粒子與場是真實的嗎?
物理學家認為宇宙是由粒子與力場所組成的，但是在量子世界中，粒子與力場到底是什麼東西，還是個講不清楚的大問題；宇宙或許只是由一堆性質，例如顏色與形狀，所構成的。
撰文／庫爾曼（Meinard Kuhlmann）
翻譯／高涌泉
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重點提要
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物理學經常把宇宙描述成是由微小的基本粒子所組成的，這些粒子會透過力場相互拉扯。他們稱此學科為「粒子物理」，而稱此工具為「粒子加速器」，所認定的世界觀類似「樂高」積木的組合模型。但是這樣的觀點卻隱匿了一件鮮為人知的事實：量子力學的粒子詮釋以及場詮釋，大大超出了我們平常對於何謂「粒子」與何謂「場」的認知，以至於越來越多的人相信世界可能是由某種完全不同的東西所組成的。
問題並不在於物理學家欠缺一套能夠恰當描述次原子世界的理論——他們已經有了這麼一套理論，它的名字就是「量子場論」。理論物理學家在1920年代末期至1950年代初期發展出了這套理論，它結合了更早的量子力學與愛因斯坦的狹義相對論，成為粒子物理中標準模型的概念根基。標準模型能夠用一個共同的架構來描述物質的基本組成元素以及它們之間的交互作用，是科學史上最成功的理論。物理學家每天用它來計算粒子碰撞的結果、大霹靂時物質的合成、原子核內的極端情形以及其他種種狀況。
所以大家可能會驚訝物理學家居然還沒弄清楚這麼一套成功的理論到底在講些什麼，也就是究竟什麼是其「本體」，或者說，什麼是其物理圖像。這個問題和已經討論甚多的量子力學之謎（例如封閉盒子裡的貓是否可以同時既是死的又是活的）是不同的兩件事；我們如果不能好好詮釋量子場論，在探索（超越標準模型的）任何可能的新物理（例如弦論）路途上，便會受到阻礙。假如我們還不了解已有的理論，就很難建構新理論。
乍看之下，標準模型的內容很清楚：第一，它有一群基本粒子，例如夸克與電子；第二，它有四種力場，可以傳遞這些基本粒子間的交互作用。這樣的圖像出現在教室的黑板上，也出現在《科學人》的文章中。可是無論這個模型如何成功，它還是無法令人全然滿意。
首先，粒子與場的分際其實很模糊。量子場論分配給每一種基本粒子一個場，例如電子有電子場；與此同時，傳遞交互作用的力場都已量子化，沒有連續性，因而產生了粒子（例如光子、膠子），所以粒子與場的區別似乎是人為的。物理學家經常把兩者之一看成是更為基本的東西，這一個問題——究竟量子場論最終是關於粒子或是場——引來了不休止的辯論。一開始這是大人物間的爭論，雙方陣營都有著名的物理學家與哲學家支持。儘管多數物理學家承認古典概念並不適合量子場論，然而即便是今日，兩種觀點在教學場合都還派上用場。如果「粒子」與「場」等字眼所引發的意象並不符合理論的內涵，物理學家與哲學家就應該想出替代辭彙。
既然這兩種標準的古典概念纏在一起成了死結，一些物理哲學家已經在建構更為激進的替代品。他們設想物質世界最基本的組成元素是無形的東西，例如關係或性質。一個特別激進的點子是一切東西都可化約至無形之物，而不必提到個別的物體。這是非常違逆直覺的革命性觀點，但有些人爭辯說，迫使我們不得不接受這想法的正是物理。
粒子觀點適用嗎？
當最大多數人，包括專家，想到次原子世界的時候，腦中浮現的圖像是一顆顆類似小撞球的粒子相互撞來撞去。但是這種對於粒子的想像是一種過時的世界觀，它可追溯至古代希臘原子論者，且於牛頓的力學體系中達到最高點。好幾條重疊的線索清楚指出，量子場論的核心元素和撞球毫無類似之處。
首先，就古典概念而言，粒子所指的是存在於空間某處的東西；但是量子場論中的「粒子」根本沒有明確的位置：你身體裡的粒子並不完全待在你身體裡，想要測量此粒子位置的觀測者會發現，他們在宇宙另一角落找到這顆粒子的機率，儘管極其微小，但並不等於零。這種矛盾在量子力學中已經非常明顯，但是當量子力學與狹義相對論結合之後，情況更為糟糕。相對論性量子粒子是非常不明確的概念，它們根本就不存在於宇宙中某特定區域內。
