当代县域经济网

  • 1
  • 2
  • 3
当代县域经济网/名家专栏 /李后强

爽是一种量子态——从量子场谈爽源和爽感(上)

发布:2024/04/24 11:14  作者:李后强  编辑:卢锦根  来源:当代县域经济  阅读量:

    习近平总书记2024年4月23日下午在重庆主持召开新时代推动西部大开发座谈会并发表重要讲话。他强调,要坚持把发展特色优势产业作为主攻方向,因地制宜发展新兴产业和新质生产力,加快西部地区产业转型升级打造具有地域特色的乡村建设模式发展各具特色的县域经济,培育一批农业强县、工业大县、旅游名县,促进农民群众就近就业增收,因地制宜推进城镇化进程把旅游等服务业打造成区域支柱产业。

 

在全国文旅系统,贵州最早把“爽”与文旅结合,提出“爽爽贵阳”的概念。围绕“产业融合、旅游提质”目标,贵阳构建了“六爽”产业体系,提升了城市品牌和旅游能级。这“六爽”就是爽眼、爽口、爽心、爽身、爽购、爽游。习近平总书记指出,新质生产力的特点是创新,关键是质优,本质是先进生产力,本身就是绿色生产力。为学习贵州“六爽”经验,四川学界提出建立“爽学”和建设“爽村”的设想,取得了一些进展。我们认为,新质生产力包括量子技术、量子场论,“爽村”建设是打造具有地域特色的乡村建设模式的具体行动发展特色优势产业促进农民群众就近就业增收,把旅游打造成区域支柱产业的重要举措。

 

那什么是“爽”?爽感又是什么?去年我们提出“爽是一种张量”,这是从数学层面表述“爽”,有了一种刻画工具。今天,我们提出“爽是一种量子态”,阐述爽是激发态和共振态,这就可以深入到微观层面认识什么是“爽”。从数学“张量”到物理“量子场”,完成了从形式到内容、从表象到本质、从宏观到微观的思考历程,能使我们的认识得到深化。

 

1.jpg

爽字演变

 

爽及爽感,具有复杂性和多样性,本质上是能量的分布和冲击。从甲骨文“爽”字可知,一人两手提两灯,爽与光(光子)有天然亲缘关系。因为电磁场是光子两个电粒子之间的作用力是通过光子的交换来实现的。如果爽感是电磁作用,那么场景是:第一个电粒子放出光子被第二个吸收,而第一个电粒子的作用信息和光子同时传到第二个粒子;第二个电粒子也放出光子被第一个吸收,如此继续下去就是相互作用,也是爽感来源。在提出光子概念后不久,著名科学家爱因斯坦提出对晶体中的振动进行量子化,由此发展成第一个准粒子概念──声子。之后,列夫·朗道主张,各种各样凝聚态系统的低能量激发态都可以用一组准粒子之间的相互作用来描述。直到1928至1930年,科学家们发现物质粒子也同样可以视为量子场上的激发态,就如光子是电磁场的激发态,且每一种粒子都有其对应的量子场:电子有电子场,质子有质子场等等。在此基础上,费米在1932年提出原子核本身虽不含电子,但在衰变的过程中,会在其周边的电子场中激发出一个电子,就像光子可以在电磁场中被激发出来一样因此可以认为,磁场能是爽源,爽感是能量作用,主要是光子的作用。

 

2.jpg

 

3.jpg

 

4.jpg

原子激发态示意图李后强韩毅绘制

 

高能光子(如γ射线进入物质后,可以发生三种效应──电子对产生、康普顿散射和光电效应同时还会产生"次级效应"。例如,高能光子进入物质,产生了正负电子对。产生的高能电子和正电子又可以产生轫致辐射,发射出高能光子。这个高能光子又能产生正负电子对等等如此循环链接不断。宇宙线的级联簇射就是由于这类多级过程构成的。人体是凝聚态,由电子、核子等组成,本质是由光子构成,光子是可能正电子与负电子的平衡态,因此爽是激发态、量子态和共振态。

 

爽感是主观感觉,但也是客观原因造成的,具有爆发性、瞬时性、延时性和记忆性 。感觉愉快、兴奋、舒适、美好就是爽。究竟是什么因素引起爽感?要素很多,但抽象地看,就是能量的冲击作用,电子能级跃迁,出现激发态、共振态。爽感与“库柏对”有关。由约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·罗伯特·施里弗三人提出(BCS理论获得诺贝尔奖)“库柏对”(1956年提出Cooper对概念),解释了超导现象,原因是电子可结合成“库柏对”,这是自旋相反的两个电子的束缚态、结对体,记为(k↑,-k↓)。自然界的粒子只能分为两类,即费米子及玻色子,费米子只能有一种状态,泡利不相容;玻色子是多种粒子同时共存,不遵守泡利不相容原理。玻色子的自旋都是整数,费米子的自旋都是奇数的一半。费米子包括夸克,质子,中子等,它们是构成物质的基本材料,而玻色子则是将这些费米子粘合在一起的“粘合剂”,玻色子包括光子,胶子,W±玻色子,Z玻色子等,它们是相互作用(基本力)的传递者,通过玻色子传递相互作用使得费米子得以凝聚在一起构成基本物质。我们可以想象费米子是构建大楼的不同类型的砖块,而玻色子则是这些砖块之间的水泥钢筋,它们在组成大自然的物质中发挥了各自不同的作用。这两类粒子特性的区别,在极低温时表现得最为明显:玻色子全部聚集在同一量子态上,体现“集体主义”。费米子则与之相反,更像是“个人主义者”,各自占据着不同的量子态。两个电子不能同时在同一位置,电子是费米子,光子是玻色子。从物质构成看,费米子是 “组成物质 ” 的基本粒子(例如电子,质子,中子这些都是费米子),而玻色子(例如光子,胶子,W粒子都是玻色子)是在不同的费米子之间传递相互作用的,玻色子有点像不同费米子之间的邮递员、快递哥。玻色子的传递性质使得它很容易被用一个场来表示,实际上,标准模型中的规范场都是玻色子场,满足洛伦茨对称性,而费米子则直接使用波函数来表示。

 

5.jpg

玻色子与费米子差异,李后强韩毅绘制

 

科学家能够把两个费米子结合在一起成为具有玻色子性质的“费米子库柏对”,这样使费米子对冷凝,成为费米凝聚。“玻色一爱因斯坦凝聚态”物质由玻色子构成,其行为像一个大超级原子。而“费米子凝聚态”物质采用的是费米子,当物质冷却时,费米子逐渐占据最低能态,但它们处在不同的能态上,更像爬楼梯一样由低到高占据所有可能的能级。科学家设法将费米子成对转变成玻色子(库柏对),得到“费米子凝聚态”。人体由玻色子和费米子构成,爽感来自玻色子的传递,关键在“库柏对”形成。因此,研究爽学必须要用好量子学。

 

目前看,研究物质结构最充分的理论是粒子物理标准模型”,是关于已知物质的微观最基本单元--轻子和夸克,最基本相互作用(三种规范相互作用:强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用),产生粒子质量机制--希格斯机制及其量子--轻子、夸克、希格斯粒子和规范相互作用的量子相互作用和转化的基础理论。纯粹从能量角度研究宇宙行为的科学是理论物理学中的量子场论(Quantum field theory,简称QFT)。量子场论是结合了量子力学、狭义相对论和经典场论的一套自洽的概念和工具,涉及许多基本原理和重要概念,包括波粒二象性、测不准原理、光电效应、希格斯场、能量包、库柏对等。这些在爽学中都有应用。在量子场中,特别需要关注的是“量子电动力学”、“量子色动力学”、“费曼图”、“希格斯场”和“标准模型”、“弦理论 ”等概念。理解了这些概念,我们就能透彻把握爽源与爽感的实质。

 

量子(quantum)是现代物理的重要概念。即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。它最早是由德国物理学家M·普朗克在1900年提出的。他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的,只能取能量基本单位的整数倍,从而很好地解释了黑体辐射的实验现象。后来的研究表明,不但能量表现出这种不连续的分离化性质,其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物理,强调连续性有根本的区别。量子化现象主要表现在微观物理世界。自从普朗克提出量子这一概念以来,经爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定谔、狄拉克、玻恩等人的完善,在20世纪的前半期,初步建立了完整的量子力学理论。绝大多数物理学家将量子力学视为理解和描述自然的基本理论,由此发展量子场论。

 

6.jpg

激发态示意图,李后强韩毅绘制

 

量子场论将粒子视为更基础的场上的激发态,即所谓的量子,而粒子之间的相互作用则是以相应的场之间的交互项来描述。每个相互作用都可以用费曼图来表示,这些图不但是一种直观视化的方法,而且还是相对论性协变摄动理论中用于计算粒子交互过程的一个重要的数学工具。换句话说,量子场论把世界看成是能量而不是物质,而且是由最小基本单位——量子构成的系统。因此,我们的身体和我们的感觉都是量子化的,爽及爽感当然也是量子化的,这是全部科学的基点和法则,没有例外和惊讶。我们认为爽学的理论基础在量子场爽是光电效应,由光子作用产生。光子有多种形式,不同光子的能量大小不同,由频率或者波长决定。比如太阳光就是系列光子构成的光谱。可以猜测,物质就是由系列不同光子构成,光子的能量和质量可以相互转化。人也是辐射体,在不断吸收和释放光子。

 

7.jpg

太阳光波谱示意图,李后强韩毅绘制

 

在四个基本相互作用强作用力、电磁力、弱作用力和万有引力之中,引力是唯一无法用量子场论来描述的。除去引力,另三种相互作用都找到了合适满足特定对称性的量子场论来描述。粒子物理的标准模型,共发现了61基本粒子,但不能解释引力和暗物质,并且都是明物质。费米子构成物质基本粒子:轻子和夸克;轻子包括电子电子中微子中微子及各自反粒子共12种。夸克包括带有3种不同颜色的u、c、t上夸克,d、s、b下夸克,及各自反粒子共36种。玻色子传递相互作用粒子:光子、w/z粒子、胶子、Higgs玻色子共13种。目前共计61种基本粒子。如果把引力子算上就是62种。理论物理学家在量子引力方面的各种尝试,促使了1970年代弦理论的发展希望解释基本粒子的结构和“四种力”特别是引力难题1968年提出弦理论最初是为了解释原子核内的强相互作用,基本观点是万物归一,这个“一”就是同一种东西即“弦”。标准模型认为61种基本粒子不可再分,但弦理论认为61种基本粒子可以再分,最后是“弦”,用“弦”把61种粒子统一起来。世界上有意义的最小可测长度是普朗克长度,是长度的自然单位,是物质的最小尺度,普朗克长度1.616x10-35米,即1.616x10-33厘米。弦的长度为1.62x10-35米,比普朗克长度稍大一点。弦理论认为自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子,而是很小很小的线状的"弦"(包括有端点的"开弦"和圈状的"闭弦"或闭合弦)弦的不同振动能量就产生出各种不同的基本粒子,能量与物质可以转化。物理模型认为组成所有物质的最基本单位是一小段"能量弦线",大至星际银河,小至电子、质子、夸克一类的基本粒子都是由这占有二维时空的"能量线"所组成正如小提琴上的弦,一定的振荡模式或者共振频率波长准确地刻画基本粒子长度在10-17米到10-28米之间,比弦长大得多,也比普朗克长度大,从弦到粒子中间没有说明,因此研究弦如何直接产生基本粒子“这个大跨度”,中间还要哪些过渡态。弦理论需要高维度,一般是10维,有的需要26个维数,版本很多。为了解释引力,提出超弦理论,就是认为玻色子和费米子在更深层次是同一种东西,在底层上是统一的,这就是超对称性。超弦理论有5个版本。为解释引力,必须有引力子,其自旋必须为2,这样才只有引力没有斥力。如果自旋为1(如光子)就同时有引力和斥力。我们认为这超弦可能是量子的存在形式,说明量子是二维时空的线弦,实际就是“莫比乌斯膜”(从1维到2维),因此具有“波粒二象性”,既是粒子又是波,变为“莫比乌斯环”(从2维到3维)。在高速运动中,量子可能成为“克莱因瓶”(从3维到4维),因此很多现象我们目前无法解释,原因在于4维空间的事我们还不清楚如何办。这些都是从拓扑学来谈量子特征。弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论本身是一种具有共形对称性的二维量子场论。简单地说,共形场是一类具有标度不变性的量子场。弦论表明,弦尺度非常小,存在着几种尺度较大的薄膜状物体。直观的说,我们所处的宇宙空间可能是9+1维时空中的D3膜。这说明,爽学也是量子场论的分支,有可能用量子理论统一描述爽感及其他爽现象。因为爽也是一种力量,甚至包括了四种作用力,从1维到2维,从2维到3维,最后到4维。爽感属于弦论的研究范畴,可能与超弦有关。弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论,也能说明若干爽现象。

 

 

8.jpg

量子态示意图,李后强韩毅绘制

 

爽应该是一种量子态。所谓量子态(quantum state)物质演化过程中在某时刻的客观存在的状态。例如电磁波在某时刻的电磁转化周期中动量和质量的变化,我们就说其在该时刻能量的量子态。或者说,电子做稳恒的运动,具有完全确定的能量这种稳恒的运动状态称为量子态。换句话说,量子态指量子系统粒子运动的状态由一组量子数表征,这组量子数的数目等于粒子的自由度数。人类社会在某时刻的状态也是一种量子态,它是表征人类社会在该时刻的相互作用状态等等我们知道,量子是不可分的最小能量单位,"光子"就是光的最小单位。量子态通常指宇宙物质量子化运动过程的混沌态(表面无序实质有序)。爽感也是一种量子态,处于模糊混沌状态。量子化过程混沌有序两种状态,二者可以转变,量子有序态也叫可积态(可集态)。现代物理学中对量子的这两种状态之间转变的逻辑关系理不清,才出现了所谓“量子纠缠”的说法。在奇特的量子世界里,量子存在一种奇妙的"纠缠"运动状态。在物理学上,每一次对纠缠光子的测量都会破坏原有的状态,就像冰淇淋,你必须尝一口才知道它的味道。但当你尝了一口时,冰淇淋就已经发生改变。实际上,量子纠缠可能是“一币两面”,同一事物的两种形态,本身就是一个整体,并不是完全独立的两个粒子。“量子纠缠”是由于不明白或不理解量子相互作用而对量子现象的表述涉及量子态隐形传输”。这种传输的对象是信息而不是物质。宝山村位于龙门山“神阙穴”,可能处于“时间隧道”上,或许能发生“量子态隐形传输”。


关注官网微信