量子物理学粒子理论的梦想可能最终实现
理查德·费曼（Richard Feynman）于1949年在《物理评论》（Physical Review）上发表了第一张以他的名字命名的图表。这是粒子相互作用的简图，看起来像这样：
> Image by Wikipedia user Romainbehar. Equivalent to the first published diagram in Space-Time Approach to Quantum Electrodynamics, R. P. Feynman, Phys. Rev. 76, 769 (1949). Published September 15, 1949.
该图描述了两个电子交换光子。电子是左右的实线。光子是它们之间的波浪线。这个过程对于所有力如何通过交换所谓的规范玻色子起作用是至关重要的。粒子交换在电子之间产生一个电位，该电位相当于它们之间的能量空间中的'山丘'，从而使电子彼此远离，沿着能量斜率移动。
根据费恩曼的说法，创建这些图的部分原因是重新讨论了量子场论，即相对论的力和物质的理论，该理论是在1930年代和40年代发展的，而不再是讨论鬼场相互作用，而是回到粒子之间的相互作用。
毕竟，我们从不直接测量场，而仅测量粒子。如果您考虑将两个磁铁放在一起，则可以感觉到它们相互吸引或排斥，这取决于它们的北极和南极对齐方式。两者之间的磁场是通过其产生的力来实现的，但是您只能通过查看磁体本身的行为来对其进行测量。字段本身几乎就像数学上的便利。
费曼图在做出预测方面取得了令人难以置信的成功，也许更重要的是，它帮助物理学家了解了力与粒子之间复杂相互作用的过程。它们都是一种语言，它们都是以精确的数学形式意义上的量子实验。
确实，它们远非仅仅是图片。实际上，您可以以一种非常曲折的方式直接从图中计算预测，建立粒子对特定实验结果的贡献，并完全避免量子场固有的许多无穷维演算。相反，您通常会在空间和时间上获得四个维度的积分，如果不是那么容易的话，这是比较容易的。
多年来与费曼图合作的问题之一一直是它们是否真正代表粒子。它们是量子场论的粒子解释吗？
严格的基于粒子的量子力学解释的拥护者，即鲍姆力学，会拒绝。鲍姆力学并不真正包含任何领域。取而代之的是，所有粒子都由波函数介导，从而产生了量子预测。如果这令人困惑，可以这样想象：每个粒子在一定磁场的作用下就像铁屑。我们可以检测和了解的所有内容都是由这些文件创建的。然而，磁场引导它们，以便它们形成特定的图案。我们从不检测磁场。相反，它是一种潜在的概率力，但是至少从电磁力到重力的一切都只是在概率场中运动的粒子。
那么，为什么费恩曼图不关于粒子呢？这是因为最终Feynman图是交互字段的直接图解转换。因此，图中的每个粒子实际上都是覆盖所有空间和时间的场的替身。这些粒子不存在任何地方或任何时间。它们只是一种特定类型的交互的代表。因此，如果我的电子场有两个传入的电子粒子-我知道的真实粒子。然后，该电子场通过光子场（也称为电磁矢量势）与自身相互作用。
因此，实际上，该图是种谎言。相反，这意味着我要把两个电子扔进电子雾中。在该雾内部的某个地方，存在光子雾，该光子雾导致电子通过光子与电子相互作用。我投入两个电子会产生干扰，这种干扰会通过电荷守恒等使雾（两个电子）从雾中冒出来，但粒子理论却并非如此。这是一种场论，有时允许粒子存在。
最终，费曼感到失望的是，他的图并不是量子场论的粒子表示，而是一种近似方法，很少有人看到放弃场论的理由，场论如此成功地描述了粒子加速器（太阳）中发生的事情，遥远的星系和宇宙大爆炸。
费曼图不仅是对量子过程的描述。实际上，您可以基于场论为任何物理过程创建费曼图，甚至是经典的。例如，如果您有一个关于水如何与自身相互作用的模型，则可以为此创建图表。您只需要显示流场在图中的相互作用方式以及它们可以组合的所有方式。
与直觉相反，这些图不会代表实际的水分子如何相互作用。相反，它们将显示水域中的无穷小点如何相互作用。这种理想的相互作用可能会丢弃大量有关真实粒子的信息，而仅保留对场论重要的内容。
但是，这仍然使您怀疑费曼图是否确实以某种理想化的，平滑的方式（例如流场）表示粒子，而正是由于场描述而使它们近似。毕竟，流体动力学专家经常将水或空气表示为连续体，尽管他们知道这是错误的。所有这些量子场都可能只是粒子的杂物吗？
这种方法存在一些困难，因为量子场论允许其粒子像无粒子性质的波一样起作用。确实，如果您采取类似电子的东西，则其量子描述包括一个具有所有质量的电子的电子场，但只有一个是合法质量。（测得的质量也是实验能量水平的函数，但是，如果保持能量水平固定，则只有一个质量。）所有其他的，虽然有助于实验的预测结果，却被称为'虚拟的''，因为他们没有现实。它们彼此之间的相关性是虚数。怎样才能得到一个虚数的粒子？
这可能没什么大不了的，因为它可能只是时间和空间之间奇怪的双曲线关系的结果。与普通统计不同，量子场论是一种包含时间的4D统计理论。这使其成为具有振荡和抵消的波动理论。在包括通信和雷达在内的所有波浪理论中，虚构的数字趋于出现。这些当然是真实的。部分地，这只是数学上的方便。波具有振幅，频率和相位。在复杂平面中摆脱相位并将其替换为幅度和频率要比直接处理实数要容易得多。（这就是为什么我们经常将信号表示为同相和正交或I / Q数据的示例。）因此，可以将量子理论中的虚数视为与波中相位的存在有关的一种便利。
事实证明，水与量子场论之间存在更大的差异。最大的问题之一就是所谓的真空回路。这些是一无所有地创建粒子，然后销毁但从未发现它们的时间。我们知道他们在那里，因为我们可以检测到他们的结果。
例如，具有足够高能量的光（与超功率激光器一样，在PB或Exawatt范围内）可以在真空中产生电子-正电子对。这些对在光线中产生非线性，导致其通过真空折射（弯曲）。可以测量这种轻微弯曲是由于真空回路的影响。
真空循环出现在统计过程中（不仅是量子，而且是普通的统计力学），但没有出现在经典的确定性过程中。在经典过程中，费曼图始终遵循树结构，其中粒子进入，相互作用和离开。中间并没有什么东西会消失。
在某种程度上，因为它不允许磁场，所以波姆力学一直存在表示粒子产生和an灭的问题，而在该理论中，以约翰·贝尔为名的贝尔型场理论的实现方式几乎是不现实的，但是更像是从计算算法中窃取的东西。如果有麻烦，我们如何用场论的粒子解释来处理它？
答案在于统计。
这样做的方法是查看平均随机过程随时间变化时循环的出现方式。事实证明，循环实际上是字段的不同部分在不同时间之间的统计相关性的结果。从粒子实际上是一无是处的意义上说，它们不是真实的。相反，统计过程的不确定性会产生相关性，从而导致循环。
这是我的一篇论文中的一个例子：
在此示例中，在左侧，您会看到一个通用字段的三个粒子在不确定的点y上聚集在一起。根据某些随机过程，您可以认为点y在不同时间是不同的。他们在那和已知的点x1之间传播。同时，它们的相互作用和传播在统计上与存在于另一个已知位置x2的第四个独立粒子相关。
这种统计相关性的结果似乎是一个粒子，从x1传播到x2，并与两者之间的真空回路相互作用。但是，该循环不存在。这只是对许多统计配置求平均的结果，在这些配置中，粒子存在于不同的位置，用y表示。在每个时间点y都有一个特定的值，但这很重要，在每个时间点x1和x2永远不会改变。
这是电子和正电子的另一个例子。拿两个类似于费曼画的例子，将它们关联在一起。
该图在动量空间中而不是位置空间中，因此我们感兴趣的不是粒子的位置，而是粒子的速度是多少。在这种情况下，存在两个随机的，不确定的动量p和p'，以及两个确定的动量p1和p2。这些相互关联以显示：
该图显示了一个最左端的电子与另一个最右端的电子相互作用，该电子由光子介导，但光子在中间产生一个电子-正电子环。在相关性中具有不确定的动量的电子和正电子现在出现在一个环路中。该循环不是真实的。它只是不确定性的代表。甚至电子和正电子在中间的存在都是不确定的，但有时它们存在，而有时则不存在。
一个警告是，当我说时间时，我不是平时，而是第二时间维度。一旦从理论中删除了环，将其表示为一堆粒子而不是神秘的场会变得容易得多，但是要使用量子场论来实现，您必须添加一个附加的维。大多数研究人员认为此附加维度是不自然的，但事实并非如此。
无论如何，这种量子场论方法最终可能会实现费曼所希望的：基于粒子的量子场论表示法，而没有所有波姆力学的缺点。如果是这样，那将是物理学和形而上学两者的胜利，这是真实的理论。
(本文由闻数起舞翻译自Tim Andersen, Ph.D.的文章《The dream of a particle theory of quantum physics may finally be realized》，转载请注明出处，原文链接：https://medium.com/the-infinite-universe/quantum-fields-may-not-be-real-5a23ebc45e90)