粒子到底是什么?文小刚点评

作者: Natalie Wolchover

来源: 返朴

发布日期: 2020-12-02 08:00:00

本文探讨了粒子的多种定义,包括坍缩的波函数、场的量子激发、群的不可约表示、量子比特海的变形等,并介绍了物理学家对于粒子的不同观点和研究进展。

粒子是什么?它被认为是点状的物体,坍缩的波函数,量子场的激发,庞加莱群的不可约表示,振动的弦,量子比特海的变形。这些观点可以分为两大阵营:还原论和演生论。还原论的最基本假设是,空间本身是空的,而粒子是空间里的一些东西。演生论的最基本假设是,空间本身是一个有动力学活性媒介,粒子则是这一媒介中的形变和激发。物理学家对于粒子的概念从未像今天这样丰富。

基本粒子是宇宙的基础物质,但它们非常奇怪。既然宇宙中的一切都归结为粒子,那么一个问题就出现了:粒子是什么?一个简单的答案是,它是像电子、光子、夸克这样的“基本”粒子。但这样的回答很快被证明是难以令人满意的。因为这些粒子被认为缺乏亚结构,且不占据物理空间。

在基本粒子之外,任何其他物质的性质都取决于其物理组成,最终也就是其组成的粒子。但这些粒子的性质并非来自自身的组成成分,而是源于数学模式。

作为数学和现实之间的接触点,粒子暧昧不明地横跨在这两个世界之间。粒子是什么?在询问了十几位粒子物理学家之后,他们给出了非常不同的描述,并且强调,彼此的答案并不冲突,而是捕捉到了现实的不同面向。他们还提到了当今基础物理学的两项重要研究,这些研究在追求一种更令人满意的、包罗万象的粒子图像。

粒子是坍缩的波函数。在我探测到它的那一刻,波便坍缩,变成了粒子。(粒子就是)坍缩的波函数。—— Dimitri Nanopoulos

粒子是场的量子激发。在物理学家眼中,粒子是什么?它是场的量子激发。我们用量子场论这一数学语言来书写粒子物理学。这里有很多不同的场;每一种场都有不同的性质和激发状态,这些场根据性质的不同而不同,我们可以认为场的激发是粒子。——Helen Quinn

粒子是群的不可约表示。粒子至少由庞加莱群的不可约表示所描述。自从维格纳发表了关于庞加莱群的不可约表示这一基础性论文以来,物理学中一个(或许隐含的)定义是,基本粒子‘是’表示‘自然对称性’的群 G 的不可约表示。——Yuval Ne’eman & Shlomo Sternberg

粒子是量子比特海的一种变形。每个粒子都是量子化的波。波是量子比特海的变形。——文小刚

粒子是我们在探测器中测量到的东西。粒子是我们在探测器中测量的东西……我们逐渐形成了一套语言,认为量子场是真实的,粒子是场的激发。我们谈论虚拟粒子,以及所有东西——但场不会让任何探测器滴答作响。——Nima Arkani-Hamed

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