物理学家通常将宇宙描述为由微小的亚原子粒子构成，这些粒子通过力场相互推拉。他们称他们的学科为“粒子物理学”，他们的仪器为“粒子加速器”。他们坚持世界如同乐高积木的模型。但是，这种观点掩盖了一个鲜为人知的事实：量子物理学的粒子解释以及场解释，都将我们对“粒子”和“场”的传统概念延伸到如此程度，以至于越来越多的人认为世界可能完全是由其他东西构成的。
问题不在于物理学家缺乏关于亚原子领域的有效理论。他们确实有一个：它被称为量子场论。理论家们在1920年代后期至1950年代初期通过将早期的量子力学理论与爱因斯坦的狭义相对论相结合而发展了它。量子场论为粒子物理学标准模型提供了概念基础，该模型在一个共同的框架中描述了物质的基本组成部分及其相互作用。就经验精度而言，它是科学史上最成功的理论。物理学家每天都使用它来计算粒子碰撞的后果、大爆炸中物质的合成、原子核内部的极端条件以及其他许多方面。
因此，物理学家甚至不确定该理论说了什么——它的“本体论”或基本物理图景是什么，这可能会令人惊讶。这种困惑与关于量子力学的许多讨论过的谜团是分开的，例如密封盒子里的猫是否可以同时处于活着和死亡的状态[参见汉斯·克里斯蒂安·冯·拜尔的“量子怪异？一切尽在你的心中”]。
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对量子场论的未定解释阻碍了探索超出标准模型的物理学的进展，例如弦理论。当我们不理解我们已经拥有的理论时，制定新理论是危险的。乍一看，标准模型的内容似乎很明显。首先，它由基本粒子组组成，例如夸克和电子；其次，由四种类型的力场组成，这些力场介导这些粒子之间的相互作用。这幅图景出现在教室的墙壁上和大众科学的文章中。然而，无论它看起来多么引人注目，它都完全不能令人满意。
首先，这两个类别模糊不清。量子场论为每种类型的基本粒子分配一个场，因此既有电子场，也有电子。与此同时，力场是量子化的而不是连续的，这产生了诸如光子之类的粒子。因此，粒子和场之间的区别似乎是人为的，物理学家经常说其中一个或另一个更基本。
关于这一点的争论一直在进行——关于量子场论最终是关于粒子还是关于场。它始于一场巨人之战，双方都有杰出的物理学家和哲学家。即使在今天，这两个概念仍然用于说明目的，尽管大多数物理学家会承认，经典概念与该理论实际描述的内容不符。如果“粒子”和“场”这两个词所引发的心理图像与该理论所说的内容不符，那么物理学家和哲学家必须弄清楚用什么来代替它们。
由于两个标准的经典选项陷入僵局，一些物理学哲学家一直在制定更激进的替代方案。他们认为，物质世界最基本的组成部分是无形的实体，例如关系或属性。一个特别激进的想法是，一切都可以简化为纯粹的无形之物，而无需提及任何个体事物。这是一个违反直觉和革命性的想法，但有些人认为物理学正在迫使我们接受它。
粒子的麻烦
当大多数人，包括专家，想到亚原子现实时，他们会想象粒子像小台球一样相互反弹。但是，这种粒子的概念是对古代希腊原子论者的世界观的遗留——这种观点在艾萨克·牛顿的理论中达到了顶峰。几个重叠的思路清楚地表明，量子场论的核心单元根本不像台球一样表现。
首先，粒子的经典概念意味着存在于特定位置的东西。但是，量子场论的“粒子”没有明确定义的位置：你体内的粒子并非严格意义上在你体内。观察者试图测量其位置时，有很小但非零的概率在宇宙最遥远的地方探测到它。这种矛盾在量子力学的最早形式中就已显而易见，但当理论家将量子力学与相对论相结合时，情况变得更糟。相对论量子粒子非常滑溜；它们根本不位于宇宙的任何特定区域。
其次，假设你有一个粒子定位于你的厨房。你的朋友从一辆路过的汽车中看着你的房子，可能会看到粒子散布在整个宇宙中。对你来说是局域化的，对你的朋友来说是离域化的。粒子的位置不仅取决于你的观点，而且粒子具有位置这一事实也取决于你的观点。在这种情况下，假设局域化的粒子作为基本实体是没有意义的。
第三，即使你放弃试图精确定位粒子而只是计数它们，你也会遇到麻烦。假设你想知道你房子里的粒子数量。你在房子里转了一圈，在餐厅里发现了三个粒子，床底下五个，厨房橱柜里八个，等等。现在把它们加起来。令你沮丧的是，总和不会是粒子的总数。量子场论中的这个数字是整个房子的属性；要确定它，你必须做不可能的事情，即一次性测量整个房子，而不是逐个房间测量。
粒子无法精确定位的一个极端情况是真空，真空在量子场论中具有悖论性的性质。仔细观察整体真空的任何有限区域——根据定义，零粒子状态——你可能会观察到与真空非常不同的东西。换句话说，即使你在到处都发现了粒子，你的房子也可能是完全空的。
量子场论中真空的另一个引人注目的特征被称为昂鲁效应。静止的宇航员可能认为他或她处于真空中，而加速宇宙飞船中的宇航员会感到沉浸在无数粒子的热浴中。观点之间的这种差异也发生在黑洞的边缘，并导致关于坠落物质命运的悖论性结论[参见约瑟夫·波尔钦斯基的“燃烧的火环”]。
如果充满粒子的真空听起来很荒谬，那是因为粒子的经典概念误导了我们；该理论所描述的肯定真的是其他东西。如果粒子的数量取决于观察者，那么假设粒子是基本的似乎是不连贯的。我们可以接受许多特征是取决于观察者的——但不能接受基本构建块的数量这一事实本身。
最后，该理论规定粒子可以失去其个体性。在量子纠缠这一令人费解的现象中，粒子可以被吸收到更大的系统中，并放弃使它们彼此区分开来的属性。假定的粒子不仅共享质量和电荷等内在特征，还共享空间和时间属性，例如可能发现它们的位置范围。当粒子纠缠时，观察者无法区分它们。在这一点上，你真的还有两个物体吗？
理论家可能只是宣布我们假设的两个粒子是两个不同的个体。哲学家称这种独断专行为“原始本性”。根据定义，这种本性是不可观察的。
大多数物理学家和哲学家对这种临时的举动非常怀疑。相反，似乎你不再有两个粒子了。纠缠系统表现为一个不可分割的整体，而部分的概念，更不用说粒子的概念，失去了意义。
这些关于粒子的理论问题与经验相悖。“粒子探测器”如果探测到的不是粒子，那又是什么呢？答案是：我们看不到粒子——我们推断它们。探测器注册的只是大量独立的传感器材料激发。当我们连接点并推断出粒子具有可以在时间上追踪的轨迹的存在时，我们就会遇到麻烦。
（警告：量子物理学的一些少数解释确实假设了明确定义的轨迹。但它们有自己的困难，我坚持标准观点[参见大卫·Z·艾伯特的“玻姆对量子力学的替代方案”；《大众科学》，1994年5月]。）
因此，让我们总结一下。我们认为粒子是微小的台球，但现代物理学家称之为“粒子”的东西与此截然不同。根据量子场论，物体无法定位在空间的任何有限区域内，无论它有多大或多模糊。此外，假定粒子的数量取决于观察者的运动状态。所有这些结果加在一起，为自然是由类似于球状粒子的任何东西组成的这一观念敲响了丧钟。
基于这些和其他见解，人们必须得出结论，“粒子物理学”是一个用词不当的名称：尽管物理学家一直在谈论粒子，但根本没有这样的东西。人们可以采用“量子粒子”这个词，但如果经典粒子概念几乎没有幸存下来，那么使用“粒子”这个词有什么道理呢？最好咬紧牙关，完全放弃这个概念。
有些人将这些困难视为间接证据，表明量子场论仅描述场。按照这种推理，粒子是充满空间的场中的涟漪，就像一种无形的流体。然而，正如我们现在将看到的，量子场论也不能轻易地用场来解释。
场的麻烦
“量子场论”这个名称自然而然地让人联想到处理经典场的量子版本的理论，例如电场和磁场。但是“量子版本”是什么呢？“场”这个词让人联想到磁场，它导致铁屑围绕条形磁铁排列，以及电场，它导致头发竖立起来，但量子场与经典场如此不同，以至于即使是理论物理学家也承认他们几乎无法可视化它。
在经典上，场将物理量（例如温度或电场强度）分配给时空中的每个点。量子场反而分配抽象的数学实体，这些实体代表你可以进行的测量类型，而不是你将获得的结果。理论中的一些数学构造确实代表物理值，但这些值不能分配给时空中的点，只能分配给涂抹开来的区域。
物理学家最初通过“量子化”经典场论来发展量子场论。在这个过程中，理论家们通过一个方程，用“算符”代替物理值，“算符”是微分或取平方根等数学运算。一些算符可以对应于特定的物理过程，例如光的发射和吸收。算符在理论与现实之间放置了一层抽象。
经典场就像一张天气地图，显示各个城市的气温。量子版本就像一张天气地图，它不显示“40度”，而是显示“√”。要获得实际的温度值，你需要再进行一步，将算符应用于数学实体，称为状态向量，它代表所讨论系统的配置。
在某种程度上，量子场的这种特殊性似乎并不令人惊讶。量子力学——量子场论所基于的理论——也不涉及确定的值，而只涉及概率。然而，在量子场论中，情况似乎更奇怪，因为据称是基本实体，即量子场，甚至没有指定任何概率；为此，它们必须与状态向量结合起来。
将量子场应用于状态向量的需求使得该理论很难解释，很难转化为你可以想象和在脑海中操作的物理事物。状态向量是整体性的；它描述了作为一个整体的系统，并且不涉及任何特定位置。它的作用破坏了场的定义特征，即它们分布在时空中。经典场让你设想诸如光之类的现象是波在空间中的传播。量子场剥夺了这幅图景，使我们不知道世界是如何运作的。
显然，那么，基本粒子和介导力场的标准图景不是物理世界令人满意的本体论。甚至完全不清楚粒子或场是什么。一种常见的反应是，粒子和场应被视为现实的互补方面。但是，这种描述没有帮助，因为即使在我们应该看到一个或另一个方面纯粹性的情况下，这些概念中的任何一个都不起作用。幸运的是，粒子和场视图并没有穷尽量子场论的可能的物理解释。
结构来拯救？
越来越多的人认为，真正重要的不是事物，而是这些事物所处的关系。这种观点以比对粒子和场本体论的最严格修改更激进的方式打破了传统的原子论或点彩画式的物质世界概念。
最初，这种立场被称为结构实在论，以一种相当温和的版本出现，称为认识论结构实在论。它的运行方式如下：我们可能永远无法知道事物的真实性质，而只能知道它们彼此之间的关系。
考虑质量。你见过质量本身吗？没有。你只看到它对其他实体意味着什么，或者具体来说，一个有质量的物体如何通过局部引力场与另一个有质量的物体相关联。
世界的结构，反映事物是如何相互关联的，是物理学理论中最持久的部分。新理论可能会推翻我们对世界基本构建块的概念，但它们倾向于保留结构。这就是科学家取得进步的方式。
现在出现一个问题：我们只能知道事物之间的关系而不能知道事物本身的原因是什么？直接的答案是关系就是一切。这种飞跃使结构实在论成为一种更激进的主张，称为本体论结构实在论。
现代物理学的无数对称性为本体论结构实在论提供了支持。在量子力学以及爱因斯坦的引力理论中，世界配置的某些变化——称为对称变换——没有经验后果。这些变换交换了构成世界的个体事物，但保持了它们的关系不变。
通过类比，考虑一个镜像对称的脸。镜子将左眼换成右眼，左鼻孔换成右鼻孔，等等。然而，面部特征的所有相对位置都保持不变。这些关系才是真正定义面部的，而诸如“左”和“右”之类的标签取决于你的有利位置。我们一直称之为“粒子”和“场”的事物具有更抽象的对称性，但想法是相同的。
根据奥卡姆剃刀原理，物理学家和哲学家更喜欢可以用最少的假设来解释相同现象的想法。在这种情况下，你可以通过假设特定关系的存在来构建一个完全有效的理论，而无需额外假设个体事物。因此，本体论结构实在论的支持者说，我们不妨放弃事物，并假设世界是由结构或关系网络构成的。
在日常生活中，我们遇到许多只计算关系的情况，并且描述相关事物会分散注意力。例如，在地铁网络中，至关重要的是要知道不同的车站是如何连接的。在伦敦，圣保罗直接连接到霍尔本，而从黑修士桥到霍尔本，即使黑修士桥比圣保罗更靠近霍尔本，你也需要至少换乘一次线路。主要是连接的结构很重要。黑修士桥地铁站已翻新成漂亮的新车站这一事实对于试图导航系统的人来说并不重要。
优先于其物质实现的结构的其他示例是万维网、大脑的神经网络和基因组。即使单个计算机、细胞、原子和人死亡，所有这些仍然可以正常运行。这些例子是松散的类比，尽管它们在精神上接近于适用于量子场论的技术论证。
一条密切相关的推理思路利用量子纠缠来论证结构是现实的基础。两个量子粒子的纠缠是一种整体效应。两个粒子的所有内在属性，例如电荷，以及它们的所有外在属性，例如位置，仍然不能确定双粒子系统的状态。整体大于其各部分的总和。世界的原子论图景崩溃了，在原子论图景中，一切都由最基本构建块的属性以及它们在时空中的关系决定。也许我们应该反过来思考，而不是将粒子视为主要的，而将纠缠视为次要的。
你可能会觉得奇怪，在没有关联项的情况下，怎么会有关系——在没有任何对象处于该关系中的情况下。这听起来像是没有配偶的婚姻。你并不孤单。许多物理学家和哲学家也觉得这很奇怪，认为仅仅基于关系不可能获得固体物体。
本体论结构实在论的一些支持者试图妥协。他们不否认物体的存在；他们只是声称关系或结构更基本。换句话说，物体的属性不是内在的——它们仅来自它们与其他事物的关系。
但是，这种立场似乎模棱两可。任何人都会同意物体具有关系。唯一有趣和新颖的立场是，一切都纯粹基于关系而出现。总而言之，结构实在论是一个具有启发性的想法，但在我们知道它是否可以使我们摆脱解释上的麻烦之前，还需要进一步发展。
属性束
量子场论含义的第二种替代方案从一个简单的见解开始。尽管粒子和场的解释传统上被认为是截然不同的，但它们有一个关键的共同点。两者都假设物质世界的基本项目是持久的个体实体，可以为它们赋予属性。这些实体要么是粒子，要么在场论的情况下是时空点。包括我在内的许多哲学家认为，将物体和属性划分为两类可能是粒子和场方法都遇到困难的深层原因。我们认为最好将属性视为唯一的基本类别。
传统上，人们假设属性是“共相”——换句话说，它们属于抽象的、一般的类别。属性总是由特定事物拥有的；它们不能独立存在。（可以肯定的是，柏拉图确实认为它们是独立存在的——但仅在更高的领域中，而不是在存在于空间和时间中的世界中。）例如，当你想到红色时，你通常会想到特定的红色事物，而不是一些自由漂浮的称为“红色性”的项目。
但是你可以颠倒这种思维方式。你可以将属性视为具有独立于拥有它们的对象而存在的存在。属性可能是哲学家所谓的“殊相”——具体的、个体化的实体。我们通常所说的东西可能只是属性的束：颜色、形状、一致性等等。
因为这种将属性理解为殊相而不是共相的概念与传统观点不同，哲学家们引入了一个新术语来描述它们：“特例”。听起来有点滑稽，不幸的是，这个术语带有不恰当的内涵，但它现在已经确立了。
将事物解释为属性束不是我们通常概念化世界的方式，但如果我们试图忘记我们通常如何看待世界，并将自己带回到生命最初的几年，它就会变得不那么神秘。作为婴儿，当我们第一次看到和体验球时，严格来说，我们实际上并没有感知到球。我们感知到的是圆形形状、某种红色阴影以及某种弹性触感。仅仅在稍后，我们才将这种感知束与某种类型的连贯对象联系起来——即球。下次我们看到球时，我们基本上会说，“看，一个球”，并忘记这种看似直接的感知中涉及多少概念装置。
在特例本体论中，我们回到婴儿时期的直接感知。在世界之外，事物只不过是属性束。不是我们首先有一个球，然后将属性附加到它上面。而是我们拥有属性并称之为球。一个球除了它的属性之外什么都没有。将这个想法应用于量子场论，我们所说的电子实际上是属性或特例的束：三个固定的、基本属性（质量、电荷和自旋），加上许多变化的、非基本属性（位置和速度）。
特例的概念有助于理解量子场论。例如，该理论预测了真空的一种特别令人费解的行为：粒子的平均数量值为零，但真空却充满了活动。无数的过程一直在发生，涉及各种基本粒子的产生和随后的湮灭。
在粒子本体论中，这种活动是自相矛盾的。如果粒子是基本的，那么它们如何物质化？它们是从什么中物质化的？
在特例本体论中，情况很自然。真空，虽然没有粒子，但包含属性。粒子就是当这些属性以某种方式捆绑在一起时你得到的东西。
物理学与形而上学
对于一个在经验上如此成功的理论——量子场论，怎么会有如此多的基本争议？答案很简单。尽管该理论告诉我们可以测量什么，但在涉及到产生我们观察结果的实体本质时，它却含糊其辞。该理论根据夸克、μ子、光子和各种量子场来解释我们的观察结果，但它没有告诉我们光子或量子场究竟是什么。它也不需要这样做，因为物理学理论在很大程度上可以在没有解决此类形而上学问题的情况下在经验上有效。
对于许多物理学家来说，这就足够了。他们采取所谓的工具主义态度：他们否认科学理论首先旨在代表世界。对他们来说，理论只是用于做出实验预测的工具。尽管如此，大多数科学家仍然强烈直觉，他们的理论至少描绘了自然界在我们进行测量之前的一些方面。毕竟，如果不是为了理解世界，那又是为了什么而做科学呢？
获得物理世界的全面图景需要物理学与哲学的结合。这两个学科是互补的。形而上学为物质世界的本体论提供了各种相互竞争的框架，尽管除了内部一致性问题之外，它无法在它们之间做出决定。就物理学而言，它缺乏对基本问题的连贯解释，例如物体的定义、个体性的作用、属性的状态、事物与属性的关系以及空间和时间的意义。
当物理学家发现自己重新审视其学科的基础时，这两个学科的结合尤为重要。形而上学的思考指导了艾萨克·牛顿和阿尔伯特·爱因斯坦，并且它正在影响许多试图统一量子场论与爱因斯坦引力理论的人。哲学家们写满了关于量子力学和引力理论的书籍和论文，而我们才刚刚开始探索量子场论中体现的现实。我们正在开发的标准粒子和场观点的替代方案可能会启发物理学家努力实现大统一。