物理学中的准粒子

1物理学中的准粒子1准粒子与准粒子系统准粒子的概念起源于对固体物理的研究。在固体物理中，由于各原子间相互作用很强，直接从原子系统出发应用独立粒子统计法求解系统的热力学量是非常困难的。如果把固体中N个原子的3N个振动自由度变换成3N个近独立的简正振动，并把简正振动的激发量子看成一种“准粒子”——声子，这样就把有强相互作用的原子系统简化成“准粒子”系统(有时称“准粒子”理想气体)，使问题大为简化，这里就给出并动用了“准粒子”的概念。在解决实际问题时，为了问题的简化，常常把“准粒子”概念予以推广，把系统中具有一定能量、动量，并且能量和动量满足某种色散律的稳定激发称为准粒子，把有强相互作用的系统简化成由准粒子组成的系统，如固体被视为声子系统(声子气体)，金属中的自由电子被视为电子系统(电子气体)，平衡辐射场被视为光子系统(光子气体)。2宏观物体的元激发和准粒子固体和所有的凝聚态物质一样，都是由大数量的(数量级为29310m)有着较强相互作用的微观质粒(分子、原子或离子、电子等)组成的。这些微观质粒的运动是互相关联和互相制约的集体性运动。固体的宏观性质正是这种集体性运动的反映，例如电导率、磁化率、比热和相变等关于固体宏观性质的概念都是对整个固体而不是对个别原子来定义的。对于这种极其复杂的多体运动问题如何进行描述和处理呢?固态量子理论的发展表明，采用元激发的概念，对于用一种统一的观点来描述固体的性质，是最有成效的方法之一。按照统计物理的观点，宏观系统内部微观质粒的运动总是无规则的，它的无规程度用热力学熵来衡量。当温度趋于绝对零度时，熵也趋于零，因此在KT0时，系统所处的状态不仅能量最低，而且也是完全有序的。不同的物质，有序的类型也不同，这决定于微观质粒的质量、电荷、自旋、密度以及质粒之间相互作用的性质等。T~0K时的完全有序状态，正是理想的无限晶体的基态。这时，原子的排列具有严格的周期性和平移对称性，即具有所谓的长程有序的特征。实际的固体，总是表现出与理想晶体的基态的偏离，处于或高或低的激发态。这种有序结构的严格周期性的破坏，是由种种因素所造成的。例如，实际固体都是有限的，总是被表面或内部的边界所束缚;固体中存在着的各种缺陷、杂质;以及外部温度、辐射、外场的干扰等等。固体受到某种激2发时，由于微观质粒的关联性，这种激发必然会遍及整个固体，在固体内形成一种波动和相应的波场，成为集体性的激发。当激发比较弱时，固体处于接近基态的低激发态(仅有弱的无序)，这种激发的波可以看作是一系列频率不同的平面波的迭加。按照量子理论的波粒二象性，每个单频的平面波相应于一个具有一定能量和动量的有量子特性的准粒子。所以尽管微观质粒之间相互作用的类型各异，它们集体相关运动的方式不同，但都可以把处在低激发态的固体看作是一些无相互作用的基本的激发单元—元激发的集合体。从场的观点来看，弱的激发波场可以分解为一系列傅里叶单元，这些单元就是元激发波，波场的能量量子就叫做元激发准粒子。这样，本来是极其复杂的无法求解的多体问题，变成了独立准粒子(元激发)系统的问题，使问题的处理大为简化且富有成效。基本粒子分为两类:一类是自旋量子数为半整数的遵从费米统计规律的粒子，叫做费米子，如电子、核子等;另一类是自旋量子数为整数(包括零在内)的遵从玻色统计规律的粒子，叫做玻色子，如光子、二介子等。关于元激发，也可以有一个与基本粒子相类似的图像:绝对零度时的理想晶体的基态，是元激发的真空态;温度升高后，系统处于激发态，元激发被激发出来，一种是玻色性激发，相应的准粒子是玻色子，另一种是费米性激发，相应的准粒子是费米子。在温度很低和系统处于低激发态时，元激发浓度很小，彼此间相互作用很弱，可以忽略，可认为是稀疏的元激发理想气体，此时元激发的量子特性显著;随着温度的升高，固体处于高激发态，元激发的浓度增大，元激发之间的相互作用逐渐显得重要，必须加以考虑;在温度很高时，由于热运动能量比元激发的大，元激发的量子效应常常就被掩盖了。元激发之间的耦合，特别是不同类型元激发之间的耦合是很重要的(它们也组成复式元激发)，对固体的宏观性质有很大影响。需要特别指出，元激发是为描述固体内微观质粒集体运动而人为地引入的概念，它们既与微观质粒(分子、原子)本身不同，也与上述的基本粒子有别。固体中的元激发不是真实粒子，不能脱离固体而存在。