从物理学角度来看,场是否有质量?

只是一只鱼


这个问题有意思了。题主要明确质量的定义,我后面会讨论两种不同意义上的质量!

先说一个引子。2013年诺贝尔物理学奖颁给了希格斯等人,希格斯的重要贡献就是提出了质量巨大的希格斯场!希格斯场的对称性自发破缺会导致弱相互作用场带上质量,弱相互作用场的拉格朗日函数本身存在质量项,而且质量数值十分巨大!这就是WZ玻色子的质量。

场不一定都有质量,引力场、电磁场、强相互作用场都没有质量。按照量子场论的观点,这些场加上弱相互作用场都是不能有质量的,否则会导致散射振幅存在严重的紫外发散行为!但是弱相互作用场却客观有质量!所以要建立一定的机制来解释这种现象。希格斯等人在二十世纪六十年代提出了希格斯机制,该机制可以解释弱相互作用场质量的来由。但是要强调的是,这个机制里面要求希格斯粒子(场)的质量远比实验观测到的希格斯粒子质量要大得多!

物理学上的场分为量子场和经典场,我上面提到的场都是量子场。但是我提到的质量其定义却并不依赖于量子场还是经典场,换句话说经典场一样可以根据场的拉格朗日函数来确定质量。比如说引力场的拉格朗日函数里面不存在质量项,这和引力是否被量子化没有关系。所以引力场是没有质量的。但是对于经典场论来说,还存在另一种质量(严格说是能量)的定义,叫做“局域质量密度”。质量密度的定义是要求场可以局域化的,但是引力场不能局域化,所以一般来说引力场不能谈及局域质量概念的,只能讨论整体意义上的质量,并要求引力场的整体质量等于引力场场源的质量。对于电磁场来说,一般讨论的是电磁场的能量密度,可以将它类比到质量上去。但是我强调,后面这种质量定义需要依赖于经典场,对于量子场是没有这种定义的。

场既可以有质量,也可以没有质量,关键看题主的定义是什么。如果题主讨论的质量就是质量项,那么一般的场都没有,少数场会有。如果是经典场论的局域质量密度,那么只有经典场可以讨论。


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