试听180秒04智慧结晶：粒子模型

如果让你说出两位当代物理学家的名字，那么我猜答案肯定是:霍金和杨振宁。只要这两个名字一起出现，一定会引起谁强谁弱的口水战。那咱们就顺着这两位物理学家的足迹，跨过大型对撞机，看看量子力学是如何打下这片江山的，相对论为何能割据一方。 

\\量子电动力学VS电磁力

早期的量子力学主要围绕单个粒子的奇葩属性，比如自旋啊、轨道啊、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（当然，不包括广义相对论），这就是“量子电动力学”，是“量子场论”的第一个分支，操场的场，理论的论。这里的关键词是场。

文科小盆友听到专业术语先别慌！这个“场”是什么东西呢？“场”算是物理字典中最高级的词汇了，以后若是遇到研究“场”的小朋友，为了不显得自己无知，你就赶紧膜拜吧！

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中，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：场受激发就会产生实物粒子，场恢复基态实物粒子也就凭空消失了，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给整明白了，就问你服不服吧！

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。今天反物质早就不是什么稀罕东西了，物理学家已经能人工合成反物质，狄拉克的预言早已得到验证。

狄拉克的代表作是《量子力学原理》，没牛到一定程度，谁敢这么取名字，就冲这书名，一般人也只有仰望的份，狄拉克是物理学史上的第四尊大神！

\\宇称不守恒VS弱力

狄拉克带来的场论，对量子力学的冲击，不亚于量子力学对经典物理的冲击。大家回忆一下，量子力学可以说是彻底颠覆了当时的科学体系，没想到，才几年功夫，这种程度的冲击居然还能再来一次。那个时代物理学家，脑袋被这么剧烈地冲两次，啥馊主意都给冲出来了，不怕做不到，就怕想不到啊。

于是，老杨出现了，就是那个争议颇大的老杨。不过，咱们这里不讨论争议。

刚才狄拉克给“量子场论”打了个地基，建立了“量子电动力学”，拿下了四大基本力当中的电磁力，这个理论的本质，是用“场”的概念取代原先对单个粒子的描述。粒子并不是像芝麻那样分散在空间里的，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，也没法描述得更精准了，自个儿再领悟领悟吧。

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，场论里面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，也就是对称的，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的双螺旋结构），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，这俩哥们儿质量、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，衰变这个词可能有人不理解，可以理解为死亡方式不一样：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。也就是说，第一个死了之后会变成两个分身，第二个死了之后会变成三个分身。而在没死之前，这两种介子就是一模一样的。

再换个通俗说法，有一对双胞胎，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介子的速率来得更快一些。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宇宙。

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，这服务上哪儿去找啊！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”。

咱们码一码大概的意思：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；这就是说，中子衰变成了电子、质子和中微子。再通俗一点，中子死了，变成了电子、质子和中微子。

电弱统一的代表人物是美国的格拉肖，有意思的是，格拉肖一直呼吁将基本粒子命名为“毛粒子”，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”这个名称击败了“毛粒子”，所以今天，几乎人人都听过夸克这个词，却少有人知道毛粒子。

回过头说，这一众人想凭借“电磁力和弱力的统一”在历史上封神显然是不可能了，不过诺贝尔奖真是拿到手软。

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，在投票中击败了格拉肖取的“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，简称粒子模型或标准模型。

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！

喜欢做梦的小盆友先别急着拯救世界，别以为标准模型是拍脑袋拍出来的，拍脑袋研究世界是在伽利略之前的时代，牛顿往后的科学，都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。不过呢……粒子模型需要的参数实在太多，计算量太大，别说咱们民科了，就算人家官科也得抽筋。

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和挡风玻璃。

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了，这就是大名鼎鼎的“上帝粒子”。

上帝粒子是标准模型的最后一环，当时标准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”，英文叫GoddamnParticle，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GodParticle，“上帝粒子”这名字就这么来的，。2013年欧洲的大型对撞机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并没有得诺奖，反而是靠宇称不守恒得的奖。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。

三缺一，引力呢？

等等，好像漏了一个人，咱们的巨星，霍金老人家呢？这不是三缺一，还差个引力没统一嘛。

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情理顺了七七八八。但是，引力还没上桌呢，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。琴弦的那个弦。

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”，到最后演化出了结合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，就是一堆数学公式，个中高手就是爱德华·威顿，美国犹太人。还有一位美籍华人数学家丘成桐。

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，相对论还处在一砖一瓦的阶段，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，至于背后的机理就先不管了。

咱们举几个霍金的例子。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，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。

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。

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，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，我等小辈难以望其项背啊！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！