## 量子力学23：物理学的进化（完）

量子力学的故事我们已经讲完了，但是现代物理学的故事，我们才说了一点点。剩下的内容一言难尽，有特别了不起的成就，但是结局有点让人无语。物理学是最革命的科学，物理学家非常喜欢颠倒乾坤的思想。这最后一讲，咱们说说今天的物理学被物理学家折腾成了什么样子。

科学哲学家托马斯·库恩（Thomas Kuhn）有个概念叫“范式转移（paradigm shift）”，意思是科学史上，有时候几乎所有科学家，会一起来一次基本观念的转变。比如牛顿认为光是粒子，别的科学家也都跟着把光当做粒子；后来麦克斯韦证明光是电磁波，所有科学家就都把光当做波来研究；量子力学出来，大家又都认同了“光子”的存在。范式转移不是瞬间的，但是它是整个“科学共同体”的巨变。

到 1930 年代，量子力学的基本理论就已经齐备了，此后主流物理学家就不再研究量子力学。那他们研究什么去了呢？物理学又发生了什么范式转移呢？

答案是……我看现在已经不能叫范式转移了。现在是每个物理学家都梦想自己弄个完全不一样的说法，然后你们都跟着我转移 —— 现在有很多新范式，但是谁也不知道该不该转移。

*

咱们从物理学的四种“相互作用”说起。这已经是一个范式转移，因为以前大家都把引力、电磁力这些叫做“力（force）”。“力”这个说法有点土气，力的场景是我用力推你一下，你就会往我的力的方向运动，这个太简单。物理学家发现力跟运动的关系可以很复杂，叫“相互作用（interaction）”更恰当。

前两个是我们熟悉的引力和电磁相互作用。它们描写了原子核之外、我们日常生活所能接触到的所有运动。化学家、生物学家、火箭科学家……除了物理学家之外各行各业所有的专家，会算一个引力会算一个电磁相互作用就够了。但是物理学家负责解释这个世界，就必须想的更深。

我们想想原子核。原子核是由不带电的中子和带正电的质子组成的，那这些质子们聚集在一个那么小的地方，它们的正电应该让它们互相排斥才对啊？是什么力量，把质子和中子们给拉住，不让它们散开呢？

![图片](https://piccdn3.umiwi.com/img/202008/11/202008112059462982346926.jpg)

这就是第三种相互作用，叫“强相互作用”。1964 年，默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）和乔治·茨威格（George Zweig）提出，并且后来被实验验证，质子和中子都不是最基本的粒子，它们都是由“夸克”组成的。夸克有六种类型，叫做六个“味道”，分别是上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、底夸克和顶夸克。比如质子是两个上夸克和一个下夸克组成的，中子是两个下夸克和一个上夸克组成的。

夸克的每个味道又有红、绿、蓝三种“颜色”。当然不是真正的颜色，夸克的颜色就好像电子和质子的电荷一样，代表它们对强相互作用的受力方式。质子和中子各自的三个夸克由强相互作用被绑定在一起，绑好之后还多余了一点强相互作用，又把质子和中子们绑在一起。描写强相互作用的理论，叫做“量子色动力学”。

原子核里还有一个过程，一开始叫“β衰变”，是强相互作用也解释不了的。有时候原子核本来好好的，突然从内部释放出来一个电子和一个中微子，结果是其中的一个中子变成了质子！

![图片](https://piccdn3.umiwi.com/img/202008/11/202008112100138787225810.png)

1932 年，意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）断定β衰变是第四种相互作用导致的，称为“弱相互作用”。现在我们知道 β衰变其实是一个夸克变成了另一个夸克。包括夸克和电子在内，所有的费米子 —— 也就是自旋是 1/2 这样半整数的基本粒子 —— 都会受到弱相互作用的影响。中微子也参与、而且只参与弱相互作用，这就是为什么中微子这么难以探测。

所以你看，相互作用不但能影响粒子的运动，而且能让一个粒子变成另一个粒子，这比我们印象中的“力”是不是高级多了。那说到这里，这些相互作用到底是怎么发生的呢？两个粒子之间是用什么方式互相影响的呢？

*

牛顿是把引力当成了一种超距作用，不管距离多远，只要那有个星体，你就能感受到它的引力，引力好像可以隔空传输。到了麦克斯韦和爱因斯坦这里，超距作用就太荒唐了，大家仔细想想，必须得跟一个什么东西发生接触，你才能感受到力，不然你这个感受是如何传递的呢？那一代物理学家发明了“场”这个概念。

场是一种弥漫在空间中，一定范围之内无处不在的东西。电磁力有电磁场，电磁波就是电磁场的波动。引力有引力场，根据广义相对论，那就是时空本身的弯曲。不是两个带电粒子直接发生关系，而是它们各自跟此地因为它们的存在而存在的那个电磁场发生关系。

场这个概念非常完美……但是量子力学出现了。量子力学认为电磁场根本不是一个连续的东西，而是一个一个的“光子”。那在光子这个视角之下，电磁相互作用是个什么图像呢？

这就是融合了量子力学和狭义相对论的“量子电动力学”。量子电动力学认为，两个带电粒子之间，是通过交换光子来发生相互作用的。

这个图像很有意思，我给你打个比方 [1]。想象咱俩在一个绝对光滑的冰球场里各自运动。地面太滑了我们不能借力，只能惯性前进，眼看就要互相撞上了。但是我手里抱着一个很重很重的切糕，我突然把切糕扔给了你！因为切糕的反作用力，我的路线获得了偏转。而你接住了切糕，因为你吸收了切糕的冲力，所以你的路线也偏转了。一个站在远处的人要是看不见那个切糕，还以为是咱俩发生了碰撞。

![图片](https://piccdn3.umiwi.com/img/202008/11/202008112101047649321568.jpg)

咱俩就是两个带电粒子，切糕就是光子，这就是电磁相互作用。实际过程复杂得多，可能我们不只交换了一个光子，可能你还会先发出、再吸收一个自己的光子，所有这些情况形成量子叠加态，可以用费曼图表示，要做一个很麻烦的计算。

![图片](https://piccdn3.umiwi.com/img/202008/11/202008112101283532975610.png)

那既然电磁相互作用是交换光子，别的相互作用会不会也是交换什么东西呢？这就引出了“量子场论（Quantum Field Theory）”。量子场论认为所有相互作用的场，都是以某种粒子的形态存在的，相互作用就是交换这种粒子。杨振宁先生用“杨-米尔斯理论”为量子场论做出了关键贡献。

量子场论认为强相互作用是夸克之间通过交换“胶子”的实现的，弱相互作用则是交换了三种粒子，叫做 Z0, W+ 和 W-。你看这个“交换粒子”的图像是不是比牛顿那个超距作用，比麦克斯韦的那个场都要好，它不但明确了“力”到底是什么东西，而且既然都是由粒子传播的，力的传输速度自然就不能超过光速。

![图片](https://piccdn3.umiwi.com/img/202008/11/202008112102037822089732.gif)

但物理学家的野心不止于此，他们还想把这一切都统一起来。

*

所谓“统一”，就是以前你觉得这是两个完全不同的东西，而现在有个理论，发现它们在更高的层面上其实是同一种东西。比如古人认为人和黑猩猩非常不一样，现在我们知道人和黑猩猩有 98% 以上的基因都是相同的：在基因这个层面上，我们同源同种。量子电动力学把量子力学、电动力学和狭义相对论统一起来了，可以说是同一个理论。1968 年，阿卜杜勒·萨拉姆（ Abdus Salam）、谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）和史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）把弱相互作用和电磁相互作用统一起来了，称为“电弱统一理论”。

本来量子场论认为传递弱相互作用的那三个粒子也跟光子、胶子一样是没有质量的，但是实验结果强烈支持它们有质量，那这是怎么回事儿呢？后来是英国物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）提出了一个机制，说宇宙空间中弥漫着另外一个场，这个场不但赋予了 Z0, W+ 和 W- 粒子质量，而且赋予了电子之类的“轻子”和夸克质量。那根据量子场论，有场就得有粒子，这个粒子就被称为“希格斯玻色子”。

到上世纪七十年代，强相互作用、希格斯机制这些都被统一进来，形成了一个一统三种相互作用的大理论，这就是“标准模型（Standard Model）”。

在标准模型眼中，世界上所有的粒子只有三种：一种是“感受”相互作用的粒子，包括夸克和电子之类的轻子，它们都是费米子；一种是传递相互作用的粒子，包括光子、胶子、Z0, W+ 和 W-，它们都是自旋是整数的“玻色子”；外加一个希格斯玻色子。

![图片](https://piccdn3.umiwi.com/img/202008/11/202008112103007718955623.jpg)

我们想想，面对这么一个模型，理论物理学家得有多自豪。除了电子是实验先发现的之外，其他的基本粒子全都是理论物理学家先用数学方程预测有这么一个东西，然后实验中就真的观测到了这么一个东西。而做成这一切大概只用了二十多年。

这个世界的密码就在标准模型里！……但是且慢，那引力呢？

*

我们要不要把引力场也来个量子化，证明引力是由“引力子”传播的？从上世纪七十年代到现在，四五十年以来，有上千个物理学家殚精竭虑就想做这一件事儿。他们想把标准模型和广义相对论统一起来。广义相对论是个确定性的理论，标准模型是个量子理论，它们能统一吗？

新一代理论物理学家的思想比玻尔开明，他们的精神比泡利强势，他们中的有些天才人物在比海森堡更年轻的时候开始参与物理研究，他们会的数学远远超过狄拉克 —— 但是他们再也没有得到过上一代人似乎轻松就能得到的荣誉。

1964 年，包括希格斯本人在内的六个物理学家发表了三篇论文，同时预言了希格斯玻色子的存在。优秀的理论家如此之多，以至于后来诺贝尔奖都不知道该发给谁。2012 年，大型强子对撞机终于找到了希格斯玻色子 —— 而这也可能是理论物理学家的预言最后一次被实验证实。

那过去这四五十年，理论物理学家做出了什么呢？做出了比如说“弦理论（String Theory）”。因为要统一广义相对论和标准模型必须进入“普朗克长度”那么小的尺度，两个粒子在这个尺度上碰撞会形成无穷大的“奇点”，物理学家想了一个新范式。这个范式认为基本粒子不是点状的东西，而是一个个蜷缩起来的“弦”或者“膜”。

弦理论涉及高维空间和极其复杂的数学，这对理论物理学家都不算什么，难处在于，弦理论不止有一种。人们曾经一度找到五种不同的弦理论，后来在 1994 年，大家意识到它们其实是同一种理论，称为“M理论（M-Theory）”。但你很难说 M 理论就是最终能一统江湖的那个终极理论，因为 M理论预言的世界，不止有我们这一个。

M 理论认为宇宙有无穷多种可能性，我们只不过是幸运地生活在其中一个比较适合生命存在的可能性中而已。当然这样的理论也不能说不对，可是你怎么证明呢？一切皆有可能？这跟量子力学的多世界解释不是差不多吗？这还是科学吗？

M 理论之外，理论物理学家还弄了一些别的、可以相提并论的理论，比如“圈量子重力论（loop quantum gravity）”。这些理论跟 M 理论的确能对我们这个世界做出一些不一样预言，可是有人估计，要想验证那些预言，你需要建造一个像太阳系那么大的加速器才行，因为涉及的能量太高了。

物理学原本是个起源于实验、用实验做最终判断的科学。可是现在最新的物理理论已经跟实验说不上话了，那这还是物理学吗？

量子力学我们就讲到这里。1900 年的两朵乌云让我们意识到这个世界背后可能有个诡秘的真相，现在 120 年过去了，我们仍然没有找到最后的真相。我们不知道大自然还允不允许我们继续寻找真相……我们甚至都不知道，世界背后到底是有一个真相，还是有无数个真相。

（The End）

### 💡 精华要点
- 1900 年的两朵乌云让我们意识到这个世界背后可能有个诡秘的真相，现在 120 年过去了，我们仍然没有找到最后的真相。我们不知道大自然还允不允许我们继续寻找真相……我们甚至都不知道，世界背后到底是有一个真相，还是有无数个真相。

![图片](https://piccdn3.umiwi.com/img/202008/11/202008112104054169292014.jpg)
