深度科普：磁场和电场到底是什么？也是某种物质吗？

“场”这一概念由法拉第率先提出，而后在麦克斯韦建立的经典电磁场理论中得以发扬光大。随着20世纪科学界的两大革命——相对论与量子力学的兴起，量子场论这一崭新领域应运而生。

量子场论为我们揭示了一个全新的物质世界，它将粒子与场融为一体，视为不可分割的整体。

量子场论阐述了场是比粒子更根本的存在形态。场的存在分为基态与激发态，而我们所称之为的“粒子”，不过是场的激发态的体现。

设想一片平静的水面，它代表着场的基态。一旦受到外界能量的扰动，水面便会激起水花、水珠，而这些水的动态形态，就如同粒子一般。

相对论与量子力学随着20世纪物理学界的两次重大革新，成为了整个物理学基石。相对论对旧有的绝对时空观进行了颠覆，并主宰了宏观世界；量子力学则摒弃了确定性的旧观念，采用概率论来描绘微观世界。

当物理学家开始观察微观粒子的运动时，他们惊奇地发现，粒子们似乎始终处于不断运动的动态平衡中。于是，科学家们将描述这种快速运动现象的狭义相对论与量子力学结合起来，共同构建了量子场论。

在量子场论的框架下，世间万物皆源于场，世界是由不同类型的场相互叠加而成。场的三大基本形态包括：实物粒子场，也被称为费米子场；媒介子场，也被称为规范场；以及希格斯粒子场。

实物粒子场描绘的是构成我们所见所感的实物粒子，从山脉湖泊到大地本身，皆源于这些粒子。

媒介子场则描述了我们所知的四种基本力如何产生及作用的原理。场中包含的粒子有：光子、胶子、W粒子、Z粒子以及尚未被发现的引力子，它们统称为规范粒子。

至于希格斯粒子场，它的主要作用是解答那些原本无质量的粒子如何获得质量这一问题。我们可以将希格斯粒子场比喻为一片泥潭。任何与之互动的粒子，一旦穿过这片泥潭，便会携带出一些“泥巴”，也就是额外的质量。

以贝塔衰变为例，我们可以看到场与粒子是如何相互作用和转变的。

上图所示是量子场论中的中子贝塔衰变图解。一条直线代表了一种基本粒子场的基态，而当直线出现隆起，就意味着该场受到了激发，形成了我们所熟知的粒子。

图中展现的是中子场从激发态退回到基态时，释放出的能量使得质子场、电子场以及中微子场受到激发，因此产生了一个质子、一个电子和一个反中微子。

正反粒子如何湮灭，转化为能量光子的过程，也能通过量子场论得到解释。如果我们追溯到宇宙大爆炸初期，在温度高于10的15次方开尔文时，光子可以转换为质子和中子以及其他各类粒子。

这便是宇宙诞生之际，从能量向物质的转化过程。

量子场论向我们揭示了真空的神秘面纱。

通常，真空被定义为不包含任何实物粒子的理想空间，是空间最纯净的状态。

在传统认知中，真空往往被认为空无一物。然而，随着众多理论和实验的涌现，科学家们逐渐认识到真空并非虚无，而是拥有其自身的物理结构，是物质的一种存在形式。

其中，最为人知的便是“狄拉克之海”。狄拉克理论认为，真空是由负能量电子均匀堆积而成的空间。而量子场论在此基础上进一步发展，提出真空即为各场处于基态的状态。

这意味着什么呢？基态代表了能量的最低状态。然而，最低状态并不等同于无能量。换言之，浩瀚的真空海洋中蕴含着巨大的能量，只是这些能量并非人类所用的那种。若将此能量与熵的概念相联系，我们可以理解为真空中积累了大量的高熵能量。

这种能量已经被“卡西米尔力”实验所证实。

例如，在真空中放置两块面积为1cm^2、相距1μm的金属板，它们之间的卡西米尔力可达到约10^−7N。

然而，理论与实践之间似乎仍存在难以跨越的鸿沟。据量子场论估算，真空的能量密度高达2×10103J/cm^3，而实际天文观测所测得的真空能量密度仅为2×10−17J/cm^3，两者相差了120个数量级，即10的120次方。

这一巨大的误差目前在物理学界尚无公认的解答。不过，真空具有能量这一点，已经得到了学界的广泛认同，我们所知的每一个粒子都在不断地与真空进行能量交换。

总结

场就像是广阔的大海，孕育着无数的“粒子水珠”，这些水珠在海面上不断生成又不断消失。当这些生成的粒子因某种原因相互结合，便形成了我们所见的宏观世界中的实体物质。

这就是量子场论为我们呈现的场与粒子之间的奥妙联系。