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。他们称自己的学科为“粒子物理学”，称他们的仪器为“粒子加速器”。他们坚持一种类似乐高积木的世界模型。但这种观点掩盖了一个鲜为人知的事实：对量子物理学的粒子解释以及场解释，都将我们对“粒子”和“场”的传统概念延伸到了如此程度，以至于越来越多的人认为世界可能由完全不同的东西构成。
问题不在于物理学家缺乏对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年代初期之间，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。这种困惑与量子力学中备受讨论的谜团是分开的，例如密封盒子里的猫是否可以同时处于活着和死亡状态。对量子场论的未解决的解释正在阻碍探测标准模型之外物理学的进展，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。
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乍一看，标准模型的内容似乎很明显。首先，它由基本粒子的群组组成，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。尽管它可能看起来引人注目，但它根本不令人满意。
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，物理学家经常说好像其中一种或另一种更基本。关于这一点的争论一直在持续——关于量子场论最终是关于粒子还是关于场的。它最初是一场巨人之战，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理论所说的不符。如果“粒子”和“场”这两个词所引发的心理图像与理论所说的不符，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，一切都可以简化为仅无形物，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弹球一样相互反弹。但是，这种粒子概念是对古代希腊原子论者的世界观的保留，并在艾萨克·牛顿的理论中达到了顶峰。几条重叠的思路清楚地表明，量子场论的核心单元根本不像弹球那样运动。
首先，粒子的经典概念意味着存在于某个位置的东西。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地在你体内。试图测量其位置的观察者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表述中就很明显，但在理论家将量子力学与相对论相结合时变得更糟。相对论量子粒子非常滑溜；它们根本不驻留在宇宙的任何特定区域。
其次，假设你有一个粒子定位在你的厨房里。你的朋友从路过的汽车上看着你的房子，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。不仅粒子的位置取决于你的观点，而且粒子有位置这一事实也是如此。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，即使你放弃尝试精确定位粒子，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。你在房子里走动，在餐厅里找到三个粒子，床下五个，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一个属性；要确定它，你必须做不可能的事情，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例子是真空，它在量子场论中具有自相矛盾的特性。你可以拥有一个整体真空——根据定义，零粒子状态——但同时你在任何有限区域观察到的东西都与真空非常不同。换句话说，你的房子可能完全是空的，即使你到处都能找到粒子。如果消防部门问你燃烧的房子里是否还有人，你说没有，当消防员发现每个人都挤在每个房间里时，他们会质疑你的神志是否清醒。
量子场论中真空的另一个引人注目的特征被称为温鲁效应。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界，并导致关于落入物质命运的自相矛盾的结论[参见伦纳德·萨斯坎德的“黑洞和信息悖论”；《大众科学》，1997年4月]。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；理论描述的必须是其他东西。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模块的数量这一事实。
最后，该理论规定粒子会失去其个性。在令人费解的量子纠缠现象中，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，例如可能找到它们的位移范围。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？
理论家可能会简单地规定我们假想的两个粒子是两个不同的个体。哲学家称这种法令为“原始此性”。根据定义，这种此性是无法观察到的。大多数物理学家和哲学家对这种特别的举动持非常怀疑的态度。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，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”如果不是探测粒子，那探测的是什么？答案是粒子始终是一种推论。探测器注册的只是大量传感器材料的独立激发。当我们连接点并推断出具有可以在时间上追踪的轨迹的粒子的存在时，我们就会遇到麻烦。（警告：量子物理学的某些少数派解释确实以明确定义的轨迹来思考。但它们有自己的困难，我坚持标准观点[参见大卫·Z·阿尔伯特的“玻姆对量子力学的替代”；《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弹球，但现代物理学家称为“粒子”的东西根本不像那样。根据量子场论，物体无法局域化在任何有限的空间区域，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，敲响了自然界是由任何类似于球状粒子的东西组成的想法的丧钟。
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。人们可以采用短语“量子粒子”，但如果经典粒子概念几乎没有幸存下来，那么使用“粒子”这个词有什么理由呢？最好咬紧牙关，完全放弃这个概念。有些人将这些困难视为量子场论的纯场解释的间接证据。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，正如我们现在将要看到的，量子场论也不能轻易地用场来解释。
场的麻烦
名称“量子场论”自然地暗示了一种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？术语“场”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，但是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。
经典地，场为时空中的每个点分配一个物理量，例如温度或电场强度。量子场反而分配抽象的数学实体，这些实体表示您可以进行的测量类型，而不是您将获得的结果。理论中的一些数学构造确实代表物理值，但是这些值不能分配给时空中的点，只能分配给涂抹开的区域。
历史上，物理学家通过“量子化”经典场论来发展量子场论。在这个过程中，理论家们浏览一个方程，并将物理值替换为“算符”，算符是数学运算，例如微分或取平方根，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。算符在理论和现实之间放置了一层抽象。经典场就像一张天气图，显示各个城市的气温。量子版本就像一张天气图，它不向您显示“40度”，而是显示“√”。要获得实际温度值，您需要执行额外的步骤，将算符应用于另一个数学实体，称为状态向量，它表示所讨论系统的配置。
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——也不处理确定的值，而只处理概率。然而，从本体论上讲，量子场论中的情况似乎更奇怪，因为据称基本实体，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。
需要将量子场应用于状态向量，使得该理论非常难以解释，难以转化为您可以在脑海中想象和操纵的物理事物。状态向量是整体的；它描述了整个系统，而不涉及任何特定位置。它的作用破坏了场的决定性特征，即场分布在时空中。经典场让您可以将诸如光之类的现象设想为波在空间中的传播。量子场消除了这种图景，使我们无法说出世界是如何运作的。
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。根本不清楚粒子或场甚至是什么。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种或另一种方面的纯粹性的情况下，这些概念中的任何一个都无法工作。幸运的是，粒子和场观点并没有穷尽量子场论的可能本体论。
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。这种观点比对粒子和场本体论最严厉的修改，更彻底地打破了传统的原子论或点彩派物质世界观。
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，称为认知结构实在论。它的运行方式如下：我们可能永远无法了解事物的真实性质，而只能了解事物之间是如何相互关联的。以质量为例。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，或者具体而言，一个大质量物体如何通过局部引力场与另一个大质量物体相关联。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模块的概念，但它们倾向于保留结构。这就是科学家可以取得进步的方式。
现在出现以下问题：为什么我们只能了解事物之间的关系，而不能了解事物本身？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个更激进的主张，称为本体论结构实在论。
现代物理学中无数的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，但保持它们的关系不变。通过类比，考虑一个镜像对称的面孔。镜像将左眼换成右眼，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孔的东西，而诸如“左”和“右”之类的标签取决于您的有利位置。我们一直称之为“粒子”和“场”的东西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，您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组成的。
在日常生活中，我们遇到许多情况，只有关系才重要，而描述相关事物会分散注意力。例如，在地铁网络中，了解不同站点是如何连接的至关重要。在伦敦，圣保罗教堂直接连接到霍尔本，而从布莱克法尔斯出发，您至少需要换乘一次线路，即使布莱克法尔斯比圣保罗教堂更靠近霍尔本。主要是连接的结构很重要。布莱克法尔斯地铁站最近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包括万维网、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，所有这些仍然可以发挥作用。这些例子是松散的类比，尽管它们在精神上与适用于量子场论的技术论点非常接近。
一个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，以及所有外在属性，例如位置，仍然无法确定双粒子系统的状态。整体大于其各部分之和。世界的原子论图景崩溃了，在这种图景中，一切都由最基本构建模块的属性以及它们在时空中如何相关来确定。也许我们应该反过来思考，而不是认为粒子是主要的，纠缠是次要的。
您可能会发现，没有关系项——没有任何处于该关系中的对象——就存在关系是很奇怪的。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。一些本体论结构实在论的支持者试图妥协。他们不否认物体的存在；他们只是声称关系或结构在本体论上是主要的。换句话说，物体没有内在属性，只有来自它们与其他物体关系的属性。但是这个立场似乎含糊其辞。任何人都会同意物体有关系。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挑衅性的想法，但在我们知道它是否可以使我们摆脱解释困境之前，还需要进一步发展。
属性束
量子场论含义的第二个替代方案从一个简单的见解开始。尽管传统上认为粒子和场解释彼此截然不同，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，可以对其赋予属性。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，这种划分为对象和属性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，人们认为属性是“共相”——换句话说，它们属于一个抽象的、一般性的类别。它们总是由特定事物所拥有；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，但仅存在于更高的领域，而不是存在于空间和时间中的世界。）例如，当您想到红色时，您通常会想到特定的红色事物，而不是一些自由漂浮的物品，称为“红色”。但是您可以颠倒这种思维方式。您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说的“殊相”——具体的、个体的实体。我们通常称之为事物的东西可能只是属性的束：颜色、形状、一致性等等。
由于这种将属性视为殊相而不是共相的概念与传统观点不同，因此哲学家引入了一个新术语来描述它们：“殊相”。它听起来有点滑稽，不幸的是，该术语带有不恰当的含义，但现在已被确立。
将事物解释为属性束不是我们通常概念化世界的方式，但是如果我们尝试忘记我们通常如何思考世界并将自己放回生命的最初几年，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，以及一定的弹性触感。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”，并忘记在这个看似直接的感知中涉及了多少概念装置。
在殊相本体论中，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。不是我们先有一个球，然后将属性附加到它上面。而是我们有属性并称之为球。除了它的属性外，球什么都不是。
将这个想法应用于量子场论，我们称之为电子的实际上是各种属性或殊相的束：三个固定的、本质的属性（质量、电荷和自旋），以及许多变化的、非本质的属性（位置和速度）。这种殊相概念有助于理解该理论。例如，该理论预测基本粒子可以快速地出现和消失。量子场论中真空的行为尤其令人费解：粒子的平均数为零，但真空却沸腾着活动。无数过程一直在发生，涉及各种粒子的产生和随后的破坏。
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，那么它们是如何物质化的？它们从什么中物质化出来的？在殊相本体论中，情况很自然。真空虽然没有粒子，但包含属性。当这些属性以某种方式将自己捆绑在一起时，您就会得到一个粒子。
物理学和形而上学
关于一个像量子场论这样在经验上如此成功的理论，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我们可以测量什么，但在谈到产生我们观察结果的实体的本质时，它却在说谜语。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。而且它也不需要这样做，因为物理学理论可以在很大程度上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。他们采取了一种所谓的工具主义态度：他们否认科学理论首先是为了代表世界。对于他们来说，理论只是进行实验预测的工具。尽管如此，大多数科学家仍然有强烈的直觉，认为他们的理论至少描绘了自然界的某些方面，就像我们在进行测量之前那样。毕竟，如果不是为了理解世界，那为什么要从事科学呢？
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外，它无法在它们之间做出决定。物理学方面，缺乏对基本问题的连贯解释，例如对象的定义、个性的作用、属性的状态、事物和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他们学科的基础时，这两个学科的结合尤其重要。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们努力实现大统一。