致敬霍金：闲话现代物理
很多小盆友不知数学为何物，却独钟情于物理，又不屑经典物理，只对前沿物理狂热不已，这不是正确的姿势。
本僧浸淫此道十年有余，觅得一秘籍，与诸位共勉：力学→热学→电磁学→光学→理论力学→数学物理方法→原子物理→电动力学→热力学统计→量子力学→固体物理→微分几何与广义相对论→高等量子力学→量子场论基础→量子电动力学→量子色动力学→弦理论和M理论→头发营养与再生→颈椎病康复指南→高血压降压宝典→精神病症状学→精神病康复指南→墓地促销广告
这段话最让人意外的是：“浸淫”居然不是贬义词！
言不归正传，想知道霍金老人家是在哪条道上混的吗？物理学道路曲折，咱先给不认路的小盆友盘盘道。本文段位有点高，建议先看下本僧另两篇沾沾自喜的大作《荒诞量子力学》和《大型对撞机》，先把幼儿园文凭拿到手。
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，物理学的活就算干完了。这就是“经典物理学”。
当时的物理学是怎样一副景象呢？普朗克想投身物理，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，太可惜了。”后来人算不如天算，爱因斯坦一众人借着“两朵乌云”把经典物理大厦推倒了，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。
正所谓“一牛二爱三麦”，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“薛定谔方程”），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，仿佛就是另一个世界的理论！
物理学被折腾到这般田地，着实让人心痛，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绕单个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，一脚踏破底线！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，关键看谁把课讲！这“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，为了不显得自己无知，赶紧膜拜吧！
这位突破底线的哥们儿就是狄拉克，把狭义相对论引入量子力学，将薛定谔方程进化成狄拉克方程，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就凭空消失，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。
容我缓口气，这步子扯得真够大，量子力学又炸锅了！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》，就冲这书名，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脑袋，被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，对，就是那个争议颇大的老杨：美籍华人杨振宁，其原配妻子为杜聿明长女，2003年过世，次年便娶了28岁的翁帆。2017年95岁的杨振宁正式恢复中国国籍。不过，咱这不讨论争议。
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，这个理论的本质，是用“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。
只要有人挑头闹事，就不怕没人起哄，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“杨-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，不然就破坏了对称性，但是呢，没有质量的规范玻色子不符合弱相互作用的已知理论。
产品销路不好，老杨只好亲自搞促销活动，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，我们把这档子事叫做“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，几乎就是同一种粒子，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？为了不犯“宇称守恒”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，守恒和对称几乎是物理学的铁律，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，老杨由此得了诺贝尔奖。
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质比反物质略多，正反物质湮灭后，剩余的物质才形成了今天的世界。
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，这会儿再回头看老杨的杨-米尔斯理论就有点味道了，它本质上是一种场理论。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，电磁力和弱力就这么愉快地统一了，史称“电弱统一理论”。
本僧码一码大概的意思：4种“场”对应4种基本粒子，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、负电和中性不带电，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。可惜，最终“夸克”击败了“毛粒子”，所以今天，几乎人人都听过夸克，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，不过诺贝尔奖真是拿到手软。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直就是一把万能钥匙，那还等啥啊，接下来就该干“强力”了。
这档事的学名叫“量子色动力学”，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，只能拿个诺贝尔安慰奖。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的强力、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，就叫“粒子标准模型”吧。
先说说这个模型的威力，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，我们在研究汽车时，已经发现汽车有轮子、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。然后用对撞机不停撞汽车，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材，物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，这个过程由希格斯提出，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”。
喜欢在白天做梦的小盆友先别急着拯救世界，给你们看一个标准模型的数学公式：
别以为标准模型是拍脑袋拍出来的，这可是有严密的数学推导和实验数据的，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，就算人家官科也得抽筋。
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都已被找到，唯独希格斯粒子迟迟不见踪影，擅长找粒子的莱德曼就写了本书，把它称为“该死的粒子”，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年欧洲LHC终于帮希格斯找到了这颗粒子，随手又送了他一座诺贝尔奖，一时风光无限。
整个模型构建过程中，诞生了成堆的诺贝尔奖。好玩的是，老杨作为基石的规范场论没得诺奖，反而是靠拿下弱力的宇称不守恒得奖。巧的是，爱因斯坦也不是因为相对论得奖，而是不痛不痒的光电效应。诺贝尔奖错过了20世纪两个最伟大的理论。
至此，老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才，堪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，再唠叨两句。
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斩棘，材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，引力还没上桌，好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，天天盼着大型对撞机来加冕，可惜左等右等也不见动静，那总得干点其他活吧？其实，在这一百多年里，也有无数人削尖脑袋在相对论的路上钻研，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，基本套路就是针对某个现象，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，那么应该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推导了相对论中的“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亮，但无一例外，没有一个被证实，所以霍金最终也没有得诺贝尔奖。
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，但是想在历史上论资排辈，估计还是差了一大截。
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团队完成的，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……这档事见仁见智，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乐明星的水准，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！