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2022-05-12 作者:物理学院 来源:科学技术处 责编:王霏皓

物理学院Craig D. Roberts教授解释了庞加莱不变性在客观描述自然界中的决定性作用

自然界所有守恒定律都建立在基本理论在某些变换下的不变性上。例如,动量守恒源于这样一个事实:无论观察者站在哪里,物理定律都必须是相同的,也就是说,它们在空间平移下是不变的;而能量守恒是因为今天的物理定律应该和昨天一样,它们在时间平移下是不变的。这些是最基本科学原理的核心的物理现象和解释不能依赖于观察者对约定、空间位置或时间位置的选择。

17世纪,许多著名的自然哲学家在经典力学中阐述了这些观点,当通过数学来表达时,我们会得出这样一个结论:可观测现象应该显示伽利略不变性。随后历经两百多年的研究和发展在1905年达到顶峰:爱因斯坦提出了狭义相对论被认为是经典力学中已知的最高形式。在这个框架中,一更大的统一不变性发挥了作用,总体数学结构由庞加莱不变性的要求决定。

20世纪初还出现了量子力学,它提供了微观及更小尺度自然现象的描述。量子力学有许多微妙之处,其中一些至今仍然困扰科学家。一开始,将狭义相对论与量子力学协调起来是其中最大的难题。接下来的一百年提供了强有力的证据,证明量子场论是解决这个问题的唯一可能的方法;但这里也有一些问题,因为量子场论的严格数学形式还不可用。尽管如此,量子场论的任何表述和应用都必须满足庞加莱不变性。

近期,南京大学物理学院Craig D. Roberts教授和两位国际同事发表了一篇观点文章(Perspective)解释了量子场论的标准哈密顿方法违反庞加莱不变性,带来具有人artificial动力学效应的预,并可能使对给定物理系统的基本描述变得模糊、难以理解。这些问题已经在很长一段时期内使量子场论的传统正则量子化变得复杂,并导致了对自然现象的主观描述。事实上,如果系统涉及强相互作用——核物理和粒子物理领域主要基本相互作用,那么可能很难使用正则量子化获得客观结果,因为人动力学(力)本质上是非微扰的。相比之下,使用光量子化来处理同一问题,利用固有时而不是经典时间,可以保持庞加莱不变性,不会产生虚假的效应;因此,强相互作用问题的处理变得更简单。

在详细解释这些问题及其解决方案的过程中,本文揭露了一个奇怪的普遍误解,即洛伦兹收缩(广泛应用于为学生解释狭义相对论)与理解相对论重离子碰撞有关。也就是说,通常用来说明和解释相对论重离子碰撞物理的饼图是不正确的。此外,关于宇宙常数这一宇宙加速膨胀和暗能量的基础,这一观点文章强调,粒子物理界有相当一部分人认为粒子物理标准模型与观测结果的差异是10120因此一个非常严重的问题,但真实情况并非如此。事实上,由于所谓的凝聚并没有满宇宙,而是被包含在强相互作用束缚态中,所以在平时空中建立的标准模型根本不会产生任何宇宙常数。

这些快速移动的"薄饼"旨在说明碰撞电离核A的洛伦兹收缩,正如狭义相对论所预言的。然而,如果在其中一个离子静止且不收缩的坐标系中描述同一事件,那么运动的离子必须更加洛伦兹收缩。因此,"碰撞薄饼"的图像取决于观察者的参照系,这与庞加莱不变性相矛盾,故而不能在理解碰撞中发挥任何作用。事实上,并没有外部基本力作用在移动的离子上,从而扭曲其形状。碰撞薄饼的概念是错误的,是一种赝效果。

论文以"Artificial Dynamical Effects in Quantum Field Theory"为题在《Nature Reviews Physics》发表。该期刊主要发表基础物理和应用物理所有领域高水平综述和评论文章。按照高能物理学术界惯例,论文三位作者按姓氏字母顺序排列。研究工作得到了南京大学高层次人才科研启动经费及国家自然科学基金重点项目的资助,在此表示感谢。

论文链接:https://rdcu.be/cM9SN