量子场论|粒子为什么可以凭空产生或消失？
撰文｜戴瑾
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物质不灭的破灭
在中学的化学课上 ， 学到过一条“物质不灭定律” 。 当汽油燃烧完后 ， 物质并没有消失 ， 只不过汽油中的碳和氢原子 ， 和空气中的氧气结合成了水蒸汽和二氧化碳 。 各种化学反应 ， 只不过是物质在不同组合之间的转换 。
汽油燃烧时的发热 ， 来自于化学反应中 ， 电子能级改变时辐射出的光子 。 面对光子被辐射的这个事实 ， 相信物质不灭的人 ， 或许还可以坚持狭隘的物质观 ， 说光子不算物质 。 但一对正负电子相遇 ， 湮灭成两个光子；这显然不像是这对电子内的成分重新组合 ， 变成了光子；而更像电子消灭了 ， 光子产生了（正电子是电子的反粒子 ， 除了带正电 ， 其他一样） ， 如图1所示 。
图1 正负电子的湮灭
物质不灭是一个假象 ， 只是因为在化学反应中 ， 原子和内部的电子没有足够的能量制造光子以外的粒子 。 自从上世纪50年代粒子加速器发明后 ， 物理学家们发现 ， 高能粒子碰撞出新的粒子 ， 属于家常便饭 。 大量新的粒子种类在加速器上被发现 ， 成就了量子场论的大发展 。
当有粒子产生或消灭时 ， 参与反应的粒子 ， 一般都会接近光速 ， 必须使用相对论 。 大部分粒子是有静质量的 ， 产生一个粒子 ， 最低限度需要的能量 ， 由爱因斯坦的质能公式给出 。
E=mc2
所以 ， 量子场论 ， 也被看成相对论和量子论的融合 。
图2 欧洲核子中心的LHC加速器 | 来源：欧洲核子中心官网
欧洲核子中心的LHC加速器 ， 就是找到了著名的希格斯粒子的加速器 ， 如图2所示 。 它由27公里这样的地下隧道组成一个圆环 ， 高能粒子在隧道内的真空管道中回旋和加速 ， 上千块超导磁铁帮助粒子转弯 。 它可以把质子加速到6.6TeV（1012电子伏）的能量 ， 跟化学反应中1电子伏的典型能量比 ， 高了1万亿倍 。 两个这样的质子的一次碰撞 ， 可以产生成百上千个粒子 。
量子场论 ， 和高能物理这个领域紧密地联系在一起 。 所谓高能物理 ， 就是每个粒子的能量很高 ， 不但比化学反应中的高 ， 比核反应中的也高很多 。
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什么是场？
粒子为什么可以凭空地产生和消失？解释这样的现象 ， 需要一个理论基础 。 让我们从最熟悉的电磁场开始 ， 介绍一下场的概念 。
在我们的中学物理课本中 ， 库仑定律告诉我们两个电荷之间的力和电荷成正比 ， 和距离平方成反比 。 细想起来 ， 库伦定律有一个问题：如果两个电荷在运动中 ， 这个定律好像在说一个电荷能随时“感知”另一个电荷的位置 ， 冥冥中有一些不合理 。
图3 两个运动电荷间的相互作用
运用麦克斯韦方程这套完整的经典电动力学理论 ， 人们发现库伦定律在两个电荷有运动的情况下是需要修正的 ， 一个电荷“感知”另一个电荷的位置有一个小小的时间延迟 ， 这个延迟等于电磁波从一个电荷到达另一个电荷的时间 ， 如图3所示 。 麦克斯韦方程和电磁波的发现 ， 使人们认识到 ， 电磁相互作用 ， 是以有限（尽管非常快）的速度传播的 。 经典电动力学的研究证明 ， 这两个电荷间的能量传递 ， 不是在一方消灭在另一方制造 ， 而是在空间中流过去的 。
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