相信对物理学特别是量子力学感兴趣的读者都知道光有波粒二象性,也就是说,光既可以表现出波的特性,也可以表现出粒子的特性。更进一步地,著名物理学家德布罗意提出,很多我们印象中显然是粒子的东西,比如电子,也可以表现出波的性质。那么,在日常生活中经常遇到的典型的波——声音(声波)有没有粒子性呢?答案是肯定的。从微观角度来看,声音来源于弹性介质中粒子(比如晶体中的原子)振动的传播。
不过,这只是理解声音的一种角度,我们还可以从量子场论的角度来探究声音的本质。量子场论是一个结合了狭义相对论和量子力学的物理理论框架,它的研究对象中就包括各种各样的“场”。相信很多读者在物理课中已经遇到过“场”了,比如电场和磁场。通俗地说,场指的就是给空间(或时空)中的每一点赋予一个物理量(比如标量、矢量、旋量等)。在量子场论中,粒子就是相应的某种场的激发。
比如电子就是与其对应的电子场的激发,而夸克则是与其对应的夸克场的激发。
声音在量子物理中也可以被描述为晶体结构的激发,它所对应的粒子被称为声子(phonon),也就是晶格振动的能量量子。需要注意的是,声子虽然符合粒子的特征,但它并不是电子和夸克那样的真正的基本粒子,也不是质子和中子那样的由基本粒子所组成的复合粒子。在物理学中,我们把声子称为一种准粒子。那么,到底为什么要引入声子这个概念呢?
这其实是源于物理学家简化问题的思维方式。举个例子,一块普通的固体物质在微观层面上是一个非常复杂的系统,里面的分子原子等大量粒子在不断地发生相互作用,为了更方便地对这个系统进行描述和研究,在某些条件下我们可以等效地将这个系统看成是由一些互相之间几乎没有相互作用的“粒子”组成的新系统。
这两个系统只是我们看待同一件事物的不同角度,但是第二种角度却可以在很多时候大大地简化问题,因为不发生相互作用的粒子描述起来就简单多了。
声子并不仅仅是一种可有可无的“数学游戏”,它在很多物理领域中都发挥着重要作用。比如在描述超导性质的BCS理论(由发现者的名字巴丁、库珀和施里弗命名)中,作为材料超导性质的来源的库珀对(Cooper pair)正是源于电子与声子的相互作用。