为什么量子场才是最基本的？

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【为什么需要量子场论？】

在经典物理中，引进场的概念的主要原因是为了构建“ 局域 ”的自然定律。如果你还记得库伦定律和牛顿定律的话，你会发现它们都存在着“ 超距作用 ”。这意味着，如果一个质子（或恒星）移动的话，电子（或行星）会立即感受到力的改变。这种瞬时感应是无法令人满意的。更重要的是，在实验上也是错误的。幸好，麦克斯韦和爱因斯坦的场理论补救了这个情况，取而代之的是所有的相互作用都是由局域的场所调解的。

△ 通电的导线周围会产生磁场，铁屑在磁场的作用下发生定向排列。（图片来源：Trevor Clifford Photography/SPL）

正是局域性的要求，成为了在量子世界研究场论的主要动力。但是，除了局域性外，我们还有其它的原因把量子场看做是基本的。这里给出两个理由：

理由1 ：因为量子力学和狭义相对论的结合意味着粒子的数量是不守恒的。

狭义相对论和量子力学都是上个世纪初的两个重大发现。当一个火箭以接近光速飞行的时候，我们就需要利用狭义相对论来研究它的运动，而不需要量子力学；而当研究缓慢运动的电子散射质子时，就需要量子力学，而不需要考虑狭义相对论。

粒子并不是无坚不摧的。它们能够被创造和毁灭。1928年，当狄拉克写下第一个相对论性的量子力学方程时，就预言了反粒子的存在。当粒子和反粒子相遇时就会湮灭。事实上，大部分粒子都是稍纵即逝的，这个事实已经在粒子加速器中无数次被验证了。下面我简单的描述下在什么情况下我们预期粒子的数量会改变。

考虑一个质量为 m 的粒子被困在一个大小为 L 的盒子中。物理学家海森堡告诉我们，粒子的动量不确定性为 △p ≥ ћ/L 。而在相对论中，动量和能量是等价的，因此能量的不确定性为 △E ≥ ћc/L 。但是，当能量的不确定性超过△E = 2mc² 时，我们就越过障碍，在真空中会出现 粒子-反粒子对 。当一个质量为 m 的粒子被困在距离为 λ = ћ/mc 内时，粒子-反粒子对就变得重要起来。在比这个距离更短的情况下，就有很大的概率探测到粒子和反粒子对围绕着原先被我们放进去的粒子。这个距离 λ 被称作 康普顿波长 。它总是比德布罗意波长

λ_(dB) = h/p 更短。

△ 取一个盒子，把所有存在于盒子里的东西都拿出来，只剩下一个纯真空。那么盒子中真空所呈现出来的就是这个动图。即使是粒子被取出来了，场依旧是存在。而场是由量子力学所支配的。根据量子力学中的海森堡不确定性原理，并没有东西可以是静止的，场也必须服从。因此即使没有任何东西在盒子里，场以一种非常复杂的方式在不断地冒泡和涨落。这被称为量子真空涨落。虽然这是由电脑模拟的，但却是真实存在的，可以通过卡西米效应来测量。 （

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