萬物皆場：賈治安的量子場論十二講 | 新課上線

圖1 量子場的可視化（圖片來源：https://universe-review.ca/R15-51-Qfield.htm）

方東榆、王朝會|作者

張江|推薦

賈治安|審核

集智科學研究中心理事長張江重磅推薦導語

：重整化群、路徑積分、費曼圖、準粒子/元激發、對稱與守恒、自發對稱性破缺、拓撲序、拓撲缺陷……，也許你和我一樣，在閱讀復雜系統相關文獻的時候會偶爾遭遇這些“不明覺厲”的概念或技術，但卻苦苦找不到出處，那是因為它們全部來源于一門完全不同的學問：量子場論

于是，為了搞懂這門學問，徹底理解這些概念，我曾多次捧起了厚厚的經典教材：溫伯格《量子場論》開始翻閱，然后又搖搖頭把它放下；曾約三五好友跑到北大旁聽量子場論的課程，卻在兩三周后知難而退；曾與幾位集智的老朋友在2012年的時候冒著大雪組織量子場論的共學小組，卻在幾次活動后無功而返?？傊?，量子場論對于我來說就仿佛是一座大山，每次都是爬到半山腰而又“出溜下來”。

之所以我多次失敗仍然在多次嘗試攀登這座高峰，就是感受到未來的復雜系統理論突破可能真的離不開它。比如，復雜科學中的重要概念“涌現”（Emergence）在量子場論中被叫做“層展”（字面意思，就是逐層次的展開），按照著名物理學家文小剛老師的理念，整個基礎物理學都應該建立在層展的概念之上；再比如，在AI大行其道的今天，物理學家惠勒的“it from bit”的觀點無疑已經深入人心，但是根據量子場論，這句話應該修正為“it from qubit”，即量子比特才是宇宙的基石；量子場論已經把粒子的涌現具象化為了數學算符（產生湮滅算子）；來源于量子場論的重整化群方法早已經在統計物理、復雜系統的研究中成為了一種實用的工具，但是基于傅立葉變換的高頻截斷和一系列數學操作卻仍然沒有被推廣到復雜性領域。隨著與專業物理學人士的交流讓我了解到了更多：神奇的Wick旋轉可以直接溝通量子場論與統計物理，將薛定諤方程硬生生“轉化”為?？恕て绽士朔匠?，甚至將時間與溫度、普朗克常數與玻爾茲曼常數建立關聯；AdS/CFT理論很可能將神奇的臨界現象映射為雙曲空間中的局部相互作用和動力學行為；量子場論中的路徑積分幾乎可以平行移動到布朗運動和分形動力學……，這還遠遠沒有包含對稱性與守恒、自發對稱性破缺等等廣泛存在于復雜系統中的現象和規律……。

所有這些“誘惑”讓我感受到，要想站在科學思想的前沿，要想在復雜系統研究中獲得突破，我必須掌握量子場論這門被譽為是20世紀“最成功的一門物理學學問”。痛定思痛，我認識到，之所以多次學習量子場論都如同鏡花雪月、霧里看花，就是因為我接觸到的大多數量子場論的課程、教科書總會把離我們較為遙遠的基本粒子物理知識和離我們本應該很近的那些概念與方法混為了一談。而對于跨學科研究者的我來說，我更需要掌握量子場論中的基礎概念，和那些可遷移的方法。

于是，利用集智俱樂部這個跨學科交流平臺，我們設立了“跨學科集智創新基金”，在全華語互聯網范圍內搜索合適的老師。終于，我們找到了他——新加坡國立大學Research Fellow賈治安老師。他深厚的物理學積淀與豐富的跨學科研究經驗非常適合為我這樣的量子場論小白講解量子場論的基礎概念和跨學科、可遷移方法。

于是，集智學園聯合賈治安老師，共同打造了這門重磅的課程：“賈治安的量子場論十二講”，從而幫助像我這樣的復雜系統跨學科領域學習者、研究者系統掌握量子場論的核心概念和基本方法，以及其在高能物理和凝聚態物理中的典型應用。同時，針對集智社區的跨學科背景，課程還將探討量子場論的前沿與跨學科主題，例如量子反常、拓撲場論和廣義對稱性，以及量子場論在神經網絡、量子計算等方向的應用，幫助學生拓展學術視野。

量子場論的起源

圖2 1927年 比利時布魯塞爾 “最著名”的第五屆索爾維會議

那是一個激動人心、英雄輩出的年代！二十世紀之初，愛因斯坦、普朗克、洛倫茲、朗之萬、龐加萊、玻爾等一眾物理學巨擘并肩探索，為破解經典物理學的困境凝心聚力。邁克爾遜-莫雷實驗的“零結果”引發的經典以太理論危機，與黑體輻射的“紫外災難”，猶如兩記驚雷，迫使物理學家們徹底重新審視經典物理學的理論根基。對這兩大難題的持續探索與深度追問，最終催生了物理學的兩大革命性突破：用以解釋高速、大尺度時空現象的相對論，以及用以描述微觀粒子運動規律的量子力學。到1927年第五屆索爾維會議召開時，量子力學大廈的基礎已基本落成；而狹義與廣義相對論，也在愛因斯坦的獨創性研究下逐步完善，共同開啟了現代物理學的全新篇章。

然而，到了20世紀30年代之后，當科學家試圖將相對論與量子力學相結合，以解釋高能微觀世界的物理現象時，卻發現傳統理論寸步難行。非相對論量子力學的核心方程——薛定諤方程，存在先天局限：它僅適用于低速、低能的微觀粒子，遵循經典力學中的能量與動量關系，無法很好地適配高能粒子加速器中接近光速運動的粒子。更關鍵的是，該方程默認“粒子數守恒”——即系統中的粒子數量固定不變，這與高能物理中“粒子產生與湮滅”的普遍現象同樣難以適配。比如在高能碰撞中，正負電子對會憑空產生，又瞬間湮滅為光子，這種“無中生有、有化為無”的過程，在傳統量子力學框架下難以得到合理解釋。要精準描述高能、高速的微觀世界，就必須打破“粒子為基本單位”的傳統認知，一套全新的理論框架——量子場論也隨之應運而生。

什么是量子場論

概括而言，量子場論是把量子力學與狹義相對論統一起來的理論框架。

它最顛覆性的思想，是一場徹底的范式轉變：舊觀念認為粒子是基本的，場是粒子產生的附屬產物；而新觀念則主張，場是基本的，粒子只是場的量子化激發態。這個看似抽象的概念，其實可以用一個更精準的通俗類比理解：把量子場想象成一片無限延伸的平靜湖面，湖面本身（對應場）是客觀存在、無處不在的。湖面的振動（對應場的激發）就是粒子，不同頻率、能量的振動，對應不同種類、能級的粒子；一處單一振動可看作一個粒子，多處獨立振動疊加形成多粒子態；當振動逐漸衰減至湖面恢復平靜，就對應粒子的湮滅。

圖3 標量場的物理圖像

哈佛大學理論物理學家西德尼?科爾曼曾說：“年輕理論物理學家的職業生涯，就是在越來越抽象的層面上處理諧振子?！边@句話精準點出了量子場論的核心邏輯——場的本質，就是無窮多個諧振子的集合，而粒子，就是這些諧振子集體振動產生的“量子漣漪”。

最簡單的振動模型是帶小球的彈簧，因其物理規律簡潔優美，物理學家將這種運動模式稱為簡諧振動，對應的物理系統則被稱作諧振子，蘊含有“簡單和諧”之意。若要對量子場做一個通俗類比，整個時空就像一張巨大的“諧振子之網”——每個時空點都對應一個微小的諧振子（類似吉他弦上的一個振動單元），無窮多個諧振子的集體振動，便構成了我們觀測到的各類量子場。不同的量子場對應不同的粒子：電磁場的激發態是光子，狄拉克場的激發態是電子，而希格斯場的激發態，正是賦予其他粒子質量的希格斯玻色子。這些不同的場可以通過相互作用耦合在一起，構成我們周遭形形色色的世界，以及我們自身。

量子場論厲害在哪？

量子場論之所以能成為現代物理學的核心，在于它完美解決了傳統理論的矛盾，同時展現出強大的解釋力和預言力。不再受 “粒子數固定守恒” 的限制，通過產生算符和湮滅算符的組合，就能自然描述高能物理中的各種過程。

量子場論天生滿足 “洛倫茲不變性”—— 也就是在不同的慣性系中，物理定律的形式保持不變，這是狹義相對論的核心要求。

在量子場論中，真空不再是 “空無一物” 的狀態，而是場的基態 —— 充滿了虛粒子對的不斷產生與湮滅，這一現象被稱為 “量子漲落”。這種看似抽象的量子效應，早已被實驗證實：卡西米爾效應中，兩塊平行放置的金屬板之間，真空漲落產生的虛光子會對板產生壓力，導致兩板相互吸引，測量結果與量子場論的預言完全吻合。量子電動力學（QED），是人類歷史上最精確的物理理論。它描述的是電子、光子等帶電粒子之間的電磁相互作用，其計算的 “電子反常磁矩” 與實驗測量結果的符合度高達 10 的負12次方量級，這一精度至今仍是所有物理理論中與實驗吻合最好的記錄。這個精度相當于測量地球到太陽的距離（約 1.5 億公里）誤差不超過 1 分米。

同時，量子場論也代表了我們目前認識物理世界的最先進理論之一，它在物理學及相關領域的方方面面都得到了廣泛應用，涵蓋凝聚態物理、流體力學、量子信息過程、量子計算等領域。

量子場論的前沿與挑戰

盡管量子場論已經取得了巨大成功，但它并非終極理論，仍有許多未解決的前沿問題亟待探索。量子場論成功統一了量子力學與狹義相對論，卻無法在普適的理論框架下與廣義相對論（描述引力的理論）兼容。如何構建 “量子引力” 理論，將引力納入量子場論的框架，是當前理論物理的最大挑戰之一。目前的嘗試包括弦理論、圈量子引力、全息原理等，但這些理論都尚未得到實驗驗證，量子引力的終極自洽理論仍懸而未決。將量子場論推廣到彎曲時空（如黑洞附近、宇宙膨脹過程中的時空），會出現許多新的現象和問題。比如黑洞信息悖論，即黑洞吞噬的信息是否會永遠消失，這一問題困擾了物理學家數十年；時空奇點的量子效應也尚未得到清晰的解釋，這些都是目前物理學研究的前沿。

為什么說量子場論是跨學科的萬能語言？

圖4 聲子的產生示意圖

圖5 生命游戲元胞自動機中涌現的粒子：滑翔機

量子場論的影響力早已超出 “粒子物理” 范疇，甚至突破了 “物理” 學科的邊界，成為連接多個理工科領域的 “通用語言”。在凝聚態物理中，它為解釋宏觀物質的微觀特性提供了核心工具：例如，聲子（Phonon）是晶體中晶格振動的量子化準粒子，其經典對應是材料中的彈性行波，類似于 “生命游戲” 元胞自動機中的 “滑翔機”，深刻地體現了物理中的 “層展” 或 “涌現” 行為。但是與我們只能用模擬的方式研究元胞自動機中的涌現現象不同，物理學家可以借助量子場論工具，直接寫下 “聲子” 的演化方程，它看起來非常接近電子的演化方程；再比如，著名的重整化群理論最早發軔于量子場論，其最初的提出是為了解決量子場論微擾計算中出現的發散問題，令人意想不到的是，這種方法竟然也可以被拿來處理臨界相變的分析，甚至已經演化為復雜系統的一種普適方法（參見集智學園的）。更有趣的是，近期人們證明，深度神經網絡之所以那么有效，就是因為深度的神經網絡其實是在對數據做重整化群分析（參見）；你可能還不知道，那個難倒《生活大爆炸》中 “謝爾頓” 的費曼圖，也同樣被一群物理學家用于研究流體力學。

圖6 費曼圖示意圖

此外，量子力學的路徑積分思想，為理解金融市場的布朗運動和社會輿論的集體態躍遷提供了奇妙的視角。在金融領域，它不再將股價變動視為簡單的隨機漫步，而是通過考慮資產價格所有可能的演化路徑及其權重因子（類比量子力學的概率幅），來更精細地為奇異期權等復雜衍生品定價，尤其在模擬市場恐慌時價格可能發生的跳躍上展現出潛力。

不僅如此，量子場論還逐漸滲透到人類科技文明的各個主干。在計算機科學領域，量子機器學習的連續變量體系，直接借鑒了量子場論的數學框架；量子場論中的廣義對稱性與計算機科學的元胞自動機存在深刻關聯。甚至有研究表明，黑洞的復雜性與量子場論中的糾纏熵存在對應關系，這為理解復雜系統的極限和信息守恒提供了新線索。對于理工科學生和研究者而言，量子場論是理解絕大多數現代物理前沿文獻的必備基礎，更是觸及量子科技、超導材料、宇宙學等尖端領域核心邏輯的關鍵。

涌現：量子場論的未來？

量子場論的思想魅力，不僅在于其對物理現象的精準描述，更在于其跨領域的啟發意義，尤其是在 “涌現” 理論和跨界融合方面?！坝楷F” 是復雜系統研究的核心概念，指簡單的底層組件通過相互作用，形成具有全新性質的宏觀系統。在量子場論的框架下，涌現思想得到了極具代表性的物理詮釋：基本粒子作為場的激發態，正是從連續的場中 “涌現” 出來的；而這些粒子通過相互作用，又進一步涌現出原子、分子、宏觀物質，乃至整個宇宙的復雜結構。物理學家惠勒提出的 “it from bit”（萬物源于信息）觀點，后來被發展為 “it from qubit”（萬物源于量子比特），這一思想指出，整個宇宙的時空與物質結構，可能源于量子比特的集體糾纏與相互作用所催生的涌現效應 —— 大量量子比特通過糾纏和相互作用，涌現出我們所觀測到的粒子、場和時空，這與量子場論的核心邏輯不謀而合。

圖7 文小剛《量子多體理論》2004年12月 高等教育出版社

近年來，量子場論與量子信息、復雜科學的融合日益深入。著名物理學家文小剛認為，量子場論中的電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用，都可以通過量子比特海洋的涌現現象來描述。文小剛團隊從離散的量子比特出發，通過構建格點模型，成功反推出了量子場論的核心方程，為理解場與粒子的本質提供了全新視角。這種融合不僅加深了我們對基礎物理的認知，也為量子計算、量子糾錯等技術的發展提供了理論支撐。

量子場論的本質，是一場關于 “存在本質” 的認知革命。它告訴我們，在量子場論的框架下，宇宙的基本構成并非離散的粒子，而是遍布時空的連續場，粒子只是場的 “漣漪”，相互作用是場之間的耦合，真空是場的基態，量子漲落是場的固有特性。從狄拉克預言正電子，到希格斯玻色子的發現；從解釋電磁力、強弱相互作用，到啟發量子計算與拓撲材料；從描述宇宙暴漲，到探索黑洞輻射，量子場論歷經近百年發展，充分證明了自身的強大解釋力與預言力。它不僅是理論物理的 “通用語言”，更是人類探索自然奧秘的核心工具。如果你對微觀世界、前沿科技、宇宙起源充滿好奇，量子場論會為你打開一扇全新的大門 —— 在這里，你會看到宇宙最底層的邏輯，遠比想象中更簡潔、更優美、更令人震撼。它的思想跨越學科邊界，連接起物理、數學、計算機、量子信息等多個領域，為跨界創新提供了無限可能。

課程主題：量子場論十二講

課程簡介

本課程旨在通過12 次課幫助學生系統掌握量子場論的核心結構，包括自由場、相互作用場、正則量子化、路徑積分量子化、費曼圖、重整化與規范理論等內容。課程結束后，學生應能夠理解量子場論的基礎內容，以及它在在高能物理和凝聚態物理中的典型應用，具備閱讀基礎文獻、進行公式推導以及獨立完成計算的能力。同時，課程還將簡要介紹量子場論的前沿主題，如量子反常、拓撲場論和廣義對稱性，以及一些跨學科主題，比如量子場論在神經網絡、量子計算等方向的應用，以此拓展學生的學術視野。

你將學到：

1. 從單粒子量子力學到多粒子量子場論的必然性

2. 場的量子化：正則量子化與路徑積分

3. 自由場：標量（Klein-Gordon）、旋量（Dirac）、矢量（光子）

4. 對稱性與守恒律：Noether 定理

5. 相互作用：Feynman 圖與微擾論

6. 規范原理：U(1) QED 與非阿貝爾Yang-Mills場論

7. 重整化：處理無窮大、理解能標依賴

8. 拓撲與反常：對稱性的微妙之處

課程大綱

課程主講人

賈治安（知乎：@也疏寒），個人網站：tqfter.github.io，新加坡國立大學Research Fellow，即將回國在高校從事科研工作。主要從事數學物理與理論物理領域研究，聚焦量子代數在量子場論、量子物態、量子信息與量子計算中的具體應用。近年研究重點為拓撲場論及其晶格實現（拓撲序），并圍繞場論與晶格框架下的廣義對稱性開展研究。同時，賈老師對高能物理、量子物質與量子信息科學的交叉和融合抱有濃厚興趣，尤其致力于運用量子信息方法研究量子場論與凝聚態體系。

課程詳情

推薦教材

1. Tom Lancaster & Stephen J. Blundell, Quantum Field Theory for the Gifted Amateur(Oxford University Press, 2014).

2. Anthony Zee, Quantum Field Theory in a Nutshell (Princeton University Press,2010).

3. Michael E. Peskin & Daniel V. Schroeder., An Introduction to Quantum Field Theory(Addison-Wesley, 1995).

4. Matthew D. Schwartz, Quantum Field Theory and the Standard Model (Cambridge University Press, 2013).

5. Mark Srednicki, Quantum Field Theory (Cambridge University Press, 2007).

6. Steven Weinberg, The Quantum Theory of Fields, Vols. I (Cambridge University Press, 1995–2000).

7. Lewis H. Ryder, Quantum Field Theory, 2nd ed. (Cambridge University Press, 1st ed, 1996).

8. Pierre Ramond, Field Theory: A Modern Primer, 2nd ed. (Avalon Publishing 1997).

課程負責人

課程助教

課程適用對象

1. 對高等數學和量子力學有一定了解的本科生、研究生、高校教師研究員與愛好者

2. 對量子世界的復雜性感興趣的跨學科學習者

3. 希望在復雜科學領域遷移應用量子場論內容的研究者

4. 對邏輯、抽象思維和系統思維有興趣的公眾學習者

預備知識

課程將適當回顧必要基礎，包括：

1. 經典力學（拉氏量與哈密頓量形式）

2. 量子力學（含算符與態矢量表述、繪景、路徑積分）

3. 狹義相對論（四維時空表述）

4. 基礎群論（群表示與對稱性）

5. 數學工具：線性代數、微分方程、復變函數、變分法、群表示理論

報名須知

1. 課程形式：騰訊會議直播，集智學園網站錄播。本系列課程不安排免費直播。

2. 課程周期：2026年2月11日-2026年5月6日，每周三晚19點-21點進行。

3. 課程定價：原價999，早鳥價799，早鳥優惠截止到2026年2月11日中午12點。

課程鏈接：https://campus.swarma.org/v3/course/5681?from=wechat

付費流程

2. 課程頁面添加學員登記表，添加助教微信入群；

3. 課程可開發票。

課程共創任務：課程字幕

為鼓勵學員深度參與、積極探索，我們致力于形成系列化知識傳播成果，并構建課程知識共建社群。為此，我們特別設立激勵機制，讓您的學習之旅滿載收獲與成就感。

課程以老師講授為主，每期結束后，助教會于課程群內發布字幕共創任務。學員通過參與這些任務，不僅能加深對內容的理解，還可獲得積分獎勵。積分可兌換其他讀書會課程或實物獎品，助力您的持續成長。

跨學科集智創新基金：招募頂尖講師，生產高質內容

集智學園始終在圍繞復雜科學、人工智能搭建知識體系。我們深知，唯有根深方能葉茂。因此，在追逐前沿的同時，在最近3個月中，我們推出了拓撲學、線性代數、統計物理等硬核基礎課程，為社區學習者夯實關鍵根基。

量子場論是前沿，也是核心基礎，它代表人類對自然界基本規律理解的最深刻理論。其中重整化群、費曼圖等在復雜系統、人工智能研究中的重要方法，其實也都來源于此。

但是要講好量子場論門檻極高，既懂其物理深意又能關聯復雜系統的學者鳳毛麟角；且作為一門超硬核的基礎理論，其商業回報的不確定性往往讓普通課程開發望而卻步。

但難做的事，往往才更有價值。為了填補這塊關鍵的認知拼圖，集智學園創始人張江教授特別設立了“”，來懸賞招募優秀講師，確保社區成員獲得高質量內容。經過一系列的試講與篩選，我們與新加坡國立大學Research Fellow賈治安老師達成合作，讓這門來之不易的課程得以誕生。