从那个写了《时间简史》却被时间带走的人说起

iamkfeng

想知道霍金老人家是在哪条道上混的吗？物理学道路曲折，咱先给不认路的小盆友盘盘道。

　　物理学从伽利略牛顿开始，一路打怪升级，演化出各类应用技术，诸如机械、化工等，最后麦克斯韦把电学和磁学一并摁下，做了个完美的收官，将所有理论归于一统，物理学的活就算干完了。这就是“经典物理学”。

　　当时的物理学是怎样一副景象呢？普朗克想投身物理，他导师说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展，将一生献给这门学科，太可惜了。”后来人算不如天算，爱因斯坦一众人借着“两朵乌云”把经典物理大厦推倒了，随后出现了两条岔路：量子力学和相对论，这就是“现代物理学”的起点。

　　正所谓“一牛二爱三麦”，这三位是在物理学史上封了神的，霍金只有仰望的份，他老人家可不在这条道上。

　　大厦被强拆后，物理学就换了个光景。往这边看，量子力学碎成一地，众人将物理学大厦踩得稀碎，只能在废墟上捡些砖砖瓦瓦（搬砖过程可以回顾《荒诞量子力学》，最大的砖便是“薛定谔方程”），但如何用这些砖瓦重建大厦却是毫无头绪。

　　往那边看，在相对论的路上，只有爱因斯坦独自徘徊，不但成果寥寥，而且与量子力学渐行渐远，仿佛就是另一个世界的理论！

　　物理学被折腾到这般田地，着实让人心痛，但总得找个念想吧！于是，物理学开始流传一个传说，只要统一了“四大基本力”，就能重建物理学大厦。

　　量子电动力学 VS 电磁力

　　四大基本力，简单来说就是：电磁力、弱力、强力、引力，据说这四个家伙包含了宇宙间一切作用关系。

　　早期的量子力学主要围绕单个带电粒子的奇葩属性，比如自旋啊、轨道不连续啊、等等……至于这堆奇葩理论究竟是通过什么规律联系在一起的，爱因斯坦也是一脸懵逼。虽然量子力学颠覆了人们的认知，但大伙还是守着最基本的底线：粒子终究还是实物吧，这玩意儿总不至于凭空冒出来吧！

　　谁知，出了个猛人，一脚踏破底线！这哥们儿有多猛呢？不但一把撮合了量子力学，还顺手捎上了狭义相对论（不包括广义相对论），这就是“量子电动力学”，“量子场论”的第一个分支。

　　文科小盆友先别慌了神，专业术语不可怕，关键看谁把课讲！这“场”是个什么玩意儿？“场”算是物理字典中最高级的词汇了，以后若遇见做“场论”的小学僧，为了不显得自己无知，赶紧膜拜吧！

　　这位突破底线的哥们儿就是狄拉克，把狭义相对论引入量子力学，将薛定谔方程进化成狄拉克方程，打开了量子场论的大门。场的概念来自于电场磁场，如果把粒子比作水面上的波浪，那么水面就是场，水面平静的时候波浪就消失了，水面受到振动就会产生波浪。

　　各位收拾收拾思路，来感受一下当年狄拉克带来的冲击：场受激发产生实物粒子，场恢复基态实物粒子也就凭空消失，一种粒子对应一种场，不同场之间的相互作用就是粒子的转化，同一种场的不同激发状态代表粒子的不同属性，而未激发的基态场不表现出任何物理效应，也就是我们所说的真空。

　　容我缓口气，这步子扯得真够大，量子力学又炸锅了！这套新颖的说法，不但把粒子的奇葩属性解释通了，还能一口气描述多粒子的相互关系，又顺带关联上了狭义相对论，算是把电磁力和带电粒子之间的猫腻全整明白了，就问你服不服！

　　值得一提的是，狄拉克根据这个公式计算发现，当“场”受激发产生粒子时，会有一正一负，就好像波浪会有波峰波谷，于是就预言了反物质的存在。今天的物理学家已经能人工合成少量反物质。

　　狄拉克的代表作是《量子力学原理》，就冲这书名，一般人也只有仰望的份，这哥们儿是物理学史上的第四尊大神！不好意思，霍金老人家还得靠边站。

　　宇称不守恒 VS 弱力

　　场论对量子力学的冲击，不亚于量子力学对经典物理的冲击，那个时代的物理学家的脑袋，被这么剧烈地冲击两次，啥馊主意都给冲出来了。

　　于是，老杨出现了。

　　狄拉克给“量子场论”打了个地基，建立了“量子电动力学”，拿下了电磁力，这个理论的本质，是用“场”的概念取代原先对单点粒子的描述。粒子并不是像芝麻那样分散在空间里，而是像水面上的波浪，能产生也能消失。反正场就是这么个意思，也没法用语言描述得更精准了，自个儿再领悟领悟。

　　只要有人挑头闹事，就不怕没人起哄，老杨觉得你们这样忒费劲，给你们一个标准姿势吧，于是提出了“杨-米尔斯理论”。

　　不过杨-米尔斯理论并没有引起重视，因为场论在解决弱力时直接被整崩溃了。崩溃的过程大概是这样，场论里用于传递作用的规范玻色子（反正就是一种粒子吧）是不能有质量的，不然就破坏了对称性，但是呢，没有质量的规范玻色子不符合弱相互作用的已知理论。

　　产品销路不好，老杨只好亲自搞促销活动，这一出手差点又是一场腥风血雨。

　　量子场论的概念提出之后，大伙更加认为粒子都是镜像的，你想想，凭空冒出一对粒子，那肯定是有正有负，相当于镜子里外都是对称的。这符合宏观世界观察到的大量对称现象（比如DNA结构），也符合中国古代哲学中阴阳平衡的概念，无论在哲学还是科学里，大伙都认为这种“完美对称”是自然的最基本规律。为了显得有学识一点，我们把这档子事叫做“宇称守恒”。

　　物理学的好景往往不长，有人从宇宙射线中发现了两种新介子，这哥俩儿质量、寿命、电荷完全一样，几乎就是同一种粒子，那为啥还说是两种呢？因为它们的衰变方式不一样：第一种介子会衰变成2个π介子，第二种介子则衰变成3个π介子。

　　换个通俗说法，有对双胞胎，长得一模一样，但他们生的孩子却长得不一样，那么这对双胞胎到底是不是同一个爹妈生的？为了不犯“宇称守恒”的忌讳，大伙纷纷觉得这不是一个爹妈生的，老杨一拍桌子：都瞎啊，明明就是一个爹妈生的，谁规定这世界要对称啊！

　　要知道，守恒和对称几乎是物理学的铁律，老杨这娄子捅得不可谓不深远。“宇称不守恒定律”是杨振宁和李政道共同提出，后来的实验验证由“东方居里夫人”之称的吴健雄完成，这三人全是美籍华人，老杨由此得了诺贝尔奖。

　　再后来，人们发现很多东西都是不对称的，比如，反K介子转换为K介子的速率要比K介子转变为反K介子来得快。进而一些科学家提出，可能正是由于不对称，才导致宇宙大爆炸生成的正物质比反物质略多，正反物质湮灭后，剩余的物质才形成了今天的世界。

　　不扯这没边没际的猜想了，回正题。衰变是弱力的范畴，宇称不守恒摸清了弱力的底细，这会儿再回头看老杨的杨-米尔斯理论就有点味道了，它本质上是一种场理论。这什么概念呢？前面狄拉克给场论开了个头，这边老杨给场论弄了套标准姿势，学名“规范场论”。

　　老杨不但亲手拿下弱力，又提供了一套标准姿势，这服务上哪儿找啊！于是大伙一拥而上，电磁力和弱力就这么愉快地统一了，史称“电弱统一理论”。

　　本僧码一码大概的意思：4种“场”对应4种基本粒子，第一种负责传递电磁力，自身没有质量，剩下三种分别带正电、负电和中性不带电，它们负责传递弱作用力，自身有质量。用这套说法重新描述一下中子的衰变：首先中子场受激发，真空里出现一个中子；后来，中子场通过某种方式把激发能量传给了电子场、质子场和中微子场，把这些场激活了；于是，中子消失了，产生了电子、质子和中微子；这就是中子的衰变。

　　电弱统一的代表人物是美帝的格拉肖，有意思的是，格拉肖一直呼吁将基本粒子命名为“毛粒子”，以纪念已故的毛主席，因为毛主席的哲学思想主张自然界有更深的统一。可惜，最终“夸克”击败了“毛粒子”，所以今天，几乎人人都听过夸克，却少有人知道毛粒子。

　　回过头说，这一众人想凭借“电弱统一”封神显然是不可能的，不过诺贝尔奖真是拿到手软。遗憾的是，目前为止还没找到霍金的影子。

　　量子色动力学 VS 强力

　　电弱统一理论的成功，才让大家认识到老杨的标准姿势简直就是一把万能钥匙，那还等啥啊，接下来就该干“强力”了。

　　这档事的学名叫“量子色动力学”，由盖尔曼和弗里奇所创立，基本是沿着老杨的规范场论往下做的。具体模型就别去细看了，无非就是，某粒子负责干什么活，某粒子负责干什么活，然后通过巧妙的公式，把所有已知的现象和理论连接在一起。

　　盖尔曼在大统一的路上算是打了个下手，只能拿个诺贝尔安慰奖。巧合的是，上面说到的“夸克”这一名字，就是这哥们取的，大败格拉肖取的“毛粒子”。

　　粒子标准模型

　　人员差不多快到齐了，看看怎样上桌组个局，这个局不但要解决粒子产生的机制，还得搞明白粒子之间的强力、弱力、电磁力这三种作用关系。这档事要取个通俗且高大上的名字，就叫“粒子标准模型”吧。

　　先说说这个模型的威力，免得大家以为这只是物理学家的一场数学游戏。正如当年用牛爷的万有引力定律算出海王星一样，粒子模型建立之后，预测了很多尚未发现的粒子，后来均被一一证实。

　　打个比方，我们在研究汽车时，已经发现汽车有轮子、发动机、方向盘，于是根据这些内容勾勒出了整个汽车的结构和运用机理，比如，发动机和轮子之间应该有个变速箱啥的，方向盘前面应该有个挡风玻璃。然后用对撞机不停撞汽车，看看是否飞出了预言中的变速箱。

　　下面这串内容绝对是吹牛好素材，物理发烧友可以记一记：

　　标准模型包含费米子及玻色子，简单来说，费米子就是组成物质的粒子，玻色子负责传递各种作用力。

　　费米子分2大类，48种：

　　参与强作用的：36种夸克；

　　参与弱作用、电磁作用的：12种轻子；

　　质子、中子、介子这些大个头粒子都是由夸克构成，而轻子指的是电子、中微子、μ子这些小个头粒子。

　　玻色子分3大类，13种：

　　传递强作用：8种胶子；

　　传递弱作用：2种W粒子，1种Z粒子；

　　传递电磁作用：1种光子；

　　根据标准模型的计算，还有1种特殊的玻色子，这就是费米子在获得质量时产生的粒子，这个过程由希格斯提出，所以也称为希格斯机制，自然而然，这个特殊的玻色子就被称为“希格斯粒子”。没错，博学的小盆友已经猜到，这就是大名鼎鼎的“上帝粒子”。