2019-12-20 20:59:41 科學建模

粒子、量子、引力、超弦，都是怎麼回事？

說到高能粒子對撞擊，說到了標準模型都被驗證的差不多了，還有什麼搞頭呢？

楊振寧說了，高能物理對撞機已經過氣了，需要研究別的了。那麼大概是個什麼回事呢?量子物理與高能物理啥關係?愛因斯坦與這些有關係嗎?相對論難道不需要對撞擊嗎？楊老說的數學之美要幹什麼呢?

其實吧，這個太深奧了，若干本大部頭也說不明白，不讀3個博士後你是搞不清楚的。讀了呢，也未必搞得清楚。但就一個量子物理就夠一般人頭大的了。

（1）一個個的小顆粒：粒子

粒子：這個最直觀，就是分子、原子、電子、質子、中子，都是實實在在的存在的東西，是組成我們這個世界的硬件，就像沙子一樣。

粒子，世界的組成

（2）小顆粒的不同狀態：量子

這個就玄乎了，很多人說不清楚這個是啥，與粒子有啥區別。好吧，你可以把它理解為一個概念，或者說是物理實在粒子的一種狀態，一種性質。只不過，可以不是一個粒子的狀態，而是可以涉及一對粒子，或一堆粒子的一種狀態。

量子態

打個比方說，我們有兩個雙胞胎同學，一模一樣的“雙胞胎”，課堂上一個在睡覺，一個在聽課。每個同學又是一個人，“人”對應了一個“粒子”。

當我們說，一個粒子的量子態時呢，是指這位同學在課堂上同時可以睡覺，也可以聽課，處於模稜兩可的狀態，叫量子態，你只有問他個問題，才能確定他到底聽課了沒有，這個叫觀測導致的量子坍縮。

“雙胞胎”呢這個概念也可以對應於“量子”，一個“量子對”可以對應一對“雙胞胎”。就是說，兩個不同地方的粒子還可以像雙胞胎一樣存在，就是說同時在睡覺，或同時在聽課，這個太神奇了。

所以呢，如果沒有人，也就沒有雙胞胎了。為什麼要有量子這個概念呢，因為實驗發現，一個粒子一會兒是波，一會兒是粒子。就是說一個同學同時在睡覺，同時在聽課。也可以像雙胞胎一樣的存在。

於是，我們只能發明一個“量子”這樣的概念來說明，解釋單個粒子具有這樣的物理現象，以及，兩個粒子像雙胞胎一樣形成“量子糾纏”。

奇特的量子特性

這樣，就發展出來了一套理論，量子力學、量子場論，可以解釋很多物理現象，電磁力，強弱相互用等等吧。包括標準模型，也逃不脫量子場論的範疇，來說明我們可以有多少種粒子。甚至可以解釋狹義相對論。

所以呢，量子也可以看作是一種數學模型，用來解釋量子的奇怪物理現象的，但他本身呢，也確實對應一些奇怪的粒子性質。

這是不是就齊活了呢？可惜，不是。

（3）用來盛小顆粒的彈力布：引力場

注意，是時候引出愛因斯坦了，但其實，愛因斯坦先是提出了狹義相對論，後來才有波爾等人發現的量子理論。好在，量子場論與狹義相對論兼容，至少說明，狹義相對論在微觀世界還沒有被駁倒。

但愛因斯坦牛的是，還有一套廣義相對論，這個就是“引力”的理論。這個廣義相對論是個啥，前面說了，我們有：粒子，以及作為粒子狀態的量子。那麼，廣義相對論就是為大家造了一口鍋，就是引力場，而這口鍋呢，是一塊繃緊的彈力布做的鍋，在這口鍋裡，粒子就像玻璃滾珠一樣轉動，質量大的珠子會壓出坑，形成了引力場。要是珠子蹦一下，這塊繃緊的彈力布就會顫一顫，遠處的珠子也會跟著動兩下，這就是引力波。

這麼看來，愛因斯坦是真牛了，但這對量子學派卻不是好消息，因為，標準模型裡沒有“引力”，解釋不了引力場。換句話說，到目前為止，最牛的還是愛因斯坦，我的狹義相對論跟你的量子場論兼容，我的廣義相對論，你量子場論卻解釋不了，這真是，無話可說了。

（4）彈力布上的彈力纖維：弦

但，一統江湖，江湖一統，大牛總是想用一個模型統一所有，也就是想把量子、引力、作用都統一到一個模型裡來，就好比用一個模型把鍋，彈力布，珠子，珠子的性質都包括了。愛因斯坦晚年一直致力於此，可惜，沒有啥成果。

這時候就輪到弦論出場了，好吧，這個事其實就是，你看，鍋是一個維度、布是一個維度、珠子是一個維度、珠子的性質又是一個維度、他們之間怎麼聯繫起來，再添加一些維度，是這樣，這樣，然後這樣，又多了若干個維度。

原來呢，愛因斯坦用黎曼幾何建立了引力場理論。這個黎曼幾何呢，就是研究彈力布的幾何，後來演化為微分幾何。微分幾何呢，就是把幾何的東西變成代數、微積分一樣的形式來研究了。這樣呢，引力場裡的空間呢，就變成了弦了、薄膜。就像一塊布上的一根根布纖維一樣，而粒子，你大概可以把它看做是攪在一起的線團。這樣呢，就把布、粒子、統一在一個模型中啦，這也就是為啥微分幾何大師丘成桐也參與最近的楊振寧大決戰其中的原因了。