量子场论自20世纪20年代末到40年代逐步发展起来，不仅提出了粒子是基本的，而且量子场也是基本的。几十年来，科学家们一直争论量子场是否真实存在，还是只是描述可观测粒子行为的计算工具。然而，近年来，一系列独立的实验似乎解决了这个问题：量子场携带能量，而这可以被观测到。如果能量是真实的，那么量子场也是如此。

在物理学与哲学的交汇处，有一个简单而又令人困惑的问题：什么是真实的？现实是由存在的粒子描述的，还是在广义相对论描述的时空背景之上？描述这些实体为粒子是否本质上是错误的？我们是否必须将它们视为某种混合的波/粒子/概率函数，即我们现实中的每个“量子”的更完整描述？或者是否存在根本性的场，这些场支撑着一切存在，而我们通常与之交互的“量子”只是这些场的激发？

在经典物理中，通常是描述每个粒子产生的场（如电场和磁场），然后每个量子与这些场相互作用。但当每个场产生的粒子具有不确定属性时，例如位置和动量，将无法简单地视为单一地点，因此人们会采用量子场描述。

但这些量子场仅仅是我们现实中粒子数学描述的工具，还是它们本身实际上是“真实的”？

三大独立证据

1. 卡西米尔效应

理论上，从电磁力、弱核力和强核力等量子场遍布所有空间。一种可视化这个场的方法是想象一系列不同波长的量子波动。在空旷的空间中，这些波长可以取任何值。

想象设置一些障碍物，限制在特定区域内可能出现的波和波长。在物理学中，我们通常称这些约束为“边界条件”。

1948年，物理学家亨德里克·卡西米尔意识到，如果设置两个平行的导电板非常接近对方，外板允许的波模式将是无限的，而内部只允许一部分模式。结果，纯粹由于它们之间的量子场作用，内外板之间会存在一种力的差异。虽然卡西米尔效应被普遍接受，但它的测量却极其困难。

幸运的是，1997年，史蒂夫·拉莫罗设计了一项实验，利用一个平板和一个非常大的球面部分来计算和测量它们之间的卡西米尔效应。果然，实验结果与理论预测的精确度超过95%，只有很小的误差和不确定性。

自2000年代以来，卡西米尔效应已经在平行板之间直接测量，甚至在复杂几何结构之间也被证明。如果量子场不“真实”，这种非常真实的效应将无法解释。

2. 真空双折射

在非常强的磁场区域，即使没有“物质”的存在，空旷的空间本身也会被磁化，因为该区域的量子场会受到外部场的影响。当光通过这种高度磁化的空间时，即使光本来完全是非偏振的，它也会被偏振。这种效应，即真空双折射。然而，直到2016年，当一个团队观察到位于400光年外的一个安静的中子星RX J1856.5-3754时，这一效应才被观测到。

3. 施温格效应

通常，这些粒子-反粒子对在被检测到之前就湮灭回“虚无”。但如果将电场强度提高到足够大，也许电子和正电子再也找不到对方了，因为它们会因电极化而被驱散。

但在2022年初，一组研究人员还是做到了。通过利用一种基于石墨烯的结构，即超级晶格——多层材料创建的周期性结构，研究人员施加了电场并诱导电子和“空穴”（即正电子的凝聚态类比）的自发产生，代价是从基础施加的电场中窃取能量。