从粒子到场，物理学中最美的理论

在20世纪初，这种关于确定性和可预测宇宙的观点随着相对论和量子力学的出现而被打破。时间不再一成不变，粒子的精确位置也不再可测量。爱因斯坦、普朗克、玻尔和薛定谔等人引领了这一新范式的转变。

考虑一颗围绕恒星运行的行星，我们可以使用牛顿定律对其进行相当准确的建模。如果行星以某种方式失去其动能或减速，它会螺旋式运动并与恒星相撞。现在考虑一个概念上相似的东西，一个围绕氢原子质子运行的电子。在这种情况下，我们可以再次尝试使用牛顿定律对其进行建模，只不过引力要替换成静电力。

经典力学的失败就是从这里开始，我们从麦克斯韦方程组中知道，加速电荷会产生电磁辐射。电子不断变化的方向会产生加速度，这意味着电子会不断释放光子，在此过程中损失能量，因此它会螺旋朝向原子核并发生碰撞。但我们知道，现实中并没有发生这样的事情：原子是稳定的，电子并不会撞击原子核。

在牛顿物理学中，我们将物体视为具有非常具体和可测量的属性，例如质量 m、动量p和位置x。在量子力学中，我们的对象是一些完全不同的数学描述的波函数。正如薛定谔方程所示，粒子的位置在测量之前是未知的，我们只能知道在任何特定位置找到它的概率。因此，在氢原子的量子力学模型中，电子并不像行星围绕恒星一样围绕原子核旋转。

量子场论可以解释量子力学本身无法解释的事情。那么什么是量子场论呢？它是一个数学框架，结合了经典场论、狭义相对论和量子力学。标准模型的每个粒子都有一个场，所以在β衰变例子中，下夸克、W玻色子、上夸克、电子和反中微子都会有场，所有这些场都延伸到整个时空中。换句话说，这些场无处不在。

因此，通过拥有量子场，我们可以在数学上解释和模拟粒子的产生和湮灭，以及力交换的机制。锦上添花的是该理论是符合狭义相对论的，并且没有违反因果关系。但即使是对量子力学的这种修改也不完美，它仍然缺少引力，我们没有引力的量子场论。