量子力學(xué)的故事我們已經(jīng)講完了，但是現(xiàn)代物理學(xué)的故事，我們才說(shuō)了一點(diǎn)點(diǎn)。剩下的內(nèi)容一言難盡，有特別了不起的成就，但是結(jié)局有點(diǎn)讓人無(wú)語(yǔ)。物理學(xué)是最革命的科學(xué)，物理學(xué)家非常喜歡顛倒乾坤的思想。這最后一講，咱們說(shuō)說(shuō)今天的物理學(xué)被物理學(xué)家折騰成了什么樣子。
科學(xué)哲學(xué)家托馬斯·庫(kù)恩（Thomas Kuhn）有個(gè)概念叫“范式轉(zhuǎn)移（paradigm shift）”，意思是科學(xué)史上，有時(shí)候幾乎所有科學(xué)家，會(huì)一起來(lái)一次基本觀(guān)念的轉(zhuǎn)變。比如牛頓認(rèn)為光是粒子，別的科學(xué)家也都跟著把光當(dāng)做粒子；后來(lái)麥克斯韋證明光是電磁波，所有科學(xué)家就都把光當(dāng)做波來(lái)研究；量子力學(xué)出來(lái)，大家又都認(rèn)同了“光子”的存在。范式轉(zhuǎn)移不是瞬間的，但是它是整個(gè)“科學(xué)共同體”的巨變。
到 1930 年代，量子力學(xué)的基本理論就已經(jīng)齊備了，此后主流物理學(xué)家就不再研究量子力學(xué)。那他們研究什么去了呢？物理學(xué)又發(fā)生了什么范式轉(zhuǎn)移呢？
答案是……我看現(xiàn)在已經(jīng)不能叫范式轉(zhuǎn)移了。現(xiàn)在是每個(gè)物理學(xué)家都?jí)粝胱约号獋€(gè)完全不一樣的說(shuō)法，然后你們都跟著我轉(zhuǎn)移 —— 現(xiàn)在有很多新范式，但是誰(shuí)也不知道該不該轉(zhuǎn)移。
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咱們從物理學(xué)的四種“相互作用”說(shuō)起。這已經(jīng)是一個(gè)范式轉(zhuǎn)移，因?yàn)橐郧按蠹叶及岩Α㈦姶帕@些叫做“力（force）”。“力”這個(gè)說(shuō)法有點(diǎn)土氣，力的場(chǎng)景是我用力推你一下，你就會(huì)往我的力的方向運(yùn)動(dòng)，這個(gè)太簡(jiǎn)單。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)力跟運(yùn)動(dòng)的關(guān)系可以很復(fù)雜，叫“相互作用（interaction）”更恰當(dāng)。
前兩個(gè)是我們熟悉的引力和電磁相互作用。它們描寫(xiě)了原子核之外、我們?nèi)粘Ｉ钏芙佑|到的所有運(yùn)動(dòng)。化學(xué)家、生物學(xué)家、火箭科學(xué)家……除了物理學(xué)家之外各行各業(yè)所有的專(zhuān)家，會(huì)算一個(gè)引力會(huì)算一個(gè)電磁相互作用就夠了。但是物理學(xué)家負(fù)責(zé)解釋這個(gè)世界，就必須想的更深。
我們想想原子核。原子核是由不帶電的中子和帶正電的質(zhì)子組成的，那這些質(zhì)子們聚集在一個(gè)那么小的地方，它們的正電應(yīng)該讓它們互相排斥才對(duì)啊？是什么力量，把質(zhì)子和中子們給拉住，不讓它們散開(kāi)呢？
這就是第三種相互作用，叫“強(qiáng)相互作用”。1964 年，默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和喬治·茨威格（George Zweig）提出，并且后來(lái)被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，質(zhì)子和中子都不是最基本的粒子，它們都是由“夸克”組成的。夸克有六種類(lèi)型，叫做六個(gè)“味道”，分別是上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、底夸克和頂夸克。比如質(zhì)子是兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成的，中子是兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成的。
夸克的每個(gè)味道又有紅、綠、藍(lán)三種“顏色”。當(dāng)然不是真正的顏色，夸克的顏色就好像電子和質(zhì)子的電荷一樣，代表它們對(duì)強(qiáng)相互作用的受力方式。質(zhì)子和中子各自的三個(gè)夸克由強(qiáng)相互作用被綁定在一起，綁好之后還多余了一點(diǎn)強(qiáng)相互作用，又把質(zhì)子和中子們綁在一起。描寫(xiě)強(qiáng)相互作用的理論，叫做“量子色動(dòng)力學(xué)”。
原子核里還有一個(gè)過(guò)程，一開(kāi)始叫“β衰變”，是強(qiáng)相互作用也解釋不了的。有時(shí)候原子核本來(lái)好好的，突然從內(nèi)部釋放出來(lái)一個(gè)電子和一個(gè)中微子，結(jié)果是其中的一個(gè)中子變成了質(zhì)子！
1932 年，意大利物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米（Enrico Fermi）斷定β衰變是第四種相互作用導(dǎo)致的，稱(chēng)為“弱相互作用”。現(xiàn)在我們知道 β衰變其實(shí)是一個(gè)夸克變成了另一個(gè)夸克。包括夸克和電子在內(nèi)，所有的費(fèi)米子 —— 也就是自旋是 1/2 這樣半整數(shù)的基本粒子 —— 都會(huì)受到弱相互作用的影響。中微子也參與、而且只參與弱相互作用，這就是為什么中微子這么難以探測(cè)。
所以你看，相互作用不但能影響粒子的運(yùn)動(dòng)，而且能讓一個(gè)粒子變成另一個(gè)粒子，這比我們印象中的“力”是不是高級(jí)多了。那說(shuō)到這里，這些相互作用到底是怎么發(fā)生的呢？?jī)蓚€(gè)粒子之間是用什么方式互相影響的呢？
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牛頓是把引力當(dāng)成了一種超距作用，不管距離多遠(yuǎn)，只要那有個(gè)星體，你就能感受到它的引力，引力好像可以隔空傳輸。到了麥克斯韋和愛(ài)因斯坦這里，超距作用就太荒唐了，大家仔細(xì)想想，必須得跟一個(gè)什么東西發(fā)生接觸，你才能感受到力，不然你這個(gè)感受是如何傳遞的呢？那一代物理學(xué)家發(fā)明了“場(chǎng)”這個(gè)概念。
場(chǎng)是一種彌漫在空間中，一定范圍之內(nèi)無(wú)處不在的東西。電磁力有電磁場(chǎng)，電磁波就是電磁場(chǎng)的波動(dòng)。引力有引力場(chǎng)，根據(jù)廣義相對(duì)論，那就是時(shí)空本身的彎曲。不是兩個(gè)帶電粒子直接發(fā)生關(guān)系，而是它們各自跟此地因?yàn)樗鼈兊拇嬖诙嬖诘哪莻€(gè)電磁場(chǎng)發(fā)生關(guān)系。
場(chǎng)這個(gè)概念非常完美……但是量子力學(xué)出現(xiàn)了。量子力學(xué)認(rèn)為電磁場(chǎng)根本不是一個(gè)連續(xù)的東西，而是一個(gè)一個(gè)的“光子”。那在光子這個(gè)視角之下，電磁相互作用是個(gè)什么圖像呢？
這就是融合了量子力學(xué)和狹義相對(duì)論的“量子電動(dòng)力學(xué)”。量子電動(dòng)力學(xué)認(rèn)為，兩個(gè)帶電粒子之間，是通過(guò)交換光子來(lái)發(fā)生相互作用的。
這個(gè)圖像很有意思，我給你打個(gè)比方 [1]。想象咱倆在一個(gè)絕對(duì)光滑的冰球場(chǎng)里各自運(yùn)動(dòng)。地面太滑了我們不能借力，只能慣性前進(jìn)，眼看就要互相撞上了。但是我手里抱著一個(gè)很重很重的切糕，我突然把切糕扔給了你！因?yàn)榍懈獾姆醋饔昧Γ业穆肪€(xiàn)獲得了偏轉(zhuǎn)。而你接住了切糕，因?yàn)槟阄樟饲懈獾臎_力，所以你的路線(xiàn)也偏轉(zhuǎn)了。一個(gè)站在遠(yuǎn)處的人要是看不見(jiàn)那個(gè)切糕，還以為是咱倆發(fā)生了碰撞。
咱倆就是兩個(gè)帶電粒子，切糕就是光子，這就是電磁相互作用。實(shí)際過(guò)程復(fù)雜得多，可能我們不只交換了一個(gè)光子，可能你還會(huì)先發(fā)出、再吸收一個(gè)自己的光子，所有這些情況形成量子疊加態(tài)，可以用費(fèi)曼圖表示，要做一個(gè)很麻煩的計(jì)算。
那既然電磁相互作用是交換光子，別的相互作用會(huì)不會(huì)也是交換什么東西呢？這就引出了“量子場(chǎng)論（Quantum Field Theory）”。量子場(chǎng)論認(rèn)為所有相互作用的場(chǎng)，都是以某種粒子的形態(tài)存在的，相互作用就是交換這種粒子。楊振寧先生用“楊-米爾斯理論”為量子場(chǎng)論做出了關(guān)鍵貢獻(xiàn)。
量子場(chǎng)論認(rèn)為強(qiáng)相互作用是夸克之間通過(guò)交換“膠子”的實(shí)現(xiàn)的，弱相互作用則是交換了三種粒子，叫做 Z0, W+ 和 W-。你看這個(gè)“交換粒子”的圖像是不是比牛頓那個(gè)超距作用，比麥克斯韋的那個(gè)場(chǎng)都要好，它不但明確了“力”到底是什么東西，而且既然都是由粒子傳播的，力的傳輸速度自然就不能超過(guò)光速。
夸克和膠子
但物理學(xué)家的野心不止于此，他們還想把這一切都統(tǒng)一起來(lái)。
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所謂“統(tǒng)一”，就是以前你覺(jué)得這是兩個(gè)完全不同的東西，而現(xiàn)在有個(gè)理論，發(fā)現(xiàn)它們?cè)诟叩膶用嫔掀鋵?shí)是同一種東西。比如古人認(rèn)為人和黑猩猩非常不一樣，現(xiàn)在我們知道人和黑猩猩有 98% 以上的基因都是相同的：在基因這個(gè)層面上，我們同源同種。量子電動(dòng)力學(xué)把量子力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)和狹義相對(duì)論統(tǒng)一起來(lái)了，可以說(shuō)是同一個(gè)理論。1968 年，阿卜杜勒·薩拉姆（ Abdus Salam）、謝爾登·格拉肖（Sheldon Glashow）和史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）把弱相互作用和電磁相互作用統(tǒng)一起來(lái)了，稱(chēng)為“電弱統(tǒng)一理論”。
本來(lái)量子場(chǎng)論認(rèn)為傳遞弱相互作用的那三個(gè)粒子也跟光子、膠子一樣是沒(méi)有質(zhì)量的，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)烈支持它們有質(zhì)量，那這是怎么回事兒呢？后來(lái)是英國(guó)物理學(xué)家彼得·希格斯（Peter Higgs）提出了一個(gè)機(jī)制，說(shuō)宇宙空間中彌漫著另外一個(gè)場(chǎng)，這個(gè)場(chǎng)不但賦予了 Z0, W+ 和 W- 粒子質(zhì)量，而且賦予了電子之類(lèi)的“輕子”和夸克質(zhì)量。那根據(jù)量子場(chǎng)論，有場(chǎng)就得有粒子，這個(gè)粒子就被稱(chēng)為“希格斯玻色子”。
到上世紀(jì)七十年代，強(qiáng)相互作用、希格斯機(jī)制這些都被統(tǒng)一進(jìn)來(lái)，形成了一個(gè)一統(tǒng)三種相互作用的大理論，這就是“標(biāo)準(zhǔn)模型（Standard Model）”。
在標(biāo)準(zhǔn)模型眼中，世界上所有的粒子只有三種：一種是“感受”相互作用的粒子，包括夸克和電子之類(lèi)的輕子，它們都是費(fèi)米子；一種是傳遞相互作用的粒子，包括光子、膠子、Z0, W+ 和 W-，它們都是自旋是整數(shù)的“玻色子”；外加一個(gè)希格斯玻色子。
我們想想，面對(duì)這么一個(gè)模型，理論物理學(xué)家得有多自豪。除了電子是實(shí)驗(yàn)先發(fā)現(xiàn)的之外，其他的基本粒子全都是理論物理學(xué)家先用數(shù)學(xué)方程預(yù)測(cè)有這么一個(gè)東西，然后實(shí)驗(yàn)中就真的觀(guān)測(cè)到了這么一個(gè)東西。而做成這一切大概只用了二十多年。
這個(gè)世界的密碼就在標(biāo)準(zhǔn)模型里！……但是且慢，那引力呢？
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我們要不要把引力場(chǎng)也來(lái)個(gè)量子化，證明引力是由“引力子”傳播的？從上世紀(jì)七十年代到現(xiàn)在，四五十年以來(lái)，有上千個(gè)物理學(xué)家殫精竭慮就想做這一件事兒。他們想把標(biāo)準(zhǔn)模型和廣義相對(duì)論統(tǒng)一起來(lái)。廣義相對(duì)論是個(gè)確定性的理論，標(biāo)準(zhǔn)模型是個(gè)量子理論，它們能統(tǒng)一嗎？
新一代理論物理學(xué)家的思想比玻爾開(kāi)明，他們的精神比泡利強(qiáng)勢(shì)，他們中的有些天才人物在比海森堡更年輕的時(shí)候開(kāi)始參與物理研究，他們會(huì)的數(shù)學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)狄拉克 —— 但是他們?cè)僖矝](méi)有得到過(guò)上一代人似乎輕松就能得到的榮譽(yù)。
1964 年，包括希格斯本人在內(nèi)的六個(gè)物理學(xué)家發(fā)表了三篇論文，同時(shí)預(yù)言了希格斯玻色子的存在。優(yōu)秀的理論家如此之多，以至于后來(lái)諾貝爾獎(jiǎng)都不知道該發(fā)給誰(shuí)。2012 年，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)終于找到了希格斯玻色子 —— 而這也可能是理論物理學(xué)家的預(yù)言最后一次被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
那過(guò)去這四五十年，理論物理學(xué)家做出了什么呢？做出了比如說(shuō)“弦理論（String Theory）”。因?yàn)橐y(tǒng)一廣義相對(duì)論和標(biāo)準(zhǔn)模型必須進(jìn)入“普朗克長(zhǎng)度”那么小的尺度，兩個(gè)粒子在這個(gè)尺度上碰撞會(huì)形成無(wú)窮大的“奇點(diǎn)”，物理學(xué)家想了一個(gè)新范式。這個(gè)范式認(rèn)為基本粒子不是點(diǎn)狀的東西，而是一個(gè)個(gè)蜷縮起來(lái)的“弦”或者“膜”。
弦理論涉及高維空間和極其復(fù)雜的數(shù)學(xué)，這對(duì)理論物理學(xué)家都不算什么，難處在于，弦理論不止有一種。人們?cè)?jīng)一度找到五種不同的弦理論，后來(lái)在 1994 年，大家意識(shí)到它們其實(shí)是同一種理論，稱(chēng)為“M理論（M-Theory）”。但你很難說(shuō) M 理論就是最終能一統(tǒng)江湖的那個(gè)終極理論，因?yàn)?M理論預(yù)言的世界，不止有我們這一個(gè)。
M 理論認(rèn)為宇宙有無(wú)窮多種可能性，我們只不過(guò)是幸運(yùn)地生活在其中一個(gè)比較適合生命存在的可能性中而已。當(dāng)然這樣的理論也不能說(shuō)不對(duì)，可是你怎么證明呢？一切皆有可能？這跟量子力學(xué)的多世界解釋不是差不多嗎？這還是科學(xué)嗎？
M 理論之外，理論物理學(xué)家還弄了一些別的、可以相提并論的理論，比如“圈量子重力論（loop quantum gravity）”。這些理論跟 M 理論的確能對(duì)我們這個(gè)世界做出一些不一樣預(yù)言，可是有人估計(jì)，要想驗(yàn)證那些預(yù)言，你需要建造一個(gè)像太陽(yáng)系那么大的加速器才行，因?yàn)樯婕暗哪芰刻吡恕?/span>
物理學(xué)原本是個(gè)起源于實(shí)驗(yàn)、用實(shí)驗(yàn)做最終判斷的科學(xué)。可是現(xiàn)在最新的物理理論已經(jīng)跟實(shí)驗(yàn)說(shuō)不上話(huà)了，那這還是物理學(xué)嗎？
量子力學(xué)我們就講到這里。1900 年的兩朵烏云讓我們意識(shí)到這個(gè)世界背后可能有個(gè)詭秘的真相，現(xiàn)在 120 年過(guò)去了，我們?nèi)匀粵](méi)有找到最后的真相。我們不知道大自然還允不允許我們繼續(xù)尋找真相……我們甚至都不知道，世界背后到底是有一個(gè)真相，還是有無(wú)數(shù)個(gè)真相。
（The End）
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劃重點(diǎn)
注釋
[1] 這個(gè)比喻后面圖片來(lái)自 Mark Humphrey, Paul Pancella and Nora Berrah, Idiot’s Guides - Quantum Physics 一書(shū)。
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