要是你想要回话宇宙中什么是基本问题，你需要在最小的圭臬探询物资和能量。要是你尝试着把粒子切割到越来越小的结构，当你到小于几纳米的距离你会运转注意到一些特殊瞻仰瞻仰的事，这个时刻传统的物理轨则还适用。

在更小的圭臬上，现实运转以奇怪的、违背直观的表情推崇。咱们再也弗成将现实形容为由具有明确界说的属性(如位置和动量)的单个粒子组成。相背，咱们参加了量子的界限:在何处，基本的非决定论总揽着咱们，咱们需要一个对于当然怎样运作的全新的形容。但即使是量子力学自己也有失败之处。他们从一运转就注定了爱因斯坦最伟大的期望——对现实的完竣、详情趣的形容。这是为什么。

图解:要是让一个网球落在一个像桌子相通硬的名义，你梗概详情它将会弹且归。要是你用一个量子粒子作念换取的实验，你会发现这个传统的轨说念不是唯独的可能效用，是小于100%的一种可能。很奇怪，有一种截止的可能那等于量子粒子将会穿过桌子到另一边，穿过障蔽就像莫得任何防止物。（图源:维基分享用户MICHAELMAGGS和RICHARD BARTZ）

要是咱们生活在一个全齐古典的、非量子宇宙中，剖析事物将会很容易。当咱们把物资分红越来越小的块时，咱们经久不会达到极限。宇宙将莫得根柢的、不可分割的组成部分。相背，咱们的宇宙将由吞并的物资组成，要是咱们制造一把大家皆知的更利弊的刀，咱们老是梗概把东西切成越来越小的块。

这个期望就像20世纪早期的恐龙相通幻灭了。普朗克、爱因斯坦、卢瑟福等东说念主的实验标明，物资和能量弗成由吞并的物资组成，而是不错被分割成破碎的块，即今天的量子。量子表面起初的想法有太多的实验撑握:宇宙根柢就不是经典的。

图解:越小的距离圭臬揭露越基本的当然法规，意味着要是咱们剖析何况形容最小的圭臬，咱们就能构建出最大圭臬上的剖析轨范。(图源:相近研究所)

在20世纪的头三十年里，物理学家们在这些令东说念主困惑的小圭臬上发愤发展和剖析宇宙的本色。咱们需要新的轨则来形容它们，需要新的、违背直观的方程式和形容。客不雅现实的宗旨如故逾期，拔旗易帜的是:

概率远隔而不是可预感的效用，

波函数而不是位置和动量，

海森堡概略情趣关系而不是单个性质。

形容现实的粒子弗成再只是被形容为粒子。相背，它们既有波的元素，也有粒子的元素，它们的行动遵照一套新的轨则。

图解:一个量子层面之间的位置和动量之间的固有概略情趣的阐明。同期测量这两个量的身手是有限的，因为它们不再只是是物感性质，而是具有其本色固有的不可知方面的量子力学算子。海森堡的概略情趣常常出刻下东说念主们最出东说念主预感的场所。(图源:E. SIEGEL / WIKIMEDIA COMMONS用户MASCHEN)

起原，这些形容给物理学家们带来了很大的困扰。这些问题的产生并不单是是因为玄学上的繁难，比如禁受一个概略情的宇宙，或者改变对现实的界说，尽管如实有好多东说念主被这些方面所困扰。

相背，繁难愈加严峻。狭义相对论赢得了很好的剖析，关联词量子力学起初的发展只适用于非相对论系统。通过将位置和动量等物理量从物感性质更正为量子力学算符(一种特定的数学函数)，这些奇异的现实方面不错被纳入咱们的方程中。

图解:在经典力学(a)和量子力学(B-F)中，粒子在盒子里的轨迹(也称为无穷方井)。在(A)中，粒子以匀速剖析，往返弹跳。在(B-F)中，对于换取的几何和势，给出了与时刻联系的薛定谔方程的波函数解。横轴为位置，纵轴为波函数的实部(蓝色)或虚部(红色)。(B，C，D)是稳态(能量本征态)，它来自于与时刻无关的薛定谔方程的解。(E，F)口角稳态的，薛定谔方程的解。注意，这些解在相对论变换下不是不变的;它们只在一个特定的参照系中有用。(图源:STEVE BYRNES / SBYRNES321维基分享)

关联词你允许你的系统进化的表情依赖于时刻，对于不同的不雅察者，时刻的宗旨是不同的。这是量子物理学面对的第一个糊口危险。

咱们说一个表面是相对不变的，要是它的定律对于不同的不雅察者不改变:对于两个东说念主以不同的速率或宗旨移动。构建量子力学的相对论不变版块是一项挑战，物理学中最伟大的想想家们花了多年时刻才克服了它，并最终在20世纪20年代末由保罗•狄拉克(Paul diracon)完成。

图解:要是一个表面不是相对不变的，博亚体育2026世界杯中国官方入口那么不同的参照系，包括不同的位置和剖析，将会看到不同的物理定律(何况在现实中也会产生不合)。咱们在“升力”或速率变换下具有对称性，这一事实告诉咱们，咱们有一个守恒量:线性动量。当动量不单是是一个与粒子联系的量，而是一个量子力学算符时，这就更难剖析了。(图源:维基分享用户KREA)

他的发愤产生了刻下被称为狄拉克方程的效用，这个方程形容了像电子这么的真实粒子，也解释了:

反物资，

内在角动量，

磁矩，

物资的细腻结构特质，

以及带电粒子在电场和磁场中的行动。

这是一个深广的飞跃，狄拉克方程出色地形容了许多已知的最早的基本粒子，包括电子、正电子、介子，致使(在某种进度上)质子、中子和中微子。

图解:当宇宙延迟和冷却时，电子和质子是摆脱的，并与光子发生碰撞，从而调理为光子透明的中性宇宙。这里知道的是CMB放射前的电离等离子体(L)，接着是向中性宇宙的调理(R)，对光子是透明的。电子与电子之间的散射，以及电子与光子之间的散射，不错用狄拉克方程很好地形容，但履行上发生的光子与光子的互相作用却不是这么。(图源:阿曼达育空)

但这并弗成解释一切。举例，光子弗玉成齐用狄拉克方程来形容，因为它们具有乌有的粒子特质。电子-电子互相作用赢得了很好的形容，关联词光子-光子互相作用却莫得赢得很好的形容。即使在狄拉克的相对论量子力学框架内，解释像放射性衰变这么的景色亦然全齐不可能的。即使有了这一深广的向上，故事的一个主要部分照旧缺失了。

最大的问题是量子力学，致使相对论量子力学，博亚(中国)齐不及以形容宇宙中的一切。

图解:要是你有一个点电荷和一个金属导体在隔邻，这是一个在经典物理学中单独议论电场和它在空间中每少许的强度的锻真金不怕火。在量子力学中，咱们看管粒子对电场的响应，关联词电场自己并不是量子化的。这似乎是量子力学公式中最大的颓势。(图源:麻省理工学院贝尔彻j)

想想要是你把两个电子放在一说念会发生什么。要是你用经典的轨范想考，你会以为这些电子每一个齐会产生电场，要是它们在剖析，也会产生磁场。然后另一个电子，看到第一个电子所产生的场，当它与外场互相作用时，会感受到一个力。这是双向的，这么就交换了一个力。

这对于电场和任何其他类型的电场齐相通有用，比如引力场。电子有质地也有电荷，是以要是你把它们放在引力场中，它们会凭据质地作念出响应，就像电荷会迫使它们对电场作念出响应相通。即使在广义相对论中，质地和能量弧线空间，弧线空间亦然吞并的，就像其他场相通。

图解:要是物资和反物资两个物体处于静止景色褪色，它们就会产生一种罕见能量的光子。要是它们在真切到引力曲率区域后产生这些光子，能量应该会更高。这意味着一定存在某种引力红移/蓝移，这是牛顿引力无法预测的，不然能量就不会守恒。在广义相对论中，磁场以波的方式带走能量:引力辐射。关联词，在量子层面上，咱们热烈怀疑，就像电磁波由量子(光子)组成相通，引力波也应该由量子(引力子)组成。这等于广义相对论不完竣的原因之一。(图源:RAY SHAPP / MIKE LUCIUK;E. SIEGEL)

这类公式的问题是，当位置和动量在经典解决下时所在的场处于换取的基础上。场鼓励粒子到特定位置，并改变它们的动量。但在一个位置和动量概略情、需要被四肢算符而不是有值的物理量来对待的宇宙中，咱们让咱们对场的解决保握经典，是在拐骗我方。

图解:时空结构，图示，由质地引起的波纹和变形。新表面必须与广义相对论全齐换取;它必须作念出新颖、特有的预测。由于广义相对论只提供了对空间的一种经典的、非量子的形容，咱们全齐预测它的最终秉承者也将包含量子化的空间，尽管这个空间既不错是破碎的，也不错是吞并的。

这是量子场论的一猛向上，或者与其联系的表面向上:第二次量子化。要是咱们把场自己四肢量子，它也会造成量子力学算符。眨眼间之间，宇宙中无法预测(但不错不雅察到)的历程如下:

物资的创造和废弃，

放射性衰变，

量子隧穿产生电子对正电子对，

电子磁矩的量子修正，

齐是有真理的。

图解:今天，费曼图被用于议论包括高能和低温/冷凝要求下的强、弱、电磁力在内的统统基本互相作用。这个框架与量子力学的主要不同之处在于不仅粒子，而且场亦然量子化的。(图源:DE CARVALHO， VANUILDO S.等。NUCL.PHYS。B875 (2013) 738 - 756)

固然物理学家频繁用粒子交换和费曼图来想考量子场论，但这只是一个议论和可视化的器具，咱们试图给这个宗旨加多一些直不雅的嗅觉。费曼图口角常有用的，但他们是一个议论的摄动法（苟简），当你罗致非摄动轨范议论时，量子场论频繁会产生迷东说念主的、特有的效用。

关联词，对磁场进行量化的动机比那些撑握摄动或非摄动轨范之间的争论更为根柢。你需要一个量子场论来顺利地形容粒子和粒子之间的互相作用或者粒子和场之间的互相作用，以及场和场之间的互相作用。跟着量子场论卓越运用的进一步发展，从光子散射到强核力的一切齐是不错解释的。

图解:无中微子双衰变图，要是这里知道的中微子是它我方的反粒子，这是可能的。在量子场论中，这是一种有限概率的互相作用，在具有正确量子性质的宇宙中是允许的，但在量子力学中不允许，在非量子化的互相作用场中。通过这个路子衰变的时刻比宇宙的年岁长得多。

与此同期，东说念主们坐窝昭彰了为什么爱因斯坦的长入轨范经久不会见效。在西奥多·卡鲁扎职责的激发下，爱因斯坦洗沐于将广义相对论和电磁学长入为一个框架的想法。关联词广义相对论有一个基本的局限性:它是一个经典表面的中枢，它的宗旨是吞并的、非量子化的空间和时刻。

要是你拒却量化你的场，你注定会错过宇宙紧迫的内在属性。这是爱因斯坦在他的长入尝试中致命的颓势，亦然为什么他对更基本表面的研究轨范被全齐(而且是合理的)遗弃的原因。

图解:量子引力试图将爱因斯坦的广义相对论与量子力学集会起来。经典引力的量子修正被可视化为回路图，如图所示。空间(或时刻)自己是破碎的照旧吞并的还莫得决定，就像重力是否被量化的问题相通，或者粒子，正如咱们今天所知说念的，是否是基本的。关联词要是咱们但愿有一个对于万物的基本表面，它必须包括量子化场。(图源:SLAC国度加快器实验室)

宇宙如故一次又一次地解释了它在本色上是量子的。从晶体管到LED知道屏，再到导致黑洞衰变的霍金辐射，这些量子特质在多样运用中齐有体现。量子力学自己存在根人性颓势的原因，并不是因为新轨则带来的不端，而是因为它走得不够远。粒子如实具有量子特质，但它们也通过自己等于量子的场互相作用，统统这些齐以相对不变的表情存在。

也许咱们将果真已毕一个万物表面，其中每一个粒子和互相作用齐是相对论性的和量子化的。但这种量子的奇异性顺服是它的各个方面的一部分，致使是咱们尚未顺利量化的部分。用霍尔丹不灭的话来说，“我我方的怀疑是，宇宙不仅比咱们遐想的更奇怪，而且比咱们能遐想的更奇怪。”