,另一个逃逸的结果,非常直观和简单。

2016年,霍金指出,“只有灰洞,没有黑洞”。霍金辐射不但解决了“黑洞熵”的难题,还带来了另一种奇妙的宇宙观:熵在描述物体状态的时候蕴含了物体的信息,那么当物体坠入黑洞时,这些信息就留在了黑洞的视界上——这意味着视界内部这个三维空间的全部信息都编码在了视界表面这个二维平面上,坠入黑洞并不意味毁灭。于是一种基于弦论的新宇宙论就提出:我们这个世界是另一个“高维”世界的全息投影,我们日常体验的三维空间是一种宏观低能的描述,甚至可以想象成我们就生活在一个黑洞内部——这可能是一件触发幻想的事情!世界真奇妙!世界真够爽!

〔本文系2024年4月21日上午李后强在“2024第二届爽学与爽村论坛”上报告的部分内容,4月23日晚补充修改。合作者有:贾卿,四川省人大常委会委员、四川省彭州市宝山企业(集团)有限公司董事长、四川宝山村庄发展学院院长;李单晶,成都市社会科学院历史与文化研究所副研究员、法学博士;韩毅,四川省生活美学研究会会长、读城智库董事长〕

特别提示

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来源:四川省地方志工作办公室

文/图:李后强(中共四川省委四川省人民政府决策咨询委员会副主任,成都市社科联主席,四川省社会科学院二级教授、博士生导师)