扒一扒你们想知道的光（一）

　　前言

　　在问答专栏中，其实有一些很热门的问题，比如光的质量啊，光速啊，平方反比定律啊，其实本质上这些问题都可以用一个统一的脉络梳理出来，但是由于篇幅的限制，我们只能言简意赅的回答一下~

　　是的，为了统一回答一下这些问题~

　　小编决定把这些问题分几次给解答清楚，我们将会看到在现代场论的观点下，是怎么回答这些问题的(～￣▽￣)～

　　好，废话扯完，开始进入正题～

　　不知道下面这几类问题有木有时常在你的脑海里盘旋呢

　　神马是洛伦兹对称性？

　　为神马光速这么特殊？不止光的传播速度是光速，引力波的传播速度也是光速？

　　有没有可能超光速？——快子是个啥？

　　光到底有没有质量？

　　光速和光的质量有关系么？

　　平方反比定律和光的质量有关系么？

　　有没有可能让光获得质量？

　　……

　　总之呢，这些问题的解答也就是我们这个系列文章的一个脉络，其中必不可少的要用到一些群论与场论的知识，不过不要害怕，有小编在，不会让你们任何一个人落下队来<(￣︶￣)>

　　我们今天的主题是洛伦兹对称性， 什么是洛伦兹对称性，以及洛伦兹对称性对我们自然界会产生神马样影响？

　　让我们用一个问题来引出我们今天要讨论的洛伦兹对称性，

　　狭义相对论和量子理论的结合是什么？

　　可能很多同学对于这个问题的想法是：

　　因为我们知道描写非相对论性的量子力学的基本方程是薛定谔方程，那么，是不是有一个能够包含狭义相对论基本原理的，类似于薛定谔方程一样的方程存在呢？而狭义相对论和量子理论应该是这个方程的两个极限情况？

　　历史确实是这么发展演化的（为什么小编在讲故事的时候也这么认真。。。），在薛定谔方程被提出后不久，就有人将其推广到满足洛伦兹对称性的KG方程的形式。之后，有的人（是的，这个人就是Dirac）可能对于KG方程并不满意，写出了同样满足洛伦兹对称性的Dirac方程（大家想一想为什么两个方程都满足洛伦兹对称性？）

　　同学们可能会问，这不是很好么~~

　　我们已经找到了一个同时包含狭义相对论和量子理论的方程，但事情并没有我们想的这么简单(～￣▽￣)～

　　人们很快发现，这样一个方程在描写单粒子问题时遇到了困难。。。

　　为了简单地让大家理解一下问题的关键，我们不妨来看一下，如果一个理论同时满足量子理论和狭义相对论的基本原理会发生什么？

　　我们知道量子力学中一个基本的原理叫不确定性原理，

　　这个公式告诉我们，在一个很小的时间间隔内，能量可以有很强的涨落，同时，我们又知道，狭义相对论告诉我

　　质量和能量是一回事，当能量达到一定值的时候，就会有新的粒子产生。所以当我们结合狭义相对论和量子理论的时候，就必不可少的要涉及多粒子问题，这是第一点。

　　同时第二点是，由于粒子的全同性原理，所有的粒子（比如说电子），我们无法区分，所以这也是导致单粒子图像失效的原因。

　　所以，回到我们刚刚的问题，

　　我们看到，在狭义相对论和量子理论的结合---量子场论中，方程并不是占有主导的地位，至少我们的主要任务不是解方程。 (*T_T*)

    那你可能会问，这个时候量子理论和狭义相对论体现在什么地方呢？？？

　　怎么样在量子场论中考虑量子理论的基本原理并不是我们这个系列所要关心的问题，所以我们简单来说———就是要把我们的场论量子化，当然你可以选择不同的方法去做这件事情。

　　我们关心的是狭义相对论要如何表现在我们的理论中呢？？？

　　是的，你可能猜到了，答案就是我们今天的主题—— 洛伦兹对称性（绕了一大圈才到小编今天想要说的东西）(╥╯^╰╥)

　　好的，你现在已经清楚了，我们在量子场论中，遵循的几个基本原则就是要让系统（我们的场）满足洛伦兹对称性。那有什么用呢？有这样一个对称性我们能干什么呢？或者说自然界通过一种什么样的方式变现这种对称性呢？

　　前方高能预警（不过不要怕，有小编呢）

　　我们现在要介绍一点点数学的概念—群论。

　　前面我们说过我们在结合量子理论和狭义相对论的时候，要遵循一个洛伦兹对称性的原则，在数学中，描写对称性的语言是群论。首先我们知道，对称性本身是一个非常抽象的东西，就像价值一样（一部手机的价值，一部电脑的价值）。那我们怎么用我们熟悉的语言表示出来呢？

　　数学家告诉我们，所有的表示中，只有不可约表示是最重要的。等等，不可约表示是什么鬼？

　　还记得小编刚刚说过的价值的例子么？价值本身是非常抽象的，但是我们总可以用金钱来表示价值，举个栗子， 大家看到了么？一部手机的价值是一定的（就是对称性是一定的），但是在不同的币种下的价钱是不一样的，这个所谓的不可约表示，就像我们可以用人民币和美元来表示iPhone 7的价格一样。

　　不同的不可约表示（币种），是有不同的性质（汇率）

　　这就告诉我们可以用不可约表示来对我们的场分类，反正都是具有洛伦兹对称性，还记得我们前面的Dirac方程和KG方程么？它们就是场在不同的不可约表示下所满足的运动方程。

　　大家懂了么？

　　让我们来捋一捋~

　　首先狭义相对论和量子理论的结合——》洛伦兹对称性——》群的表示——》群的不可约表示对场分类

　　呼~累死小编了

　　我们现在知道了第一个问题

　　洛伦兹对称性对于自然界有什么样的影响？

　　答案就是，我们可以用洛伦兹群的不可约表示对自然界所有的场进行分类，有所谓的标量场、旋量场、矢量场（麦克斯韦场，我们这个系列的主角）

　　虽然现在我们并没有看到任何光的影子，不过大家不要着急，回去好好上上维基百科看看群论或者标量场、旋量场、矢量的内容。。。

　　好吧，今天就到这里吧，小编高估自己了。。。

　　剩下的问题我们下次再说吧 (;￢＿￢)

　　在下次的文章中，小编会解答什么是标量场、矢量场、旋量场，以及为什么光速这么特殊。

　　编辑：Z.S