从粒子到场，物理学中最美的理论

原文作者：大锅天眼

曾经有一段时间，宇宙发生的一切都被视为随机，而牛顿力学的引入带来了范式转变，宇宙被视为一种精确运行的机械，几乎所有运动和现象都可以通过方程式来解释。

在20世纪初，这种关于确定性和可预测宇宙的观点随着相对论和量子力学的出现而被打破。时间不再一成不变，粒子的精确位置也不再可测量。爱因斯坦、普朗克、玻尔和薛定谔等人引领了这一新范式的转变。

但之后物理学中又出现了另一项范式转变的发展，即量子力学被量子场论补充并变得更加完整，它是我们今天物理学中最佳理论的基础，这个最佳理论被称为粒子物理学的标准模型。什么是量子场论？它与量子力学又有何不同？

考虑一颗围绕恒星运行的行星，我们可以使用牛顿定律对其进行相当准确的建模。如果行星以某种方式失去其动能或减速，它会螺旋式运动并与恒星相撞。现在考虑一个概念上相似的东西，一个围绕氢原子质子运行的电子。在这种情况下，我们可以再次尝试使用牛顿定律对其进行建模，只不过引力要替换成静电力。

经典力学的失败就是从这里开始，我们从麦克斯韦方程组中知道，加速电荷会产生电磁辐射。电子不断变化的方向会产生加速度，这意味着电子会不断释放光子，在此过程中损失能量，因此它会螺旋朝向原子核并发生碰撞。但我们知道，现实中并没有发生这样的事情：原子是稳定的，电子并不会撞击原子核。

我们使用错误的工具来描述原子模型，为了与现实相符合，我们必须使用一种新工具——量子力学。玻尔提出电子保持稳定的轨道是因为它的能量是量子化的，它只能在一个最小量子整数倍的轨道上。

在牛顿物理学中，我们将物体视为具有非常具体和可测量的属性，例如质量 m、动量p和位置x。在量子力学中，我们的对象是一些完全不同的数学描述的波函数。正如薛定谔方程所示，粒子的位置在测量之前是未知的，我们只能知道在任何特定位置找到它的概率。因此，在氢原子的量子力学模型中，电子并不像行星围绕恒星一样围绕原子核旋转。

我们不知道电子在哪个位置，距离原子核多大的距离。我们所知道的是，在距原子核的任何特定位置处找到电子的机会都有与之相关的概率，而且我们无法在测量之前确定位置。因此，更好的原子模型就像围绕着模糊原子核的云。请注意，原子核也将是模糊的，因为它也是一个量子对象。

但是，量子力学也有一些问题，有些事情它也无法解释，并且还会得到错误的结果，就像我们试图用经典公式解释电子的轨道一样。首先，量子力学不是相对论的，如果量子物体以接近光速的速度移动，它会给你错误的结果。量子力学的第二个问题是它只告诉你一个粒子是如何随时间演化的，它没有告诉你它是如何被创造或消灭的。例如β衰变，它改变了粒子的数量，此时量子力学就不起作用了。

量子场论可以解释量子力学本身无法解释的事情。那么什么是量子场论呢？它是一个数学框架，结合了经典场论、狭义相对论和量子力学。标准模型的每个粒子都有一个场，所以在β衰变例子中，下夸克、W玻色子、上夸克、电子和反中微子都会有场，所有这些场都延伸到整个时空中。换句话说，这些场无处不在。

这些场充满了虚拟粒子，也就是被快速创造和摧毁的粒子-反粒子对。这些虚拟粒子无法测量，但大自然允许它们从真空中借用能量来创建，然后再湮灭将能量放回真空中。这种情况发生得如此之快，就好像大自然没有将它们记录为真正的可测量粒子。如果有足够的能量，就可以产生真正的粒子，可以对其进行测量。所以一个粒子只不过是这个场中的一种激发，这些激发是量化而不是连续的，所以场只能以整数增量创建粒子。

能量可以通过介导玻色子场在两个场之间转移，这被认为是一种相互作用或一种力量。如果没有中介玻色子，物质粒子就不能自行相互作用。因此，在量子力学中，中子无法将其能量分成3个不同的粒子——质子、电子和反中微子，但在量子场论中，这可以通过场之间的能量交换来完成。

因此，通过拥有量子场，我们可以在数学上解释和模拟粒子的产生和湮灭，以及力交换的机制。锦上添花的是该理论是符合狭义相对论的，并且没有违反因果关系。但即使是对量子力学的这种修改也不完美，它仍然缺少引力，我们没有引力的量子场论。

不代表中科院半导体所立场