最后更新：2024年7月23日

量子场论：万物皆场

现实之域

量子场论导论

当我们讨论物质及其在无限微小的粒子世界中的行为时，便进入了量子场论的领域。量子场论帮助我们理解粒子物理学。在某些情况下，进入时空区域的粒子数量会波动，并与离开该区域的粒子数量不同。例如，当处于初始状态的原子在最终状态中产生一个原子加一个光子时，粒子数量就会发生变化。换句话说，一个光子会突然从真空中涌现，出现在电磁场中。量子理论告诉我们，在现实世界中，一切都是"场"。

场：宇宙的能量载体

我们完全沉浸其中，直至最深的自我，置身于多个具有惊人特性的场域之中。场是物理学中的基本概念；它并非由其他物质构成——它本身就是真实世界的本质。场承载着宇宙中一切存在物的能量，从原子到庞大的星系结构。磁力、引力、核力、光、物质以及许多其他物理现象都由场来传递。最令人惊奇的是，构成我们自身的物质本身，正是一组场的集合。电子和质子同样是场，因此我们是由违背直觉的场构成的。换言之，我们是由沐浴在各类场中的幽灵般量子粒子聚合而成。这些场将粒子的能量传递至周围所有可及的空间。

场中的相互作用与粒子

借助场的概念，我们对事物本质的理解发生了革命性转变——现实变得奇异，并超越了我们的五种主要感官。现实并非仅由物质的存在简单解释，还涉及低能量量子场中真实物体与虚拟物体之间的交换与相互作用。在量子世界中，标准模型的所有粒子——费米子和玻色子——都源于场的振动。事实上，这正是大型强子对撞机（LHC）等粒子加速器背后的基本概念。当科学家想要观测某种粒子时，他们会通过碰撞产生与该粒子对应的能量。夸克和电子构成了普通物质，但绝对零度（-273.15°C）以上的物质会辐射能量，即通过场传播的光。每种费米子和玻色子都有其专属的场。粒子被视为这些场的激发态。

波粒二象性与直觉

1929年，法国数学家兼物理学家路易·德布罗意（1892–1987）将光的"波粒二象性"推广至电子，随后又扩展至所有粒子。然而，人类思维需要借助具象图景来滋养直觉、表征概念。但要将量子力学及我们身处的量子场体系概念化绝非易事。万物皆为"场"，而量子场——这些动态、带电、沸腾的系统——实则分属引力场与电磁场这两大自然基本场的子集。

什么是字段？

通用定义

在物理学中，一个场由多物体系统中的三个关联要素构成：一个定义的空间区域、一个可测量的物理量，以及连接该空间区域与物理量的关系。换言之，场中充满了物理量——即可通过仪器测量和量化的对象——空间中的每一点都通过对应关系或函数与物理量相关联。例如，大气压强、空气温度、风速、降雨、磁力、重力以及放射性均可通过场来表示。

标量场与矢量场

场是标量或矢量的。标量场可由单一量测量。例如，温度或质量由完全可通过单一数值测量的物理量定义。矢量场则与矢量量相关联，意味着单一数值不足以描述，还需方向与指向（如风速场中）。

场的表示与能量

如何表示一个场？对于标量场，表示数值相同的空间区域，例如温度场或压力场（见第1和第3张图）。对于矢量场，表示每条切线方向均为场矢量的场线，例如风向或磁场（见第2和第4张图）。场的能量在空间中逐渐衰减。正因如此，在广播电台产生的电磁场之外，我们便无法接收到信号。当电磁场突然中断时，会产生电火花（因为场确实蕴含能量）。

量子场

在量子物理学中，微粒这一概念并不适用，因为量子粒子并非微粒，而是由希尔伯特空间中的态矢量表示的数学量。这一概念违背了直觉与我们的视觉认知。

量子场充满整个空间。它是一个由亚原子粒子构成的矢量场，其数量是量子化的（取自有限的值集），关系由波函数（态矢量）描述。这使我们能够了解系统的全部信息，并赋予每个粒子波特有的干涉特性。在量子世界中，所有处于基态（非激发态）的粒子都是波。强子场由虚粒子——部分子（胶子和夸克）——构成，它们在真空中搅动、出现和消失。弱核力所承载的场中穿行着W和Z玻色子。电磁场中穿行着光子。引力场中穿行着“引力子”（尚未被发现），因为引力是一种非常微弱的力。因此，物质的实粒子和虚粒子都沐浴在这些沸腾的场中，偶尔会传递能量。这正是科学家在对撞机中诱导的现象。在对撞机中，当电子和正电子相遇时，它们会湮灭并将能量传递给真空的“嗡鸣”。这些能量会创造出真实的物质粒子，它们从真空中浮现，短暂地出现在计算机屏幕上。

场的能量与频率

因此，场是一个占据所有空间的沸腾系统——一种波动、振动、振荡，具有波长和频率的波。根据马克斯·普朗克（1858–1947）的公式 e=hν，场也具有能量（e 是运动物体的能量，h 是普朗克常数，ν（nu）是频率）。这对数值——能量与频率——表征了空间中每一点的场。空间中的每一点都允许粒子的产生或湮灭。