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

 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

重點提要
■粒子物理依道理應該是關於粒子的學問,而多數人對於粒子的想像就是它們像微小的撞球在空間中彈撞。但是這樣的「粒子」概念,在仔細檢驗之下卻站不住腳。
■多數物理學家認為粒子根本不是一種東西,而是量子場的激發;可是場的概念也很弔詭。
■如果粒子與場都不夠基本,那麼什麼才基本?一些研究者認為世界實際上並非由物體組成,而是由性質(例如質量、電荷與自旋)與關係所構成的。

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。

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