从那个写了《时间简史》却被时间带走的人说起

  来源:老和山下的小学僧

  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?#19979;?#30340;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?#36864;?#24178;完了。这就是“经典物理学”。

  当时的物理学是怎样一?#26412;?#35937;呢?#31185;?#26391;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?#19978;?#20102;。”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?#39057;?#20102;,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?#20581;?#19968;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?#25226;?#23450;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,?#36335;?#23601;是另一个世界的理论!

  物理学被折腾到这般田地,着?#31561;?#20154;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?#39057;?#20010;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?#30424;て频?#32447;!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?#35859;玻?#36825;“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?#20309;?#30693;,赶紧膜拜吧!

  这位突?#39057;?#32447;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?#25506;?#21270;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?#25512;?#31354;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?#19968;?#21475;气,这步子扯得真够大,量子力学?#32456;?#38149;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》,?#32479;?#36825;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?#28304;?#34987;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?#23616;剩?#26159;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?#36136;攏?#23601;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?#25226;?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?#25512;?#22351;了对称性,但是呢,没有质量的规范玻色子不符?#20808;?#30456;互作用的已知理论。

  产?#24223;?#36335;不好,老杨只?#20204;?#33258;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?#38470;?#20570;“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,?#36127;?#23601;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?#28014;?#23431;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?#36127;?#26159;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?#35828;?#20102;?#24403;?#23572;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?#26102;?#21453;物质略多,正反物?#36755;?#28781;后,剩余的物?#20160;?#24418;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?#25151;?#32769;杨的杨-米尔斯理论就?#26800;?#21619;道了,它?#23616;?#19978;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?#20174;?#24555;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?#21482;?#26412;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?#34892;?#19981;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。?#19978;В?#26368;终“夸克?#34987;?#36133;了“毛粒子”,所以今天,?#36127;?#20154;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?#24403;?#23572;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?#26412;?#26159;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?#23567;?#37327;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?#24403;?#23572;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?#37027;?#21147;、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?#23567;?#31890;子标准模型”吧。

  ?#20154;?#35828;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?#31185;?#36710;时,已经发?#21046;?#36710;?#26032;?#23376;、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?#19981;?#19981;停?#36130;?#36710;,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?#27169;?#29289;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?#19978;?#26684;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”。

  ?#19981;?#22312;白天做梦的小盆友先别急着拯救世界,给你?#24378;?#19968;个标准模型的数学公式:

  别以为标准模型是?#21738;源?#25293;出来的,这可是有?#21414;?#30340;数学?#39057;?#21644;实验数据的,这个模型能精确地解释和预言很多现象。不过……这模型需要的参数太多,计算量太大,别说咱们民科了,?#36864;?#20154;家官科也得抽筋。

  希格斯粒子是标准模型的最后一环,当时模型预测的所有粒子?#23478;?#34987;找到,唯?#32769;?#26684;斯粒子迟迟不见踪影,擅长找粒子的?#36710;?#26364;就写了本书,把它称为?#26696;?#27515;的粒子”,Goddamn Particle,出版商觉得这样咒骂它,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?#20998;轑HC终于帮希格斯找到了这颗粒子,随手又送了他一座?#24403;?#23572;奖,一时风光无限。

  整个模型构建过程中,诞生了成堆的?#24403;?#23572;奖。好玩的是,老杨作为基石的规范场论没?#38376;到保?#21453;而是靠拿下弱力的宇称不守恒?#23186;薄?#24039;的是,爱因斯坦也不是因为相对论?#23186;保?#32780;是不痛不痒的光电效应。?#24403;?#23572;?#36125;?#36807;了20世纪两个最伟大的理论。

  ?#38142;耍?#32769;杨的历史地位跃然纸上,人家在物理学史上是有座次的,坐五望四的级别,而我们的巨星霍金,还得往后找。

  三缺一,引力呢?

  在近一百年的时间里,粒子标准模型汇集了人类各个时代最顶尖的人?#29275;?#22570;称人类智慧真正的结晶!看着物理学家给咱们构建出如此精巧的理论,本僧感慨之情还没抒发完,再唠?#35835;?#21477;。

  知道这些抽象理论是如何对我们的生活产生深刻影响的吗?物理学家冲向未知领域披荆?#37117;?#26448;料学紧跟其后扩大战果,各行各业优哉游哉地收割战利品。举个粒子,如果没有量子力学对电子的全新认识,就没有能带理论,然后就没有半导体材料的发展,再然后就没了PN结,接着晶体管就没了,也不可能有集成电路,那今天的计算机就是一副算盘。你想想,如果没了电脑,就不止是你嫌我更新慢的问题了哦!

  从狄拉克引入量子场论,到老杨引导建立标准模型,终于把量子力学这头的事儿理顺了七七八八。但是,引力还没上?#28291;?#22909;在相对论这头仍在原地踏步,想象空间还是有的,那不如就直接干场大的吧!

  于是,“弦理论”来了。

  标准模型显然过于繁琐,那么多场啊粒子啊,光基本粒子就有61种之多,如果统统改成一种场,那多方便啊,这就是“弦”。弦的振动对应量子场论的场激发态,后来逐步发展出有超对称性的“超弦理论”,到最后演化出了“M理论”这种结合了五种超弦理论和十一维空间的超引力理论。

  弦理论就不展开说了,总之,就是一堆统一四大力的数学公式,个中高手就是爱德华·威顿,美帝犹太人,和爱因斯坦一个属性。还有一位美籍华人数学家丘成桐,也是弦理论的重要贡献者。

  这批坐等封神的大咖,天天盼着大型对?#19981;?#26469;?#29992;幔上?#24038;等右等也不见动静,那总得干点其他活吧?#31185;?#23454;,在这一百多年里,也有无数人削尖?#28304;?#22312;相对论的路上钻研,虽然不像量子力学那样打下如此江山,但多少还是能钻出几个印子,而其中一个印子,正是霍金干的。

  物理学家--霍金

  爱因斯坦后来一直与“大统一”做斗争,最终大败亏输,引力竟然如此顽固。于是,物理学家不得不做持久战的打算,如果对比量子力学那条路的进程,相对论还处在捡砖瓦的阶段,基本套路就是针?#38405;?#20010;现象,用相对论和量子力学都去解释一下。

  咱举几个霍金的例子。霍金的主要研究领域是黑洞,这显然是相对论的地盘。但是霍金推想,根据量子场论,凭空产生一对正反粒子,那?#20174;?#35813;是正粒子被黑洞吸进去,反粒子被排斥出来,这就是著名的“霍金辐射”。

  霍金另一个重要的研究领域就是宇宙,这也是相对论的范畴,霍金仍然是创造性的引入量子场论的概念,认为宇宙是没有边界的,和场论一样,就这么凭空变来变去,更深的表述就不说了,这是霍金著名的“无边界宇宙学”。

  还有就是和彭罗斯一起?#39057;?#20102;相对论中的“奇性定理”,大概是说空间无限扭曲时,会存在奇点,比如黑洞里或者宇宙大爆炸的初始状态。

  霍金的理论虽然数学上非常漂?#31890;?#20294;无一例外,没有一个被证实,所以霍金最?#25214;?#27809;?#26800;门当?#23572;奖。

  最能说明霍金物理学成就的事,应该是“卢卡斯数学教授席位”,牛顿和狄拉克都干过这活,含金量妥妥的。

  客观的说,霍金是一位非常出色的物理学家,但是想在历史?#19979;?#36164;排?#29627;?#20272;计还是差了一大截。

  娱乐家--霍金

  霍金是值得尊敬的,哪怕这个人啥事没干,只要活到了76岁,也是值得我们尊敬的,更何况还是一位出色的物理学家。你能想象这样的生活吗?(胆小的盆友不要看霍金的脖子)

  也因为霍金身上发生的事情实在太励志了,于是一帮人就开始了商业化,就是赚钱的意思,围绕霍金的很多事都是这个?#21734;?#23436;成的,相当于“霍金有限公司”,随便抖个科普话题就能上头条,比如外星人啊,地球核大战啊……这档?#24405;始?#26234;,不评论。

  至少在宣传科学这点上,霍金是当之无愧的第一人,关注度竟然达到了娱?#32622;?#26143;的水准,我等小辈只能望其项背啊!最后说个小秘密,霍金还是一个著名脱衣舞俱乐部老牌会员哦!

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