前面曾提到过，按照ＱＥＤ理论电子周围总伴随着电子云存在。它们由虚的光子、电子和正电子对组成。由于排斥作用，虚电子被推到远离电子的外层区域。虚的正电子被吸引到电子的周围。电子的负电荷被包围的正电荷所屏蔽，所以真正的裸电子是看不到的，通常见到的总是被屏蔽的或“穿了衣服”的物理电子。本来按照库仑定律电荷之间的作用力随分开的距离增大而减小，屏蔽作用使这种趋势更明显些。
按照ＱＣＤ理论，夸克的周围也有粒子云包围。它是由虚的夸克、反夸克和胶子组成。这个粒子云起的作用比电子云要复杂得多。主要是胶子之间存在很强的作用，它们也带色荷。于是粒子云不仅没有把夸克的色荷屏蔽掉，相反的是，反而使色荷增强。这使得夸克分离得越远，色相互作用力反而越强。通常称为反屏蔽效应。理论家证明，这是一切非阿尔群理论的共同特点。当夸克距离很近的时候，反屏蔽不起作用，夸克之间几乎没有胶子交换，于是很象一个自由粒子，这就是渐近自由。
当夸克距离很远的时候，交换的胶子数目大大增加，反屏蔽效应极强，夸克之间会发生非常强的吸引力，使它们紧紧地拉在一起。理论家们给出一个简单的估算，要想把夸克和反夸克拉开一个宏观的距离比如一米，需要的能量高达１０１３ＧｅＶ，比现在最大的加速器的能量大一百亿倍。即使能修建一个环绕地球赤道的大加速器，也远远达不到这样高的能量。这个例子告诉我们，ＱＣＤ理论能够对夸克被永远禁闭在强子内给出一些定性的解释。可惜的是，迄今，这个理论已经建立了二十年，仍未能精确地证明夸克的禁闭。理论家们仍然只能利用从实验得到的知识，建立一些模型来处理有关禁闭的问题
超引力与大统一理论的结合，即局域化超对称大统一理论称为超引力大统一理论。它在一个更高的能标—普朗克质量ＭＧ之上，把四种相互作用力统一了起来。ＭＧ实际上就是引力常数λ倒数的平方根，它大约为１０１９ＧｅＶ。在这样高的能量下引力效应变得很强，与强、弱、电相互作用不再可区分。
普朗克质量相应的温度为１０３２Ｋ，这个温度只有在大爆炸产生宇宙的最初１０－４４秒的极短瞬间内才能达到。只有在那时，才能真正的实现四种相互作用力的统一。过了１０－４４秒，引力首先分离了出来，到１０－３６秒大统一也破缺了，强作用与弱电统一的相互作用分离开来，再到秒时弱电统一的对称性也破缺了，10SU(2)U(1)弱作用与电磁作用分家，得到我们在普通的低能下见到的情况。从定性上看，这种统一的图像似乎很诱人，四种相互作用可以用一种单一的相互作用来代替，不管它们的实现所要求的能量有多么高，存活的时间多么短暂，实现这个目标似乎已经不再是一个梦想。然而这毕竟只是一种定性的图像，回到我们的今天的、低能的定量的理论，情况就并不那么简单了。超引力大统一理论实际上相当复杂。理论的自由参数不但没有减少，实际上反倒增多了。理论预言了大量的超对称粒子，它们的质量究竟有多大，理论家只能给出一个大致的估计。下一世纪初预计将会有能量为５００ＧｅＶ左右的ｅ＋ｅ－直线对撞机ＮＬＣ投入建造。西欧中心（ＣＥＲＮ）将建成７ＴｅＶ×７ＴｅＶ的质子－质子对撞机ＬＨＣ。人们普遍认为，如果在这些机器上仍然找不到这些超对称粒子，则超对称性的理论将会受到严重的威胁。
首先，当前粒子物理理论的状况显得非常奇怪。一方面，经过几代理论物理学家半个多世纪的努力所建立的标准模型，无疑是可以与法拉第、麦克斯韦的电磁理论相比的划时代的辉煌成就，是理论物理学家对人类科学发展做出的又一伟大贡献。除了希格斯粒子没有找到以外，标准模型给出的所有理论预言都与精确的实验数据符合得非常之好。它有很强的预言能力，基本粒子的一切强、弱和电磁过程都可以用它定量的计算。实验检验的不仅是那些最低级的所谓树图过程，而且还包括单圈，甚至一些双圈的高级过程。随着实验精度的不断提高，给超出标准模型的理论留的余地越来越小。但是另一方面，这个理论的确又有许多难解之谜。爱因斯坦曾经讲过：“一个理论越深刻，它的前提就越简明，它描述的事物就越多，它适用的范围就越广泛。”以此来衡量，标准模型很难认为是一个真正“深刻”的理论。为了解释几十种粒子的质量，在这个模型中不得不引入十几个参数，它们都与一个捉摸不透的希格斯粒子有关。做为这个理论框架的基础之一，它的三代结构尽管与实验相符，却给不出合理的解释。凡此种种，可以开列出一个很长的清单，我们在前文已经详细的做了介绍。这么多的“未知”存在着，使理论物理学家们一致认为标准模型充其量不过是一个更好的理论的某种低能的等效形式
带电粒子沿圆周高速运动时，会因同步辐射使带电粒子本身的能量不断损失，因而为维持其圆周运动就必须不断补充能量。理论分析表明，粒子越轻、能量越高、半径越小能量损失越严重，对于环形加速器，ＬＥＰＩＩ已经达到了建造水平的极限
美藉物理学家李政道教授对此有独特的见解。他认为，今天的物理学也有两大疑难，它们都存在于粒子物理之中。一个是对称性的丢失，比如宇称不守恒、ＣＰ破坏及时间反演不变性的破坏等。另一个是夸克看不到，它们永远被囚禁在强子里面。这两大疑难，他认为都与真空的性质有关。物理规律本身，所有的对称性都是对的。由于真空的一些特殊性使对称性破坏了。规范对称性的自发破缺，正是真空的特性造成的，这是一个很好的例证。夸克的禁闭也可用真空是一个理想的抗色电媒质来解释。正如超导体是一个理想的抗磁体，把所有的磁场都排斥在外一样，真空把所有的色电力线都压挤在强子内部，不允许夸克自由地释放出来。于是如果能想办法使真空激发，就有可能观测到真空的物理效应。
李政道认为，本世纪末将投入运行的，布鲁克海文实验室正在兴建的，每核子１００ＧｅＶ×１００ＧｅＶ的相对论重离子对撞机（ＲＨＩＣ）有可能提供这个机会。重的原子核，如金原子核，以极高的速度对撞，会使真空形成夸克－胶子等离子体（ＱＧＰ）。在这种状态下，夸克和胶子的禁闭被解除了。但它只能存活极短的时间，然后，很快地碎裂成极大数量的强子。观测这种相变过程，可以对真空有深刻的了解，从而带来物理学的重大的突破。这个预言是否正确，下一世纪初是可以见分晓的。如果是这样，那么下一世纪的粒子物理学会不会以挖掘真空做为新的出发点呢？
美藉物理学家李政道教授对此有独特的见解。他认为，今天的物理学也有两大疑难，它们都存在于粒子物理之中。一个是对称性的丢失，比如宇称不守恒、ＣＰ破坏及时间反演不变性的破坏等。另一个是夸克看不到，它们永远被囚禁在强子里面。这两大疑难，他认为都与真空的性质有关。物理规律本身，所有的对称性都是对的。由于真空的一些特殊性使对称性破坏了。规范对称性的自发破缺，正是真空的特性造成的，这是一个很好的例证。夸克的禁闭也可用真空是一个理想的抗色电媒质来解释。正如超导体是一个理想的抗磁体，把所有的磁场都排斥在外一样，真空把所有的色电力线都压挤在强子内部，不允许夸克自由地释放出来。于是如果能想办法使真空激发，就有可能观测到真空的物理效应。
李政道认为，本世纪末将投入运行的，布鲁克海文实验室正在兴建的，每核子１００ＧｅＶ×１００ＧｅＶ的相对论重离子对撞机（ＲＨＩＣ）有可能提供这个机会。重的原子核，如金原子核，以极高的速度对撞，会使真空形成夸克－胶子等离子体（ＱＧＰ）。在这种状态下，夸克和胶子的禁闭被解除了。但它只能存活极短的时间，然后，很快地碎裂成极大数量的强子。观测这种相变过程，可以对真空有深刻的了解，从而带来物理学的重大的突破。这个预言是否正确，下一世纪初是可以见分晓的。如果是这样，那么下一世纪的粒子物理学会不会以挖掘真空做为新的出发点呢？
我们在第一篇曾指出，狄拉克于１９２８年把量子力学与相对论结合建立了单电子满足的相对论性量子力学方程并提出了“负能电子海”的假说，认为所有的负能态已被电子占满，它是体系的最低能量态，也就是真空态。这个假说给出了一个全新的真空概念，真空变得不空了！自从爱因斯坦的狭义相对论打破了以太存在的假说之后，人们认为真空就是什么都不存在的绝对真空。相对论与量子理论的结合改变了这一局面。在相对论情况下，由于真空态电子海的出现，所谓的单电子实际上是一个无穷多粒子的系统。所以狄拉克方程是描写无穷多电子的集合——电子场的波动方程，如同麦克斯韦方程是电磁场的波动方程
tiantianlu02 于 2013-12-27 15:10:56 [档案] [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 本文已被阅读： 2125 次 (3378 bytes)
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今天看到一个关于addiction和神经递质（neurotransmitters)关系的简介。虽然一般所说的上瘾是指由药物，毒品诱发的依赖性行为，但觉得对赌博和玩游戏的过度迷恋也相似之处。不知道神经科学对后者的研究有没有类似的结论。
文中说上瘾一般受三个因素的影响：基因，环境和压力。与三种神经递质有关：羟色胺（serotonin），多巴胺（dopamine）和正肾上腺素 （noradrenalin)。羟色胺可以调节人的情绪和感情，缺少羟色胺会导致抑郁或迷恋，以及人的强迫行为。多巴胺又称“快乐物质”。我们在经历快乐的感觉时，多巴胺会释放到大脑的依伏神经核，这是负责奖赏，快乐的中心，然后进入记忆中心，记忆中心然后激活行为中心来重复这一经历。神经的奖赏通道就是建立在重复的快乐经历上， 越快乐的经历越被重复，奖赏通道越强大，大脑也越想要重复同样的经历。正肾上腺素是人体应付恐惧和威胁的荷尔蒙。文中说每个人的基因决定了这三种递质关系的分布是否平衡。对什么东西上瘾多半跟哪一种神经递质失调有关。压力引起的内分泌失调也会触发神经递质的失衡。
孩子在前青春期和青春期的荷尔蒙分泌比较旺盛，对有些孩子来说，游戏很可能是导致这些神经递质失衡的一个外界的诱因。有的父母对孩子玩游戏上瘾的恐惧不完全是毫无根据的。也不是每个孩子都能自我调节和控制自己的行为。父母在担心之余可以考虑以其他活动来调节孩子的行为，比如体育运动可以帮助分泌羟色胺（serotonin）和多巴胺（dopamine），孩子就不需要单单依靠从游戏中来获取快乐了
光子是电磁场的量子，同电子一样遵从量子力学规律。为描写大量光子的体系，需要将电磁场量子化。通常的作法是把电磁场的运动分解为一系列基本的简单的振动，各种基本振动方式代表电磁场的各个自由度。电磁场的量子化被转化为各个基本振动自由度的量子化。由量子力学可知，微观领域中的谐振子量子化的结果能量取值不连续。这样就解释了电磁场的粒子性，即解释了光子的存在。某一振动自由度被激发就相应于产生了一个光子，振动激发的消失就相应于光子的消失。电磁场既可以看作是一个光子的集合，又可以看作是一系列的电磁波。这一想法是狄拉克于１９２７年提出的。按照这一想法可以同样地处理电子场，并由此引入了量子场的概念。
量子场是微观物质存在的形式之一。可以用不同的量子场来描述不同种类的基本粒子。量子场的各种受激态代表处在各种状态下的基本粒子系统。量子场的激发代表粒子的产生，激发的消失代表粒子的湮灭，用量子力学语言，这种产生和湮灭过程用产生和湮灭算符作用于真空态来实现。粒子间的相互作用表现为相应的场之间的作用。海森堡和泡利（１９２９）在此基础上建立了量子场论的普遍数学形式，用来处理各种基本粒子现象。
用前述把场的运动分解为一系列基本振动的办法，我们把作为多粒子系统的场的任一个态与振子的一个激发态联系了起来。一个多粒子系统和一个振子的集合是同一物理实体的两种不同的数学描述。场是一个
无穷多自由度的体系，它的基本动力学变量是场在各个时空点的取值，称为场量，相当于体系的“坐标”。而时间和空间坐标则做为参数标记这无穷多的“坐标”。场的量子化则是把场量对应为在相应的时空点产生和湮灭粒子的算符。与体系的“动量”相当的量称为共轭场量，量子化后也成为一个算符。量子化要求同一时刻不同空间点的场量和动量对易而同一时刻同一空间点的场量和动量不对易，这称为正则量子化条件。物理上，同一时刻空间的距离不为零的两点即使用光信号也来不及联系，在这些点上进行的测量彼此不相干扰，因而我们预期属于这样的两点的物理可观测量彼此对易，这一要求称为微观因果律。所以，量子场论的这一基本要求是相对论性的必然后果。
上述作法意味着处于同一运动状态的光子的数目是不受限制的，这样的粒子称为玻色子
相互作用量子场
从物理学发展之初起，对称性一直是一个强有力的工具。如今，对称性观念以及研究方法已经渗透到物理学的各个领域，变成了物理规律理论表述的支柱，也是迄今发展起来的各种相互作用场论的基础。
一切对称性的根源在于某些基本量的不可观测性，这些基本量称为“不可观测量”。“不可观测量”的存在会使某些“状态”等价。例如，我们通常有这样的经验，如果洗出来的照片上一个人的手表是戴在右手上的，我们会有理由说照片洗反了，因为通常人们总是把手表戴在左手上的。如果照片上的人没有戴手表，我们会去看他的衬衣钮扣或是口袋。总之，我们试图通过区分左和右来判断照片是否洗反了。如果找不到这种左和右的差别，我们就无法区分同一底片正反洗出的两张照片。这时，由于左右的“不可观测”，正反洗出的两张照片看上去一样，或者说是“等价”的。这个例子说明一个对称性原理的三个方面的相互关联性，即不可观测量的假设，相关的变换（这里表现为正着和反着冲洗照片）以及所蕴含的不变性（这里表现为洗出的照片无法区分正反）。
常识告诉我们，一个自由粒子在空间运动的轨迹是一条直线，直线是联结两点的最短距离。实际上这里蕴藏了一个非常重要的原理，即最小作用量原理。作用量是一个依赖于运动轨道的量，它是系统拉格朗日量对运动轨道的积分，随轨道改变而取不同的值，粒子实际经过的经典运动轨道总是使得这个量最小值。通过对作用量在轨道的各种假想改变下的响应进行研究可以得到粒子运动轨道应该满足的方程，也就是运动方程。这种办法完全可以推广用来研究场论，从而得到场方程。这样做的一个最大的优点就是可以很容易地使理论满足相对论性原理以及其它对称性要求。电子场的作用量可以从系统的拉氏量计算出来。在拉氏量的适当选取下，从作用量最小原理得到的运动方程正是狄拉克方程。人们注意到在电子场做如下相因子的改变ψ→ψ，→时，体系的拉氏量保持不变其中代表正电子的场。这种不变性在体系的物理规律的反映即为系统的电荷守恒。所以说，电荷守恒这一由实验总结出的定律在理论上则解释为电子场作用量的一种对称性。事实上，在作用量这个框架内，所有的守恒量都是作用量存在某种对称性的必然后果，这正是我们在第一篇提到的诺特定理。在上面关于场的位相变换中，变换是对场在同一时空点上进行的，称为内禀变换，以区别于那些因坐标系改变而导致的场变换。理论的相对论不变性要求作用量在时坐标改变时保持不变，相应地得到动量、能量和角动量等各种守恒量，这是我们所熟悉的。对于内禀对称性，除了上面已经提到的场的电荷位相变换不变性外，还有如本书基本粒子物理部分介绍的重子数和轻子数守恒等，它们是电荷概念的某种推广。由于这种内禀变换对于场在各个时空点的改变完全相同，所以称为整体变换。如果场在各个时空点的位相改变并不相同而是各自独立，就称为定域变换。显然，整体变换是定域变换的一种特殊情况。
对整体变换的讨论可知，作用量之所以在电荷位相变换下不变，是因为场和反粒子的场以特定的组合形式出现，它们的整体位相改变刚好抵消的缘故。由于定域对称变换中，场的位相的改变与所在的时空点有关，场关于时空的微商的位相变换与场的位相改变不再相等，于是原来具有内部整体对称性的作用量并不具有相应的定域对称性。研究结果表明，保证原来的作用量具有相应的内部定域对称性的途径就是引入一个新的矢量场Ａμ（ｘ），与前面关于外尔规范理论的讨论进行比较得出这个新的场量正是电磁势。这种定域位相变换下的不变性称为定域规范对称性，新引进的矢量场称为规范场。所以，要求理论有定域规范对称性就必然要引入相应的规范场，它起着将时空各点的位相变化联系起来的作用，具体到我们现在的例子，它实际上意味着电磁场传递带电粒子之间的相互作用。
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