致敬霍金：閑話現代物理

很多小盆友不知數學為何物，卻獨鍾情於物理，又不屑經典物理，只對前沿物理狂熱不已，這不是正確的姿勢。

本僧浸淫此道十年有餘，覓得一秘籍，與諸位共勉：力學→熱學→電磁學→光學→理論力學→數學物理方法→原子物理→電動力學→熱力學統計→量子力學→固體物理→微分幾何與廣義相對論→高等量子力學→量子場論基礎→量子電動力學→量子色動力學→弦理論和M理論→頭髮營養與再生→頸椎病康復指南→高血壓降壓寶典→精神病癥狀學→精神病康復指南→墓地促銷廣告

這段話最讓人意外的是：「浸淫」居然不是貶義詞！

言不歸正傳，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。本文段位有點高，建議先看下本僧另兩篇沾沾自喜的大作《荒誕量子力學》和《大型對撞機》，先把幼兒園文憑拿到手。

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，最後麥克斯韋把電學和磁學一併摁下，做了個完美的收官，將所有理論歸於一統，物理學的活就算幹完了。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。」後來人算不如天算，愛因斯坦一眾人借著「兩朵烏雲」把經典物理大廈推倒了，隨後出現了兩條岔路：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。

大廈被強拆後，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，彷彿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！於是，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，據說這四個傢伙包含了宇宙間一切作用關係。

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……至於這堆奇葩理論究竟是通過什麼規律聯繫在一起的，愛因斯坦也是一臉懵逼。雖然量子力學顛覆了人們的認知，但大夥還是守著最基本的底線：粒子終究還是實物吧，這玩意兒總不至於憑空冒出來吧！

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」是個什麼玩意兒？「場」算是物理字典中最高級的辭彙了，以後若遇見做「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。場的概念來自於電場磁場，如果把粒子比作水面上的波浪，那麼水面就是場，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衝擊：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，同一種場的不同激髮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係，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髮現，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，於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。

宇稱不守恆 VS 弱力

場論對量子力學的衝擊，不亞於量子力學對經典物理的衝擊，那個時代的物理學家的腦袋，被這麼劇烈地衝擊兩次，啥餿主意都給衝出來了。

於是，老楊出現了，對，就是那個爭議頗大的老楊：美籍華人楊振寧，其原配妻子為杜聿明長女，2003年過世，次年便娶了28歲的翁帆。2017年95歲的楊振寧正式恢復中國國籍。不過，咱這不討論爭議。

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。粒子並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。反正場就是這麼個意思，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，就不怕沒人起鬨，老楊覺得你們這樣忒費勁，給你們一個標準姿勢吧，於是提出了「楊-米爾斯理論」。

不過楊-米爾斯理論並沒有引起重視，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，場論里用於傳遞作用的規範玻色子（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，沒有質量的規範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後，大夥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，相當於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裡，大夥都認為這種「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「宇稱守恆」。

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，那麼這對雙胞胎到底是不是同一個爹媽生的？為了不犯「宇稱守恆」的忌諱，大夥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，守恆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。「宇稱不守恆定律」是楊振寧和李政道共同提出，後來的實驗驗證由「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。

再後來，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，可能正是由於不對稱，才導致宇宙大爆炸生成的正物質比反物質略多，正反物質湮滅後，剩餘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。衰變是弱力的範疇，宇稱不守恆摸清了弱力的底細，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。這什麼概念呢？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「規範場論」。

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！於是大夥一擁而上，電磁力和弱力就這麼愉快地統一了，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；後來，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；於是，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，格拉肖一直呼籲將基本粒子命名為「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，這一眾人想憑藉「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範場論往下做的。具體模型就別去細看了，無非就是，某粒子負責幹什麼活，某粒子負責幹什麼活，然後通過巧妙的公式，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係。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遊戲。正如當年用牛爺的萬有引力定律算出海王星一樣，粒子模型建立之後，預測了很多尚未發現的粒子，後來均被一一證實。

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，於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。然後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，物理髮燒友可以記一記：

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後一環，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，以後更找不到了，於是把名字中的damn去掉，成了「上帝粒子」，God Particle。2013年歐洲LHC終於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，老楊作為基石的規範場論沒得諾獎，反而是靠拿下弱力的宇稱不守恆得獎。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，還得往後找。

三缺一，引力呢？

在近一百年的時間裡，粒子標準模型彙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，材料學緊跟其後擴大戰果，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，然後就沒有半導體材料的發展，再然後就沒了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，終於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，想像空間還是有的，那不如就直接干場大的吧！

於是，「弦理論」來了。

標準模型顯然過於繁瑣，那麼多場啊粒子啊，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，後來逐步發展出有超對稱性的「超弦理論」，到最後演化出了「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，箇中高手就是愛德華·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，在這一百多年裡，也有無數人削尖腦袋在相對論的路上鑽研，雖然不像量子力學那樣打下如此江山，但多少還是能鑽出幾個印子，而其中一個印子，正是霍金乾的。

物理學家--霍金

愛因斯坦後來一直與「大統一」做鬥爭，最終大敗虧輸，引力竟然如此頑固。於是，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，那麼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，這也是相對論的範疇，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，就這麼憑空變來變去，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，哪怕這個人啥事沒幹，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。你能想像這樣的生活嗎？（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，於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，相當於「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！最後說個小秘密，霍金還是一個著名脫衣舞俱樂部老牌會員哦！

推薦閱讀：