物理學家通常將宇宙描述為由微小的亞原子粒子構成，這些粒子透過力場相互推拉。他們稱他們的學科為“粒子物理學”，他們的儀器為“粒子加速器”。他們堅持世界如同樂高積木的模型。但是，這種觀點掩蓋了一個鮮為人知的事實：量子物理學的粒子解釋以及場解釋，都將我們對“粒子”和“場”的傳統概念延伸到如此程度，以至於越來越多的人認為世界可能完全是由其他東西構成的。
問題不在於物理學家缺乏關於亞原子領域的有效理論。他們確實有一個：它被稱為量子場論。理論家們在1920年代後期至1950年代初期透過將早期的量子力學理論與愛因斯坦的狹義相對論相結合而發展了它。量子場論為粒子物理學標準模型提供了概念基礎，該模型在一個共同的框架中描述了物質的基本組成部分及其相互作用。就經驗精度而言，它是科學史上最成功的理論。物理學家每天都使用它來計算粒子碰撞的後果、大爆炸中物質的合成、原子核內部的極端條件以及其他許多方面。
因此，物理學家甚至不確定該理論說了什麼——它的“本體論”或基本物理圖景是什麼，這可能會令人驚訝。這種困惑與關於量子力學的許多討論過的謎團是分開的，例如密封盒子裡的貓是否可以同時處於活著和死亡的狀態[參見漢斯·克里斯蒂安·馮·拜爾的“量子怪異？一切盡在你的心中”]。
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對量子場論的未定解釋阻礙了探索超出標準模型的物理學的進展，例如弦理論。當我們不理解我們已經擁有的理論時，制定新理論是危險的。乍一看，標準模型的內容似乎很明顯。首先，它由基本粒子組組成，例如夸克和電子；其次，由四種類型的力場組成，這些力場介導這些粒子之間的相互作用。這幅圖景出現在教室的牆壁上和大眾科學的文章中。然而，無論它看起來多麼引人注目，它都完全不能令人滿意。
首先，這兩個類別模糊不清。量子場論為每種型別的基本粒子分配一個場，因此既有電子場，也有電子。與此同時，力場是量子化的而不是連續的，這產生了諸如光子之類的粒子。因此，粒子和場之間的區別似乎是人為的，物理學家經常說其中一個或另一個更基本。
關於這一點的爭論一直在進行——關於量子場論最終是關於粒子還是關於場。它始於一場巨人之戰，雙方都有傑出的物理學家和哲學家。即使在今天，這兩個概念仍然用於說明目的，儘管大多數物理學家會承認，經典概念與該理論實際描述的內容不符。如果“粒子”和“場”這兩個詞所引發的心理影像與該理論所說的內容不符，那麼物理學家和哲學家必須弄清楚用什麼來代替它們。
由於兩個標準的經典選項陷入僵局，一些物理學哲學家一直在制定更激進的替代方案。他們認為，物質世界最基本的組成部分是無形的實體，例如關係或屬性。一個特別激進的想法是，一切都可以簡化為純粹的無形之物，而無需提及任何個體事物。這是一個違反直覺和革命性的想法，但有些人認為物理學正在迫使我們接受它。
粒子的麻煩
當大多數人，包括專家，想到亞原子現即時，他們會想象粒子像小檯球一樣相互反彈。但是，這種粒子的概念是對古代希臘原子論者的世界觀的遺留——這種觀點在艾薩克·牛頓的理論中達到了頂峰。幾個重疊的思路清楚地表明，量子場論的核心單元根本不像檯球一樣表現。
首先，粒子的經典概念意味著存在於特定位置的東西。但是，量子場論的“粒子”沒有明確定義的位置：你體內的粒子並非嚴格意義上在你體內。觀察者試圖測量其位置時，有很小但非零的機率在宇宙最遙遠的地方探測到它。這種矛盾在量子力學的最早形式中就已顯而易見，但當理論家將量子力學與相對論相結合時，情況變得更糟。相對論量子粒子非常滑溜；它們根本不位於宇宙的任何特定區域。
其次，假設你有一個粒子定位於你的廚房。你的朋友從一輛路過的汽車中看著你的房子，可能會看到粒子散佈在整個宇宙中。對你來說是局域化的，對你的朋友來說是離域化的。粒子的位置不僅取決於你的觀點，而且粒子具有位置這一事實也取決於你的觀點。在這種情況下，假設局域化的粒子作為基本實體是沒有意義的。
第三，即使你放棄試圖精確定位粒子而只是計數它們，你也會遇到麻煩。假設你想知道你房子裡的粒子數量。你在房子裡轉了一圈，在餐廳裡發現了三個粒子，床底下五個，廚房櫥櫃裡八個，等等。現在把它們加起來。令你沮喪的是，總和不會是粒子的總數。量子場論中的這個數字是整個房子的屬性；要確定它，你必須做不可能的事情，即一次性測量整個房子，而不是逐個房間測量。
粒子無法精確定位的一個極端情況是真空，真空在量子場論中具有悖論性的性質。仔細觀察整體真空的任何有限區域——根據定義，零粒子狀態——你可能會觀察到與真空非常不同的東西。換句話說，即使你在到處都發現了粒子，你的房子也可能是完全空的。
量子場論中真空的另一個引人注目的特徵被稱為昂魯效應。靜止的宇航員可能認為他或她處於真空中，而加速宇宙飛船中的宇航員會感到沉浸在無數粒子的熱浴中。觀點之間的這種差異也發生在黑洞的邊緣，並導致關於墜落物質命運的悖論性結論[參見約瑟夫·波爾欽斯基的“燃燒的火環”]。
如果充滿粒子的真空聽起來很荒謬，那是因為粒子的經典概念誤導了我們；該理論所描述的肯定真的是其他東西。如果粒子的數量取決於觀察者，那麼假設粒子是基本的似乎是不連貫的。我們可以接受許多特徵是取決於觀察者的——但不能接受基本構建塊的數量這一事實本身。
最後，該理論規定粒子可以失去其個體性。在量子糾纏這一令人費解的現象中，粒子可以被吸收到更大的系統中，並放棄使它們彼此區分開來的屬性。假定的粒子不僅共享質量和電荷等內在特徵，還共享空間和時間屬性，例如可能發現它們的位置範圍。當粒子糾纏時，觀察者無法區分它們。在這一點上，你真的還有兩個物體嗎？
理論家可能只是宣佈我們假設的兩個粒子是兩個不同的個體。哲學家稱這種獨斷專行為“原始本性”。根據定義，這種本性是不可觀察的。
大多數物理學家和哲學家對這種臨時的舉動非常懷疑。相反，似乎你不再有兩個粒子了。糾纏系統表現為一個不可分割的整體，而部分的概念，更不用說粒子的概念，失去了意義。
這些關於粒子的理論問題與經驗相悖。“粒子探測器”如果探測到的不是粒子，那又是什麼呢？答案是：我們看不到粒子——我們推斷它們。探測器註冊的只是大量獨立的感測器材料激發。當我們連線點並推斷出粒子具有可以在時間上追蹤的軌跡的存在時，我們就會遇到麻煩。
（警告：量子物理學的一些少數解釋確實假設了明確定義的軌跡。但它們有自己的困難，我堅持標準觀點[參見大衛·Z·艾伯特的“玻姆對量子力學的替代方案”；《大眾科學》，1994年5月]。）
因此，讓我們總結一下。我們認為粒子是微小的檯球，但現代物理學家稱之為“粒子”的東西與此截然不同。根據量子場論，物體無法定位在空間的任何有限區域內，無論它有多大或多模糊。此外，假定粒子的數量取決於觀察者的運動狀態。所有這些結果加在一起，為自然是由類似於球狀粒子的任何東西組成的這一觀念敲響了喪鐘。
基於這些和其他見解，人們必須得出結論，“粒子物理學”是一個用詞不當的名稱：儘管物理學家一直在談論粒子，但根本沒有這樣的東西。人們可以採用“量子粒子”這個詞，但如果經典粒子概念幾乎沒有倖存下來，那麼使用“粒子”這個詞有什麼道理呢？最好咬緊牙關，完全放棄這個概念。
有些人將這些困難視為間接證據，表明量子場論僅描述場。按照這種推理，粒子是充滿空間的場中的漣漪，就像一種無形的流體。然而，正如我們現在將看到的，量子場論也不能輕易地用場來解釋。
場的麻煩
“量子場論”這個名稱自然而然地讓人聯想到處理經典場的量子版本的理論，例如電場和磁場。但是“量子版本”是什麼呢？“場”這個詞讓人聯想到磁場，它導致鐵屑圍繞條形磁鐵排列，以及電場，它導致頭髮豎立起來，但量子場與經典場如此不同，以至於即使是理論物理學家也承認他們幾乎無法視覺化它。
在經典上，場將物理量（例如溫度或電場強度）分配給時空中的每個點。量子場反而分配抽象的數學實體，這些實體代表你可以進行的測量型別，而不是你將獲得的結果。理論中的一些數學構造確實代表物理值，但這些值不能分配給時空中的點，只能分配給塗抹開來的區域。
物理學家最初透過“量子化”經典場論來發展量子場論。在這個過程中，理論家們透過一個方程，用“算符”代替物理值，“算符”是微分或取平方根等數學運算。一些算符可以對應於特定的物理過程，例如光的發射和吸收。算符在理論與現實之間放置了一層抽象。
經典場就像一張天氣地圖，顯示各個城市的氣溫。量子版本就像一張天氣地圖，它不顯示“40度”，而是顯示“√”。要獲得實際的溫度值，你需要再進行一步，將算符應用於數學實體，稱為狀態向量，它代表所討論系統的配置。
在某種程度上，量子場的這種特殊性似乎並不令人驚訝。量子力學——量子場論所基於的理論——也不涉及確定的值，而只涉及機率。然而，在量子場論中，情況似乎更奇怪，因為據稱是基本實體，即量子場，甚至沒有指定任何機率；為此，它們必須與狀態向量結合起來。
將量子場應用於狀態向量的需求使得該理論很難解釋，很難轉化為你可以想象和在腦海中操作的物理事物。狀態向量是整體性的；它描述了作為一個整體的系統，並且不涉及任何特定位置。它的作用破壞了場的定義特徵，即它們分佈在時空中。經典場讓你設想諸如光之類的現象是波在空間中的傳播。量子場剝奪了這幅圖景，使我們不知道世界是如何運作的。
顯然，那麼，基本粒子和介導力場的標準圖景不是物理世界令人滿意的本體論。甚至完全不清楚粒子或場是什麼。一種常見的反應是，粒子和場應被視為現實的互補方面。但是，這種描述沒有幫助，因為即使在我們應該看到一個或另一個方面純粹性的情況下，這些概念中的任何一個都不起作用。幸運的是，粒子和場檢視並沒有窮盡量子場論的可能的物理解釋。
結構來拯救？
越來越多的人認為，真正重要的不是事物，而是這些事物所處的關係。這種觀點以比對粒子和場本體論的最嚴格修改更激進的方式打破了傳統的原子論或點彩畫式的物質世界概念。
最初，這種立場被稱為結構實在論，以一種相當溫和的版本出現，稱為認識論結構實在論。它的執行方式如下：我們可能永遠無法知道事物的真實性質，而只能知道它們彼此之間的關係。
考慮質量。你見過質量本身嗎？沒有。你只看到它對其他實體意味著什麼，或者具體來說，一個有質量的物體如何透過區域性引力場與另一個有質量的物體相關聯。
世界的結構，反映事物是如何相互關聯的，是物理學理論中最持久的部分。新理論可能會推翻我們對世界基本構建塊的概念，但它們傾向於保留結構。這就是科學家取得進步的方式。
現在出現一個問題：我們只能知道事物之間的關係而不能知道事物本身的原因是什麼？直接的答案是關係就是一切。這種飛躍使結構實在論成為一種更激進的主張，稱為本體論結構實在論。
現代物理學的無數對稱性為本體論結構實在論提供了支援。在量子力學以及愛因斯坦的引力理論中，世界配置的某些變化——稱為對稱變換——沒有經驗後果。這些變換交換了構成世界的個體事物，但保持了它們的關係不變。
透過類比，考慮一個映象對稱的臉。鏡子將左眼換成右眼，左鼻孔換成右鼻孔，等等。然而，面部特徵的所有相對位置都保持不變。這些關係才是真正定義面部的，而諸如“左”和“右”之類的標籤取決於你的有利位置。我們一直稱之為“粒子”和“場”的事物具有更抽象的對稱性，但想法是相同的。
根據奧卡姆剃刀原理，物理學家和哲學家更喜歡可以用最少的假設來解釋相同現象的想法。在這種情況下，你可以透過假設特定關係的存在來構建一個完全有效的理論，而無需額外假設個體事物。因此，本體論結構實在論的支持者說，我們不妨放棄事物，並假設世界是由結構或關係網路構成的。
在日常生活中，我們遇到許多隻計算關係的情況，並且描述相關事物會分散注意力。例如，在地鐵網路中，至關重要的是要知道不同的車站是如何連線的。在倫敦，聖保羅直接連線到霍爾本，而從黑修士橋到霍爾本，即使黑修士橋比聖保羅更靠近霍爾本，你也需要至少換乘一次線路。主要是連線的結構很重要。黑修士橋地鐵站已翻新成漂亮的新車站這一事實對於試圖導航系統的人來說並不重要。
優先於其物質實現的結構的其他示例是全球資訊網、大腦的神經網路和基因組。即使單個計算機、細胞、原子和人死亡，所有這些仍然可以正常執行。這些例子是鬆散的類比，儘管它們在精神上接近於適用於量子場論的技術論證。
一條密切相關的推理思路利用量子糾纏來論證結構是現實的基礎。兩個量子粒子的糾纏是一種整體效應。兩個粒子的所有內在屬性，例如電荷，以及它們的所有外在屬性，例如位置，仍然不能確定雙粒子系統的狀態。整體大於其各部分的總和。世界的原子論圖景崩潰了，在原子論圖景中，一切都由最基本構建塊的屬性以及它們在時空中的關係決定。也許我們應該反過來思考，而不是將粒子視為主要的，而將糾纏視為次要的。
你可能會覺得奇怪，在沒有關聯項的情況下，怎麼會有關係——在沒有任何物件處於該關係中的情況下。這聽起來像是沒有配偶的婚姻。你並不孤單。許多物理學家和哲學家也覺得這很奇怪，認為僅僅基於關係不可能獲得固體物體。
本體論結構實在論的一些支持者試圖妥協。他們不否認物體的存在；他們只是聲稱關係或結構更基本。換句話說，物體的屬性不是內在的——它們僅來自它們與其他事物的關係。
但是，這種立場似乎模稜兩可。任何人都會同意物體具有關係。唯一有趣和新穎的立場是，一切都純粹基於關係而出現。總而言之，結構實在論是一個具有啟發性的想法，但在我們知道它是否可以使我們擺脫解釋上的麻煩之前，還需要進一步發展。
屬性束
量子場論含義的第二種替代方案從一個簡單的見解開始。儘管粒子和場的解釋傳統上被認為是截然不同的，但它們有一個關鍵的共同點。兩者都假設物質世界的基本專案是持久的個體實體，可以為它們賦予屬性。這些實體要麼是粒子，要麼在場論的情況下是時空點。包括我在內的許多哲學家認為，將物體和屬性劃分為兩類可能是粒子和場方法都遇到困難的深層原因。我們認為最好將屬性視為唯一的基本類別。
傳統上，人們假設屬性是“共相”——換句話說，它們屬於抽象的、一般的類別。屬性總是由特定事物擁有的；它們不能獨立存在。（可以肯定的是，柏拉圖確實認為它們是獨立存在的——但僅在更高的領域中，而不是在存在於空間和時間中的世界中。）例如，當你想到紅色時，你通常會想到特定的紅色事物，而不是一些自由漂浮的稱為“紅色性”的專案。
但是你可以顛倒這種思維方式。你可以將屬性視為具有獨立於擁有它們的物件而存在的存在。屬性可能是哲學家所謂的“殊相”——具體的、個體化的實體。我們通常所說的東西可能只是屬性的束：顏色、形狀、一致性等等。
因為這種將屬性理解為殊相而不是共相的概念與傳統觀點不同，哲學家們引入了一個新術語來描述它們：“特例”。聽起來有點滑稽，不幸的是，這個術語帶有不恰當的內涵，但它現在已經確立了。
將事物解釋為屬性束不是我們通常概念化世界的方式，但如果我們試圖忘記我們通常如何看待世界，並將自己帶回到生命最初的幾年，它就會變得不那麼神秘。作為嬰兒，當我們第一次看到和體驗球時，嚴格來說，我們實際上並沒有感知到球。我們感知到的是圓形形狀、某種紅色陰影以及某種彈性觸感。僅僅在稍後，我們才將這種感知束與某種型別的連貫物件聯絡起來——即球。下次我們看到球時，我們基本上會說，“看，一個球”，並忘記這種看似直接的感知中涉及多少概念裝置。
在特例本體論中，我們回到嬰兒時期的直接感知。在世界之外，事物只不過是屬性束。不是我們首先有一個球，然後將屬性附加到它上面。而是我們擁有屬性並稱之為球。一個球除了它的屬性之外什麼都沒有。將這個想法應用於量子場論，我們所說的電子實際上是屬性或特例的束：三個固定的、基本屬性（質量、電荷和自旋），加上許多變化的、非基本屬性（位置和速度）。
特例的概念有助於理解量子場論。例如，該理論預測了真空的一種特別令人費解的行為：粒子的平均數量值為零，但真空卻充滿了活動。無數的過程一直在發生，涉及各種基本粒子的產生和隨後的湮滅。
在粒子本體論中，這種活動是自相矛盾的。如果粒子是基本的，那麼它們如何物質化？它們是從什麼中物質化的？
在特例本體論中，情況很自然。真空，雖然沒有粒子，但包含屬性。粒子就是當這些屬性以某種方式捆綁在一起時你得到的東西。
物理學與形而上學
對於一個在經驗上如此成功的理論——量子場論，怎麼會有如此多的基本爭議？答案很簡單。儘管該理論告訴我們可以測量什麼，但在涉及到產生我們觀察結果的實體本質時，它卻含糊其辭。該理論根據夸克、μ子、光子和各種量子場來解釋我們的觀察結果，但它沒有告訴我們光子或量子場究竟是什麼。它也不需要這樣做，因為物理學理論在很大程度上可以在沒有解決此類形而上學問題的情況下在經驗上有效。
對於許多物理學家來說，這就足夠了。他們採取所謂的工具主義態度：他們否認科學理論首先旨在代表世界。對他們來說，理論只是用於做出實驗預測的工具。儘管如此，大多數科學家仍然強烈直覺，他們的理論至少描繪了自然界在我們進行測量之前的一些方面。畢竟，如果不是為了理解世界，那又是為了什麼而做科學呢？
獲得物理世界的全面圖景需要物理學與哲學的結合。這兩個學科是互補的。形而上學為物質世界的本體論提供了各種相互競爭的框架，儘管除了內部一致性問題之外，它無法在它們之間做出決定。就物理學而言，它缺乏對基本問題的連貫解釋，例如物體的定義、個體性的作用、屬性的狀態、事物與屬性的關係以及空間和時間的意義。
當物理學家發現自己重新審視其學科的基礎時，這兩個學科的結合尤為重要。形而上學的思考指導了艾薩克·牛頓和阿爾伯特·愛因斯坦，並且它正在影響許多試圖統一量子場論與愛因斯坦引力理論的人。哲學家們寫滿了關於量子力學和引力理論的書籍和論文，而我們才剛剛開始探索量子場論中體現的現實。我們正在開發的標準粒子和場觀點的替代方案可能會啟發物理學家努力實現大統一。