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1707612723 至于由此产生的发散困难,在20世纪70年代之后随着重整化(renomalization)方法的成熟而得到了较为系统的解决。不过尽管人们对重整化方法在数学计算及物理意义的理解上都已相当成熟,发散性的出现在很多物理学家眼里仍基本消除了传统量子场论成为所谓“终极理论”(theory of everything)的可能性,这是后话。
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1707612728 因为星星在那里:科学殿堂的砖与瓦 [:1707611293]
1707612729 因为星星在那里:科学殿堂的砖与瓦 六、质量电磁起源的破灭
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1707612731 既然量子电动力学与经典电子论一样具有电子自能,那它能否代替经典电子论实现后者没能实现的把质量完全约化为电磁概念的梦想呢?很可惜,答案是否定的。
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1707612733 这可以从两方面看出来。
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1707612735 首先,从δm~αmln(Λ/m)中可以看到,由电磁自能产生的质量修正δm与裸质量m的比值为αln(Λ/m)。由于α≈1/137是一个比较小的数目,ln(Λ/m)又是一个增长极其缓慢的函数,因此对于任何普朗克能标以下的截断,ln(Λ/m)都是一个比较小的数目(特别是,这一数目小于1)。这意味着由电磁自能产生的质量修正是比较小的——比裸质量更小[13]。
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1707612737 另一方面,即便我们一厢情愿地把量子电动力学的适用范围延伸到比普朗克能标还高得多的能区,从而使δm变得很大,把质量完全约化为电磁概念的梦想依然无法实现。因为电子的电磁自能还有一个很要命的特点,那就是δm∞m。这表明,无论把截断能标取得多大,如果裸质量为零,电子的电磁自能也将为零。因此,为了解释电子质量,裸质量不能为零,而裸质量作为量子电动力学拉氏量中的参数,在量子电动力学的范围之内是无法约化的,从而终结了在量子电动力学中把质量完全约化为电磁概念的梦想。
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1707612739 有的读者可能会问:电磁自能既然是由电磁相互作用引起的,理应只与电荷有关,为什么却会正比于裸质量呢?这其中的奥妙在于对称性。量子电动力学的拉氏量:
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1707612745 在m=0时具有一种额外的对称性,即在下不变(请有兴趣的读者自行证明)。这种对称性被称为手征对称性(chiral symmetry),它表明在m=0的情形下电子的左右手征态:
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1707612750 不会互相耦合。另一方面,(读者可以很容易地证明)电子的质量项
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1707612755 却是一个电子左右手征态相互耦合,从而破坏手征对称性的项。这样的项在电子的裸质量不存在——从而量子电动力学的拉氏量具有手征对称性——的情况下将被手征对称性所禁止,不可能出现在任何微扰修正中。因此δm~αmln(Λ/m)这一结果的出现是很自然的[14]。
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1707612757 至此我们看到,试图把质量完全归因于电磁相互作用的想法在量子理论中彻底地破灭了。电磁质量即便在像电子这样质量最小——从某种意义上讲也最为纯粹——的带电粒子的质量中也只占一个不大的比例,在其他粒子——尤其是那些不带电荷的基本粒子——中就更甭提了。
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1707612759 很显然,质量的主要来源必须到别处去寻找。
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1707612765 因为星星在那里:科学殿堂的砖与瓦 七、对称性自发破缺
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1707612767 质量的电磁起源破灭后,质量起源问题沉寂了很长一段时间。但物理学本身的前进步伐并未因此而停顿。物理学家们手头有大量的观测数据需要分析和解释,同时理论体系本身也有大量的问题亟待解决。对现代物理学的发展来说,这些具体或细节问题是远比解决像质量起源那样的本原问题更重要的动力。另一方面,现代物理学在研究这些具体或细节问题中逐渐积累起来的智慧与洞见,又常常会为更深入地探求本原问题提供新的思路。这是现代物理学的卓越之处,也是它没有像那些只注重于深奥的本原问题,却对细节不屑一顾的其他尝试那样流于肤浅的重要原因。
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1707612769 物理学再次回到质量起源问题是在20世纪60年代。
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1707612771 在20世纪60年代初的时候,物理学家们在对基本粒子的研究中已经发现了许多对称性。对称性在物理学中一直有着重要地位,不仅由于其优美的形式与某些物理学家对自然规律的美学追求十分吻合,更重要的是因为它们不仅中看,而且中用,有一种穿透复杂性的力量。即便在对一个物理体系的动力学行为还缺乏透彻理解的情况下,对称性也往往具有令人瞩目的预言能力。这最后一点在20世纪五六十年代的粒子物理研究中具有极大的吸引力,因为当时人们对基本粒子相互作用的动力学机制还知之甚少,而且对在很大程度上为研究基本粒子相互作用而发展起来的量子场论产生了很深的怀疑。在这种情况下,许多物理学家对对称性寄予了厚望,希望通过它们来窥视大自然在这一层次上的奥秘。
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