狭义相对论基本假设的量子场的解释.doc

狭义相对论基本假设的量子场解释狭狭义相对论基本假设的量子场基态解释

陈蜀乔
(昆明理工大学交通学院 云南 650051)

摘要 本文给出了一个称为“测量协变”的物理学效应. 真空不空会导致“测量协变效应”的产生, 由测量协变效应我们能得出自洽的相对论两条基本假设．

关键词 量子场基态 相对论 测量协变

相对论和量子力学是现代物理学的两大基石．相对论的真空是空无的, 量子场理论的真空却不空, 两种理论存在共同的出发点吗？现在我们来考虑这一最基本的问题。狭义相对论的两条基本假设归结如下：
1) 物理学定律在所有惯性系中具有不变的形式．
2) 自由空间中, 光传播速度具相同的数值, 与惯性系的运动速度无关, 与光源速度无关．
在广义相对论中, 上述两条基本假设中的惯性系被推广至任意参照系, 一切参照系都是平权的。并把第一条基本假设称为广义协变原理。
爱因斯坦在他晚年一再强调“真空不空”的观点[1]．对于两高能粒子相撞产生更多的粒子使我们意识到物质不能凭空产生, 真空不空已是一个不争的事实．在量子场论中, 所有的粒子都是基态场的激发态, 而真空则是量子场的基态．我们把基态量子场及其激发态统称为量子场, 因而把时空视为由量子场构成是一种对“真空不空”无法回避的自然的推论．本文把真空的性质限制在量子场的范畴．对真空性质的进一步讨论见其他文献[2]．

1 广义协变原理

图1 二维弯曲流形
从量子场的角度来看, 由量子场基态构成的时空, 空间弯曲的概念和爱因斯坦所构想的不一致, 这里的“弯曲”是以真空存在场为基础, 且这种“弯曲”是由基态量子场的整体上存在“弯曲”．表现为时空弯曲, 即光传播路径发生弯曲以及存在引力场．
测量协变：高斯考虑过下述问题[3]．假想有一个两维曲面, 上面居住着有理智的两维动物, 他们能够确定他们的空间是弯曲的吗？仅仅借助在曲面内所做的测量, 有可能确定诸曲率要素吗？高斯发现这确实是可以办到的, 首先我们依照一种既有规律又相当任意的方式对曲面上的点进行标记, 任意两族曲线常数和常数构成了坐标系, 如图所示. 直接测量点和间的长度, 得同样, 测量和的长度, 得和, 高斯得出了一组公式, 使曲率可以用度规及其导数表示．
曲率是一种内在的属性, 任何一给定点上的曲率在各坐标中均有相同的值．爱因斯坦的引力理论将空间的曲率同应力和能量的分布联系起来．在这里, 当尺子从一点到另一点时, 尺子的长度不发生改变，尺子和曲面是独立的, 互不影响．
现在我们来考虑另一种情况，我们所生存的四维时空情况．由于所有的物质都由费米子构成, 是真空基态场的激发态．因而尺子本身也是由费米子构成，为基态场的激发态．因而尺子以我们人类自身都是场的激发态．换而言之，我们人类的理智和测量工具都“浸没”于量子场基态中，不能离开场(时空)而独立存在，物质和真空是场的不同形态．现在我们来建立“测量协变”的概念．
我们以图(a)为平直基态场的示意图．我们可以建立一个最简单的直角坐标系．我们和尺子都浸没于基态场中．当整个真空场大范围发生形变时, 我们能够感知吗？此时原来的坐标架由变为, 这时我们能够测出坐标变化吗？高斯的方法是否可行？得到的结果十分惊人．答案是否定的．
现在我们具体来看一个例子. 平直空间无引力存在, 度规张量 ; 如图2所示. 设角尺为．当真空场发生弯曲时, 在弯曲空间中, 度规存在引力场. 以地球为参照系, 考虑一种最简单的情况: 在自由下落的箱体中, 角尺在弯曲空间处的初速度, 时间为，浸没于基态场中的尺子和时钟随时空的弯曲也发生相应的弯曲, 当自由下落至弯曲空间处时的瞬态, 瞬态速度, 尺子也随空间改变而改变, 考虑沿运动方向，尺子由静止时的长度收缩为; 时间由变为而发生膨胀, 满足
Lx

L A
Ly

L B

(a) 平直流形的测量 (b) 测量协变
图2 时空的测量
(1a)
(1b)
这里, 由低速态变为高速态对应空间收缩, 时钟变慢．不同速度对应不同的时空收缩态．每一种不同形式的时空态都对应一个参照系．但随尺子运动的我们在处和处测量到的结果却完全相同．不仅如此，连理智也随着场的弯曲而发生相应的弯曲(这里的场无破裂)．于是智者用尺子精确测量出来的结果没有任何变化．对于在真空场中运动的光波显然也随场的弯曲而传播的轨迹也发生弯曲．那么我们这些智者便无法感知空间的形态．于是我们人类自己不可避免地要发生测量协变．换言之, 在自由下落的箱体中, 我们没有任何感觉。这种由于感知和观测一齐随空间改变而改变，最终导致无法感知空间的形态变化．我们把这种效应定义为测量协变．具有测量协变效应的参照系为惯性参照系. 由于背景真空场的形态变形是任意的, 因而这里所指的空间的惯性参照系可以推广至任意参照系。
由此可见，高斯所谈及的是尺子、曲面和理智都是相互独立的，满足这样的条件才能感知出二维曲面的形态以及建立相应的几何学．测量协变性使平直空间和弯曲空间失去了判别的标准．由于存在测量协变，因而对弯曲空间我们无法感知，所有的一切在我们看来和平直空间完全一样，因而所有的运动规律和运动形式也没有任何变化，换而言之，物理学定律由平直场变为某一形变场时为，没有变化．即
(2)
这表明物理学定律在任何参照系中都应有相同的形式, 而且参照系并无优劣之分。这正是广义协变原理。例如在弯曲空间中，存在引力场．当处于自由下落的状态时，我们失去了对空间的判断能力，于是我们认定空间是平直的, 即
(3)
为测量协变效应．这正是真空中的爱因斯坦场方程．

2 参照系间的相对性

真空不空的引入, 有可能产生这样的疑问：真空中的物质本身会构成一个自然的参照系, 这样真空不空意味着存在一个绝对参照系，因而便会破坏参照系间的相对性。情况是否如此呢？其实测量协变效应的存在使得参照系间的关系满足相对论。
我们现在来具体考虑两个参照系和。在参照系中建立一个“平直”坐标系．这里我们要特别注意的是由于测量协变效应的存在, 参照系内所有的一切费米子和玻色子都随背景真空的弯曲而随之弯曲，时空的弯曲与否是以光的路径和直尺为基础的, 因而我们对我们自身参照系的时空弯曲一无所知，平直空间和弯曲空间失去了判别的标准．时空不存在绝对平直，“平直”本身失去了意义。对于另一个参照系来说, 在参照系内同样可以建立一个“平直”坐标系．处于参照系内用直尺和光线对坐标系进行“校准”，同样认为坐标系是“平直”的。从参照系观测参照系, 则认为参照系内的坐标系是弯曲的；反之, 从参照系来观测参照系, 则认为参照系内的坐标系是弯曲的。两个坐标系间存在如下关系
(4)
设想把参照系内的测量工具如直尺、激光源和钟搬运到参照系内来“校准”参照系内的坐标系是否平直, 当参照系内的测量工具进入至参照系内之后, 这些工具也随参照系弯曲而弯曲, 使得．这样由这批外来工具所测量到的坐标系仍然是平直的结果．当两个参照系相互是分离的，彼此独立, 当我们对时空进行大范围的测量, 而不是在局域时空内的进行测量, 我们能摆脱测量协变，而能测出时空的弯曲．于是由参照系可以观测到参照系是弯曲的；而参照系则同样可以观测到认为参照系是弯曲的．值得注意的是测量协变效应发生在局域时空．这里“弯曲”是相对的，是由所在参照系的位置决定的．参照系的位置不同，观测到的结果也不同，参照系是平权的，参照系不存在“优”“劣”之分．这正是相对性原理．

3 光速不变原理

粒子为基态场的激发态, 我们来考虑基态场空间发生形变的情况, 如图所示．参照系中为光子, 光子的传播速度为即为光速, 分别为两个不同质量不同运动速度的费米子场, 的速度为的速度为．在引力场中, 如图, 当处于自由状态的参照系沿由处自由下落至处的速度为, 由低速态变为高速态, 基态场被压缩为,参照系空间被压缩后, 光子的传播速度为，的运动速度为．时空(基态场)的形变使得
(5)
比例关系不变．这样便明显地发生测量协变, 测量协变与方向无关．在中时空在方向被压缩, 以光子的运动作为基准尺寸和基准时钟．基准时钟和基准尺度一起被压缩, 因而所测量的结果没有任何变化, 在看来的传播速度仍为, 的速度也没有变化．
参照系为(低速运动) 参照系为(高速运动)

图3 光速不变原理
对于作匀速运动的两个参照系, 设想两个完全相同的体系分别处于低速态(匀速)和高速态(匀速), 以低速态为参照系, 则基态场沿运动方向被均匀压缩, 同样存在即光速不变．反之, 若以为低速态参照系观测, 则时空为压缩态, 彼此是相对的．因而光速不变原理的本质就是测量协变．
在以上的讨论中, 对于弦理论的11维时空来说, 背景空间的弯曲同样会导致弦的相应的弯曲而得到同样的结果, 因而测量协变效应的产生源于真空不空，与真空的结构无关。
结论：真空不空会导致测量协变效应的产生, 由测量协变效应我们能得出自洽的相对论两条基本假设．相对论的真空是不空, 这一结果对相对论结论没有影响．相对论和量子理论真空都是不空的, 存在物质．

参考文献(References)
1 倪光炯 李洪芳 著. 近代物理. 上海科学技术出版社 1979.431
2 陈蜀乔 著．超大统一场流形理论．云南科技出版社 2002.82
3 [美] J. 韦伯 著. 广义相对论与引力波. 陈凤至 张大卫 译, 北京: 科学出版社1979.15 (J. Weber. GENERAL RELTIEITY AND GRAVITATIONAL WAVES. Interscience, New
York, 1961)

Explanations of quantum field for the fundamental assumptions of special relativity

Chen shuqiao[1] Zhao xi[2] {0>陈蜀乔 <}0{><0}
({0>昆明理工大学交通学院 <}0{>Kunming University of science and technology Communication institute<0} , {0>云南 <}0{>Yunnan<0} 650051,
Physics department of Yunnan university, Yunnan 650091 )

摘要 <}0{>Abstract<0} V{0>真空中量子场基态的存在能自然解释狭义相对论的两条基本假设 <}0{>VVacuum quantum field ground state entity can be naturally to obtain two fundamental assumptions of special relativity. This {0>本文给出了一个称为“感知协变”的物理学效应. <}0{>article presents a physical effect called "perception covariance". Vacuum not vacancy to result in "perception covariance effect" produce, We can reach self consistency two fundamental assumptions of special relativity from perception covariance effect．…
<0}
{0>关键词 <}0{>Keyword:<0} {0>量子场基态 <}0{>Ground state of Quantum field,<0},,, Theory of relativity{0>相对论 <}0{>,<0} <}0{>Perception covariance.

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