量子場是什麼?他是如何與物質相互作用的?

量子場是經典場的理論概括。我們知道的有兩種典型的經典場是麥克斯韋電磁場和愛因斯坦度量引力場。思考量子化過程的一種方法是我們首先在數學運算符號代替了一些數值（這部分為純代數或微積分，新物理仍未引進）的基礎上重新構造（仍然是經典的）場的方程；然後，我們「求解」得到的算子值方程，包括並未在經典理論中出現的解，然後斷言（經觀察驗證）這些新的「無意義的」（憑直覺而不是數學意義）解精準地描述了自然，包括觀察到的所有與經典理論矛盾的量子行為。

使用量子場有幾種基本原理。第一，這是多種經典場論的自然概括，它們是我們對自然研究出的最成功的（非量子）理論。第二，量子場論可以解釋並不存在於量子力學的粒子和過程的（經過觀測和研究的）創造與毀滅。第三，量子場論本質上是相對論性的，「神奇地」（不是真的，只是優雅的數學）解決了因果關係的問題，這些問題甚至困擾著相對論性的量子粒子理論。

但是，量子場並不與物質相互作用。量子場就是物質。在量子場論中，我們認為粒子正是量子場本身激發出來的。

最簡單的「實用」量子場論是量子電磁學。在量子電磁學中，兩種場同時存在：電磁場和「電子場」。 這兩種場持續不斷地互相作用，能量和動量被轉移，激發被創造和毀滅。所以，例如，我們所出於直覺所描述的電子吸收中子的現象，在量子電動力學中就是電磁場和電子場之間具體的相互作用，其中電磁場失去一個激發量子，電子場得到了它的能量、動量和角動量。

Lesson#1：場是最基礎的物質。我們在學校學了物質的基本構造塊是粒子。事實上，我們在大學也會繼續教授這個，我們會在大學裡解釋夸克和電子組成了樂高積木，所有的物質都從這樣的樂高積木中產生。

但這個表述隱藏了一個深奧的真相。根據我們最完美的物理法則，自然的基本構造塊不完全是分離的粒子。相反，存在著連續不斷的物質，像液體一樣，分布在整個空間中。我們稱這些物質為場。最為人熟知的場當屬電場和磁場。這些場的波紋產生了光，或更普遍地說，電磁波。鐵屑在磁場中有確定指向的現象就是由條狀磁鐵引起的。

Lesson # 2:粒子由場產生。如果你在距離電磁波足夠近的地方觀察，就會發現他們由中子組成。在我們將量子力學的作用包含在內時，電場和磁場的波紋會變成粒子。

但是對於所有其他我們所知道的粒子，同樣的過程也在起作用。在宇宙中存在著一層薄薄的分布在整個宇宙中的東西，我們稱之為電場。電場的波紋被量子力學束縛成為一捆能量。這捆能量就是我們所說的電子。同樣地，還有夸克場、膠子場以及希格斯玻色子場。在你身體中的每個粒子——事實上，是宇宙中的每個粒子——都是由量子力學機制塑造成粒子的基本場的微小波紋。

Lesson # 3:就像生活一樣，QFT也很難！

「QFT是目前現代物理學中最難的理論，25年中沒有一個人可以完全相信它。」-E.Witten

量子場是一種複雜的物質。一部分原因是它包含了所有的物理學：場可以描述大量的粒子，以無數種方式作用。但是，在我們抵達這些難題之前，還有另一個原因令量子場難以理解。

上述動畫是計算機對真空的模擬。這是真空的樣子，是一片完全沒有粒子的區域。這看起來一點也不無聊。海森伯格不確定關係意味著量子場不能保持靜止。與靜止相反，它起泡、沸騰，就是一鍋不斷冒泡的粒子和反粒子湯，不斷地被創造和毀滅。正是這種複雜性造成了QFT巨大的難度。

在QFT中，甚至虛無也是非常難以理解的。當你開始加入粒子，真空就會以有趣的方式扭曲。許多QFT的研究就是為了理解這種扭曲，理解它是怎麼造成粒子之間不同的相互作用的，最終，理解它如何造就我們周圍大自然的各種各樣的美。這非常困難。在發現了QFT許多年後，我們距離理解它的精妙之處仍然很遠。

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3. Viktor T. Toth-七裡香

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