量子场是对经典场的量子理论性概括

量子场是对经典场的量子理论性概括。经典场的两大原型分别为：麦克斯韦的电磁场和爱因斯坦的引力场。量子化过程不妨这样理解：首先，重新调整场方程式（仍然是经典场），替换数学运算符中的一些数值（这一部分属于单纯的代数或微积分范畴，并未涉及物理学）。

接下来我们就要“计算出”上一步所形成的算子值方程，这其中包括经典理论中没有的解法，并且要给出这样的论断（通过观察证实）：这些“荒唐的”（从直觉角度而并非从数学角度来说）新解法能够精确地描绘自然，能够将所有可观察到的，与经典理论相悖的量子行为全部囊括其中。

量子场论的使用存在着一些理论依据。第一，量子场论是经典场论的自然推广，经典场论是人类关于自然的最为出色的理论（不包括量子领域）。第二，量子场论能够解释（人类已观察到，并且经过系统研究的）粒子的诞生与湮灭，而这些过程在量子力学中并不存在。第三，量子场论从本质上来说具有相对性，并且能够“神奇地”（并非真正解决，只是在简洁的数学层面）解决相对论量子粒子理论中也存在的因果问题。

然而，量子场并没有与物质相互作用。在量子场论中，人类认为是粒子的物质其实是量子场自身的激发。量子场论中最为简单实用的是量子电磁学。量子电磁学中存在两个场：电磁场和“电子场”。它们不断地相互作用，转化能量和动量，激发由此得以创造或毁灭。举例说来，我们直觉认为，量子电动力学中电子吸收光子的过程是电磁场与电子场之间的一种特定的相互作用。而在这个过程中，电磁场会失去激发量子，而电子场会获得能量、动量以及角动量。

启示一：场是最为基本的物体之一。

我们在学校学到，物质的基本构成要素为粒子。事实上，直到大学，这个说法仍然沿用，我们用它来解释夸克和电子，就像是组成所有物质基本构成要素的乐高积木。

但是这一说法中隐藏着一个更深层的事实。根据人类最伟大的物理定律，我们知道，构成自然的基本要素并非分散的粒子。相反，这些基本要素是连续的流体物质，在太空中四散分布。我们将其称之为物质场。我们最熟悉的场有电场和磁场，这类场中的波纹会产生我们所说的光，或者更为普遍的电磁波。铁屑会条形磁铁所形成的磁场方向改变所指方向。

启示二：粒子来源于场。

如果你观察电磁波足够细致，就会发现，电磁波实际上是由光子这种粒子构成。如果将量子力学的影响考虑在内，电场和磁场中的波纹会转变成粒子。

不过，我们已知的其他粒子也是经由上述同样的过程产生的。宇宙中零星地散布着电子场，电子场波纹会由于量子力学而转变成一束能量。我们将这束能量称为一个电子。无独有偶，太空中还存在夸克场，胶子场以及希格斯玻色子场。事实上，我们体内的每个粒子以及宇宙中的每个粒子都是一个潜在场的微小波纹，经由量子力学体系塑造成粒子。

启示三：生活不易，量子场论同样如此。

“到目前为止，量子场论是现代物理学中最艰深的理论—25年来没有人完全相信其存在。”—爱德华·威滕

量子场是个复杂的物体。原因一部分在于其涵盖了物理学所有领域：量子场能够描述大量粒子以各种不同方式进行相互作用。然而，在我们解决这些困难之前，量子场论深奥的原因还有其一。

上述图片展示了计算机模拟的真空，也就是没有所有粒子存在的真空的模样。正如我们所见，这个真空环境并不单调。海森伯测不准关系意味着量子场并不是静止的。相反，它会产生泡沫并沸腾，就像是由粒子和反粒子形成的一锅沸腾的汤，不断产生与毁灭。量子场论深奥之处就源于这一过程的复杂性 即便是理解量子场论中的虚无都十分困难。在我们开始向真空中添加粒子后，它会以各种有趣方式扭曲。

大部分有关量子场论研究的目标在弄明白这种情况是如何引起粒子间相互作用的，以及最终，粒子的相互作用又是如何形成我们身边的各种美丽自然现象。理解这些过程并非易事。尽管距离量子场论的发现已经过去了几十年，想要理解量子场论中所有的精妙之处，仍有漫漫长路待我们摸索。