從那個寫了《時間簡史》卻被時間帶走的人說起

從那個寫了《時間簡史》卻被時間帶走的人說起
2019年03月10日 14:01 新浪科技-自媒體綜合

  來源:老和山下的小學僧

  想知道霍金老人家是在哪條道上混的嗎?物理學道路曲折,咱先給不認路的小盆友盤盤道。

  物理學從伽利略牛頓開始,一路打怪升級,演化出各類應用技術,諸如機械、化工等,最后麥克斯韋把電學和磁學一并摁下,做了個完美的收官,將所有理論歸于一統,物理學的活就算干完了。這就是“經典物理學”。

  當時的物理學是怎樣一副景象呢?普朗克想投身物理,他導師說:“年輕人,物理學是一門已經完成了的科學,不會再有多大的發展,將一生獻給這門學科,太可惜了。”后來人算不如天算,愛因斯坦一眾人借著“兩朵烏云”把經典物理大廈推倒了,隨后出現了兩條岔路:量子力學和相對論,這就是“現代物理學”的起點。

  正所謂“一牛二愛三麥”,這三位是在物理學史上封了神的,霍金只有仰望的份,他老人家可不在這條道上。

  大廈被強拆后,物理學就換了個光景。往這邊看,量子力學碎成一地,眾人將物理學大廈踩得稀碎,只能在廢墟上撿些磚磚瓦瓦(搬磚過程可以回顧《荒誕量子力學》,最大的磚便是“薛定諤方程”),但如何用這些磚瓦重建大廈卻是毫無頭緒。

  往那邊看,在相對論的路上,只有愛因斯坦獨自徘徊,不但成果寥寥,而且與量子力學漸行漸遠,仿佛就是另一個世界的理論!

  物理學被折騰到這般田地,著實讓人心痛,但總得找個念想吧!于是,物理學開始流傳一個傳說,只要統一了“四大基本力”,就能重建物理學大廈。

  量子電動力學 VS 電磁力

  四大基本力,簡單來說就是:電磁力、弱力、強力、引力,據說這四個家伙包含了宇宙間一切作用關系。

  早期的量子力學主要圍繞單個帶電粒子的奇葩屬性,比如自旋啊、軌道不連續啊、等等……至于這堆奇葩理論究竟是通過什么規律聯系在一起的,愛因斯坦也是一臉懵逼。雖然量子力學顛覆了人們的認知,但大伙還是守著最基本的底線:粒子終究還是實物吧,這玩意兒總不至于憑空冒出來吧!

  誰知,出了個猛人,一腳踏破底線!這哥們兒有多猛呢?不但一把撮合了量子力學,還順手捎上了狹義相對論(不包括廣義相對論),這就是“量子電動力學”,“量子場論”的第一個分支。

  文科小盆友先別慌了神,專業術語不可怕,關鍵看誰把課講!這“場”是個什么玩意兒?“場”算是物理字典中最高級的詞匯了,以后若遇見做“場論”的小學僧,為了不顯得自己無知,趕緊膜拜吧!

  這位突破底線的哥們兒就是狄拉克,把狹義相對論引入量子力學,將薛定諤方程進化成狄拉克方程,打開了量子場論的大門。場的概念來自于電場磁場,如果把粒子比作水面上的波浪,那么水面就是場,水面平靜的時候波浪就消失了,水面受到振動就會產生波浪。

  各位收拾收拾思路,來感受一下當年狄拉克帶來的沖擊:場受激發產生實物粒子,場恢復基態實物粒子也就憑空消失,一種粒子對應一種場,不同場之間的相互作用就是粒子的轉化,同一種場的不同激發狀態代表粒子的不同屬性,而未激發的基態場不表現出任何物理效應,也就是我們所說的真空。

  容我緩口氣,這步子扯得真夠大,量子力學又炸鍋了!這套新穎的說法,不但把粒子的奇葩屬性解釋通了,還能一口氣描述多粒子的相互關系,又順帶關聯上了狹義相對論,算是把電磁力和帶電粒子之間的貓膩全整明白了,就問你服不服!

  值得一提的是,狄拉克根據這個公式計算發現,當“場”受激發產生粒子時,會有一正一負,就好像波浪會有波峰波谷,于是就預言了反物質的存在。今天的物理學家已經能人工合成少量反物質。

  狄拉克的代表作是《量子力學原理》,就沖這書名,一般人也只有仰望的份,這哥們兒是物理學史上的第四尊大神!不好意思,霍金老人家還得靠邊站。

  宇稱不守恒 VS 弱力

  場論對量子力學的沖擊,不亞于量子力學對經典物理的沖擊,那個時代的物理學家的腦袋,被這么劇烈地沖擊兩次,啥餿主意都給沖出來了。

  于是,老楊出現了。

  狄拉克給“量子場論”打了個地基,建立了“量子電動力學”,拿下了電磁力,這個理論的本質,是用“場”的概念取代原先對單點粒子的描述。粒子并不是像芝麻那樣分散在空間里,而是像水面上的波浪,能產生也能消失。反正場就是這么個意思,也沒法用語言描述得更精準了,自個兒再領悟領悟。

  只要有人挑頭鬧事,就不怕沒人起哄,老楊覺得你們這樣忒費勁,給你們一個標準姿勢吧,于是提出了“楊-米爾斯理論”。

  不過楊-米爾斯理論并沒有引起重視,因為場論在解決弱力時直接被整崩潰了。崩潰的過程大概是這樣,場論里用于傳遞作用的規范玻色子(反正就是一種粒子吧)是不能有質量的,不然就破壞了對稱性,但是呢,沒有質量的規范玻色子不符合弱相互作用的已知理論。

  產品銷路不好,老楊只好親自搞促銷活動,這一出手差點又是一場腥風血雨。

  量子場論的概念提出之后,大伙更加認為粒子都是鏡像的,你想想,憑空冒出一對粒子,那肯定是有正有負,相當于鏡子里外都是對稱的。這符合宏觀世界觀察到的大量對稱現象(比如DNA結構),也符合中國古代哲學中陰陽平衡的概念,無論在哲學還是科學里,大伙都認為這種“完美對稱”是自然的最基本規律。為了顯得有學識一點,我們把這檔子事叫做“宇稱守恒”。

  物理學的好景往往不長,有人從宇宙射線中發現了兩種新介子,這哥倆兒質量、壽命、電荷完全一樣,幾乎就是同一種粒子,那為啥還說是兩種呢?因為它們的衰變方式不一樣:第一種介子會衰變成2個π介子,第二種介子則衰變成3個π介子。

  換個通俗說法,有對雙胞胎,長得一模一樣,但他們生的孩子卻長得不一樣,那么這對雙胞胎到底是不是同一個爹媽生的?為了不犯“宇稱守恒”的忌諱,大伙紛紛覺得這不是一個爹媽生的,老楊一拍桌子:都瞎啊,明明就是一個爹媽生的,誰規定這世界要對稱啊!

  要知道,守恒和對稱幾乎是物理學的鐵律,老楊這婁子捅得不可謂不深遠。“宇稱不守恒定律”是楊振寧和李政道共同提出,后來的實驗驗證由“東方居里夫人”之稱的吳健雄完成,這三人全是美籍華人,老楊由此得了諾貝爾獎。

  再后來,人們發現很多東西都是不對稱的,比如,反K介子轉換為K介子的速率要比K介子轉變為反K介子來得快。進而一些科學家提出,可能正是由于不對稱,才導致宇宙大爆炸生成的正物質比反物質略多,正反物質湮滅后,剩余的物質才形成了今天的世界。

  不扯這沒邊沒際的猜想了,回正題。衰變是弱力的范疇,宇稱不守恒摸清了弱力的底細,這會兒再回頭看老楊的楊-米爾斯理論就有點味道了,它本質上是一種場理論。這什么概念呢?前面狄拉克給場論開了個頭,這邊老楊給場論弄了套標準姿勢,學名“規范場論”。

  老楊不但親手拿下弱力,又提供了一套標準姿勢,這服務上哪兒找啊!于是大伙一擁而上,電磁力和弱力就這么愉快地統一了,史稱“電弱統一理論”。

  本僧碼一碼大概的意思:4種“場”對應4種基本粒子,第一種負責傳遞電磁力,自身沒有質量,剩下三種分別帶正電、負電和中性不帶電,它們負責傳遞弱作用力,自身有質量。用這套說法重新描述一下中子的衰變:首先中子場受激發,真空里出現一個中子;后來,中子場通過某種方式把激發能量傳給了電子場、質子場和中微子場,把這些場激活了;于是,中子消失了,產生了電子、質子和中微子;這就是中子的衰變。

  電弱統一的代表人物是美帝的格拉肖,有意思的是,格拉肖一直呼吁將基本粒子命名為“毛粒子”,以紀念已故的毛主席,因為毛主席的哲學思想主張自然界有更深的統一。可惜,最終“夸克”擊敗了“毛粒子”,所以今天,幾乎人人都聽過夸克,卻少有人知道毛粒子。

  回過頭說,這一眾人想憑借“電弱統一”封神顯然是不可能的,不過諾貝爾獎真是拿到手軟。遺憾的是,目前為止還沒找到霍金的影子。

  量子色動力學 VS 強力

  電弱統一理論的成功,才讓大家認識到老楊的標準姿勢簡直就是一把萬能鑰匙,那還等啥啊,接下來就該干“強力”了。

  這檔事的學名叫“量子色動力學”,由蓋爾曼和弗里奇所創立,基本是沿著老楊的規范場論往下做的。具體模型就別去細看了,無非就是,某粒子負責干什么活,某粒子負責干什么活,然后通過巧妙的公式,把所有已知的現象和理論連接在一起。

  蓋爾曼在大統一的路上算是打了個下手,只能拿個諾貝爾安慰獎。巧合的是,上面說到的“夸克”這一名字,就是這哥們取的,大敗格拉肖取的“毛粒子”。

  粒子標準模型

  人員差不多快到齊了,看看怎樣上桌組個局,這個局不但要解決粒子產生的機制,還得搞明白粒子之間的強力、弱力、電磁力這三種作用關系。這檔事要取個通俗且高大上的名字,就叫“粒子標準模型”吧。

  先說說這個模型的威力,免得大家以為這只是物理學家的一場數學游戲。正如當年用牛爺的萬有引力定律算出海王星一樣,粒子模型建立之后,預測了很多尚未發現的粒子,后來均被一一證實。

  打個比方,我們在研究汽車時,已經發現汽車有輪子、發動機、方向盤,于是根據這些內容勾勒出了整個汽車的結構和運用機理,比如,發動機和輪子之間應該有個變速箱啥的,方向盤前面應該有個擋風玻璃。然后用對撞機不停撞汽車,看看是否飛出了預言中的變速箱。

  下面這串內容絕對是吹牛好素材,物理發燒友可以記一記:

  標準模型包含費米子及玻色子,簡單來說,費米子就是組成物質的粒子,玻色子負責傳遞各種作用力。

  費米子分2大類,48種:

  參與強作用的:36種夸克;

  參與弱作用、電磁作用的:12種輕子;

  質子、中子、介子這些大個頭粒子都是由夸克構成,而輕子指的是電子、中微子、μ子這些小個頭粒子。

  玻色子分3大類,13種:

  傳遞強作用:8種膠子;

  傳遞弱作用:2種W粒子,1種Z粒子;

  傳遞電磁作用:1種光子;

  根據標準模型的計算,還有1種特殊的玻色子,這就是費米子在獲得質量時產生的粒子,這個過程由希格斯提出,所以也稱為希格斯機制,自然而然,這個特殊的玻色子就被稱為“希格斯粒子”。沒錯,博學的小盆友已經猜到,這就是大名鼎鼎的“上帝粒子”。

  喜歡在白天做夢的小盆友先別急著拯救世界,給你們看一個標準模型的數學公式:

  別以為標準模型是拍腦袋拍出來的,這可是有嚴密的數學推導和實驗數據的,這個模型能精確地解釋和預言很多現象。不過……這模型需要的參數太多,計算量太大,別說咱們民科了,就算人家官科也得抽筋。

  希格斯粒子是標準模型的最后一環,當時模型預測的所有粒子都已被找到,唯獨希格斯粒子遲遲不見蹤影,擅長找粒子的萊德曼就寫了本書,把它稱為“該死的粒子”,Goddamn Particle,出版商覺得這樣咒罵它,以后更找不到了,于是把名字中的damn去掉,成了“上帝粒子”,God Particle。2013年歐洲LHC終于幫希格斯找到了這顆粒子,隨手又送了他一座諾貝爾獎,一時風光無限。

  整個模型構建過程中,誕生了成堆的諾貝爾獎。好玩的是,老楊作為基石的規范場論沒得諾獎,反而是靠拿下弱力的宇稱不守恒得獎。巧的是,愛因斯坦也不是因為相對論得獎,而是不痛不癢的光電效應。諾貝爾獎錯過了20世紀兩個最偉大的理論。

  至此,老楊的歷史地位躍然紙上,人家在物理學史上是有座次的,坐五望四的級別,而我們的巨星霍金,還得往后找。

  三缺一,引力呢?

  在近一百年的時間里,粒子標準模型匯集了人類各個時代最頂尖的人才,堪稱人類智慧真正的結晶!看著物理學家給咱們構建出如此精巧的理論,本僧感慨之情還沒抒發完,再嘮叨兩句。

  知道這些抽象理論是如何對我們的生活產生深刻影響的嗎?物理學家沖向未知領域披荊斬棘,材料學緊跟其后擴大戰果,各行各業優哉游哉地收割戰利品。舉個粒子,如果沒有量子力學對電子的全新認識,就沒有能帶理論,然后就沒有半導體材料的發展,再然后就沒了PN結,接著晶體管就沒了,也不可能有集成電路,那今天的計算機就是一副算盤。你想想,如果沒了電腦,就不止是你嫌我更新慢的問題了哦!

  從狄拉克引入量子場論,到老楊引導建立標準模型,終于把量子力學這頭的事兒理順了七七八八。但是,引力還沒上桌,好在相對論這頭仍在原地踏步,想象空間還是有的,那不如就直接干場大的吧!

  于是,“弦理論”來了。

  標準模型顯然過于繁瑣,那么多場啊粒子啊,光基本粒子就有61種之多,如果統統改成一種場,那多方便啊,這就是“弦”。弦的振動對應量子場論的場激發態,后來逐步發展出有超對稱性的“超弦理論”,到最后演化出了“M理論”這種結合了五種超弦理論和十一維空間的超引力理論。

  弦理論就不展開說了,總之,就是一堆統一四大力的數學公式,個中高手就是愛德華·威頓,美帝猶太人,和愛因斯坦一個屬性。還有一位美籍華人數學家丘成桐,也是弦理論的重要貢獻者。

  這批坐等封神的大咖,天天盼著大型對撞機來加冕,可惜左等右等也不見動靜,那總得干點其他活吧?其實,在這一百多年里,也有無數人削尖腦袋在相對論的路上鉆研,雖然不像量子力學那樣打下如此江山,但多少還是能鉆出幾個印子,而其中一個印子,正是霍金干的。

  物理學家--霍金

  愛因斯坦后來一直與“大統一”做斗爭,最終大敗虧輸,引力竟然如此頑固。于是,物理學家不得不做持久戰的打算,如果對比量子力學那條路的進程,相對論還處在撿磚瓦的階段,基本套路就是針對某個現象,用相對論和量子力學都去解釋一下。

  咱舉幾個霍金的例子。霍金的主要研究領域是黑洞,這顯然是相對論的地盤。但是霍金推想,根據量子場論,憑空產生一對正反粒子,那么應該是正粒子被黑洞吸進去,反粒子被排斥出來,這就是著名的“霍金輻射”。

  霍金另一個重要的研究領域就是宇宙,這也是相對論的范疇,霍金仍然是創造性的引入量子場論的概念,認為宇宙是沒有邊界的,和場論一樣,就這么憑空變來變去,更深的表述就不說了,這是霍金著名的“無邊界宇宙學”。

  還有就是和彭羅斯一起推導了相對論中的“奇性定理”,大概是說空間無限扭曲時,會存在奇點,比如黑洞里或者宇宙大爆炸的初始狀態。

  霍金的理論雖然數學上非常漂亮,但無一例外,沒有一個被證實,所以霍金最終也沒有得諾貝爾獎。

  最能說明霍金物理學成就的事,應該是“盧卡斯數學教授席位”,牛頓和狄拉克都干過這活,含金量妥妥的。

  客觀的說,霍金是一位非常出色的物理學家,但是想在歷史上論資排輩,估計還是差了一大截。

  娛樂家--霍金

  霍金是值得尊敬的,哪怕這個人啥事沒干,只要活到了76歲,也是值得我們尊敬的,更何況還是一位出色的物理學家。你能想象這樣的生活嗎?(膽小的盆友不要看霍金的脖子)

  也因為霍金身上發生的事情實在太勵志了,于是一幫人就開始了商業化,就是賺錢的意思,圍繞霍金的很多事都是這個團隊完成的,相當于“霍金有限公司”,隨便抖個科普話題就能上頭條,比如外星人啊,地球核大戰啊……這檔事見仁見智,不評論。

  至少在宣傳科學這點上,霍金是當之無愧的第一人,關注度竟然達到了娛樂明星的水準,我等小輩只能望其項背啊!最后說個小秘密,霍金還是一個著名脫衣舞俱樂部老牌會員哦!

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