三、物质存在的基本形式

    人们较早地认识到,粒子是物质存在的基本形式,粒子在空间占有一定的体积,有不可入性,具有质量、能量、动量和角动量。随着研究的深入,特别是电磁学的发展,从而对电磁场有了深刻的了解,使人们认识到,场不能只看作是为了描述物理规律的方便而引入的概念,场本身也是物质存在的基本形式,场也具有质量、能量、动量和角动量。与粒子不同的是,场是充满全空间的,没有不可入性,可以互相重叠地一起存在。场可以脱离粒子而独立存在,可以独立地运动、传播和演化。

    所以,粒子和场是物质存在的两种基本形式。

    量子场论对物质存在的形式作了这样的描述:

    (1) 与每种粒子相对应存在一种场,对应各种不同粒子的各种场互相重叠地充满全空间。例如,与光子相对应存在电磁场,与电子相对应存在电子场,与中微子相对应存在中微子场,与质子相对应存在质子场,与中子相对应存在中子场,它们同时存在于全空间。

    (2) 各种场的能量最低状态,称为这种场的基态,当一种场处于基态时,这种场就不能通过状态的变化释放能量,也就不会输出任何信号,从而不会显现出直接的物理效应,这时就不能观测到粒子的存在;当一种场处于激发态时,这种粒子就出现了,场的不同激发态表现为粒子的数目和运动状态的不同。例如,电磁场的激发态表现为出现光子,电子场激发态表现为出现电子。

    根据上述认识,可以得到这样的结论,即物质的两种存在形式中,场是更基本的,粒子只是场处于激发态的表现。

    大家知道,场的运动状态是可以用一个复数量来表示的,互为复共轭的两种激发态分别表现为粒子和反粒子两种物理状态。例如,电子场的一种激发态表现为存在一个电子,该激发态的复共轭所表示的激发态,表现为存在一个能量、动量和自旋角动量都与电子相同的粒子,这个粒子就是电子的反粒子,即正电子。如果某种场是用实数量来表示的,那么该场的激发态也用实数量来表示,因为实数量的复共轭就是该实数量本身,所以与这种场相对应的粒子就是它自身的反粒子。这种用实数量表示的场称为纯中性场,与纯中性场相对应的粒子称为纯中性粒子。电磁场就是用实数量表示的纯中性场,g光子就是纯中性粒子,反粒子就是g光子自己。

    当所有的场都处于基态时,任何一种场都不可能释放出能量,都不可能输出信号,也就不可能显现出粒子,这就是物理上的真空,即物理真空。可见,真空并不是空无一物,而是充满了各种场。

       
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