《20世纪以来的基础物理学》复盘与总结 | 行业论坛第34讲笔记

大家好，这里是ScalersTalk行业论坛第34期分享的复盘。

第34期我们邀请到了成长会的Sumika在6月19日进行了关于基础物理学主题的分享。Sumika从20世纪早期的基础物理学讲起，向我们介绍了20世纪以来基础物理学中的重要理论和成果，以及我们生活中的物理。希望Sumika的分享可以让大家对基础物理学有更多的了解。

分享提纲

1、物理学的内容

二、20世纪早期的突破

1、狭义相对论
2、广义相对论
3、非相对论量子力学
4、融合的尝试

三、从QED到标准模型

1、QED：光和物质的奇妙理论
2、粒子物理的标准模型
3、回顾与展望

四、现代的理论前沿

1、弦理论的前世今生
2、宇宙的未解之谜

五、实验物理学的硕果

1、CERN与LHC
2、引力波与LIGO
3、中国的贡献

六、物理与我们

精彩内容摘要（完整文稿请在成长会群内下载）

&  物理学的发展路线——前物理学时代（总结了一些零散的现象和规律，但是没有形成体系）->经典物理学时代（形成了牛顿力学、麦克斯韦电磁学等体系，主要关注日常生产生活中的现象）->现代物理学时代（产生了广义相对论、量子力学、量子场论、弦理论等理论，大大地扩展了物理学的疆域；关注的方面小到基本粒子，大到宇宙本身）

&  经典的物理学在解释高速运动的物体时遇到困难。迈克尔孙-莫雷实验的结果说明了光速不随参考系的变化而变化牛顿的经典时空观，提出了基于狭义相对性原理和光速不变原理的狭义相对论。

&  狭义相对论只适用于惯性参考系。爱因斯坦通过思想实验得到了“等效原理”，也就是引力效应和惯性效应在局部区域的等价性，并将引力的本质描述为质量引起的时空弯曲，以此将狭义相对论推广为广义相对论。他和数学家希尔伯特合作，利用能够描述弯曲时空的黎曼几何学给出了广义相对论的数学表述。这一理论不但能够解释光线在有质量物体附近的偏折、水星近日点的进动等现象，甚至还预言了引力波的存在。

&  经典物理学也无法解释微观世界中的现象。在普朗克、爱因斯坦、卢瑟福、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔等人的共同努力下，量子力学的框架被建立起来。在这一框架下，物质由可以叠加的波函数描述，波函数的演化遵循薛定谔方程。

&  薛定谔方程与狭义相对论的原理不相容。因此人们又将其改造成满足相对论协变性的克莱因-高登方程和狄拉克方程。狄拉克方程预言了电子的反粒子——正电子的存在。这就是科幻小说里“反物质”这个概念的来源。粒子和反粒子的成对产生和湮灭是量子场论中的重要物理过程。

&  量子电动力学（QED）是第一个融合了量子力学和狭义相对论的理论框架，它描述了光和物质之间的相互作用。QED描述了电磁相互作用，而自然界中还存在着强相互作用（可以用量子色动力学QCD来描述）、弱相互作用和引力相互作用。通过人们几十年的工作而建立起来的粒子物理标准模型将电磁、强、弱三种相互作用统一了起来。

&  在粒子物理标准模型的框架下一共有17种基本粒子，可以按照自旋是半整数还是整数分类为费米子和玻色子。费米子（夸克、电子、中微子等）构成了我们的物质世界，玻色子中的规范玻色子（光子、胶子、W玻色子、Z玻色子）是传递相互作用的粒子，而希格斯波色子则可以赋予规范玻色子以质量。

&  各理论的适用范围：经典物理（宏观、低速），相对论（宏观、高速），非相对论量子力学（微观、低速）和量子场论（微观、高速）

&  也有人尝试统一引力相互作用和电磁相互作用，卡鲁扎-克莱因理论就是这样的一个理论框架。它假能看到的时空维度只有四个。这个理论没有有效的实验验证。

&  二十世纪六十年代左右，把基本粒子解释为振动的弦，那么则可以解释粒子物理中的一些问题，这就是弦理论的雏形。进一步地，。有种振动模式甚至可以对应假想中传递引力相互作用的粒子，也就是说弦理论很可能能够统一四种基本相互作用。

&  最早的弦理论叫做玻色弦理论，只适用于玻色子。为了让它能够推广到费米子上，需要引入“超对称”的概念，建立起费米子和玻色子之间的对应关系。加入了超对称机制的弦理论就叫做超弦理论。

&  弦理论有维数的限制，比如说超弦理论就要求时空是10维的。由于我们能够看到的时空只有思维，就需要用“紧化”的方式处理其余六个维度。利用“卡拉比-丘流形”这种六维几何体可以完成这个任务。

&  超弦理论有五个版本，分别为I型、IIA型、IIB型和两种杂化弦理论，威滕将这五个统一到了更一般的“M-理论”框架下，形成对偶关系网。在M理论中，出现的对象不只是1维的弦，还有二维的膜，甚至p维的p-膜。

，或者叫做CFT对应，这个原理建立了空间中的包含引力的物理理论和空间边界上不包含引力的物理理论之间的对应关系。，后经实验验证确实如此。

&  我们的宇宙学模型中还存在着一些未解之谜，例如“暗物质”“暗能量”等。

&  欧洲核子研究中心，也就是CERN，是粒子物理学实验的圣地。年，通过LHC上运行的粒子对撞实验得到了希格斯波色子，完成了粒子物理标准模型的最后一步实验验证。

&  2016年2月11日，加州理工学院的激光干涉引力波天文台（LIGO）发表了，验证了爱因斯坦的预言。2016年6月，LIGO和又一次发表了引力波探测的结果。

&  国内高能物理学的实验主要由中科院高能所主导，例如20世纪八十年代建造完成的北京正负电子对撞机（BEPC），还有大亚湾核反应堆中微子实验、江门中微子实验、暗物质探测卫星“悟空”的发射等。

&  目前国内还策划巨型对撞机计划CEPC-SppC，以及引力波探测计划（空间太极计划、天琴计划）等。

&  物理学，或者说是基础科学，是工业的先驱。现在所研究的基础物理学，将来也会成为新一代高科技的理论基础。

&  如果对物理学感兴趣但是没有太多时间，可以通过阅读科普读物的方式来了解物理学。但需要注意的是，科普读物只能让你了解物理而不能让你理解，因为每一门学科都有自己独特的方法论，只在高校中通过相关专业的学习掌握了科学研究的方法论才能算是理解了。

&  如果对物理学感兴趣，并希望深入学习物理，那么最好的方法就是报考高校的物理学专业。

Q&A

Q1：如何看待量子力学背后的哲学思考？

A1：在量子力学理论刚建立起来的时候，有很多人不理解其中的与直觉相悖的内容，因此提出了一些哲学方面的问题。我认为提出这些问题对于科学家们也是有益的，因为对这些问题的思考也有助于帮助我们找到做研究的具体切入点。例如，对于“测量”“观测者”这些概念的本质是什么，以及对量子理论的各种诠释（http://t.cn/R4Ocq0z），人们还没有一个足够清晰的认识，至今它们仍然是物理学中的重要课题。但是要注意的是，一个靠谱的物理理论必须通过实验来验证，并用数学语言进行描述，而不能仅仅通过哲学式的回答来得到。 

Q2：有的书上说，科学都是对模型的解，是这样的么？

A2：在没有具体文本的情况下谈论对这句话的理解没什么意义。如果你对这一类问题很感兴趣，可以看一看郑毓信的《科学哲学十讲》这本书，来领会一下科学哲学的思考方式。 

Q3：高中生对物理感兴趣，高中阶段学的也不错，在大学选专业的时候有哪些方向的推荐？

A3：

（真）：被这句话吓跑的话，请继续往下看。做基础科学的研究需要一定的奉献精神，无论是学习的过程中还是做科研、找教职时都会充满很多高中生所无法想到的困难，所以光是“有兴趣”是远远不够的。当然，迎接这些挑战也是对人生的历练，如果你能够下决心面对它们的话，

物理相关专业的本科的学习可以让你明白自己到底是否真的适合做物理学的研究。如果被科班训练磨练了四年之后还能够保持热爱物理的心，才算是有做这方面研究的潜质，这时候可以进一步去读博。如果你发现自己其实并不适合做物理，也可以在研究生阶段转到金融、IT、法律等方面，这样的情况挺常见的。

无论如何，对自己的选择负责到底才是最重要的，在这个过程中修炼出的可以让你在各行各业都能够发展下去。

分享复盘

这是我的第一次分享，有很多的收获但是也有不少的遗憾。总结一下，这次分享做得不够好的有：

1.关于时间安排：大概在五月下旬我就接到了日程安排的通知，但一直拖到六月中旬才把各种准备做完。

2.关于取材：“20世纪以来的基础物理学”这个题目还是太大太泛了，以我自己的能力还不能很好地驾驭。物理方面的讲座也有以小见大的例子，连通多个领域的例子，比如徐一鸿老师的《对称》，（https://www.youtube.com/watch?v=MOTevbZNLYQ）。这方面我还得学习一个。

3.关于演讲：我并没有主动训练过发声、气息之类的演讲技巧，因此讲的时候可能存在着一些声调太平淡、没有感染力的问题。

致谢

首先要感谢主持人Mine和小P能够一边忍受我的不专业和拖延症（汗）一边细致地帮我梳理练习和正式演讲中的各种问题（鞠躬）。同时也要感谢陪同我进行试讲练习的各位三讲小组成员让我印象特别深刻）。当然还要感谢的邀请，让我有了做这次分享的动力，以及Ramon的L30视频和粥粥的试讲，为我提供了重要的参考。最后还要感谢参与正式分享的各位听众，希望这次讲座没让人感觉太无聊^ ^。祝大家身体健康，再见。

 关于20世纪以来基础物理学的分享音频，完整文稿，复盘都已经上传至成长会内部群文件，欢迎大家下载查阅。

ScalersTalk行业论坛分享（点击链接可查看）：

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