淌若你想要恢复天下中什么是基本问题，你需要在最小的轨范造访物资和能量。淌若你尝试着把粒子切割到越来越小的结构，当你到小于几纳米的距离你会运转注意到一些越过好奇羡慕的事，这个技能传统的物理法规还适用。

在更小的轨范上，现实运转以奇怪的、违反直观的花样进展。咱们再也弗成将现实描写为由具有明确界说的属性(如位置和动量)的单个粒子组成。违反，咱们参加了量子的规模:在那边，基本的非决定论统率着咱们，咱们需要一个对于天然若何运作的全新的描写。但即使是量子力学自己也有失败之处。他们从一运转就注定了爱因斯坦最伟大的瞎想——对现实的完满、详情味的描写。这是为什么。

图解:淌若让一个网球落在一个像桌子不异硬的名义，你大约详情它将会弹且归。淌若你用一个量子粒子作念换取的实验，你会发现这个传统的轨谈不是唯独的可能恶果，是小于100%的一种可能。很奇怪，有一种收尾的可能那即是量子粒子将会穿过桌子到另一边，穿过樊篱就像莫得任何拦阻物。（图源:维基分享用户MICHAELMAGGS和RICHARD BARTZ）

淌若咱们生活在一个鼓胀古典的、非量子天下中，交融事物将会很容易。当咱们把物资分红越来越小的块时，咱们遥远不会达到极限。天下将莫得根蒂的、不可分割的组成部分。违反，咱们的天下将由联结的物资组成，淌若咱们制造一把人所共知的更尖锐的刀，咱们老是大约把东西切成越来越小的块。

这个瞎想就像20世纪早期的恐龙不异险阻了。普朗克、爱因斯坦、卢瑟福等东谈主的实验标明，物资和能量弗成由联结的物资组成，而是不错被分割成零乱的块，即今天的量子。量子表面领先的宗旨有太多的实验营救:天下根蒂就不是经典的。

图解:越小的距离轨范揭露越基本的天然法规，意味着淌若咱们交融况兼描写最小的轨范，咱们就能构建出最大轨范上的交融要道。(图源:相近筹办所)

在20世纪的头三十年里，物理学家们在这些令东谈主困惑的小轨范上致力于发展和交融天下的本体。咱们需要新的法规来描写它们，需要新的、违反直观的方程式和描写。客不雅现实的主意还是逾期，洗心革面的是:

概率分歧而不是可猜测的恶果，

波函数而不是位置和动量，

海森堡概略情味关系而不是单个性质。

描写现实的粒子弗成再只是被描写为粒子。违反，它们既有波的元素，也有粒子的元素，它们的活动顺从一套新的法规。

图解:一个量子层面之间的位置和动量之间的固有概略情味的证据。同期测量这两个量的才智是有限的，因为它们不再只是是物感性质，而是具有其本体固有的不可知方面的量子力学算子。海森堡的概略情味通常出现时东谈主们最出东谈主猜测的方位。(图源:E. SIEGEL / WIKIMEDIA COMMONS用户MASCHEN)

起原，这些描写给物理学家们带来了很大的困扰。这些问题的产生并不单是是因为形而上学上的勤劳，比如接受一个概略情的天下，或者改变对现实的界说，尽管如实有许多东谈主被这些方面所困扰。

违反，勤劳愈加严峻。狭义相对论获得了很好的交融，关联词量子力学领先的发展只适用于非相对论系统。通过将位置和动量等物理量从物感性质滚动为量子力学算符(一种特定的数学函数)，这些奇异的现实方面不错被纳入咱们的方程中。

图解:在经典力学(a)和量子力学(B-F)中，粒子在盒子里的轨迹(也称为无尽方井)。在(A)中，粒子以匀速畅通，往还弹跳。在(B-F)中，对于换取的几何和势，给出了与技能关联的薛定谔方程的波函数解。横轴为位置，纵轴为波函数的实部(蓝色)或虚部(红色)。(B，C，D)是稳态(能量本征态)，它来自于与技能无关的薛定谔方程的解。(E，F)詈骂稳态的，薛定谔方程的解。注意，这些解在相对论变换下不是不变的;它们只在一个特定的参照系中灵验。(图源:STEVE BYRNES / SBYRNES321维基分享)

关联词你允许你的系统进化的花样依赖于技能，对于不同的不雅察者，技能的主意是不同的。这是量子物理学濒临的第一个生涯危急。

咱们说一个表面是相对不变的，淌若它的定律对于不同的不雅察者不改变:对于两个东谈主以不同的速率或标的迁移。构建量子力学的相对论不变版块是一项挑战，物理学中最伟大的想想家们花了多年技能才克服了它，并最终在20世纪20年代末由保罗•狄拉克(Paul diracon)完成。

图解:淌若一个表面不是相对不变的，亚博体育中国官网注册登录那么不同的参照系，包括不同的位置和畅通，将会看到不同的物理定律(况兼在现实中也会产生不合)。咱们在“升力”或速率变换下具有对称性，这一事实告诉咱们，咱们有一个守恒量:线性动量。当动量不单是是一个与粒子关联的量，而是一个量子力学算符时，这就更难交融了。(图源:维基分享用户KREA)

他的致力于产生了现时被称为狄拉克方程的恶果，这个方程描写了像电子这么的真实粒子，也解释了:

反物资，

内在角动量，

磁矩，

物资的考究结构特点，

以及带电粒子在电场和磁场中的活动。

这是一个弘大的飞跃，狄拉克方程出色地描写了许多已知的最早的基本粒子，包括电子、正电子、介子，以致(在某种进度上)质子、中子和中微子。

图解:本日下扩张和冷却时，电子和质子是目田的，并与光子发生碰撞，从而改动为光子透明的中性天下。这里露出的是CMB放射前的电离等离子体(L)，接着是向中性天下的改动(R)，对光子是透明的。电子与电子之间的散射，以及电子与光子之间的散射，不错用狄拉克方程很好地描写，但施行上发生的光子与光子的互相作用却不是这么。(图源:阿曼达育空)

但这并弗成解释一切。举例，光子弗成鼓胀用狄拉克方程来描写，因为它们具有造作的粒子特点。电子-电子互相作用获得了很好的描写，关联词光子-光子互相作用却莫得获得很好的描写。即使在狄拉克的相对论量子力学框架内，解释像放射性衰变这么的风物亦然鼓胀不可能的。即使有了这一弘大的朝上，故事的一个主要部分如故缺失了。

最大的问题是量子力学，以致相对论量子力学，BET365体育官方网站王人不及以描写天下中的一切。

图解:淌若你有一个点电荷和一个金属导体在近邻，这是一个在经典物理学中单独推测电场和它在空间中每少许的强度的锻真金不怕火。在量子力学中，咱们考虑粒子对电场的反映，关联词电场自己并不是量子化的。这似乎是量子力学公式中最大的舛错。(图源:麻省理工学院贝尔彻j)

想想淌若你把两个电子放在沿途会发生什么。淌若你用经典的要道想考，你会合计这些电子每一个王人会产生电场，淌若它们在畅通，也会产生磁场。然后另一个电子，看到第一个电子所产生的场，当它与外场互相作用时，会感受到一个力。这是双向的，这么就交换了一个力。

这对于电场和任何其他类型的电场王人不异灵验，比如引力场。电子有质料也有电荷，是以淌若你把它们放在引力场中，它们会凭据质料作念出反映，就像电荷会迫使它们对电场作念出反映不异。即使在广义相对论中，质料和能量弧线空间，弧线空间亦然联结的，就像其他场不异。

图解:淌若物资和反物资两个物体处于静止现象淹没，它们就会产生一种颠倒能量的光子。淌若它们在深刻到引力曲率区域后产生这些光子，能量应该会更高。这意味着一定存在某种引力红移/蓝移，这是牛顿引力无法预测的，不然能量就不会守恒。在广义相对论中，磁场以波的姿首带走能量:引力辐射。关联词，在量子层面上，咱们热烈怀疑，就像电磁波由量子(光子)组成不异，引力波也应该由量子(引力子)组成。这即是广义相对论不完满的原因之一。(图源:RAY SHAPP / MIKE LUCIUK;E. SIEGEL)

这类公式的问题是，当位置和动量在经典惩办下时所在的场处于换取的基础上。场激动粒子到特定位置，并改变它们的动量。但在一个位置和动量概略情、需要被作为算符而不是有值的物理量来对待的天下中，咱们让咱们对场的惩办保抓经典，是在乱来我方。

图解:时空结构，图示，由质料引起的波纹和变形。新表面必须与广义相对论鼓胀换取;它必须作念出新颖、私有的预测。由于广义相对论只提供了对空间的一种经典的、非量子的描写，咱们鼓胀瞻望它的最终袭取者也将包含量子化的空间，尽管这个空间既不错是零乱的，也不错是联结的。

这是量子场论的一猛朝上，或者与其联系的表面朝上:第二次量子化。淌若咱们把场自己作为量子，它也会酿成量子力学算符。跷足而待，天下中无法预测(但不错不雅察到)的经过如下:

物资的创造和毁掉，

放射性衰变，

量子隧穿产生电子对正电子对，

电子磁矩的量子修正，

王人曲直凡想的。

图解:今天，费曼图被用于推测包括高能和低温/冷凝条目下的强、弱、电磁力在内的总共基本互相作用。这个框架与量子力学的主要不同之处在于不仅粒子，而且场亦然量子化的。(图源:DE CARVALHO， VANUILDO S.等。NUCL.PHYS。B875 (2013) 738 - 756)

天然物理学家通常用粒子交换和费曼图来想考量子场论，但这只是一个推测和可视化的用具，咱们试图给这个主意增多一些直不雅的嗅觉。费曼图詈骂常有用的，但他们是一个推测的摄动法（简易），当你采纳非摄动要道推测时，量子场论通常会产生迷东谈主的、私有的恶果。

关联词，对磁场进行量化的动机比那些营救摄动或非摄动要道之间的争论更为根蒂。你需要一个量子场论来成功地描写粒子和粒子之间的互相作用或者粒子和场之间的互相作用，以及场和场之间的互相作用。跟着量子场论过火诈欺的进一步发展，从光子散射到强核力的一切王人是不错解释的。

图解:无中微子双衰变图，淌若这里露出的中微子是它我方的反粒子，这是可能的。在量子场论中，这是一种有限概率的互相作用，在具有正确量子性质的天下中是允许的，但在量子力学中不允许，在非量子化的互相作用场中。通过这个阶梯衰变的技能比天下的年岁长得多。

与此同期，东谈主们坐窝显豁了为什么爱因斯坦的救济要道遥远不会收效。在西奥多·卡鲁扎责任的引发下，爱因斯坦洗浴于将广义相对论和电磁学救济为一个框架的宗旨。关联词广义相对论有一个基本的局限性:它是一个经典表面的中枢，它的主意是联结的、非量子化的空间和技能。

淌若你终止量化你的场，你注定会错过天下报复的内在属性。这是爱因斯坦在他的救济尝试中致命的舛错，亦然为什么他对更基本表面的筹办要道被鼓胀(而且是合理的)搁置的原因。

图解:量子引力试图将爱因斯坦的广义相对论与量子力学联结起来。经典引力的量子修正被可视化为回路图，如图所示。空间(或技能)自己是零乱的如故联结的还莫得决定，就像重力是否被量化的问题不异，或者粒子，正如咱们今天所知谈的，是否是基本的。关联词淌若咱们但愿有一个对于万物的基本表面，它必须包括量子化场。(图源:SLAC国度加快器实验室)

天下还是一次又一次地评释了它在本体上是量子的。从晶体管到LED露出屏，再到导致黑洞衰变的霍金辐射，这些量子特点在多样诈欺中王人有体现。量子力学自己存在根人道舛错的原因，并不是因为新法规带来的潦草，而是因为它走得不够远。粒子如实具有量子特点，但它们也通过自己即是量子的场互相作用，总共这些王人以相对不变的花样存在。

也许咱们将真的终了一个万物表面，其中每一个粒子和互相作用王人是相对论性的和量子化的。但这种量子的奇异性深信是它的各个方面的一部分，以致是咱们尚未成功量化的部分。用霍尔丹不灭的话来说，“我我方的怀疑是，天下不仅比咱们联想的更奇怪，而且比咱们能联想的更奇怪。”