电量是否依靠质量存在?

  1. 2月前

    源自于班里面一个同学的问题
    空间内是否存在不依附于质量的电荷量,或者说空间内是否存在一块区域质量为零但总电荷量不为零。不知道两种说法等不等价

  2. SpacetimeCat

    2楼 8月14日 物理版主
    2月前SpacetimeCat 重新编辑

    以下是一个群讨论的个人向总结:
    首先,在我们已知的(三次元)世界并不存在这样的东西。我们所熟知的物质都是粒子物理的标准模型中的基本粒子构成的。而在这个模型中,所有的无质量基本粒子都不带电荷,那也就意味着不可能用它们搭出来一些带电荷而无质量的物质。
    其次,关于这样的东西有没有可能存在,我觉得在二次元里面很可能是存在的(我是说,二维凝聚态体系(比如由单层碳原子构成的石墨烯)里面的准粒子(也就是看起来像粒子,可以用描述粒子的方法描述的原子集体行为))。如果不要求它是粒子/准粒子的话,可以用拓扑缺陷构造出来,比如@adelinalana 提到的狄拉克锥
    在三次元里面有没有可能存在这样的基本粒子呢?换句话说,有没有物理定律禁止这种情况发生呢?@FatFish 认为,既然胶子可以无质量而有色荷(一种类似电荷的东西,但是是对强相互作用而非电磁相互作用而言),那么应该没有物理定律禁止无质量而有电荷的粒子存在。@鹿目まどか 认为带了电荷其电荷自相互作用会产生质量。

  3. FatFish

    3楼 8月14日 物理版主, 优秀回答者, 纪念用户
    2月前FatFish 重新编辑

    我看楼主过往发帖是高中物竞生,按照这个背景试着做一些通俗的说明。

    0.需要明确一下,这里说的是相对论意义上的静质量,不然零质量的粒子有点风吹草动就动起来了,和光子一样会具备“动质量”,(有些教材觉得“动质量”这个概念有点让人迷糊,所以提倡不用,我不清楚现在的物竞是什么标准) 怎么也做不到无质量区域,但是这和楼主本身的关心点“电量是否依靠质量存在”似乎关系不大,所以我们不拿这个当回答。

    1.首先, 电荷和质量是两种完全不同的属性,至少在目前的物理学中不存在互相依存的要求。原则上,我们可以设置一个和光子一样零质量但是带电的粒子,没有什么理由不让他理论上存在。把这样的设置带入到现在的电磁场理论中并不会导致任何矛盾。

    一个物体的“荷”是指这个物体与某个特定的场相互作用的强度,例如电荷衡量了这个物体受到电磁场多大的影响,光子是传播电磁场影响的粒子(光是电磁波),但是光子本身不带电荷,只是把来自另一个地方的电磁效应传递过去;而与之不同,原子核尺度的另一种强相互作用对应的荷叫做色荷,传播强相互作用的胶子就带有色荷(可以想象,这时候胶子作为邮差还顺便干点私活,分析起来会复杂很多)。胶子也没有静质量,因此这是一个“荷”与质量分离的案例。

    2.虽然现在很难找0质量的带电粒子,但是在遥远的古代,宇宙大爆炸之后不久、超理论坛还没建立的时候,有很多这样的粒子。具体来说,根据现在的粒子物理标准模型和宇宙学标准模型,宇宙早期温度非常高,随着膨胀而逐渐降温,在温度降低到电弱破缺温标之前,费米子(比如电子、夸克、中微子)和传播弱相互作用的玻色子(比如两种带电的$W^{\pm}$玻色子)都没有质量,但是随着宇宙的温度逐渐冷却,Higgs场的构型发生了变化,其对称性下降,称之为自发对称性破缺(粗糙的类比一下,就和水结冰之后自由运动的水分子都固定到了特定位置类似,但是不建议把这个类比太当真),这种变化导致Higgs场与这些粒子的相互作用产生了额外的质量,这就使得今天这些粒子都具备质量了。因此,我们可以说这些0质量带电粒子曾经存在过,现在也许仍然存在于某些特别极端的高能天文现象内,或者出现在未来的超级对撞机中,无论如何,这些粒子和现有理论相处融洽。

    3.如果我们把要求放松一些,考虑等效质量的话,就可以找到另一些例子,例如上一楼提到的狄拉克锥。
    大致来说,等效质量就是我们把环境中一些特定的效应折合成物体的质量。例如,水中的气泡受到浮力上升,也可以理解为假设浮力不存在,而物体有一个相当于排开水质量负值的额外质量,这样就是一个负质量物体在重力影响下上升;再比如,在水中推动一个铁球要克服额外的流体阻力,因此比空气中更费劲,我们也可以假装水的阻力不存在,把这个额外的阻力理解为铁球获得了额外的质量。

    具体到狄拉克锥,这是指石墨烯晶体中一些电子等效质量为0的特殊情况,这同样是把整个石墨烯的背景影响全都打包进等效质量的结果。不过这种等效出来的质量可能也有点偏离关注点,因为这本身就来自于石墨烯内部的电磁相互作用。

  4. 假如命题为真,那么一个零质量不带电的粒子忽然获得质量后应该也要得到电荷;反过来,一个有质量有电荷的粒子忽然失去质量后也失去了电荷。毕竟电荷如果依赖质量存在,那么一个粒子质量的变化不可能不会引起它的电荷的变化。这个逻辑应该是没毛病吧?
    恰好在超导体中,光子的质量不为零,但光子的电荷依然为零。所以电量应该是不依赖质量的。

    但是当前宇宙中确实没有观测到质量为零但电荷不为零的粒子,这个现象很奇怪。

  5. NJU-春风沂水

    5楼 8月18日 优秀回答者
    2月前NJU-春风沂水 重新编辑

    Q: 和规范场耦合的无质量粒子是否可以带相应的荷?
    Can the massless particle coupled with gauge field be charged (corresponding to that gauge field) ?

    A:

    一:现实世界中可以有带电荷(electric charge)的无质量粒子吗?

    有。

    注意到电磁场是最小耦合的阿贝尔规范场,因此光子不带电;

    但是费米子可以带电,只需要费米子无质量即可。

    注意到"是否带荷"和"是否有质量"无关,因此费米子可以无质量。

    凝聚态中具有大量实例,例如massless chiral Weyl Fermion.

    二、为什么现实中的带电荷粒子都有质量?

    我们分别讨论玻色子和费米子。

    光子是玻色子,而电子是费米子。

    如前所述,电磁场是阿贝尔场,所以光子不带电。

    令人惊讶的一点是,标准模型中所有的费米子都具有质量。


    和$U(1)$规范场耦合的无质量费米子往往具有量子反常(quantum anomaly),因此不是一个自洽的基本理论。

    对于Weyl费米子,因为Weyl费米子具有手性,所以和电磁场耦合的Weyl费米子会有chiral anomaly,需要精巧的抵消条件。

    最简单的抵消条件就是理论具有相同数量的左手Weyl费米子和右手Weyl费米子,即组合成无质量Dirac费米子。

    似乎没有理由要求Dirac费米子一定是有质量的,而事实也是如此:Massless Dirac fermions containing two opposite chiralities can be coupled to an electromagnetic $U(1)$ field without gauge anomalies.

    (但是会有global anomaly {with fixed gauge background},即ABJ anomaly,虽然global anomaly不影响理论的自洽性)

    (ref: David Tong's Gauge Field, Chap.3.4 )

    另一方面,无质量Dirac费米子的左手部分和右手部分是"脱耦"的 (没有质量项把他们联系起来),因此很容易在具有defect等情况下导致gauge anomaly.

    (ref: Alvarez-Gaume L, Vazquez-Mozo M A. Anomalies and the Green-Schwarz Mechanism)

    对于其他anomaly,一种漂亮的抵消机制是Green-Schwarz machanism,但是这需要引入超对称,所以我不拟介绍。

    通过Green-Schwarz machanism,人们处理了$SO(32)$和$E_8\times E_8$ Type I 超弦中的gauge anomaly、mixing anomaly和gravitational anomaly,并且将Type I超弦的规范群规模限制在496维,从而开启了第一次超弦革命并大获全胜。

     (ref: Green, Schwarz. Anomaly cancellations in supersymmetric D = 10 gauge theory and superstring theory)

    那么对于其他的规范场以及相应的荷呢?

    可以。

    作为非阿贝尔规范场,胶子不带质量,但是带色荷。

    但是胶子具有色禁闭现象,即任何稳定的色动力学束缚态都不具有色荷。我们并未完全理解这一现象的起源。


    声明:

    • "质量"指的是庞加莱群的Pauli矢量$W^\mu W_\mu=E^2-P^2c^2=m^2 c^4$,无质量即$E^2-P^2c^2=0$,这个矢量标记了庞加莱群的表示;
    • "无质量表示"指的是某个粒子,它在庞加莱群的无质量表示下变换,其量子态是$|\psi\rangle$;
    • "带荷的无质量表示"指的是某个粒子态$|\psi\rangle$,它在庞加莱群的无质量表示下变换,在规范群的非平凡表示下变换。
 

后才能发言