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。他們稱自己的學科為“粒子物理學”，稱他們的儀器為“粒子加速器”。他們堅持一種類似樂高積木的世界模型。但這種觀點掩蓋了一個鮮為人知的事實：對量子物理學的粒子解釋以及場解釋，都將我們對“粒子”和“場”的傳統概念延伸到了如此程度，以至於越來越多的人認為世界可能由完全不同的東西構成。
問題不在於物理學家缺乏對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年代初期之間，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。這種困惑與量子力學中備受討論的謎團是分開的，例如密封盒子裡的貓是否可以同時處於活著和死亡狀態。對量子場論的未解決的解釋正在阻礙探測標準模型之外物理學的進展，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。
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乍一看，標準模型的內容似乎很明顯。首先，它由基本粒子的群組組成，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。儘管它可能看起來引人注目，但它根本不令人滿意。
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，物理學家經常說好像其中一種或另一種更基本。關於這一點的爭論一直在持續——關於量子場論最終是關於粒子還是關於場的。它最初是一場巨人之戰，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理論所說的不符。如果“粒子”和“場”這兩個詞所引發的心理影像與理論所說的不符，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，一切都可以簡化為僅無形物，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彈球一樣相互反彈。但是，這種粒子概念是對古代希臘原子論者的世界觀的保留，並在艾薩克·牛頓的理論中達到了頂峰。幾條重疊的思路清楚地表明，量子場論的核心單元根本不像彈球那樣運動。
首先，粒子的經典概念意味著存在於某個位置的東西。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地在你體內。試圖測量其位置的觀察者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表述中就很明顯，但在理論家將量子力學與相對論相結合時變得更糟。相對論量子粒子非常滑溜；它們根本不駐留在宇宙的任何特定區域。
其次，假設你有一個粒子定位在你的廚房裡。你的朋友從路過的汽車上看著你的房子，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。不僅粒子的位置取決於你的觀點，而且粒子有位置這一事實也是如此。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，即使你放棄嘗試精確定位粒子，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。你在房子裡走動，在餐廳裡找到三個粒子，床下五個，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一個屬性；要確定它，你必須做不可能的事情，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例子是真空，它在量子場論中具有自相矛盾的特性。你可以擁有一個整體真空——根據定義，零粒子狀態——但同時你在任何有限區域觀察到的東西都與真空非常不同。換句話說，你的房子可能完全是空的，即使你到處都能找到粒子。如果消防部門問你燃燒的房子裡是否還有人，你說沒有，當消防員發現每個人都擠在每個房間裡時，他們會質疑你的神志是否清醒。
量子場論中真空的另一個引人注目的特徵被稱為溫魯效應。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界，並導致關於落入物質命運的自相矛盾的結論[參見倫納德·薩斯坎德的“黑洞和資訊悖論”；《大眾科學》，1997年4月]。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；理論描述的必須是其他東西。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模組的數量這一事實。
最後，該理論規定粒子會失去其個性。在令人費解的量子糾纏現象中，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，例如可能找到它們的位移範圍。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？
理論家可能會簡單地規定我們假想的兩個粒子是兩個不同的個體。哲學家稱這種法令為“原始此性”。根據定義，這種此性是無法觀察到的。大多數物理學家和哲學家對這種特別的舉動持非常懷疑的態度。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，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”如果不是探測粒子，那探測的是什麼？答案是粒子始終是一種推論。探測器註冊的只是大量感測器材料的獨立激發。當我們連線點並推斷出具有可以在時間上追蹤的軌跡的粒子的存在時，我們就會遇到麻煩。（警告：量子物理學的某些少數派解釋確實以明確定義的軌跡來思考。但它們有自己的困難，我堅持標準觀點[參見大衛·Z·阿爾伯特的“玻姆對量子力學的替代”；《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彈球，但現代物理學家稱為“粒子”的東西根本不像那樣。根據量子場論，物體無法局域化在任何有限的空間區域，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，敲響了自然界是由任何類似於球狀粒子的東西組成的想法的喪鐘。
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。人們可以採用短語“量子粒子”，但如果經典粒子概念幾乎沒有倖存下來，那麼使用“粒子”這個詞有什麼理由呢？最好咬緊牙關，完全放棄這個概念。有些人將這些困難視為量子場論的純場解釋的間接證據。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，正如我們現在將要看到的，量子場論也不能輕易地用場來解釋。
場的麻煩
名稱“量子場論”自然地暗示了一種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？術語“場”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，但是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。
經典地，場為時空中的每個點分配一個物理量，例如溫度或電場強度。量子場反而分配抽象的數學實體，這些實體表示您可以進行的測量型別，而不是您將獲得的結果。理論中的一些數學構造確實代表物理值，但是這些值不能分配給時空中的點，只能分配給塗抹開的區域。
歷史上，物理學家透過“量子化”經典場論來發展量子場論。在這個過程中，理論家們瀏覽一個方程，並將物理值替換為“算符”，算符是數學運算，例如微分或取平方根，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。算符在理論和現實之間放置了一層抽象。經典場就像一張天氣圖，顯示各個城市的氣溫。量子版本就像一張天氣圖，它不向您顯示“40度”，而是顯示“√”。要獲得實際溫度值，您需要執行額外的步驟，將算符應用於另一個數學實體，稱為狀態向量，它表示所討論系統的配置。
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——也不處理確定的值，而只處理機率。然而，從本體論上講，量子場論中的情況似乎更奇怪，因為據稱基本實體，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。
需要將量子場應用於狀態向量，使得該理論非常難以解釋，難以轉化為您可以在腦海中想象和操縱的物理事物。狀態向量是整體的；它描述了整個系統，而不涉及任何特定位置。它的作用破壞了場的決定性特徵，即場分佈在時空中。經典場讓您可以將諸如光之類的現象設想為波在空間中的傳播。量子場消除了這種圖景，使我們無法說出世界是如何運作的。
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。根本不清楚粒子或場甚至是什麼。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種或另一種方面的純粹性的情況下，這些概念中的任何一個都無法工作。幸運的是，粒子和場觀點並沒有窮盡量子場論的可能本體論。
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。這種觀點比對粒子和場本體論最嚴厲的修改，更徹底地打破了傳統的原子論或點彩派物質世界觀。
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，稱為認知結構實在論。它的執行方式如下：我們可能永遠無法瞭解事物的真實性質，而只能瞭解事物之間是如何相互關聯的。以質量為例。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，或者具體而言，一個大質量物體如何透過區域性引力場與另一個大質量物體相關聯。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模組的概念，但它們傾向於保留結構。這就是科學家可以取得進步的方式。
現在出現以下問題：為什麼我們只能瞭解事物之間的關係，而不能瞭解事物本身？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個更激進的主張，稱為本體論結構實在論。
現代物理學中無數的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，但保持它們的關係不變。透過類比，考慮一個映象對稱的面孔。映象將左眼換成右眼，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孔的東西，而諸如“左”和“右”之類的標籤取決於您的有利位置。我們一直稱之為“粒子”和“場”的東西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，您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組成的。
在日常生活中，我們遇到許多情況，只有關係才重要，而描述相關事物會分散注意力。例如，在地鐵網路中，瞭解不同站點是如何連線的至關重要。在倫敦，聖保羅教堂直接連線到霍爾本，而從布萊克法爾斯出發，您至少需要換乘一次線路，即使布萊克法爾斯比聖保羅教堂更靠近霍爾本。主要是連線的結構很重要。布萊克法爾斯地鐵站最近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包括全球資訊網、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，所有這些仍然可以發揮作用。這些例子是鬆散的類比，儘管它們在精神上與適用於量子場論的技術論點非常接近。
一個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，以及所有外在屬性，例如位置，仍然無法確定雙粒子系統的狀態。整體大於其各部分之和。世界的原子論圖景崩潰了，在這種圖景中，一切都由最基本構建模組的屬性以及它們在時空中如何相關來確定。也許我們應該反過來思考，而不是認為粒子是主要的，糾纏是次要的。
您可能會發現，沒有關係項——沒有任何處於該關係中的物件——就存在關係是很奇怪的。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。一些本體論結構實在論的支持者試圖妥協。他們不否認物體的存在；他們只是聲稱關係或結構在本體論上是主要的。換句話說，物體沒有內在屬性，只有來自它們與其他物體關係的屬性。但是這個立場似乎含糊其辭。任何人都會同意物體有關係。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挑釁性的想法，但在我們知道它是否可以使我們擺脫解釋困境之前，還需要進一步發展。
屬性束
量子場論含義的第二個替代方案從一個簡單的見解開始。儘管傳統上認為粒子和場解釋彼此截然不同，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，可以對其賦予屬性。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，這種劃分為物件和屬性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，人們認為屬性是“共相”——換句話說，它們屬於一個抽象的、一般性的類別。它們總是由特定事物所擁有；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，但僅存在於更高的領域，而不是存在於空間和時間中的世界。）例如，當您想到紅色時，您通常會想到特定的紅色事物，而不是一些自由漂浮的物品，稱為“紅色”。但是您可以顛倒這種思維方式。您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說的“殊相”——具體的、個體的實體。我們通常稱之為事物的東西可能只是屬性的束：顏色、形狀、一致性等等。
由於這種將屬性視為殊相而不是共相的概念與傳統觀點不同，因此哲學家引入了一個新術語來描述它們：“殊相”。它聽起來有點滑稽，不幸的是，該術語帶有不恰當的含義，但現在已被確立。
將事物解釋為屬性束不是我們通常概念化世界的方式，但是如果我們嘗試忘記我們通常如何思考世界並將自己放回生命的最初幾年，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，以及一定的彈性觸感。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”，並忘記在這個看似直接的感知中涉及了多少概念裝置。
在殊相本體論中，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。不是我們先有一個球，然後將屬性附加到它上面。而是我們有屬性並稱之為球。除了它的屬性外，球什麼都不是。
將這個想法應用於量子場論，我們稱之為電子的實際上是各種屬性或殊相的束：三個固定的、本質的屬性（質量、電荷和自旋），以及許多變化的、非本質的屬性（位置和速度）。這種殊相概念有助於理解該理論。例如，該理論預測基本粒子可以快速地出現和消失。量子場論中真空的行為尤其令人費解：粒子的平均數為零，但真空卻沸騰著活動。無數過程一直在發生，涉及各種粒子的產生和隨後的破壞。
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，那麼它們是如何物質化的？它們從什麼中物質化出來的？在殊相本體論中，情況很自然。真空雖然沒有粒子，但包含屬性。當這些屬性以某種方式將自己捆綁在一起時，您就會得到一個粒子。
物理學和形而上學
關於一個像量子場論這樣在經驗上如此成功的理論，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我們可以測量什麼，但在談到產生我們觀察結果的實體的本質時，它卻在說謎語。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。而且它也不需要這樣做，因為物理學理論可以在很大程度上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。他們採取了一種所謂的工具主義態度：他們否認科學理論首先是為了代表世界。對於他們來說，理論只是進行實驗預測的工具。儘管如此，大多數科學家仍然有強烈的直覺，認為他們的理論至少描繪了自然界的某些方面，就像我們在進行測量之前那樣。畢竟，如果不是為了理解世界，那為什麼要從事科學呢？
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外，它無法在它們之間做出決定。物理學方面，缺乏對基本問題的連貫解釋，例如物件的定義、個性的作用、屬性的狀態、事物和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他們學科的基礎時，這兩個學科的結合尤其重要。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們努力實現大統一。