现代物理学中，真空与粒子分别对应场的不同状态。
我们将真空定义为场的基态，粒子则是处于激发态的场。
如果将场比喻为大海，当大海波涛汹涌时，我们观测到粒子；当大海一平如镜时，我们观测到的平均粒子数为零，即为真空。
这个比喻的源头是狄拉克，他在预言正电子时给出了狄拉克海的图象。狄拉克海是由无穷多个电子组成的。当电子海洋的海平面刚好达到某一高度时（我们不妨将这个高度定义为0），我们实际观测到的结果是一个电子也没有，即真空。如果有海水因为什么原因来到了0高度以上，我们就观测到电子。如果0高度以下出现了气泡，那么，我们就会观测到这些气泡——正电子。
海水能形成有一定深度的大海，是因为水分子具有不可入性——不同的水分子不能处于同一个位置，不然，所有水分子都会在重力作用下坍塌到海底的最低处，大海也就不成为大海了。狄拉克海能够存在，则是由于泡利不相容原理（不能有两个或以上电子处于同一个状态），这个原理的作用就类似于水分子的不可入性，使得电子能够蓄积为狄拉克海。
然而还存在一些和电子性质不同的粒子，使得狄拉克海的图象产生疑难。
这世界上的粒子按照统计性质可分为两类，电子属于“费米子”，这类粒子遵循泡利不相容原理。对于所有费米子，我们都可以用狄拉克海图象来理解它。还有一类粒子叫做“玻色子”，对玻色子则无泡利不相容原理的限制，也就是说，不同的玻色子可以处于相同的状态。这就好比水分子没有了不可入性，导致的结果无疑是海洋的坍塌。
1972年，温伯格就玻色子的狄拉克海疑难请教过狄拉克，狄拉克当时的回答是，他认为这些玻色子是“不重要”的。不过后来他也承认对于玻色子不能再用狄拉克海的图象来描绘了。随着量子场论的发展，狄拉克海已经被视为一个不必要的图象，而成为了一个历史观念。
现在，让我们也顺应潮流，稍稍修改一下比喻。为了表述简练，接下来会引入一些数学符号。但读者尽可以放心，本文只是用到符号而已，并不会有任何数学推导。
我们用h来表示海水的高度。大海各点的高度可以不同，因此h是空间的函数；海水可以随着时间变化而不断起伏，因此h又是时间的函数。h是时间和空间的函数，这在数学上表示为h(t,x)。
当大海处于基态时，海水一平如镜，处处高度一致，且保持不变（严格来说会有真空涨落，但这细节目前对我们来说不重要，因此忽略之）。不妨设此时海水高度为0。于是，基态的大海可以这样表示：h(t,x) = 0。在后文中我们用h0表示基态。
现在，海上有了波浪（大海处于激发态）。我们不关心波浪的具体形式，总而言之，现在的h(t,x)不再恒定为零，我们用h1表示激发态。
可以看到，在这个比喻中，重要的是函数h，大海本身其实并不那么至关紧要。于是让我们来修改比喻，不再用大海来比喻场，现在，场仅仅是函数h而已。当h = h1时，场处于激发态，我们会观测到粒子；当h = h0时，我们观测到的平均粒子数为零。这一修改是一个抽象化的过程。在修改之后的比喻中，场不再是大海本身，但大海为场的来源提供了一个解释（h是海面高度）。显然，相比场而言，大海是一个更基本的东西，场h是从大海“演生”出来的。因此，我们观测到的h粒子也是一个演生出来的粒子，而非基本粒子。
把场从大海抽象出来后，我们可以获得对场的更准确的理解。场首先可理解成一个数学上的东西，它是时间和空间的动力学函数。在当前比喻中我们知道场h的描述对象是什么——海水的高度。而在很多地方，场并没有那么具体的图象，于是我们就把这个函数描述的对象也用“场”来称呼。
现在
让我们来看几个更现实一点的例子。
例1：声子
考虑一个固体，其中各个原子都有自己固定的位置。敲击固体，会发生声音。读者只需稍具物理知识就能清楚固体中发生了什么事情。最开始被敲击的原子受力离开了自己的平衡位置，这些原子挤压旁边的原子，使旁边的原子也产生位移。原子之间互相挤压，最终固体中的原子都在自己的平衡位置附近往复运动，最终的结果就是声波在固体中传播。用u表示原子偏离平衡位置的距离，它是时间和空间的动力学函数，也就是一个场。基态下，（不考虑零点能，）所有原子都静止在自己的平衡位置，即u(t,x) = u0 = 0。激发态下，固体中的原子都在振动，u是一个随时间和空间变化的函数，用u1(t,x)表示之，它就是声波。声波有对应的粒子：声波在固体中的产生和吸收都是一份一份的（即声波是“量子化”的），声波的量子被称为声子。在这个例子中，激发态u1是声子，而基态u0则是“没有声子”，或者换句话说，就是“声子的真空”。和大海的比喻比较，u相当于那里的h，固体相当于那里的海洋。很明显，声子是一个演生粒子，而不是基本粒子。
（说明：把声波视作为场并不是我的创造，许多量子场论教材都会通过这样的例子来切入主题。不过在基础物理中，在力学部分讲授的声波仅仅被视为机械波，而场的概念则要到后面电学部分才会引入。）
例2：光子
和光子有关的场是电磁场，电磁场可以用电磁场张量来表示，该张量包含了电场强度和磁感应强度的信息。我们不去管具体的数学形式，仍然只用一个简单的数学符号，F，来表示电磁场。在基态下，电场强度和磁感应强度都恒等于零，即零光子的电磁场是F(t,x) = F0 = 0。光子是电磁波，也就是变化的电磁场，换句话说，光子对应了随时间和空间变化的F(t,x) = F1 ≠ 0。仍然和大海的比喻比较，这里的F相当于比喻中的h，那么彼处的海水在这里又对应着什么呢？当然，我们可以设想一样东西，不妨称之为“以太”，不同状态的以太对应了不同的F，正如海水的不同高度对应了不同的h。然而历史上寻找以太的尝试均告失败，相关历史在有关狭义相对论的历史介绍中都会述及。尽管我们没有找到产生F的机制，但也无需为此烦恼，我们完全可以把电磁场F本身当作一个基本的东西；相应地，光子（电磁场的粒子）也被视作为“基本粒子”。
例3：电子
电子的理解和光子并没太大区别，因此这里就长话短说了。电子同样和一个场对应，不妨随口称之为“电子场”。不去管具体的数学形式，我们仍旧用一个简单的符号e来表示电子场。基态下，e(t,x) = e0 = 0，在这个状态下我们测得的平均电子数为零。而当我们能观测到电子时，此时电子场处于激发态e(t,x) = e1 ≠ 0。和光子一样，电子也是一个基本粒子，即我们现在还没有找到电子的大海（注意：由于本文稍稍修改了比喻，因此这里所说的“电子的大海”已和狄拉克海是两回事情），尚没有一个机制来解释e的来源。
以上三个例子都是现实中的粒子。其中声子是演生粒子，我们知道声子的起源：它源于基底（固体）的运动。而另一方面，光子和电子则都是基本粒子，在粒子物理的标准模型中，它们都作为最基本的东西而被引入。如果我们能找到光子和电子的“大海”，那我们无疑就找到了光子和电子的起源。如果我们能进而证明光子和电子的“大海”其实是同一个，电磁场F和电子场e是由同一个大海按照不同的机制产生的，那么，我们就把光子和电子统一起来了，这无疑是十分诱人的。
基本粒子除了光子和电子外还有很多。我们可以让每种基本粒子都对应一个场，这样每种粒子都有自己的真空。空间中没有电子，空间就处于电子真空；没有光子，就是光子真空……平时所说的真空是指什么粒子都没有，即所有场都处于真空态。现在的问题是：这些真空之间是否有联系？将不同的东西统一起来向来是物理学家的信念和追求，提出一个真空模型，将这些真空都统一起来，是前沿物理研究的目标。
科普时间结束，接下来是大家喜闻乐见的讨(qia)论(jia)物质的时间。
真空是不是物质？
场是不是物质？
正如我之前所说的，“物质”并非物理学中一个明确定义的概念，一样东西能不能算物质，会随着人们认知的发展而改变，并不是一成不变的。物理教材（以及一些科普文）中用到物质这个词，大多情况下只是一种方便的表述。而当出现“xx是物质”这样的说法时，其主要用意也不在于给物质做分类，而是意在强调xx的性质。
比如说，基础物理教材中，在讲述静电场的时候第一次引入“场”的概念，此时往往会说一句“场也是物质存在的一种形式”。这里的用意是强调场的物理真实性：尽管场不像实物那样看得见摸得着，但是它并不是一个假想的概念，而是在时空中确确实实存在的。这才是应该关注的重点，要是有人去考证“物质”的词源来辩论场是不是物质就显得荒唐可笑了。
如果一位物理学家说“真空是物质”，他想提醒读者注意的，也正是现代物理学对粒子（即通场所说的“物质”）和真空的认识。我们以前把真空和物质当作两码事情看，所以会说真空是“没有物质的空间”。然而随着研究深入，我们发现真空和粒子其实是一码事，只不过是同一个场处于不同的状态而已。因此，如果我们把粒子视为物质，那么，粒子的本质——场，以及作为场的另一个形态的真空，自然也是物质了。
作者 | dy1983
