有一天，七岁的小明找我聊天，他经常会问我各式各样的科学问题，通常我也能够应付他提出来的许多看似简单的基础问题。但这天，他若有所思后，开始发起讨人厌的连续式发问：
我很好奇，你、我以及所有人类是由什么构成的？
人类是由肌肉、骨头和器官构成的。
那么器官又是由什么构成的？
器官是由细胞构成的。
细胞是由什么构成的？
细胞是由细胞器构成的。
细胞器又是由什么构成的？
它们是由蛋白质构成的。
蛋白质又是由什么构成的？
是由氨基酸构成的哦。
那么氨基酸呢？
它们是由原子构成的。
原子又是由什么构成的？
原子是由质子、中子和电子构成的。
电子是由什么组成的呢？
电子是由电子场构成的。
那么电子场是由什么构成的？
……
这是我所能告诉小明的极限。但是，等等......
听到电子场我想有许多人都会好奇，难道电子不是最基本的粒子吗？怎么还有电子场？
的确，当科学家跟非科学专业的人讲解粒子物理学的时候，他们通常都会从分子、原子一直到说到无法再分割的基本粒子。这也是大多数人所熟知的。
△ 夸克是已知的基本粒子，但是科学家正在寻找它们是否由更小的粒子构成。（图片来源：Fermilab）
这是看待事物的一种方式，但不是最真实的。也许你还记得在2012年的时候，科学家找到了被称为上帝粒子的希格斯玻色子，即使你不是科学家，也会被当时的氛围所感染。但如果你要想能够真正的欣赏到希格斯玻色子的发现，那么你就需要知道的更多。
要想知道到底发生了什么，你就必须要放弃粒子的概念。
而是要把粒子想象成场。
△ 磁场。（图片来源：Windell Oskay）
场，你应该很熟悉了。当把两个磁铁慢慢靠近在一起的时候，即使它们没有碰到对方，也会感受到彼此的吸引力或排斥力——即两个磁场间的相互作用。同样地，当你向空中跳起来的时候，你会重新回到地面上。那是因为你生活在地球的引力场。
事实是，每一个你所知道的粒子，其实都是一个场。宇宙中充满了场，比如夸克场、电子场、中微子场、光子场和希格斯场等等，而我们所认为的粒子只是这些场的“激发态”（或者说是场的局域振动），就像海洋中的波。比如，一个电子只是电子场所激发出来的：
△ 粒子是场的激发态，或说场的局域振动。（图片来源：Fermilab）
虽然这跟你以前知道的很不一样，但以场的角度去看待这个世界，实际上使粒子物理学的一些混淆概念变得更清晰明朗。
举个例子，当一个放射性物质衰变的时候，我们通常把这想象成分离出不同的粒子。比如中子会衰变成质子、电子和反中微子。听起来好像是质子、电子和反中微子隐藏在中子里面，等待破茧而出，但并不是这样。可是，当中子衰变时，它们就出现了。
△ 自由中子的半衰期大约是611秒，衰变成质子、电子和反中微子。（图片来源：Scienceblogs.com）
如果我们从场的角度去思考，这些突然出现的新粒子就开始变得说得通了。举个更简单的例子，一个电子突然辐射出一个光子：
△ 电子辐射出光子。（图片来源：Fermilab）
这里，电子场的能量传递给了光子场，激发了光子场的局域振动，看起来就像是电子辐射出了新粒子，然后开始相互远离。
场的概念也帮助我们理解科学家是如何在大型强子对撞机（LHC）中制造出大质量粒子，比如希格斯玻色子。科学家在两束LHC将两束高能的质子束撞在一起，并研究它们的对撞结果。
△ 通过对撞质子束，会产生出大质量的希格斯玻色子。（图片来源：CERN/AP）
通常，这个过程被比喻成将两块手表使劲地撞在一起，通过被撞的四处飞散的所有手表零件来研究手表是怎么工作的。这其实是个很差的比喻，主要的原因是当你把粒子撞在一起的时候，实际跑出来的并不是原来粒子内部的粒子。真正发生的就好比是你将斯沃琪手表撞在一起，结果出来的是伯爵手表。
真正发生在LHC对撞的是场的激发态——高能的质子——在一起振动并将它们的能量转移到邻近的场，产生新的激发态，也就是我们所看到的新粒子，比如希格斯玻色子。
场也能够更好的解释希格斯机制。希格斯玻色子本身并不赋予其它基本粒子质量，真正赋予质量的是希格斯场与其它场之间的作用。希格斯玻色子或许是媒体的宠儿，但真正的明星却是希格斯场。
场的概念解释了宇宙更深层次和基本层面是如何运作的。而这背后的理论则被称为“量子场论”。大部分人可能更加熟悉的是量子力学和狭义相对论，这两个都是100年前左右提出的理论。但即使是在今天，当你第一次接触到的时候也会为它们的许多预言感到困惑。但真正精彩的其实是量子场论，它是量子力学和狭义相对论的结合。
发表于 2017-4-18 01:09
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