量子场：无处不在、无时不有 -

无论我们如何看宇宙，无论是在低温、还是超高能量下，无论从我们所处的地方、还是到可观察到的宇宙遥远处，我们发现有同样的物理定律。这些物理定律并不是开始只存在于人们发现它们的地方与时候，而是早就到处存在于人类发现它们以前、甚至早就到处存在于人类出现之前

量子场：无处不在

考虑一个磁场，我们现在许多人对它的构想与科学家在200多年前所认知的相同：当拥有某种类型的场源，例如电荷或磁体时，在其周围的空间存在一个场，可以通过观察这个场的影响以及作用方式来检测这个场的存在。譬如铁屑本身会被磁化，它们通过沿磁场方向对齐来响应磁场；电荷在存在电场的情况下，或在运动磁场中，会出现一定的力。

对于引力场，无论是爱因斯坦还是牛顿的引力概念，都可以可视化为：任何形式的物质或能量都将对空间中其位置处的累积引力效应做出反应，从而确定其未来的轨迹。

这种可视化功能很有用且通用，但只能在非量子设置中使用。它很好地说明了经典物理学是如何工作的，但我们生活在一个根本上是量子的世界中。在经典物理学中所设想的：场是光滑的、连续的，并且其性质可以存在于从理论最小值到理论最大值的认知，不再适用于量子世界。

取而代之的是，量子场不仅存在于拥有任何场源，如质量或电荷源的地方，而且无处不在、普遍存在。更重要的是：磁场被量子化，其零点能量或它可以占据的最低能量水平被允许具有非零值。

也就是说，没有电荷、没有质量、没有其他任何场源的“真空”，并非完全是空的，其中仍然存在这些量子场。这意味着，由于这些场的量子性质与海森堡的不确定性原理相结合而产生的量子涨落，也存在于整个空间中，拥有每种可能的量子模式和状态，这些状态具有特定的、可按照原理计算出容许状态出现的概率。

有人可能会对此持怀疑态度：“真空不空”？、“真空还有真空状态”？量子场只是进行计算的一种理论方法而已，真的存在？

可以做这样一个实验，将两个平行的导电板放置在可以创建的最完美的真空中：没有任何物质与电荷、没有任何类型的场源，但是有“真空”空间固有的量子场，包括基本的量子电磁场。

卡西米尔力（Casimir force）

在这两个板块之外，这些量子场的所有可能状态都被允许，因为没有禁止使用哪种模式的限制。但是在这些板内部，只允许这些量子场的一个子集，因为存在阻止某些电磁波（从而阻止某些量子场的激发）的边界条件。即使没有任何电磁波源，这些激发场的状态，或者为方便起见可视化为虚拟模式和粒子，在这些极板的内部和外部也不同，从而在这些极板上产生了一个净力：卡西米尔力（Casimir force）。

这种力于1948年由科学家卡西米尔预测。到1997年，物理学家史蒂夫·拉莫罗夫（Steve Lamoreaux）完成了一项壮举，首次对这种力进行实验检测，获得了卡西米尔力在5％以内的预测值结果。实验不仅表明量子场确实存在于整个空间中，而且还向我们展示了其作用的强度。

量子场：无时不有

在理论物理学里，量子场论（英语：Quantum field theory，简称QFT）结合了量子力学、狭义相对论和经典场论的一套理论概念和工具。在粒子物理学和凝聚态物理学中，量子场论可以分别为亚原子粒子和准粒子建立量子力学模型。量子场论将粒子视为更基础的场上的激发态，即所谓的量子，而粒子之间的相互作用则是以相应的场之间的交互项来描述。每个相互作用都可以用费曼图来表示，这些图不但是一种直观视化的方法，而且还是相对论性协变摄动理论中用于计算粒子交互过程的一个重要的数学工具。

费曼图

无论我们如何看宇宙，无论我们的宇宙是来自于大爆炸理论也好，或如最近诺贝尔奖得主彭罗斯所提出的循环宇宙论也好，即在大爆炸前存在另一个宇宙，量子场与宇宙一直同在。

量子场可能在宇宙大爆炸时就存在吗？可以肯定的是，在宇宙膨胀过程中一定仍存在某种量子场。它们可能是或可能不是当今存在的相同量子场，除了我们今天所认知的量子场之外，可能还有其它量子场。怎么知道这点的呢？因为在宇宙中看到的那些导致最终形成的宇宙结构的波动，与预期的由宇宙膨胀过程中存在的量子场波动引起的波动匹配。

这些波动通常在极为微小的微观量子尺度上发生，在大膨胀过程中在宇宙中伸展，在极热的大爆炸开始时转化为温度和密度的波动，并以不可逆转的方式烙印在宇宙上。已经观察到了这些波动及其后果，这一事实明确地告诉我们，这些量子场确实在宇宙膨胀期间存在。只要存在时空，就一定也已经存在某种形式的量子场。

宇宙膨胀期间发生的量子涨落确实在整个宇宙范围内得到扩展，也会引起总能量密度的涨落。这些场的波动会在早期的宇宙中引起密度缺陷，从而导致我们在宇宙微波背景下遇到的温度波动。

量子场无处不在、无时不有。明白这个道理，下次如果你说“脑子一片空白”的时候，起码，还有量子场的存在。

返回爱影视