量子场论
/ KWON-tum field THEER-ee /
把宇宙想象成一种东西:它不是空荡荡的空间里夹着几颗到处乱撞的小弹珠(粒子),而是处处都充满着看不见、不停抖动的“介质”,叫做场——电子有电子场,光子有光子场,每种夸克也各有一种场,依此类推。所谓场,不过是在空间和时间的每一点上都有一个数值的量,就像房间里各处的温度,或池塘水面上涟漪的高度。量子场论(QFT)这套框架主张:这些场才是现实最根本的实体,而我们所说的粒子,不过是某个底层场里一处局部的涟漪,也就是激发。
量子场论是把三大思想合在一起得到的:量子力学(能量一份一份地出现,结果是概率性的)、狭义相对论(没有东西能超过光速,且能量与质量可以互换)、以及来自经典物理的场的概念。“量子”二字意味着每种场只能以整数份的能量被激发——而每一份就是一个粒子。两个电子并不是两个不同的物体,而是同一个电子场里的两道涟漪,这正是宇宙中每个电子都完全相同的原因。在这幅图景里,力本身也是场:电磁力就是光子场,两个带电粒子之间的推拉,靠的就是交换这个场的涟漪(光子)。
整个标准模型都是用量子场论这门数学语言写成的——量子电动力学、强相互作用理论、电弱理论,都是一种种具体的量子场论。它也是全部科学中受检验最精确的思想之一:量子场论对电子磁性行为的预言,与实验吻合到小数点后十多位。一个坦诚的注意点:量子场论的计算几乎总是借助近似(微扰论)进行,并且常常冒出必须小心驯服的无穷大,靠一套叫做重整化的程序来处理;所以这套框架尽管极其成功,更像是一套带规则的配方,而不是一条整洁完结的方程式。
灯泡发光时,灯丝里的原子把能量倾注进电磁场,而这份能量以一道道离散的涟漪——光子——的形式离开。同一个能传递稳定电场力的场,也能携带这些飞行的光的小包,因为在量子场论里,力与粒子是同一个场的两副面孔。
发光的灯丝:注入场中的能量以粒子(光子)的形式重新放出。
人们容易说“场是由粒子组成的”,但其实正好相反:场才是根本,粒子是场被量子化的激发。粒子的数目甚至可以改变——场会不断地产生和湮灭它们。