另一种量子场论：贝尔场论，宇宙可能是由粒子而不是场构成的

大多数物理学家已经得出结论，宇宙中所有的空间、时间和物质，都是由场组成的。据我们所知，这些场没有最小的、不可分割的组成部分。这样，我们已经背离了几个世纪以来朝着相反方向发展的宇宙粒子模型。

2000多年前，有两种物质理论。希腊哲学家阿特斯托尔（Artistotle）认为一切事物都是由四种元素（气、水、土、火）构成的，并且这四种元素是无限可分的。然而，另一位希腊人德谟克利特（Democritus）提出，物质是由被称为原子的微小的、不可分割的粒子构成的。

在中世纪，阿特斯托尔是如此的受人尊敬，以至于他完全凭借影响力取胜。

直到18世纪启蒙运动时期，随着艾萨克·牛顿和罗伯特·波义耳等自然哲学家提出了新的物质理论，德谟克利特的思想才再次流行起来。在他的《光学》论文中，牛顿甚至提出了他的光的“微粒”理论，这预示着光子的发现。但在当时，这一切都只是猜测。

• 德谟克利特

直到19世纪初，罗伯特·道尔顿才把原子理论建立在科学的基础上。他的理论奠定了现代化学的基础。与此同时，意大利科学家阿伏加德罗进一步了解了粒子与化学比例的关系。如果你上过高中化学课，你可能听说过阿伏伽德罗常数，即构成一摩尔物质的粒子数量（6.02214076×10^23）。

从那时起，原子理论被证明是令人难以置信的成功。后来，电子和质子等亚原子粒子被发现。粒子加速器是在20世纪早期发展起来的，它可以把各种粒子撞击在一起，以便观察更多的粒子。

那是一个粒子的世界。

然后量子力学出现了，它展示了粒子如何也可以是波，这就是粒子模型开始崩溃的时候。如果粒子是波，那么它们更像场，就像阿特斯托尔所说的那样。取决于我们如何看待它们，它们要么像波，要么像粒子。它具有波粒二象性。

那么，阿特斯托尔是否真的正确？

许多物理教科书都有“是”和“不是”的说法，但现代物理学的数学并不是这么说的。事情是这样的：

在1930到40年代，狄拉克，费曼，施温格等物理学家努力建立了量子力学理论，该理论可以解释粒子加速器内部发生的事情，因为物质如此快速地运动，因此需要结合爱因斯坦的狭义相对论来控制物质以接近光速的速度移动。他们提出了已成为物质，力和能量理论的金标准：量子场论。

量子场论（QFT）似乎用它对粒子更为复杂的观点回答了这个问题，即物质是什么。虽然我们可以测量粒子或波，但它们实际上都是场的表现（因此得名）。当我们把场看作粒子时，这意味着它的能量与这种类型的粒子的质量相等。当粒子像波一样运动时，这是由于场对质量壳影响的总和。

场的质量外壳部分是无法探测到的，我们称它们为“虚粒子”场，但它们在模型中根本不是粒子。它们只是连续的场。更糟糕的是，它们在数学上是“虚构的”。量子场论的本体论（什么是真实的理论）是场是隐藏的现实，粒子是场的表现。

• 虚粒子

这种本体论并不为有些人所接受。尤其是，它并没有被大卫·波姆所接受，他在20世纪50年代发展了波姆力学。它也不被约翰贝尔接受，他发展了著名的量子概率定理。贝尔和波姆都坚持认为，正确的本体论仍然是德谟克利特的本体论。粒子是隐藏的现实，而不是场，而波是一个独立但相关的实体。

不幸的是，波姆的理论没有量子场论那么有效。它只是解释了量子力学，即定义明确的慢速运动粒子的理论，而不是粒子在加速器中相互碰撞的理论。

• 波姆理论

为了解决这个问题，贝尔采用了波姆的理论并开发了一个版本，旨在与量子场论竞争。在此过程中，他创造了我们现在称为贝尔型场理论的第一种理论，即场是许多许多粒子及其相关波的表现。粒子是基本的现实，就像它们与水、空气和我们在化学中知道的其他东西一样。

贝尔和他的继任者必须处理一些问题才能使这项工作生效。量子场论超越波姆理论的第一件事是，在粒子加速器中可以创建和破坏粒子。这就是粒子加速器的重点！我们希望看到像希格斯玻色子一样从未见过的粒子。我们花费数十亿美元来建造越来越大的加速器，以制造新的粒子。不能考虑到这一点的理论在高能物理中是无用的。

场很容易产生新的粒子，因为它们几乎从无到有创造出所有的粒子（不是什么都没有，入射了能量）。场的相互作用可以产生任何允许的粒子，只要能量是正确的。这是场论的优势之一。

在粒子理论中，你必须明确地为粒子的产生和毁灭建立模型。贝尔和其他人通过模拟粒子的所谓“跳跃”轨迹来做到这一点。跳跃轨迹是粒子出现，跟随轨迹一段时间，然后消失的一种方式。它还允许粒子移动，完全跳到一个新的位置，并像以前一样继续移动。

虽然这不会发生在我们的世界，但它在量子力学中一直在发生。想象一下去打保龄球，如果你的保龄球不见了，最后停在了停车场，或者是一些你从未见过的球突然出现在你的球道上，击中木瓶，然后消失了，或者你的球在球道上滚下来，分成两个球，两个球相撞后又变成一个保龄球，这在量子领域很正常。

贝尔型场论的工作本质上是通过一个随机的过程，使粒子通过在它的“构型空间”或所有可能的粒子构型空间中跳跃而出现或消失。这种随机过程被称为马尔可夫过程，它使新粒子的出现成为可能，就像在标准量子场论中那样。

让我们举个例子：对于量子电动力学，假设你有三种粒子：电子，正电子和光子。假设我要使两个电子相互作用并创建一个电子-正电子对，该电子-正电子对出现然后消失。在场论中，我会用“扰动项”在场论中，涉及到这些相互作用。（扰动项有点像场论中的单粒子相互作用的情形）一个扰动项会有一个与之相关的费曼图，就像这样：

• 两个电子来自顶部，与光子相互作用。光子在中间产生一对电子-正电子，这对电子消失了。电子从底部传播出去。

费曼图并没有真正描述时间上发生的事情。它有一个从上到下的时间顺序，但并没有说每个粒子是什么时候产生或毁灭的。相反，这个图只是描述了一个字段在任何时候所做的无数件事情中的一件。

然而，在贝尔型场论中，你可以模拟每个粒子的时间轨迹。首先有两个电子进入。然后一个电子发射一个光子。光子移动了一段时间，消失了，一个电子和正电子对出现了。它们移动了一段时间，然后相互碰撞。光子重新出现并继续到它被吸收的另一个电子。另一个电子以相反的方向做同样的事情。其结果是电子分开，彼此排斥。

最后，贝尔型场论和量子场论可以做出同样的预测。然而，我们很难论证场所做的其他我们无法测量的事情，比如虚粒子。为了使我们的预测成功而提出看不见的、不可能被物理解释的数学结构似乎也没有意义。