粒子是一个个球，可能是我们对宇宙最大的误解之一 | 张朝阳对话物理学家
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每当提起电子，你脑海中浮现的形象，是不是绕着原子核飞速旋转的迷你小球？事实上，直到20世纪20年代，这幅画面都根深蒂固地印刻在物理学家的脑海中，没人怀疑它的真实性。对于我们中的大多数人而言，可能直到今天都将电子想象成是一个小球，而这或许是我们对宇宙最大的误解之一。
在现代物理学中，基本粒子并非小球状的实体“粒子”，而更常被描述为不同“场”的涟漪，就像平静的湖面被一颗石子注入能量后激起涟漪一样。我们似乎很难将“湖面涟漪”与“粒子”联系起来，但这却是物理学领域“最完美”理论——量子场论（quantum field theory，QFT）的核心观点，即基本粒子本质上是量子场的激发。7月，在搜狐创始人张朝阳与诺贝尔物理学奖得主戴维·格罗斯（David Gross）、知名物理学家徐一鸿以及剑桥大学理论物理教授汤大卫（David Tong）分别进行的深度对话中，三位物理学家不约而同地强调了量子场论在当代物理学中的重要性。也正是这“场”“场”思想的碰撞，让我们得以窥探藏在艰深理论之下的科学魅力。而“量子”为何会与“场”结合在一起？可能要从不是“小球”的电子讲起。
在20世纪20年代，一系列看似简单的问题，比如原子为何能稳定存在、原子光谱为何离散而非连续等，令经典物理学家们“焦头烂额”。为了解释原子光谱和元素周期表，物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）不得不引入一种令人恼火的假设：电子具有一种经典物理无法解释的“双值性”。经过一番冥思苦想，年轻的荷兰物理学家塞缪尔·古德斯米特（Samuel Goudsmit）和乔治·乌伦贝克（George Uhlenbeck）大胆猜测，如果电子除了绕原子核“公转”，自身还能沿顺时针或逆时针两个方向“自转”的话，恰好就能解释泡利的“双值性”假设。但电子自旋的解释立刻引入了新的悖论——若想满足新的计算结果，电子“小球”赤道处的运动速度要比光速还快上几倍。显然，狭义相对论不允许这种情况发生。
但电子自旋这一“不可能”的假设，很好地解释了诸多当时无法理解的实验现象，比如反常塞曼效应等。物理学家不得不接受经典物理在微观世界的溃败，即自旋就像质量和电荷一样，是电子的一种内禀属性，这引发了人们对粒子内禀属性量子起源的追问。当现有理论无法解释新的现象，矛盾总会催生新的理论框架。量子场论就是这样应运而生。
在量子场论中，电子不再是孤立的小球，而是弥散在宇宙中的量子场的微小“涟漪”。“这个房间里有一种叫作电子场的东西，量子力学将电子场中的微小涟漪束缚成能量束，从而形成电子粒子，”汤大卫在与张朝阳对话时解释并感叹道，“这真是一个美妙的故事。”而这种从“粒子”到“场”的根本性转变，不仅巧妙地解决了经典点粒子模型遇到的种种难题，更提供了一个统一的框架来描绘基本粒子和它们之间复杂精妙的相互作用，彻底改变了我们对微观世界的理解。
基于量子场论，真空并非平静的虚无，而是在极其微小的时空尺度上，时刻出现“巨大”的量子涨落，粒子和反粒子像沸腾的气泡一样涌现湮灭。
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曲折与磨合
不过，量子场论的诞生并不是简单地从电子出发一蹴而就，而是经过了漫长而曲折的探索。1925-1926年，物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）、埃尔文·薛定谔（Erwin Schrödinger）、马克斯·玻恩（Max Born）等人建立了现代量子力学。“它首次用量子化的方法描述了具有离散状态的系统——就像经典物理中难以想象的束缚态一样，”张朝阳在和汤大卫对话时评价道。量子力学成功描述了微观粒子的行为，但并没有将爱因斯坦1905年提出的狭义相对论纳入考量。当电子和其他基本粒子以接近光速运动时，相对论效应将无法被忽视，基于非相对论时空观的量子力学框架便显得力不从心。
为了解决量子力学和狭义相对论之间的内在矛盾，许多物理学家都试图将二者融合，但均未获得彻底成功。直到1928年，狄拉克开创性地提出了狄拉克方程，第一次成功融合了量子力学与狭义相对论，不仅自然地解释了电子自旋，还预言了反物质的存在，自此开启了统一粒子和场的探索的序幕。在狄拉克方程的启发下，包括泡利、海森堡在内的物理学家开始尝试用“场”来描述粒子系统，进而推动了第一个成功实现量子力学和狭义相对论完全相互融洽的理论——量子电动力学（QED）的诞生，它精确描述了光和物质如何相互作用。但在20世纪30年代到40年代末，即QED理论发展的早期，物理学家在计算粒子相互作用时，总会得到令人绝望的无穷大结果。“发散问题”令当时的物理学家无比困惑，甚至开始怀疑狭义相对论是否在本质上与量子力学不相容。
直到一群年轻的物理学家，理查德·费曼（Richard Feynman）、朝永振一郎（Sin-Itiro Tomonaga）、朱利安·施温格（Julian Schwinger）和弗里曼·戴森（Freeman Dyson）等人发展了“重整化”方法。他们通过重新定义物理量，将无穷大吸收到重新定义的参数中，从而得到有限且可预测的结果，巧妙地解决了QED中的发散问题。戴维·格罗斯在与张朝阳对话时提到，从量子力学诞生到QED理论成熟，大约花了25年时间，其中的曲折与艰难可见一斑。
QED是第一个在实验检验中达到前所未有精度的量子场论，这让许多理论物理学家乐观地相信，量子场论很快就能帮我们理解所有的微观现象，而不仅仅是与电磁相互作用有关的现象。但随之而来的是近20年的低迷。直到1960年，谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）基于杨振宁和罗伯特·米尔斯（Robert Mills）的非阿贝尔规范理论（也称杨-米尔斯理论）提出了电弱理论，统一了电磁相互作用和弱相互作用，但是该理论却有不可重整化的问题。为了赋予规范玻色子质量同时不破坏理论的对称性结构，彼得·希格斯（Peter Higgs）等人引入一种以自发对称性破缺为核心的希格斯机制，后来人们发现该机制下的电弱理论仍然可重整化，为该理论奠定了坚实基础。随着这一理论的不断发展，物理学家发现某些涉及强相互作用的现象也可以用非阿贝尔规范理论描述，由此诞生了量子色动力学（QCD）。戴维·格罗斯、弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）与休·戴维·波利策（Hugh David Politzer）也因发现强相互作用理论中的“渐进自由”获得了2004年诺贝尔物理学奖。
这些理论共同开启了量子场论的“文艺复兴”。
完美中的未知
“量子场论是迄今最强大、最完善的理论，”徐一鸿与张朝阳对话时表示，“之后的其他理论，在某种程度上都只是猜想。”这种理论的强大，不仅体现它能无比精准地预测电子行为，比如，电子磁矩与实验结果高度吻合，其精度可达小数点后13位，更在于它能够统一描述自然界除引力外的三种基本相互作用：强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。包含电弱理论和QCD的量子场论，成功描述了场和粒子的统一，成为粒子物理学标准模型（Standard Model）的理论框架。
而标准模型成功预言了多种基本粒子的存在，也展示了场论的完善。例如，标准模型准确预言了传递弱相互作用的W和Z玻色子，以及赋予基本粒子质量的希格斯粒子。这些预言后来都在大型粒子加速器实验中得到了证实，如欧洲核子研究中心（CERN）在2012年发现了希格斯玻色子。这些成就推动了基础物理研究的飞速发展，并帮助我们理解宇宙的起源和基本构成。
不过，尽管量子场论被誉为“最完美的理论”，但它并非没有未解之谜。徐一鸿指出，目前量子场论仍无法解释一些基础性问题，比如，电子和夸克等基本粒子的质量无法通过理论计算得到精确的结果。量子场论也无法解释自然界为何存在四种基本力，而非一种或更多。在与张朝阳的对话中，戴维·格罗斯也提到：“希格斯相互作用仍有许多未解之谜，标准模型中的某些预言尚未被证实，还有多种替代理论和未解之谜。”
量子场论的“完美”并未终结所有的问题，而是在现有认知框架内达到了极高的精度和普适性。但“未知”却并不意味着缺陷，反而是科学持续进步的源动力。戴维·格罗斯在对话中详细解释了标准模型如何预言三种基本力在极高能量下的强度趋于统一，而这却无法在实验中得到证实，因为当前实验与所需的能量水平相去甚远。而理论上的大胆预言，也将驱动高能物理实验技术的持续进步。与此同时，量子场论中的未解之谜也将驱动着前沿研究，例如解释物质－反物质不对称之谜，暗物质和暗能量的探索，以及对量子引力的追求，都推动着年轻学者突破现有理论的边界找寻新物理。
对话中窥见复杂之美
回溯量子场论的发展，它一直在统一看似矛盾的理论和思想，从量子力学和狭义相对论的结合，到QED和QCD的建立。而这种不断追求统一的过程，也正是物理学发展的过程。当牛顿将降落的月亮与下落的苹果联系在一起，本质上就是将天空中的运动与地面上的运动统一起来，“这就是统一理论中的第一个例子，因此我们可以说，物理就是从统一开始的，”徐一鸿与张朝阳对话时总结道。张朝阳补充道：“还有很有趣的事情，19世纪麦克斯韦通过方程式将电和磁联系在一起时，它和牛顿力学之间，可能也是不一致的。”每当物理学家发现两种理论体系存在冲突，就会驱动新的统一理论诞生，而这种冲突中的统一性，往往是由年轻的科学家发现的。比如，爱因斯坦就发现了牛顿力学与麦克斯韦电磁理论的冲突，继而提出了狭义相对论。
在与张朝阳对话的过程中，徐一鸿非常自然地讲起今人回看物理学史时发现的“遗憾”。麦克斯韦提出的麦克斯韦方程已足够伟大，但20世纪的物理学家并没有意识到其中还隐藏着重要的秘密：规范不变性。这一深刻的原理直到1954年才被杨振宁和米尔斯揭示，进而推动了完整量子场论的发展。这种宿命般的错过，在物理学史乃至科学史上屡见不鲜。我们总是需要更高的视角，引导我们发现和回顾贯穿在复杂理论中的伏线，而这正是与顶尖物理学家对话的意义。
每一位物理学家对复杂理论都有其独特的见解和思考方式。通过张朝阳的层层设问，不同物理学家针对同一概念或理论在自己的独特视角下给出阐释，从而为大家带来更全面的理解。比如，在讨论力学时，张朝阳的疑问“牛顿力学通过受力分析就能解决所有问题，为何还需要拉格朗日量和分析力学？”其实引出了汤大卫更深入的分析视角——力并非万物之源，能量和作用才是关键，正是这种新理论让我们摆脱了陈旧观念的束缚。尽管拉格朗日和哈密顿在当时对量子力学一无所知，他们的理论依然能在整整一个世纪后桥接上后续的理论。事实上，“量子力学把那些拉格朗日量和哈密顿量都转化成了算符，甚至量子力学本身也是从经典力学的处理方法发展而来，”张朝阳感慨道。
而当张朝阳问起数学对于物理学习有多重要时，徐一鸿认为理解物理学只需要“非常简单的数学知识”，尤其强调物理直觉的意义；汤大卫则更强调数学与物理的协同作用。这种看似矛盾的观点，其实揭示了物理学研究中严谨与直觉的复杂平衡。也许，这些直觉性的表达和多维度的思考，反而更容易激发公众对科学最本真的兴趣，鼓励他们超越表面现象去思考，深入探索自然界的奥秘。
https://www.damtp.cam.ac.uk/user/tong/whatisqft.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Spin_(physics)
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_field_theory
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_electrodynamics