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有关光子衰变的问题讨论

(2018-10-25 20:53:11)
标签:

光子衰变

沈建琪

物理机制

电动力学

标准模型

分类: 自然科学总论

有关光子衰变的问题讨论

 

 有关光子衰变的问题讨论


今天(即,2018年10月25日),我在《物理爱好者》微信群中提出了两个问题。第一个问题是,光子衰变成正反电子偶时,磁场哪里去了?第二个问题是,在光子衰变成正反质子偶的过程中,组成质子的夸克是如何创生的?浙江大学沈建其教授代表有较大话语权的主流科学家以现有的正统理论——量子场论和标准模型理论为依据作了回答。沈教授不厌其烦地回帖使我受益非浅。然而,看了沈教授的回答我仍然有一些疑问。 

沈的回答1当光子衰变成正反电子偶时,实际上电场和磁场都消失了。电动力学四维矢A表示光场。所以,只要关心A怎么消失即可。电子场与光子场都是真空态的激发。光子衰变为正反电子,实际上是相当于两个态之的跃迁。态变了,波函数就自然变了。你这个问题等价于问:在氢原子内跃迁时,原激发态波函数是怎么消失的,新态波函数是怎么产生的?用数学方程讲,就是态波函数演化而已。

涂的疑问1

电子中只有电场,而其前身同时具有电场和磁场。光子衰变保留了电场而磁场消失了。我问的实际上是“磁场是怎么消失的”。沈的回答是在“两种态之间跃迁”,量子场论承认的只是“在两个态之间突变”,这种变化不符合因果律(光场的突然消失不是电子场突然产生的原因)。按常理,跃迁过程再快,也应该是以有限速度完成的渐变过程(沿着一条因果链变化)。有什么强硬的理由说,电子中的电场不是由光子中的电场变过去的呢?要知道,这两电场在电动力学的数学描述(例如,麦克斯韦方程组)中都可以用E来表示。这很容易让人想到,这两种场是有联系的(只是人们尚不知道具体联系方式。我的提问,实际上就是问这种联系方式是怎样的。沈教授说学物理的人从来就不这么问。那是因为受到了教材、教师和老板的习惯性观念和思维方式的引导,放弃了对难肯的过程的深入探索。这正是大部分科班出身的学者的悲哀——不相信教材和教师就不能通过——而不是自学者的值得嘲笑的无知者无畏),而不是跃迁说中认为的没有任何关系。现有的数学描述只能认为跃迁发生的速度是无穷大或者跃迁的具体过程不可知。从紧接着的交流来看,沈教授倾向于认为没有必要知道具体的跃迁过程(沈教授在27日的跟贴中说这是我对他的误解。他的意思是路径积分量子化已经将过程表述得清清楚楚,这才没有必要再问了)。现有理论没有阐明从光子态到电子态具体怎么跃迁。我脑中的疑云没有因沈的回答而消散。认为光场突然消失而电子场突然产生,光子与它衰变成的正反电子偶之间的关系就不是因果关系(光场消失和电子场产生的原因都不明)。这是宁愿将粒子当作幽灵也不愿意探求真相。实际上,“沿着一条因果链逐渐变过去的真实感要比“瞬隐瞬现,幽灵般地一跳”的真实感更强。

再说,如果当年麦克斯韦根据其方程组预言的电磁波只是具有电场的电波而不是同时具有电场和磁场的电磁波(或者假设有人发展了电磁理论而预言光子中只有电场而没有磁场),用一个矢量A表示光场岂不是更合适?就是说,用矢量A表示光场,其具体的内容不是唯一的。即,如果光子中本来就没有磁场,也可以用电动力学中所用的数学方式描述光子的衰变过程。认为数学上的一个矢量A与物理学中的两个矢量——电矢量E和磁矢量B对应,就是在光子衰变前就已经忽略了电场矢量和磁场矢量之中的一个。这种给数学量赋予物理意义的方式是否脱离现实呢?

数学上的描述与物理学的描述是不一样的。数学上的描述转化为物理学的描述是一个赋予数学以物理意义的过程。数学上的描述一般是定量的描述方式和结果。而物理学描述注定包含定性描述的成份。举一个简单的例子。建立一个f=ax的函数(其中a是常数,x是自变量),求它对时间t的一阶导数得f'=a(dx/dt).求它对t的二阶导数得f"=a(d2x/dt2).  这是数学表述,也是数学上的演化过程。尚没有赋予物理意义,但可以赋予该过程多种不同的物理意义。如果赋予牛顿力学中的物理意义,那么,该函数的一阶导数的物理意义是动量表达式——动量等于质量与速度之积,该函数的二阶导数的物理意义是牛顿第二定律。数学式子的意义显然与物理意义不同。路径积分量子化只是一种数学计算方法,其中的路径实际上是数学模拟路径而不是体系发展的具体路径(不是物理意义上的路径)。路径积分量子化只是将走某条路径的概率(概率幅或几率密度,或其他可观测量)搞得很清楚,而不是将物理过程搞得很清楚。总之,路径积分量子化的数学演化不能将跃迁过程描述清楚。从字面上看,既然是量子化就有不连续过程。其中还是有突变,只是突变的跨度小了许多。实际上,路径积分量子化是一种定量描述方式,用于计算概率等可观测量。在赋予物理意义之前它本身不包含物理过程的演化(不能描述具体的物理演化机制)。路径积分量子化方法的建立必须借助两个假设,还必须承认波粒二象性和海森伯不确定度原理。其中的传播函数并不代表事物发展的具体形式。况且,数学模拟路径不一止一条而是有多条。只是各条路径的概率可以计算。具体应用到我提到的两个问题上,路径积分量子化并不能描述光子中的电场是怎么消失的,电子的电场(或夸克)是怎么产生的,不能说明光子怎么一步一步地变化成正反电子偶和正反质子偶的(对于光子衰变成正反电子偶,从物理学上仍然只能认为光子态突然消失而电子态突然出现,不清楚中间是如何过渡的)。相信两态之间跃迁的人还是认为发生了幽灵般的突变。在这两态之间搞一个传播函数出来是为了计算概率的方便而不代表体系真的按这种函数演化。

沈的回答2(光子衰变成正反质子偶)是一个很复杂的过程。中间经过了不少步骤。最起始的步骤是夸克也有正负电荷,参与电磁作用。因此,光子首先衰变为正反夸克。后者再经过一系列强作用变为正反质子。

涂的疑问2

如果说光子首先衰变成夸克,从能量上看是不可能的,也不能说明夸克具体是怎么来的。如果高能光子首先衰变成第一代夸克(上夸克和下夸克。注意这里所说的“代”不再是指辈份,就QCD理论中的“色”不再是指颜色,“昧”不表示味道一样),那么第一代夸克组合成质子需要大量胶子结合能。能量刚过阀频的高能光子的衰变很难提供这种胶子结合能。因此,如果说光子经过衰变成夸克而最终得到质子,这种衰变也一定是衰变成质量比质子大得多的第二代或第三代夸克。一个二代以上夸克的质量是一个质子质量的许多倍(从几十倍到几百倍不等)。可见,无论是这两种情况的哪一种,光子经过衰变成夸克的中间过程最终得到质子,都必须突破一个超高的能量壁垒。即使是宇宙射线中的光子也不能突破那种能量壁垒。无论怎么撞击强子都不能得到自由的夸克也是这种能量壁垒存在的一种证明。就算光子能突破巨大的能量壁垒而首先衰变成夸克,岂不是能得到自由的夸克?夸克结合(或衰变)成质子总需要一定的时间吧!这个“一定的时间”就是自由夸克的存在时间。如果说生成的夸克以无穷大的速度合成(衰变)正反质子(即新生成的夸克的存在时间为零),我们就可以认为夸克根本没有存在过。目前,学术界也没有承认人工得到过自由夸克。第一代正反夸克相互接近,最容易发生的过程应该是湮灭而不是结合成正反质子。要聚齐两个上夸克和一个下夸克聚齐才能结合成一个质子。而在一个光子的一次衰变过程中,这种“聚齐”事件发生的概率很低。由于第二代和第三代夸克衰变成质子会放出超大量的能量,这些能量大部分以光子的形式扩散。但是,“光子衰变过程中有大量光子扩散”没有实验证据。另外,高能光子衰变成正反质子偶,只要阀频达到了两个质量的总能量就可以发生。处于这种阀频的光子相当的能量远低于第二代及第三代夸克的能量。因此,光子衰变成第三代和第三代夸克的中间过程不可能存在。

我认为大自然遵守“简单化原则”。简单的东西才是最美的东西。把一个简单的过程搞复杂了,理论就变丑了(犹如理论打了许多补丁。例如,亚理士多德和托勒密地心说需要用本轮和均轮的补丁来校正)。

在盖尔曼提出夸克模型之前,现在用于描述光子衰变的数学早就存在。但是,在这种情况下,数学并不能预言光子衰变成电子和质子(特别是不能预言光子衰变成质子时,中间会经过一个夸克存在的过程)。只是在盖尔曼提出夸克模型之后,才认为那些数学描述与光子衰变的物理过程对应。可见光子衰过程的物理学解释是凑上去的。

沈教授的回答2与回答1在思维方式上是反其道而行之(强调的思路和标准不统一:一种是尽量忽略光子衰变的具体过程和机制,另一种是要弄清光子衰变的细节)。沈的回答1是尽量将一个跃迁过程简单化而反对讨论具体的变化机制和变化过程,而沈的回答2是将跃迁过程放慢而尽量弄出一个具体的变化机制和变化过程。按照回答1的思路,回答2思路就是不正确的。按照回答2的思路,回答1思路就是不正确的。

涂的哲学思考:

用扳手拧螺丝,扳手只是工具,不能主宰螺丝的功能及其在机器中的作用。扳手对螺丝在机器中的作用的影响在于人的掌控与扳手本身无关。现有的物理学认为数学工具就是物理学本身。这好比用于拧螺丝的工具(例如扳手)是螺丝的灵魂,主宰螺丝的功能及其在机器中的作用。这是用数学代替物理的毛病。

现实生活中的一切过程都是沿着因果链的变化过程。所有的随机过程的背后都有具体的因果链。我猜有人会说,在微观世界中,微粒的发展变化有纯随机的过程。这不是微观世界可以不符合因果律,而是量子力学家人为的选择了放弃探索难以了解的过程而默认因果链是断裂的(陷入了不可知论)。认为因果链断裂(或者听任因果链断裂)具有必然性,只是的阻止进一步探索因果链断层中的秘密”的理由(坚持不可知论原因也在于此)。认为不符合(无论是表观不符合还是背后的实质性不符合)因果律的过程不是未知过程就是杜撰的非真实过程。不少跃迁过程就是未知过程,而量子态坍塌过程和量子纠缠过程都是杜撰的过程。原因也很简单:不要原因而可以创造出结果的东西就是幽灵,世界上(自然界)根本没有幽灵。

小结:

如上所述,量子场论和标准模型理论对光子衰变现象的解释是非常牵强的(有学术投机之嫌),尽管在数学上是优美的。不能描述具体的跃迁过程正是数学的短板而不是数学的威力。

致谢:

感谢沈建琪教授提供现阶段主流科学家的观念和思路。

(注释:目前夸克质量数据是很难得到的。不能直接测量出来,都是计算的。夸克之间的相互作用机制也不是很清楚。不能得到自由夸克,这始终让标准模型理论感到不安。希格斯机制认为是宇宙空间是希格斯粒子阻力之海。这这种阻力只有基本粒子在得到质量时感觉到,而人和天体的运动丝毫不能感觉到。这太让人费解了,严重影响了希格斯机制的可信度。)

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