什麼是粒子？

粒子是什麼？它被認為是點狀的物體，坍縮的波函數，量子場的激發，龐加萊群的不可約表示，振動的弦，量子比特海的變形.......

這些觀點可以分為兩大陣營：還原論和演生論。

還原論的最基本假設是，空間本身是空的，而粒子是空間里的一些東西。

演生論的最基本假設是，空間本身是一個有動力學活性媒介，粒子則是這一媒介中的形變和激發。物理學家對於粒子的概念從未像今天這樣豐富。

撰文 | Natalie Wolchover

編譯 | 烏鴉少年

基本粒子是宇宙的基礎物質，但它們非常奇怪。| 來源：Ashley Mackenzie for Quanta Magazine

既然宇宙中的一切都歸結為粒子，那麼一個問題就出現了：粒子是什麼？

一個簡單的答案是，它是像電子、光子、夸克這樣的「基本」粒子。但這樣的回答很快被證明是難以令人滿意的。因為這些粒子被認為缺乏亞結構，且不佔據物理空間。

加州大學伯克利分校的粒子物理學家 Mary Gaillard 在上世紀70年代預測了兩種夸克的質量，她說：「我們基本上把粒子看作是點狀物體。」 可是粒子有電荷、質量等不同的特性，而一個不佔據物理空間的點如何攜帶質量呢？

「我們說它們是』基本的』，但這實際上只是跟學生說的。『其實我也不知道答案。只好回答說他們是基本的，以此來阻止學生繼續追問下去。』」麻省理工學院的理論物理學家文小剛說道。

在基本粒子之外，任何其他物質的性質都取決於其物理組成，最終也就是其組成的粒子。但這些粒子的性質並非來自自身的組成成分，而是源於數學模式。作為數學和現實之間的接觸點，粒子曖昧不明地橫跨在這兩個世界之間。

粒子是什麼？在詢問了十幾位粒子物理學家之後，他們給出了非常不同的描述，並且強調，彼此的答案並不衝突，而是捕捉到了現實的不同面向。他們還提到了當今基礎物理學的兩項重要研究，這些研究在追求一種更令人滿意的、包羅萬象的粒子圖像。

「粒子是什麼？這確實是一個非常有趣的問題，」 文小剛說，「如今這方面有了新的進展。應該說現在還沒有一個統一的觀點，但有幾個不同的觀點看起來都很有趣。」

01

粒子是「坍縮的波函數」

「在我探測到它的那一刻，波便坍縮，變成了粒子。（粒子就是）坍縮的波函數。」

—— Dimitri Nanopoulos

古希臘哲學家德謨克利特斷言，萬物由原子構成。自此之後，人們開始了對自然的基本構成要素的探尋。兩千年後，牛頓和惠更斯就光是由粒子構成還是由波構成的問題展開了辯論。在這之後大約250年，量子力學的發現證明，這兩位傑出人物的觀點都是正確的：光由被稱為光子的單個能量包構成，光子既表現為粒子，也表現為波。

事實證明，波粒二象性是一種深刻的奇異性的表現。上世紀20年代，量子力學的發現者們揭示出，描述光子和其他量子化物質最好的對象是「波函數」，而非粒子或者波。

波函數是描述粒子演化的數學方程，表明一個粒子具有各種性質（如位置、速度）的概率。例如，描述電子的波函數在空間是擴展的，所以電子具有多個可能的位置而非一個確定的位置。但奇怪的是，如果放置一個探測器來探測電子的位置，它的波函數會瞬間「坍塌」到一個點上，然後探測器收到信號，電子就出現在那個位置。

粒子是坍縮的波函數。| 來源：Samuel Velasco/Quanta Magazine

因此，粒子是坍縮的波函數。但這到底意味著什麼呢？為什麼觀測會導致一個擴展的數學函數坍縮，並出現一個具體的粒子？是什麼決定了測量結果？一百年過去了，物理學家們對此仍一無所知。

02

粒子是「場的量子激發」

「在物理學家眼中，粒子是什麼？它是場的量子激發。我們用量子場論這一數學語言來書寫粒子物理學。這裡有很多不同的場；每一種場都有不同的性質和激髮狀態，這些場根據性質的不同而不同，我們可以認為場的激發是粒子。」

——Helen Quinn

關於粒子的圖像迅速變得更為奇怪。到了20世紀30年代，物理學家意識到，許多單個光子的波函數集合起來，表現得就像在電磁場中傳播的一個波——這正是麥克斯韋在19世紀發現的光的經典圖像。這些研究者發現，他們可以將經典場論「量子化」，限制場使其只能以被稱之為場「量子」的分立量振蕩。除了光子，也就是光量子，狄拉克和其他物理學家發現，這個想法可以外推到電子和其他一切東西上：根據量子場論，粒子是充滿整個空間的量子場的激發態。

通過假設存在這些更基本的場，量子場論剝奪了粒子的地位，將它們描述為使場振蕩的一份份能量。儘管無處不在的場背著本體論的包袱，量子場論還是成為了粒子物理學的通用語言。因為它讓研究者能夠以極高的精度計算粒子之間相互作用時會發生什麼——從最基本的層面而言，粒子的相互作用是世界組合在一起的方式。

上世紀70年代，Helen Quinn 提出了仍然是假設的「軸子場」。| 來源：Nicholas Bock/SLAC國家加速器實驗室

03

粒子是「群的不可約表示」

「粒子至少由龐加萊群的不可約表示所描述。」

—— Sheldon Glashow

「自從維格納發表了關於龐加萊群的不可約表示這一基礎性論文以來，物理學中一個（或許隱含的）定義是，基本粒子『是』表示『自然對稱性』的群 G 的不可約表示。」

——Yuval Ne』eman Shlomo Sternberg

Mark Van Raamsdonk 還記得自己在普林斯頓大學讀研究生時的第一堂量子場論課。教授走了進來，看著學生們，問道：「粒子是什麼？」

「龐加萊群的不可約表示，」一位彷彿早已洞悉奧秘的同學回答道。

之後教授便將這個顯然正確的定義當作常識，跳過任何解釋，開始了一系列高深莫測的課程。「那一整個學期，我從這門課上什麼也沒學到，」如今已成為英屬哥倫比亞大學理論物理學家的 Van Raamsdonk 說道。

這是粒子物理學圈內人深刻的標準答案：粒子是「對稱群」的「表示」。這裡對稱群是使物體在變換下保持不變的所有操作的集合。

以等邊三角形為例，將其旋轉120度或240度，或者將它沿著頂點到對邊中點的直線翻轉，或者什麼也不做，這些操作都會使三角形看起來和之前一樣。這6種對稱性就形成一個群。群可以表示為一組數學矩陣——矩陣是數字的陣列，這些矩陣如果與等邊三角形的坐標相乘，會得到相同的坐標，也就是等邊三角形在這些矩陣的作用下保持不變。這樣一組矩陣就是對稱群的一個「表示」。

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等邊三角形有2種旋轉對稱性，3種鏡像對稱性，以及恆等對稱性。這6種對稱性形成一個群，在群的封閉宇宙中，任意兩個元素結合起來生成群中的另一個元素。| 來源：Samuel Velasco/Quanta Magazine

與三角形類似，電子、光子和其他基本粒子是在特定的群的作用下本質上保持不變的物體，確切說來就是，粒子是龐加萊群的表示。龐加萊群是時空連續體中的10種運動方式組成的群：物體可以在三個空間方向上移動，或者隨時間移動；它們還可以沿著三個方向旋轉，或者在其中任何一個方向上增速（boost）*。1939年，數學物理學家尤金·維格納（Eugene Wigner）發現，粒子是可以移動、旋轉和增速的最簡單物體。

*譯者註：在三維空間，獨立的轉動變換有3種，即從 (x, y, z) 三個坐標中任取兩個坐標組成的平面內的轉動。對於4維時空，獨立的轉動數目為6個，多出來的3個轉動是在 (t, x) (t, y) (t, z) 平面內的轉動，被稱為洛倫茲增速（Lorentz boost）變換。而龐加萊群是洛倫茲變換的推廣。

他意識到，一個物體要在這10個龐加萊變換下很好地變換，必須具有一個特定最小集合的性質，而粒子具有這些性質。一個是能量。從根本上來說，能量只是物體隨時間變化時保持不變的性質。動量是物體在空間中運動時保持不變的性質。

第三個性質需要用來說明粒子在空間旋轉和增速的組合（這兩種運動合起來就是時空中的旋轉）下如何變化。這個關鍵的性質就是「自旋」。自旋是粒子的內稟角動量，決定粒子行為的許多方面，比如它們是像電子那樣作為組成物質的粒子，或是如光子般傳遞相互作用。在維格納發表自己工作的時代，物理學家已經知道粒子具有自旋。普林斯頓高等研究院的粒子物理學家 Nima Arkani-Hamed 解釋說，維格納證明，在更深層次上，「自旋只是因為世界具有旋轉的特性而賦予粒子的一個標籤」。

龐加萊群的不同表示代表具有不同數量自旋標籤（或者說受旋轉影響的自由度）的粒子。例如，有些粒子具有3個自旋自由度，它們與我們熟悉的三維物體以相同的方式旋轉。而所有的物質粒子都具有2個自旋自由度，即「自旋向上」和「自旋向下」，它們以不同的方式旋轉。如果將一個電子旋轉360度，它的狀態會發生翻轉，正如當一個箭頭沿著二維的莫比烏斯帶旋轉一圈後，會指向相反方向。

電子和其他物質粒子的自旋為1/2，有2個自旋自由度，即「向上」和「向下」。它們的旋轉方式與通常的三維物體不同，類似於一個箭頭沿著二維的莫比烏斯帶旋轉一圈後，指向相反方向。| 來源：Samuel Velasco/Quanta Magazine

自然界也存在有1個和5個自旋標籤的基本粒子，似乎只缺少具有4個自旋標籤的龐加萊群表示。

基本粒子和群的表示之間的對應是如此工整，以至於包括 Van Raamsdonk 教授在內的一些物理學家將它們等同起來。諾貝爾獎獲得者、粒子理論家謝爾頓·格拉肖（Sheldon Glashow）說：「表示不是粒子，表示是描述粒子特定性質的一種方式。我們不應該將兩者混淆。」

04

「粒子有很多層」

「粒子有很多層。」

——文小剛

無論基本粒子和群的表示之間是否存在區別，粒子物理和群論的關係在整個20世紀變得越來越豐富，也更複雜。新的發現表明，基本粒子不僅擁有在時空中航行所需的最小集合的標籤，它們還有更多額外的標籤。

具有相同能量、動量和自旋的粒子在10個龐加萊變換下具有相同的行為，但在其他方面卻可能有所差別。例如，它們可能攜帶不同數量的電荷。隨著「整個粒子動物園」（如 Quinn 所言）在上世紀中期被發現，粒子之間的更多區別逐漸顯現，因而需要「色」和「味」這樣的新標籤。

1979年12月，格拉肖在獲得諾貝爾物理學獎兩周後，在歐洲核子研究中心（CERN）做了一次演講。| 來源：CERN

理論物理學家們逐漸認識到，正如粒子是龐加萊群的表示一樣，它們的額外性質反映了更多變換的方式。但與在時空中移動物體不同，這些新的變換更加抽象，粗略地說，它們改變粒子的「內部」狀態。

以粒子的「色」這一性質為例。上世紀60年代，物理學家確定夸克（構成原子核的基本粒子）是三種可能狀態按一定概率組合起來的，他們稱之為 「紅」、「綠」、「藍」。這些狀態與實際的顏色或任何其他可感知的性質都沒有關係。重要的是標籤的數量：有3個標籤的夸克是被稱為 SU(3) 群的表示，SU(3) 群包含從數學上混合這三種標籤的無限多種方式。

帶有色的粒子是 SU(3) 對稱群的表示，而帶有「味」這種內部性質的粒子是 SU(2) 對稱群的表示，帶有電荷的粒子是 U(1) 對稱群的表示。因此，粒子物理學的標準模型——描述所有已知基本粒子及其相互作用的量子場論——通常被稱為是表示 SU(3)×SU(2)×U(1) 對稱群，它包含三個子群的對稱操作的所有組合。（顯然，粒子也在龐加萊群下變換。)

標準模型中的粒子。夸克具有6種味，因而有上夸克、下夸克、粲夸克、奇異夸克、頂夸克、底夸克，同時每種夸克具有紅、綠、藍3種色。輕子也具有6種味，從而有電子、μ子、τ子及其對應的3種中微子。| 來源：CERN

經過半個世紀的發展，標準模型仍處於統治地位，但它是對宇宙的一個不完整的描述。關鍵在於，其中缺少量子場論無法完滿處理的引力。愛因斯坦的廣義相對論將引力描述為時空結構中的曲線。此外，標準模型 SU(3)×SU(2)×U(1) 的三部分結構也有問題。得克薩斯AM大學的粒子物理學家 Dimitri Nanopoulos 在標準模型提出的早期階段很活躍，他說：「這一切到底是從哪裡來的？好吧，即便假設它確實可行，但這究竟是什麼？不可能存在三個群，我認為，『上帝』會做的比這更好。」

05

粒子「或許是振動的弦」

「我們所認為的基本粒子可能是振動的弦。」

——Mary Gaillard

上世紀70年代，格拉肖、Nanopoulos 等人嘗試將 SU(3)、SU(2) 和 U(1) 對稱組合到單個更大的變換中，他們的想法是，粒子是宇宙誕生時的單個對稱群的表示。後來隨著對稱性的破壞，複雜性開始出現。這樣的「大統一理論」的最自然候選者是 SU(5) 對稱群，但實驗很快排除了這種可能性。不過，還有一些不那麼吸引人的可能性仍然存在。

研究者將厚望寄託於弦理論。在弦理論的圖景中，如果將粒子放大到足夠大，我們看到的將不是點，而是一維振動的弦。弦理論認為，在我們熟悉的四維時空之外，還存在6個額外的空間維度，它們在四維時空結構的每一個點上都捲縮起來，所以我們無法感知到。這些微小維度的幾何結構決定了弦的性質，因而也決定了宏觀世界的性質。

這一理論中，粒子的「內部」對稱性，比如改變夸克的色的 SU(3) 操作獲得了物理內涵：在弦的圖景中，這些操作可以映射到微小空間維度的旋轉上，正如自旋反映更大維度上的旋轉。「幾何帶來了對稱性，帶來了粒子，所有這一切結合在一起，」Nanopoulos說道。

6個額外的空間維度在四維時空結構的每一個點上都捲縮起來。| 來源：http://medium.com

然而，如果存在振動的弦或者額外維度，它們都太過微小以至於無法通過實驗探測到。在這種情況下，其他的想法不斷湧現。在過去十年中，有兩種方法尤其吸引當代基礎物理學中最聰明的頭腦。它們再次更新了粒子的圖像。

06

粒子是「量子比特海的一種變形」

「每個粒子都是量子化的波。波是量子比特海的變形。」

——文小剛

第一種方法以「量子比特生萬物」（it-from-qubit）為口號，它表達了這樣一種假設：宇宙中的一切——所有粒子，以及這些粒子如藍莓嵌入瑪芬蛋糕般所在的時空結構——都來自於信息的量子比特。

與經典比特必須處於0或1中的一種狀態不同，量子比特是標記為0和1的兩種狀態的概率組合，也就是處於0和1的任意疊加狀態。不過，就像經典比特可以存儲在晶體管中一樣，量子比特也可以存儲在物理系統中，比如用粒子的不同量子態來編碼實現。當存在多個量子比特時，它們的可能狀態會糾纏在一起，因此每一個量子比特的狀態取決於所有其他量子比特的狀態。通過這些概率性事件，少量糾纏的量子比特可以編碼大量信息。

在量子比特生萬物這一概念的宇宙中，如果想要了解粒子是什麼，首先必須了解時空。2010年，來自這一陣營的 Van Raamsdonk 寫了一篇頗具影響力的文章，大膽宣布了各種計算得出的結果。他認為，糾纏的量子比特可能將時空結構縫合起來。

數十年來的計算、思想實驗和基礎模型的例子表明，時空具有「全息」特性：有可能在低一個維度——通常是一個時空區域的邊界處——將這個時空區域內的所有信息編碼到自由度中。之所以稱為全息，是因為這種關係類似於記錄光干涉圖樣的二維全息圖包含了真實物體的所有三個維度的信息。Van Raamsdonk說：「在過去10年里，我們對這種編碼的工作原理有了更多了解。」

如果用一個雙曲圓盤表示宇宙在一個時刻的狀態，堆疊起來的雙曲圓盤可以表示弦理論所在的三維時空區域。這個時空區域的邊界像全息圖一樣，編碼了更高維度時空區域內的所有信息。| 來源：Wikipedia

這種全息關係最令物理學家驚奇和著迷之處在於，因為包含了引力，所以時空是彎曲的。但編碼彎曲時空信息的低維繫統是純粹的量子系統，它沒有任何曲率、引力甚至幾何，可以被認為是一個糾纏的量子比特系統。

根據「量子比特生萬物」假說，時空的特性——它的穩健性和對稱性——本質上來自於0和1編織在一起的方式。對引力的量子描述的長久追尋，因而變成了一個識別量子比特糾纏模式的問題：它們如何編碼了現實宇宙中發現的特殊時空結構？

到目前為止，研究者對於這一切在具有負曲率的鞍形時空如何運作更為了解，主要是因為這種宇宙模型相對容易處理。相比之下，我們的宇宙是正曲率的。但令研究者們驚奇的是，無論何時，當負曲率的時空像全息圖一樣突然出現時，粒子就會隨之而來。也就是說，當量子比特系統全息編碼一個時空區域時，總有對應於高維世界中浮動的局部能量比特的量子比特糾纏模式。

宇宙的形狀可能是球形（封閉宇宙，正曲率）、鞍形（開放宇宙，負曲率）、平坦（平坦宇宙，曲率為0）。| 來源：NASA

Van Raamsdonk認為，重要的是，量子比特上的代數運算在轉換到時空時，「表現得就像是作用於粒子上的旋轉。你會意識到非引力量子系統編碼了這幅圖景。如果你能破解這些編碼，它就會告訴你，在其他空間里存在粒子。「

全息時空中總是存在這些粒子狀態這一事實，是將全息系統與其他量子系統區別開來的最重要性質之一，「我認為還沒有人真正理解，為什麼全息模型具有這種特性，」 Van Raamsdonk說道。

想像量子比特具有某種空間排列，從而創造了全息宇宙，就像我們熟悉的全息圖從空間模式投影一樣，這種想法確實非常誘人。但事實上，量子比特之間的關係和相互依賴可能要抽象得多，根本沒有真正的物理排列。麻省理工學院的物理學家，最近因計算黑洞的量子信息內容而獲得物理學新視野獎的 Netta Engelhardt 說：「不需要談論那些0和1處於特定的空間，而是可以討論0和1的抽象存在，以及一個算符如何作用於0和1，這些都是更抽象的數學關係。」

顯然還有更多事情需要理解。但如果量子比特生萬物的圖景是正確的，那麼粒子就是全息圖，正如時空一樣。它們最真實的定義來自量子比特。

「量子比特生萬物」陣營的科學家們試圖探討，時空是否是糾纏量子比特的湧現。| 來源：It from Qubit/Simons Collaboration

文小剛點評

其實上面只講了一種觀點，認為時空和其中的引力波是量子比特海和其中的波動。事實上，這種觀點到目前還沒有完全成功。我們還沒有從量子比特海中成功推導出愛因斯坦的引力波方程。

上面並沒有講我們看到的基本粒子，比如光子、電子、夸克等等是不是也能看作是量子比特海中的波動。這些不同的粒子有很不同的波動方程，比如光波滿足麥克斯韋方程，而電子、夸克則滿足狄拉克方程。量子比特是個很簡單的東西，它所形成的海洋，到底能不能產生滿足麥克斯韋方程的光波，和滿足狄拉克方程的電子夸克波？

有很長一段時間，大家覺得這是不可能的事情。可近年來關於拓撲序和量子糾纏的進展讓我們發現，如果量子比特海中的量子比特有一種由弦網凝聚所描寫的多體量子糾纏，那麼這個有糾纏的比特海中的波，就可以滿足麥克斯韋方程和狄拉克方程，其對應於光波和電子夸克波。

有弦網糾纏的量子比特海是一種弦液體。它是一種全新的自然現象。對於弦液體，量子比特0構成空間的背景，量子比特1形成閉弦，量子弦液體是各種各樣的弦構型的線性疊加。如果允許弦分叉，我們會得到更複雜的弦網液體。

弦液體中的波就是弦的密度波。這種波有一個很特殊的性質：它沒有縱模，只有兩個橫模。這正是麥克斯韋方程描寫的波所具有的特殊性質。所以弦密度波就對應於滿足麥克斯韋方程的光波。更複雜的弦網液體中的波，可以滿足描述電弱相互作用的楊-米爾斯方程，強相互作用也可以用不同的弦網波動來描述。因此，不同的弦網波動會產生不同的規範群，也就是相互作用，這樣弦網液體就統一了光子、膠子等玻色子。

另一方面，開弦的端點滿足費米統計，對應於費米子，也就是構成物質的基本粒子。而這些費米子帶自旋1/2，其滿足的波動方程正好是狄拉克方程。到此為止，弦網液體理論就統一了所有的物質和相互作用，包括麥克斯韋電磁學方程、楊-米爾斯方程、費米統計等多種自然現象。

目前，只有愛因斯坦方程中自旋為2的玻色子，也就是引力子尚未統一進來。也就是說，我們還沒有找到一種量子糾纏形態，使其中的波滿足愛因斯坦方程，從而得到量子引力波。（參看《文小剛談物理新革命：萬物起源於量子信息》）

07

粒子是「我們在探測器中測量到的東西」

「粒子是我們在探測器中測量的東西…… 我們逐漸形成了一套語言，認為量子場是真實的，粒子是場的激發。我們談論虛擬粒子，以及所有東西——但場不會讓任何探測器滴答作響。」

——Nima Arkani-Hamed

另一個陣營的研究者們自稱是「振幅學家」（amplitudeologist），他們試圖將聚光燈轉回到粒子本身。

這些研究者認為，粒子物理學目前的通用語言——量子場論——講述了一個太過複雜的故事。物理學家通過量子場論來計算被稱為散射振幅的基本公式，這是關於現實的一些最基本的可計算特徵。當粒子碰撞時，振幅表示粒子可能會如何變形或散射。粒子相互作用創造了世界，所以物理學家檢驗自己對世界的描述的方法是，將散射振幅公式與實驗中的粒子碰撞結果進行比較，比如歐洲大型強子對撞機（LHC）上的實驗。

Nima Arkani-Hamed 研究粒子行為和幾何對象之間的關係。| 來源：Béatrice de Géa for Quanta Magazine

為了計算振幅，物理學家通常會系統地解釋，碰撞餘波在遍布宇宙的量子場中回蕩的所有可能方式。奇怪的是，包含數百頁代數的計算，最後往往只得出一行公式。

振幅學派認為，場的圖像掩蓋了更簡單的數學模式。這項研究的主導者 Arkani-Hamed 稱，量子場是「一種方便的虛構」。他說：「在物理學中，我們經常犯將形式主義具體化的錯誤。我們逐漸形成了一套語言，認為量子場是真實的，粒子是場的激發。我們談論虛擬粒子，以及所有這些東西。但場不會讓任何探測器滴答作響。」

振幅學家認為，存在一種數學上更簡單且更真實的粒子相互作用的圖像。

在某些情況下，他們發現，維格納關於粒子的群論觀點也可以擴展到描述相互作用，而不需要量子場通常具有的各種繁瑣程序。

SLAC 國家加速器實驗室的著名振幅學家 Lance Dixon 解釋說，有研究者已經使用維格納研究的龐加萊旋轉，直接推導出「三點振幅」（three-point amplitude）公式，用於描述一個粒子分裂成兩個的過程。他們還證明，三點振幅可以作為基石，幫助研究包括越來越多粒子的四點振幅和更多點振幅。這些動態相互作用似乎是從基本的對稱中，從無到有建立起來的。

按照 Dixon 的說法，「最酷的事情」是關於引力子的散射振幅，它被證明是涉及膠子的散射振幅的平方。引力子是假想的傳遞引力的粒子，膠子則是將夸克粘合在一起，負責傳遞強相互作用的粒子，兩者都類似於在兩個帶電粒子之間傳遞電磁相互作用的光子。不同的是，我們將引力和時空結構本身聯繫起來，而膠子在時空中運動。然而，引力子和膠子似乎從相同的對稱性中產生。「這非常奇怪，當然也不能從定量的細節上理解，因為它們的圖像太不一樣了，」Dixon說道。

與此同時，Arkani-Hamed和合作者們發現了全新的數學工具，可以直接得出答案，比如振幅多面體（amplituhedron）。振幅多面體是我們熟悉的幾何多面體在高維空間的的類比，不過它的體積表示粒子的散射振幅。有了這個新的數學工具，粒子在時空中碰撞，並引發因果的連鎖反應圖像將一去不復返。Arkani-Hamed 說：「我們試圖在柏拉圖式的理念世界中找到這些對象，它們會自動賦予我們因果屬性。然後我們就可以說，啊哈，現在我知道為什麼這幅圖像可以被解釋為演化了。」

振幅多面體的藝術構想圖。振幅多面體可以極大地簡化散射振幅的計算。| 來源：Andy Gilmore/Quanta Magazine

量子比特生萬物派和振幅學派用截然不同的方式回答了時空宇宙的大問題，很難說這兩幅圖景彼此互補，還是相互矛盾。Engelhardt 說：「總而言之，量子引力具有某種數學結構，而我們都在不斷地削弱它。」 她補充道，我們最終需要引力和時空的量子理論來回答：在最基本的尺度上，什麼是構成宇宙的基本元件？——這是對「粒子是什麼？」這個問題的一個更複雜表述。

最後，Engelhardt 說：「簡而言之，答案是『我們不知道』。」

原文鏈接：

https://www.quantamagazine.org/what-is-a-particle-20201112/

當我們試圖回答這些涉及世界本源的問題的時候，用經驗中的事物去類比要非常謹慎，因為正是粒子構成了我們的經驗世界，如果不謹慎就容易形成循環論證。

就像我經常會談到的，什麼是平面？

自然界中實際上找不到與它精確對應的實體。即使是我們認為很光滑的玻璃鏡面，放大1000萬倍的時候它就變得凹凸不平。因此平面只是我們的一種數學抽象，是形而上的。

如果平面如此，有什麼理由認為直線和點不是如此呢？

因此，要回答粒子是什麼，我們必須從物理實驗觀測結果出發，並擺脫觀測儀器也由粒子組成這一點帶來的干擾，去搭建幾何。源自2000年前的肉眼觀測的幾何基本元素的假設，不可能是正確的。

我們現在關於量子的很多闡述上的困難，都可以追溯到經驗世界對真實世界的不正確抽象。這種認知障礙，是目前阻礙物理理論進步的最大障礙。

例如關於粒子是點還是波的爭論，完全沒有必要。觀測事實是：我們在某個極小的坐標範圍（可以看成一個點）觀測到了粒子的能量效應，而這個極小範圍在空間中又是周期性的分布的。

所以我們唯一能確定的事實是：某些點有能量效應，某些點沒有能量效應。能量效應是周期性出現的 。

完全不用理會什麼「觀測就坍縮」啊、看一眼你遠在天邊的他就變了啊、過去決定未來啊類似的玄之又玄的東西。

我們只要集中精力去討論：「出現能量效應的條件是什麼？」就行了。

我們可以大膽的假設：出現能量效應的條件是，耦合在那裡結束。

進一步我們可以假設，耦合過程是相轉過一個周期（2π或4π）。

由於相位在正常情況下不可觀測，但是如果伴隨耦合過程，相位經歷一個周期2π或4π後，就在相應位置產生能量效應，儀器接收到能量效應。

你看，說的同一個觀測事實，一對比，一個說粒子如幽靈般飄忽不定，有玄學的意味，一個就樸素而平常——有的位置觀測不到是因為相位無能量效應，觀測到是因為耦合恰好結束釋放能量效應。在雙光子通道上放置儀器，會干擾相位，影響最終耦合結束的位置。

量子糾纏是因為糾纏量子的相是同步或對稱的。觀測一個當然不會影響另一個，但是觀測的方向、角度鐵定會影響耦合相位和最終結束的位置，而它是可以根據與觀測另一個相差多少角度來估計影響幅度、並根據另一個的觀測結果來預測的。

就抱磚引玉先說到這吧，再說下去我得抖私貨才能徹底完成這個問題了，暫時還不打算那麼做。

如何判斷是不是粒子?我想，只要是孤立的物體都可以稱為粒子，在地球上任何一個物體，比如地球，在宇宙的尺度下幾乎可以不計。物理學上的質點都可以說是粒子。不過人們往往把分子，原子，電子以及所謂的基本粒子等稱為粒子 。

多種分類方法，比如重子、輕子.......我個人比較認同費米子和玻色子的分類方法。

費米子，產生物理學質量圖景（物體，物質）的根本原因，無費米不娑婆。

玻色子，產生能量場的根本原因，包括信使粒子。我一直在思考一個問題，信息傳遞可以是純能量形式嗎？答案應該是不可以——信息，是為了讓人理解的，我們可以用純能量編碼，但不可對純能量解碼，故信息失效。光子是玻色子的出色代表，並且捷足先登佔據了c位（並將c據為己有，成了其榮耀的表記），但其實低調的中微子才是有故事的內涵粒子。也許，中微子會在不久的將來，被併入電磁波家族。

通常說「靜如處子，動如脫兔」。但粒子貌似沒有一個安分的。抓住了是粒子，抓不住是波；獨居時是粒子，群體出遊時喜歡波行（看過大遊行嗎，一個一個的人，彙集成了人流）。非光速，不波色。費米子只有完全燃燒了自己，才可以光速（有理由懷疑，光電效應不是置換，而是轉化）。

再有一個梗，不吐不快。都說電子-繆子-陶子，是三種粒子，但其實，也許他們只不過是三代同堂而已（是三個世代）。學界一直有一個「繆子的小老公質子」的八卦緋聞，有人說已經澄清了，但更多的並不認同——其實，每一代「電子」，都對應一個相應的「質子」。

簡單來說，粒子是指能夠以自由狀態存在的最小物質組成部分。最早發現的粒子是原子、電子和質子，1932年又發現中子，確認原子由電子、質子和中子組成，它們比起原子來是更為基本的物質組分，於是稱之為基本粒子。以後這類粒子發現越來越多，累計已超過幾百種，且還有不斷增多的趨勢；此外這些粒子中有些粒子迄今的實驗尚未發現其有內部結構，有些粒子實驗顯示具有明顯的內部結構。看來這些粒子並不屬於同一層次，因此基本粒子一詞已成為歷史，如今統稱為粒子。粒子並不是像中子、質子等實際存在的具體的物質，而是它們的統稱，是一種模型理念。詞條詳細介紹了電子、原子核、介子、夸克、輕子、強子族等粒子。

　　這個問題首先得搞清楚「粒子」的特徵——實體性。實體性是由粒子的可感知性、空間獨佔性決定的。如果不具有實體性，就談不上是什麼「粒子」。粒子有各種層次之分。如電子、質子、中子、分子、離子、各種分解的物質顆粒都是粒子，地球、月球甚至太陽相對於較大的星體、星系都可以叫做粒子。「粒子」是一個相對的比較的概念。但是，現代卻加入了一些非物質性的「粒子」，典型的如「光子」，其它的有「磁子」、「引力子」、「能量子」等等，因而現代對粒子的認識理解已經非常模糊了，恐怕什麼事物都可以加了一個「子」就變成了「粒子」了。這樣下去的後果是什麼很難想像。

物理科學中，粒子為佔有微小局域的物體，能夠以數個物理性質或化學性質，如體積或質量加以描述。

一直是粒子定義不清才存在「光子是不是粒子」這樣的問題。粒子的定義應該是：能夠獨立存在的最小能量體。

能量來源於動量，一種是本身具有動量，典型是核心能靜止的旋轉動量，這就是費米子；另一種是傳遞性動量，就是玻色子，光子就是此類。

一段動量的傳遞（最小傳遞性能量體）本身就符合波的定義，所以就有了光子的波粒二象性。

宏觀粒子、微觀粒子、複合粒子、非複合粒子……

「π型三重波粒二象性」又涉及到三種「粒子」……

還有「波與粒子」的關係。

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