3 个独立证明：量子场携带能量

量子场是真实的，还是它们只是计算工具？这 3 个实验表明，如果能量是真实的，那么量子场也是真实的

虽然我们传统上认为量子物理学给我们宇宙中存在的粒子带来了固有的不确定性和“量子性”，但这些影响必然超出粒子本身，包括渗透整个空间的场，即使在没有粒子本身。

• 从 20 年代后期到 40 年代及以后发展起来的量子场论认为，不仅粒子，而且它们背后的量子场都是基本的。
• 几十年来，科学家们一直在争论量子场是否真的存在，或者它们是否只是计算工具，可用于描述可观察粒子的行为。
• 然而，近年来，一些独立的实验似乎已经解决了这个问题：量子场携带能量，并且可以观察到。如果能量是真实的，那么量子场也是真实的。

在物理学和哲学的交叉点出现的最大问题之一既简单又令人费解：什么是真实的？现实是否仅由存在于广义相对论所描述的时空背景之上的粒子来描述？将这些实体描述为粒子是否从根本上是错误的，我们是否必须将它们视为某种混合的波/粒子/概率函数：对我们现实中每个“量子”的更完整描述？或者是否存在从根本上支撑所有存在的场，我们通常与之交互的“量子”只是这些场激发的例子？

当量子力学出现时，它带来了以前被认为定义明确的量的认识，例如：

• 粒子的位置和动量，
• 它的能量和时间位置，
• 以及它在我们拥有的三个空间维度中的每一个中的角动量，

不能再给它们赋值，只能给它们取值的概率分布。尽管这种怪异现象本身引发了许多关于现实本质的争论，但随着量子场的引入，事情很快就会变得更加怪异。几代人以来，物理学家一直在争论这些量子场是否真的存在，或者它们是否只是计算工具。

将近一个世纪后，我们确信它们是真实存在的，原因很明确：它们携带能量。科学家是这样发现的。

该图说明了位置和动量之间固有的不确定性关系。当一个被更准确地了解时，另一个本质上就不太可能被准确地了解。其他一对共轭变量，包括能量和时间，在两个垂直方向上自旋，或角位置和角动量，也表现出同样的不确定关系。

量子场论的产生是因为量子力学与最初理解的不一致。“位置”和“动量”等物理属性不是简单地作为拥有它们的粒子的固有属性的量，而是量子力学让我们理解测量一个固有地引起另一个的不确定性。我们不能再将它们视为“属性”，而是视为量子力学算子，我们只能知道这组可能结果的概率是多少。

对于位置和动量之类的东西，这些概率分布将具有时间依赖性：您可能测量的位置或您推断粒子拥有的动量会随时间变化和演变。

但这又遇到了另一个问题，一旦理解了爱因斯坦的相对论，我们就无法避免：不同参考系中的观察者的时间概念是不同的。物理定律必须是相对论不变的，无论您身在何处以及移动的速度（和方向）如何，都会给出相同的答案。

如果一个理论不是相对论不变的，则不同的参照系，包括不同的位置和运动，会看到不同的物理定律（并且在现实上会不一致）。我们在“提升”或速度变换下具有对称性这一事实告诉我们我们有一个守恒量：线性动量。一个理论在任何类型的坐标或速度变换下都不变的事实被称为洛伦兹不变性，而任何洛伦兹不变对称性都守恒 CPT 对称性。然而，C、P 和 T（以及 CP、CT 和 PT 的组合）都可能被单独违反。量子力学的原始公式不具有此属性。

问题是经典的量子力学，就像薛定谔方程所描述的那样，对不同参考系中的观察者产生不同的预测：它不是相对论不变的！经过多年的发展，第一个以相对论不变的方式描述物质量子行为的方程式才被写下来，包括：

• 适用于自旋为 0 的粒子的 Klein-Gordon 方程，
• 适用于自旋 ½ 粒子（如电子）的狄拉克方程，
• 和适用于自旋为 1 的粒子（如光子）的 Proca 方程。

传统上，你会描述每个粒子产生的场（如电场和磁场），然后每个量子将与这些场相互作用。但是，当每个产生场的粒子都具有固有的不确定属性（例如位置和动量）时，您会怎么做？你不能简单地将这种波状展开的电子产生的电场视为来自一个点，并遵守麦克斯韦方程组的经典定律。

这就是迫使我们从简单的量子力学发展到量子场论的原因，它不仅将某些物理性质提升为量子算子，而且将场本身提升为量子算子。

当我们想到量子宇宙时，我们通常会想到也表现出波状特性的单个粒子。但实际上，这只是故事的一部分；粒子不仅是量子的，而且它们之间的场和相互作用也是。

有了量子场论，大量已经观察到的现象最终变得有意义，因为有了场算子（除了位置和动量等“粒子算子”之外）让我们能够解释：

• 粒子-反粒子的产生和湮灭，
• 放射性衰变，
• 对电子（和 μ 子）磁矩的量子校正，

以及更多。

但是这些量子场仅仅是对真正构成我们现实的粒子的数学描述，还是它们本身就是真实的？

回答这个问题——关于某物是否“真实”——的一种方法是问你能用它做什么。当然，我们不能自己测量潜在的场，但如果我们可以做一些事情，比如从它们中提取能量，用它们做“功”（即，通过施加力将质量移动一定距离），或者哄骗将它们转化为一种配置，在这种配置中，它们会产生一个明确的、可观察到的签名，这是量子场论所独有的，可以证明它们的“真实性”。截至 2023 年初，我们已经有了三个独立的经验和实验证据，证明量子场实际上是非常真实的。

如果你有两个带相同电荷和相反电荷的导体，计算空间中每一点的电场及其强度只是经典物理学中的一项练习。在量子力学中，我们讨论粒子如何响应电场，但电场本身也没有量子化。这似乎是量子力学表述的最大缺陷。

1.) 卡西米尔效应。理论上，存在各种类型的量子场——从电磁力、弱核力和强核力——渗透到整个空间。可视化该场的一种方法是想象一系列具有所有不同可能波长的量子涨落或波。通常，在真空中，这些波长可以取任何值，并且可以做：我们所说的空间“零点能量”，或真空的“基态”，来自所有可能贡献的总和。

然而，你可以想象设置障碍来限制在给定空间区域中可能出现的波和波长的种类。在物理学中，我们通常将这些约束称为“边界条件”，它们使我们能够控制各种电磁现象，包括无线电和电视信号。

1948 年，物理学家亨德里克·卡西米尔 (Hendrik Casimir) 意识到，如果要建立一种结构，让两个平行的导电板彼此非常靠近，则板外“允许”的波模将是无限的，而板内只有一个模式的子集将被允许。

此处针对两个平行导电板说明的卡西米尔效应排除了导电板内部的某些电磁模式，同时允许它们在板外。结果，正如 Casimir 在 1940 年代所预测的那样，并在 1990 年代由 Lamoreaux 进行了实验验证，这些板块相互吸引。

因此，纯粹由于它们之间的量子场效应，作用在板上的向内力和向外力会有所不同，具体的力取决于确切的配置。虽然人们普遍认为卡西米尔效应应该存在，但事实证明它很难测量。

值得庆幸的是，在卡西米尔提出它 49 年后，实验终于赶上了。1997 年，史蒂夫·拉莫罗 (Steve Lamoreaux) 设计了一项实验，利用一个平板和一个极大球体的一部分来计算和测量它们之间的卡西米尔效应。瞧，实验结果与理论预测一致，精度超过 95%，仅涉及很小的误差和不确定性。

自 2000 年代初以来，卡西米尔效应已被直接在平行板之间测量，集成硅芯片甚至被证明可以测量复杂几何形状之间的卡西米尔力。如果量子场不是“真实的”，那么这种非常真实的效应就会存在而无需解释。

当电磁波从被强磁场包围的源传播时，由于磁场对真空空间的影响，偏振方向将受到影响：真空双折射。通过测量具有正确特性的中子星周围偏振的波长相关效应，我们可以证实对量子真空中虚粒子的预测。

2.) 真空双折射。在磁场非常强的区域，空旷的空间本身——尽管不是由任何物理物质“构成”的——应该被磁化，因为该空间区域中的量子场会受到外部场的影响。在真实的宇宙中，脉冲星实际上提供了这个天然实验室：产生的磁场比我们在地球实验室中创造的最强电磁体还要大数十亿倍。当光穿过这个高度磁化的空间时，该光应该因此变得偏振，即使光一开始是完全非偏振的。

这种被称为真空双折射的效应的预测可以一直追溯到维尔纳海森堡。然而，直到 2016 年，一个团队才观察到一颗位于 400 光年外的非常“安静”的中子星：RX J1856.5-3754。这标志着曾经测量过偏振的最微弱的物体，但线性偏振度很大且显着：16%。如果没有这颗脉冲星周围真空空间中真空双折射的增强效应，就无法解释这种极化。再一次，量子场的影响出现在一个明确的、可测量的地方。

理论上，施温格效应表明，在足够强的电场存在下，（带电）粒子及其反粒子将从量子真空（真空空间本身）中剥离出来，成为现实。1951 年由朱利安·施温格 (Julian Schwinger) 提出理论，这些预测首次在使用量子模拟系统的桌面实验中得到验证。

3.) 施温格效应。想象一下你有一个非常强的电场而不是磁场；比你在地球上制造的更强大的东西。量子真空将变成电极化，而不是磁极化：电荷以同样的方式迁移到电池或其他电压源的两端。

在真空的深处，会发生各种类型的量子涨落，包括罕见但重要的粒子和反粒子对的产生。最轻的带电粒子是电子及其反物质对应物正电子，这些粒子也是在存在电场时加速最大的粒子（由于它们的质量低）。

通常情况下，这些粒子-反粒子对在被探测到之前就湮灭回“虚无”。但是如果你把电场强度调大到足够大，电子和正电子可能就再也找不到彼此了，因为它们会被电场的作用驱离彼此他们所在的两极化空间。

石墨烯具有许多迷人的特性，但其中之一是独特的电子能带结构。有导带和价带，它们可以重叠零带隙，使空穴和电子都能出现和流动。

从理论上讲，中子星内部非常强的环境应该会产生这些场，并且您可以通过爱因斯坦最著名的方程式 E = mc² 从电场能量中创建新的粒子-反粒子对。然而，我们无法在那种环境中进行实验，也无法在地球上重现这种情况，因此，大多数研究人员放弃了测试施温格效应的想法。

但在 2022 年初，一组研究人员还是做到了。通过利用称为超晶格的基于石墨烯的结构 —— 其中多层材料形成周期性结构—— 这项研究的作者 应用电场并诱导自发产生电子和“空穴”，它们是正电子的凝聚态物质类似物，以从底层施加的电场中窃取能量为代价。

解释观察到的电流的唯一方法是用这种自发产生电子和“空穴”的额外过程，这个过程的细节与施温格早在 1951 年就做出的预测一致。

QCD 的可视化说明了由于海森堡的不确定性，粒子/反粒子对如何在极短的时间内从量子真空中弹出。量子真空很有趣，因为它要求真空本身不是那么空，而是充满了描述我们宇宙的量子场论所要求的各种状态的所有粒子、反粒子和场。把这些放在一起，你会发现空旷的空间有一个零点能量，它实际上大于零。

当然，有人可能会争辩说，量子场从一开始就需要是真实的：自从 1947 年首次观察到兰姆位移以来。氢的 2s 轨道中的电子与 2p 轨道中的电子占据的能级略有不同, 即使在相对论量子力学中也没有出现; Lamb -Retherford 实验甚至在第一个现代量子场论——量子电动力学——由 Schwinger、Feynman、Tomonaga 和其他人开发之前就揭示了这一点。

尽管如此，在观察到效果之前进行预测，而不是在事后解释已经观察到的效果，还是有一些特别之处，这就是为什么其他三种现象与制定量子场论的最初动力不同。

与更大宇宙的一种可能联系是，观察到的暗能量效应会导致宇宙加速膨胀，其行为与我们所期望的相同，如果零-有一个小但正的非零值。空间的点能量。到 2023 年，这仍然是猜测，因为计算空间的零点能量超出了物理学家目前的能力。然而，量子场必须被认为是真实的，因为它们携带能量并对宇宙中的光和物质产生可计算和可测量的影响。也许，对于大自然来说，我们可能正处于发现更深层次联系的风口浪尖。