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量子场论有什么用？ | 李政阳

风云之声

2026-05-15 20:24 ·安徽 ·优质科技领域创作者

最近我在互联网上上传了几个视频，分享了与量子场论相关的知识，并取得不错的反响，所以就借这个机会讨论一个问题：量子场论有什么用？想到这个问题时，我的第一反应是我们国家的核武器发展进程。原因是于敏、邓稼先，这些为我国开创核武器事业的功勋对理论物理，特别是粒子物理与核物理的前沿发展都有着深刻的理解。于敏的硕士论文主攻量子场论[1]，邓稼先也亲自编写《量子场论》讲义培训科研人员[2]。

但这样的观点其实有点牵强。原因很简单：当欧美科学家们在洛斯阿拉莫斯国家实验室研发出原子弹的时候，量子场论还没有横空出世呢！量子场论的发展要等到二战后，主要是由新一代的美国本土的物理学家引领建立的。

那么量子场论到底有什么用呢？一个与我们日常生活相关的应用就是反物质的发现。量子场论告诉我们每个粒子都有一个对应的同质量、相反电荷的粒子。反物质的发现在现代医学中起到了重要的作用，催生出了正电子断层显像技术（PET）。至今，这项技术用于癌症、心脏病和脑部疾病的诊断与评估。

量子场论还有其它的用途吗？老实讲，目前量子场论在当前技术与工程上的应用是不多的，但这也说明人类文明在科技的发展上还有巨大的进步空间。科技的发展无疑是考验我们对自然界规律的理解和应用。当我们掌握了牛顿力学，我们就建造了桥梁和高楼大厦。当我们掌握了电磁力，就有了半导体和互联网。这些发明与量子场论没有直接的关系，主要的原因是这些发明涉及的能量太低了，尺度太大了（相对于量子场论的微观尺度而言）。

例如在普通的家电中，电子传播的速度非常慢，大约只有10-4 ms-1。而我们真正需要用量子场论描述电子的情况是：当电子的速度至少达到光速的1%（约 106 ms-1），尺度小于10-13 m（即静态电子的康普顿波长）时。这与我们日常生活中涉及的电子的速度高出10个数量级，比氢原子尺度小了2个数量级。那么，我们需要一个输送相对论性电子的电网吗？答案是完全不需要。如果真的让发电厂向家庭和工厂输送相对论性电子电流，那么它对日常生活的影响将是灾难性的。因为当相对论电子撞击到任何物质（包括电线内部的金属、半导体元件，甚至空气）时，都会产生轫致辐射，从而发射出强烈的X射线，甚至γ射线。这些高能辐射对人体会造成极大的伤害。

目前，量子场论的主要“应用”在于探索自然界的基本规律。虽然这对当前的技术没有直接的推动作用，但随着人类探索尺度的不断缩小，量子场论所描述的物理现象终将得到应用。回顾历史，从牛顿力学发展到量子力学，我们能够操控的尺度从宏观（米级）缩小到纳米级，仅用了大约一百年，尺度缩小了至少9个数量级。如果在未来一百年里，我们的科技能从纳米级进一步缩小到亚核子级别（10-16 m）并涉及相对论性粒子，到那时，量子场论的知识就将成为必需。

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图一：标准模型中的基础粒子（图源：wikipedia）

那么，我们距离实际应用量子场论还有多远？不妨先看看标准模型中的基本粒子。这些粒子的相互作用由量子场论来描述，构成了我们对物质结构最基本的理论。从标准模型的粒子表中可以发现，人类科技目前只对电子和光子达到了较为全面的掌控和应用;对于表中的其他粒子，直接应用较少。其中部分原因是，缪子(muon)和陶子(tau)等许多基本粒子是不稳定的，而单个夸克则被禁闭在质子和中子内部。下面，我们就讲几个量子场论的实际应用。

高功率激光与施温格效应

激光在工业和国防领域都具有极其重要的应用。其中，高功率激光可用作武器，也可用于切割、焊接钢板等工艺。由于激光是高能密度的电磁波，它能产生超强的电场。这种超强电场与电子以及真空的相互作用只能用量子场论来描述，而这一现象会显著影响激光器的性能。

美国物理学家朱利安·施温格（Julian Schwinger）在1951年发表的论文中指出，当电场强度达到1018 Vm-1时，电场会将真空中瞬息湮灭的虚粒子转化为可长久存在的正负电子对[3]。一旦产生一对正负电子，它们会迅速被原电场加速，辐射出高能光子；这些高能光子又会再次湮灭，产生更多的正负电子对。这一过程会消耗大量激光能量，形成“屏障”效应，从而阻止激光强度进一步提高。

缪子探测金字塔

缪子是一种基本粒子，质量约为电子的200倍，平均寿命约2.2微秒，广泛存在于宇宙射线中。由于宇宙射线缪子能量高、穿透性强，且无需人工放射源，科学家利用其作为天然的非破坏性“探针”，可对大型物体进行透视成像。

2017年，由日本名古屋大学物理学家森岛邦博（Kunihiro Morishima）领导的国际团队，在“扫描金字塔”（Scan Pyramids）项目中利用缪子探测技术对埃及胡夫金字塔进行了扫描[5]。团队在王后墓室及金字塔周边部署了设备，连续采集数月数据后，在大走廊上方发现了一个此前未知的巨大空洞，长度超过30米。

这些缪子探测器的运行机制深刻地依赖于量子场论的原理。例如，缪子穿过物质时的平均电离能量损失以及缪子透射成像都建立在量子场论框架中带电粒子与物质和电磁场的相互作用计算之上[6]。

中微子与地质勘探

中微子是一种电中性、质量极小的基本粒子。它与其他物质的相互作用微乎其微，只参与弱相互作用力和引力，因此能够轻松地穿透地球甚至恒星。中微子主要产生于核反应，例如太阳内部的聚变过程或地球岩石中的放射性衰变。

地质勘探正是利用了中微子的这些特性，发展出“中微子CT”技术。由于不同密度的岩石对中微子的吸收率存在微小差异，通过分析中微子通量的变化，便可反演出地下物质的三维密度分布。这项技术能够透视数公里深的岩层，帮助寻找深层矿脉、油气储层，甚至监测火山内部的岩浆活动[4]。相比传统的地震波勘探，中微子CT探测深度更大、安全性更高。尽管当前设备成本高昂，但它为人类透视地球内部提供了一种全新的前景。

由于中微子非常轻，其速度非常接近光速。因此，必须借助量子场论来描述中微子的产生与探测过程，从而更准确地识别地震和火山喷发的高风险区域。

总结与展望

总体来看，当前大多数技术仍处于纳米尺度。而实验上，我们已经能够探测到亚核子（10-16 m）尺度的原子核内部结构。从我们能大规模生产的微芯片尺度（10-7 m）到原子核内部尺度，两者之间相差约9个数量级。人类的科技，还有巨大的进步空间！

那么，科学与技术的发展有尽头吗？早在20世纪初，德国物理学家马克斯·普朗克(Max Planck)就注意到，自然界的三个基本常数G（引力常数），c（光速），ℏ（约化普朗克常数）能够组合出距离、能量等物理量的自然单位[7]

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物理学家们在1960年代意识到，当距离小于普朗克长度时，时空很可能不再是连续光滑的。原因是，要探测更小的尺度，所需光子的能量足以产生微型黑洞，从而阻止我们看清更细微的结构。同样地，当粒子对撞的能量达到普朗克能量级别时，碰撞也将产生微型黑洞。目前，人类能够探测的最小尺度远远大于普朗克长度，粒子加速器所能达到的最高能量（103 GeV）也远低于普朗克能量。从这个角度来看，我们不难发现，人类的科学与技术发展才刚刚开始。

■文献

[1]于敏，核子之非正常磁矩，物理学报1955,11(2):133-142

[2]邓稼先，量子场论，北京大学出版社，2014（重排本）

[3]Julian Schwinger, Phys.Rev. 82 (1951) 664-679

[4]Wei, J., Xing, J., Lin, S., Li, X., & Tian, J. (2026, April 8). Neutrino tomography with a three-dimensional model of Earth’s density (Accepted Manuscript). Chin. Phys. C, https://doi.org/10.1088/1674-1137/ae5c85;

M.C. Gonzalez-Garcia, F. Halzen, M. Maltoni, H. K.M. Tanaka, Phys. Rev. Lett. 100, 061802;

A. De Rújula, S. L. Glashow, R. R. Wilson, G. Charpak, Phys. Rept. 99 (1983) 341

[5]Morishima, K., et al. Nature 552, 386–390 (2017).

[6]叶邦角，李样，周志浩，知道了缪子，你知道缪子成像吗？物理， 2021年第4期

[7]M. Planck, Sitzungsberichte der Preußischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin, 5, 1899, 479

■ 作者简介

李政阳

2012年于坎特布雷大学获得博士学位。2019年至今任四川大学物理学院助理研究员。主要从事量子场论和粒子物理研究。

周思益