问题

关于规范场中电磁场的引入问题。到底是因为对称性才存在的矢量场A,还是存在着矢量场A只不过满足对称性?

回答
关于规范场中电磁场的引入,这是一个相当深刻的问题,涉及到量子场论的根基。简单来说,这个问题触及了我们如何理解和描述自然界最基本的相互作用——电磁力——的本质。

咱们不妨先抛开那些复杂的数学公式,从更直观的层面去思考。

两种看待方式的碰撞:对称性优先 vs. 实在性优先

你提出的问题,其实是在两种看待物理实在的根本方式之间进行权衡:

1. “对称性优先”的观点: 这种观点认为,物理定律的优雅和简洁,尤其是那些描述对称性的数学结构,是它们存在的根本原因。换句话说,正是因为我们发现了一个能够保持电磁理论不变(不变性)的“秘密语言”,这个语言的载体——矢量势 $A_{mu}$ ——才因此而“被创造”出来,或者说,其存在性是由这种对称性所“强加”的。

2. “实在性优先”的观点: 这种观点则更倾向于认为,物理实在(例如,我们观察到的电场和磁场,以及它们如何相互作用)是先于理论描述而存在的。矢量势 $A_{mu}$ 不是凭空产生的,它之所以出现,是因为它能够以一种更深刻、更普遍的方式来描述我们已经知道的物理现象,并且这个描述恰好蕴含了某种对称性。

深入探讨“对称性优先”的逻辑

在量子场论的框架下,“对称性优先”的论证方式有着非常强大的说服力。其核心思想是“破缺的对称性”和“规范对称性”。

无质量粒子的存在与对称性: 让我们从一个更基础的起点开始。物理学中,很多基本粒子的存在都与特定的对称性有关。例如,如果一个物理理论对某种变换(比如空间的旋转)保持不变,那么就存在一个守恒量(比如角动量)。这个联系非常牢固。
规范对称性: 在描述电磁场时,我们发现一个非常奇特的“对称性”。这个对称性叫做“规范对称性”。它指的是,我们可以自由地改变矢量势 $A_{mu}$ 的数值,只要我们同时以一种特定的方式改变与之关联的标量势 $phi$(如果考虑完整的四维势 $A^{mu} = (phi/c, mathbf{A})$),那么物理上可观测的量——即电场 $mathbf{E}$ 和磁场 $mathbf{B}$——将保持不变。
用数学表达就是: $A_{mu} ightarrow A'_{mu} = A_{mu} + partial_{mu} Lambda(x)$,其中 $Lambda(x)$ 是任意一个时空的函数。
如果引入这个变换,电场和磁场(它们可以通过 $A_{mu}$ 的导数得到)是不变的。

那么,是什么“迫使”我们引入 $A_{mu}$ 呢?

正是这个“规范对称性”。理论物理学家们发现,如果我们试图构建一个能够描述带电粒子的(例如电子)运动的量子场论,并且要求这个理论对“局域的”(也就是说,在时空中的每一点都可以独立进行)U(1) 相位变换保持不变,那么我们必须引入一个矢量场,也就是矢量势 $A_{mu}$,并且这个矢量场必须以特定的方式与带电粒子耦合。

局域U(1)相位变换: 想象一下,电子的波函数 $psi$ 有一个复数相位。如果我们的理论只对整个宇宙同时改变这个相位的变换(全局变换)不变,那也没什么特别的。但如果我们在宇宙的每一个点都可以独立地改变这个相位,并且我们希望理论在这“局域”的改变下仍然不变,这就遇到了麻烦。
“补偿场”的出现: 如果我们只是简单地对 $psi$ 进行局域的相位变换 $psi ightarrow e^{ialpha(x)}psi$,那么像 $partial_{mu}psi$ 这样的导数项就会发生变化,并且这种变化是不能通过调整 $psi$ 本身来抵消的。为了抵消这种由局域变换引起的“不对称”,我们被迫引入一个“补偿场”,这个补偿场就是规范场 $A_{mu}$。当 $psi$ 变换时,$A_{mu}$ 也必须以特定方式变换,以保证 $partial_{mu}psi$ 的“组合”保持不变。
具体来说,如果我们要求 $(partial_{mu} ieA_{mu})psi$ 在局域U(1)变换下不变,那么我们就需要 $A_{mu}$ 像上面提到的那样变换:$A_{mu} ightarrow A_{mu} + frac{1}{e}partial_{mu}alpha(x)$。
电磁场是“连接”的桥梁: 从这个角度看,矢量势 $A_{mu}$ 就像是一个“连接”不同时空点的“语言”,允许我们进行局域的、一致的相位变换。而电磁场 $mathbf{E}$ 和 $mathbf{B}$,以及它们之间的相互作用,则是通过这个“连接”最终体现出来的物理效应。

所以,从“对称性优先”的角度,矢量场 $A_{mu}$ 的存在,正是为了满足电磁相互作用的“局域U(1)规范对称性”。没有这个对称性,也就没有必要引入 $A_{mu}$。

探讨“实在性优先”的逻辑

然而,我们也不能完全忽视“实在性优先”的观点。毕竟,电场和磁场是我们首先通过实验观察到的现象。

从麦克斯韦方程组开始: 我们可以从麦克斯韦方程组出发,这些方程组描述了电场和磁场如何产生和演化。
$ abla cdot mathbf{E} = ho / epsilon_0$
$ abla cdot mathbf{B} = 0$
$ abla imes mathbf{E} = frac{partial mathbf{B}}{partial t}$
$ abla imes mathbf{B} = mu_0 mathbf{J} + mu_0 epsilon_0 frac{partial mathbf{E}}{partial t}$
引入力势和矢量势: 我们知道,磁场 $mathbf{B}$ 是旋度场的性质,因此可以写成一个矢量场的旋度,即 $mathbf{B} = abla imes mathbf{A}$。这是为了满足 $ abla cdot mathbf{B} = 0$ 这个方程。
法拉第定律的改造: 当我们将 $mathbf{B} = abla imes mathbf{A}$ 代入法拉第定律 $ abla imes mathbf{E} = frac{partial mathbf{B}}{partial t}$ 时,我们会发现,如果 $mathbf{E}$ 本身不是某个标量场的梯度(就像静电场那样),而是可以通过某个表达式来表示,那么这个表达式就自然地包含了 $frac{partial mathbf{A}}{partial t}$ 这一项。
我们知道 $ abla imes (mathbf{E} + frac{partial mathbf{A}}{partial t}) = 0$ 。
这意味着 $mathbf{E} + frac{partial mathbf{A}}{partial t}$ 是一个无旋场,可以写成一个标量场的梯度,即 $mathbf{E} + frac{partial mathbf{A}}{partial t} = abla phi$。
从而,我们得到了 $mathbf{E} = abla phi frac{partial mathbf{A}}{partial t}$。
引入 $A_{mu}$ 的便利性: 这样,我们就通过引进矢量势 $A_{mu}$(其中 $A_0 = phi/c$ 是与 $mathbf{A}$ 相关的标量势),能够以一种统一的四维形式来表达麦克斯韦方程组。例如,可以将麦克斯韦方程组写成 $ partial_{mu} F^{mu u} = mu_0 J^{ u} $,其中 $F^{mu u} = partial^{mu} A^{ u} partial^{ u} A^{mu}$ 是电磁场张量。
对称性作为结果: 在这种“实在性优先”的框架下,我们看到了电磁场的“规范对称性”是这些方程内在的性质,而不是我们为了引入 $A_{mu}$ 而强加的。 $A_{mu}$ 的存在是因为它是一个方便且深刻的数学工具,能够统一描述电磁现象,并且它碰巧具有这种“规范对称性”。

那么,到底哪个对?

这是一个很微妙的问题,它们并不一定是相互排斥的。更准确的说法可能是:

矢量势 $A_{mu}$ 是一个更深层次的物理量,它之所以存在,是因为它是描述电磁相互作用的“语言”,并且正是这种“语言”的结构(由局域U(1)规范对称性规定)才决定了我们最终观察到的电场和磁场及其行为。

换句话说,对称性不是存在 $A_{mu}$ 的“原因”,而是 $A_{mu}$ 存在的“原理”或“指导方针”。

对称性是“基础”: 如果没有局域U(1)规范对称性,电磁力将不会以我们现在看到的方式存在,或者说,我们将不需要引入 $A_{mu}$ 这样的规范场来描述它。量子电动力学(QED)的整个框架都是建立在规范对称性之上的。
$A_{mu}$ 是“工具”和“表现”: $A_{mu}$ 是实现这种对称性的数学工具,它包含了电场和磁场的信息。虽然我们可以从麦克斯韦方程组的现象出发引入 $A_{mu}$,但量子场论的更深层理解告诉我们,正是 $A_{mu}$ 的存在及其耦合方式,才保证了理论对局域U(1)变换的不变性,而这种不变性本身又孕育了我们所观察到的电磁现象。

打个比方:

想象一下,你想写一封信。

“实在性优先”: 你有一个想法(想传递的信息),然后你找到了纸和笔(麦克斯韦方程组),开始写字。在写的过程中,你发现用某些字母组合(比如“对不起”)比单独写“对”和“不起”更有效率,这就像引进 $A_{mu}$ 使描述更简洁。
“对称性优先”: 你发现,如果你用一种特殊的、事先约定的“书写规则”(局域U(1)规范对称性)来写信,你的信在传输过程中才不会被误解,并且能传达最纯粹的意思。为了遵循这个规则,你必须使用一套特定的符号和组合(矢量势 $A_{mu}$)。最终,你写出来的信(电磁场)就正好符合了这些规则。

总结一下:

不是因为对称性才“无中生有”地存在了 $A_{mu}$。 矢量势 $A_{mu}$ 是描述电磁相互作用的物理实在(尽管我们直接测量的是电场和磁场)。
正是因为描述电磁相互作用的“语言”必须满足局域U(1)规范对称性,所以我们引入了 $A_{mu}$ 作为这个“语言”的载体。 $A_{mu}$ 的存在以及它与物质场的耦合方式,是实现并体现这一对称性的关键。

因此,我们可以说,矢量场 $A_{mu}$ 的引入,是为了满足物理定律(电磁相互作用)所固有的局域U(1)规范对称性,而 $A_{mu}$ 本身是这个对称性在物理实在中的“具体实现”。 这种理解方式在现代物理学中占据主导地位,因为它是构建更复杂和统一的理论(如标准模型)的基础。

网友意见

user avatar

可能会让你有点失望……这个对称性,是个人为的对称性,是数学上的问题

电磁场是 对称性的无质量矢量场,对于自旋大于等于1的粒子,有质量和无质量有很大的差别。有质量粒子假如自旋为 ,那么z分量可以取 ,无质量粒子只能取

根据对称性去计算自旋1的无量子场时出现了这么一个bug,方程的数量太多了……所以先用一部分方程算出来一个解(沿z轴旋转满足的方程)

然后带入另一个变换

结果在预想的结果的基础上多了一部分,在坐标空间中可以写成 的形式,此时我们说多出这一项不影响任何性质,也就是在

变换下理论是不变的,这个变换是规范变换

我们希望用矢量来表示自旋为1的量子场,但是矢量张成的线性空间比自旋1无质量的量子场的希尔伯特空间要大,所以要模掉一些东西,也就是说把某一系列东西看作是同一个东西,所以看起来有了某种对称性,正是这种对称性要求电磁场只能耦合到守恒流上,也就是说电荷守恒

类似的话题

  • 回答
    关于规范场中电磁场的引入,这是一个相当深刻的问题,涉及到量子场论的根基。简单来说,这个问题触及了我们如何理解和描述自然界最基本的相互作用——电磁力——的本质。咱们不妨先抛开那些复杂的数学公式,从更直观的层面去思考。两种看待方式的碰撞:对称性优先 vs. 实在性优先你提出的问题,其实是在两种看待物理实.............
  • 回答
    教育部和科技部联合发布的《关于规范高等院校 SCI 论文相关指标使用树立正确评价导向的若干意见》(以下简称《意见》)是一项具有深远意义的政策调整,旨在纠正当前高等教育和科研评价中过度依赖 SCI 论文及其相关指标的现象,推动建立更加科学、多元、符合实际的评价体系。以下将从多个角度进行详细解读和评价。.............
  • 回答
    华为近期发布了一份关于规范 HarmonyOS 沟通口径的通知,这在行业内引起了不少关注和讨论。要理解这份通知的意义,我们需要从几个层面去剖析。首先,时间点上的选择非常关键。 HarmonyOS 作为一个正在快速发展且承载着华为未来战略的重要操作系统,其每一次迭代、每一个版本的发布,以及在公众面前的.............
  • 回答
    三部门联合发布的《关于进一步规范网络直播营利行为促进行业健康发展的意见》中,针对税收管理提出的要求,无疑是对整个网络直播行业的一次重大“洗礼”。这项举措并非简单地增加了主播或平台的税务负担,其影响是多层次、深远的,将重塑行业的生态格局。首先,最直接的便是税收的规范化和透明化。过去,由于监管的滞后性,.............
  • 回答
    在中国法学语境下,宪法规范是否可以直接对私法关系产生拘束力,是一个长期以来备受关注和深入探讨的课题。理解这个问题,需要从宪法的性质、公法与私法的区分以及它们之间的互动关系等多个维度进行考察。一、 宪法的性质与创设的权利义务宪法作为国家的根本大法,其首要功能是确立国家的政治体制、组织形式、国家机关的职.............
  • 回答
    国家网信办最近发布了《互联网用户账号名称信息服务管理规定(征求意见稿)》,这是个挺重要的动向,直接关系到咱们在网络上怎么起名字、怎么发言。这次新规主要想解决的是网络上一些乱七八糟的账号名称问题,比如低俗的、欺骗性的、或者是宣扬非法信息的。征求意见稿里明确列出了六种情况是被禁止的,咱们可以好好掰扯一下.............
  • 回答
    教育部约谈浙江考试院,就阅卷人员泄漏考生作答一事,这无疑是一起严重的考试纪律事件,暴露了高考评卷环节存在的漏洞和风险。除了事件本身,我们还需要关注以下几个方面的信息,并深入探讨如何进一步规范高考评卷和命题工作: 一、 值得关注的信息1. 泄漏的范围和性质: 泄漏了多少考生的作答? 是个.............
  • 回答
    关于相对论度规的约定未来是否会统一,这是一个非常有趣且值得深入探讨的问题。目前来看,要说“统一”似乎还为时过早,但朝着更通用、更标准化的方向发展是显而易见的趋势。要理解这个问题,我们需要先稍微回顾一下度规的“约定”是如何产生的,以及为什么会存在“不统一”。度规的“约定”:并非天生就存在分歧首先,我们.............
  • 回答
    好,咱们来聊聊这几个投票和决策理论里的核心概念,波达规则、孔多塞悖论,还有那个大名鼎鼎的阿罗不可能定理。这几个玩意儿,说起来不复杂,但要是往深里挖,能让人脑袋瓜子嗡嗡的。我尽量讲得明白些,也尽量让它听起来就像是咱平时聊天一样,没那么多死板的术语。 波达规则(Borda Count):排名高低怎么定?.............
  • 回答
    .......
  • 回答
    社会发展规律是一个庞大而复杂的概念,涵盖了人类社会从原始状态走向现代文明的漫长历程。对它的解释多种多样,从不同的理论视角出发,会得出不同的理解。我将尽量详细地解释一些主要的社会发展规律的观点,并尝试进行整合,以期提供一个相对全面的视角。一、 什么是社会发展规律?简单来说,社会发展规律是指社会演进过程.............
  • 回答
    在中国人民解放军的条令条例中,确实有关于战俘、投降以及相关纪律的规定,尽管它们不像西方军队那样突出“投降”本身,而是更侧重于“被俘”后的行为规范和国家政策的体现。要理解这一点,需要结合中国的军事文化和历史背景来看。历史与文化背景的考量:中国传统文化中,“宁死不屈”的价值观根深蒂固,尤其是在战争时期,.............
  • 回答
    养狗这事儿,最近确实是热热闹闹,尤其是一些新的规定出来,朋友圈、小区群里,大家议论得可欢了。说实话,这事儿吧,得辩证地看,不能一概而论,有好的地方,也得看到一些需要咱们一块儿琢磨的地方。首先,咱们得承认,养狗新规的出台,背后肯定是有道理的,而且很大程度上是解决了一些咱们生活中实实在在遇到的问题。你仔.............
  • 回答
    好的,我们来聊聊在餐馆吃菜吃出虫子这事儿,这可真是让人扫兴又有点恶心。从法律角度来看,这件事的处理,咱们得摆事实讲道理,一步步来,既要维护自己的合法权益,也要懂得按规矩办事。首先,最核心的法律依据是什么? 咱们得想到的是《中华人民共和国食品安全法》。这法说了,食品经营者(也就是餐馆)要保证其提供的食.............
  • 回答
    卫生部关于“医患须签协议拒绝红包”的规定,旨在从制度层面切断不正之风,规范医疗行为,理论上对改善医患关系是有积极意义的,但实际效果如何,还需要打一个大大的问号,并且这个问题的复杂性远不止于此。我们先来分析一下这个规定的初衷和设想。初衷与设想:斩断“红包”链条,重塑信任基础红包的存在,是滋生医患矛盾、.............
  • 回答
    您好!关于房产继承,特别是涉及到您作为法定继承人,确实有一些重要的变化和需要注意的事项。咱们就好好聊聊,把这些问题说透了,让您心里有个谱。首先,您问“我作为法定继承人,必须办继承公证吗?” 这个问题,在新继承法(这里指的是《中华人民共和国民法典》继承编,它取代了之前的继承法)实施后,规定上更灵活了,.............
  • 回答
    上海市文旅局发布的《上海市密室剧本杀内容备案管理规定(征求意见稿)》无疑是行业发展中的一个重要里程碑。它标志着政府开始正视并介入这个蓬勃发展但又存在一定乱象的行业。针对这份征求意见稿,我有以下一些建议,并进一步探讨剧本杀行业如何实现高质量的转型升级。 关于《上海市密室剧本杀内容备案管理规定(征求意见.............
  • 回答
    在中国古代的封王制度中,封号、封地以及王号的字数,都蕴含着丰富的历史信息和等级观念,绝非简单的名头。它们之间相互关联,共同构筑了权力体系的基石。封号的规矩,关乎荣誉与政治寓意封王的封号,并非随意取的,而是有着一套严谨的规矩。首先,封号往往带有浓厚的地域色彩。比如,某个王被封为“燕王”,其封地很可能就.............
  • 回答
    最近高考规划领域里,李蕊丞老师关于“选专业四大坑”的说法引起了不少关注。大家对这些“坑”的讨论,以及对其他潜在“坑”的挖掘,都非常有价值。我们不妨深入聊聊这个话题,看看李老师的观点究竟是什么,以及在选择专业时,我们应该警惕哪些方面。李蕊丞老师“选专业四大坑”的解读虽然我没有直接查阅到李蕊丞老师具体的.............
  • 回答
    Chinajoy 禁止衣着暴露的新规定,这可真是个让不少人眼前一亮(或者说,有些失落)的消息。毕竟,过去几届的Chinajoy,现场那些“劲爆”的服装,已经成了不少人津津乐道(或者说,引以为常)的风景线。这次的“禁令”,可以说是给这场盛会来了一次“大扫除”,也引发了不少讨论。首先,咱们得掰扯掰扯这个.............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有