科學人 發行日期:2013/09 刊號:139
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粒子與場是真實的嗎?

撰文/庫爾曼(Meinard Kuhlmann) 翻譯/高涌泉

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。

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