量子物理学三大定律（物理学科普量子力学）

前几天被同事安利《三体》，给我讲了很多里面的故事和科幻现象。不过我最感兴趣的是基础物理学的发展和现状，以及它究竟会往哪个方向发展，还能不能再突破了？实际上我们今天所看到的所有科技成果，都依赖过去几百年里人类对基础科学的不断突破，一旦这种突破停滞了，科技也就很难有大的进步了。

今天这篇文章是个科普帖，我尽量只用初中物理学知识把物理学几百年的发展给讲清楚，来看看人类是怎么一步步走到今天的。

文章很长，建议先点赞收藏，再阅读。

（一）从神学说起

要说科学，就得先说神学，在古代这两个是一回事儿。区别就是神学要求遵从和参透，而科学鼓励突破和改造。

因为在科学走进人们的生活之前，拿来解释自然界各种光怪陆离的统一理论就是：神。你可以想象一下，如果一个古代人，看到了天上在打雷，而且碰巧还劈死了一个人，以当时人类掌握的知识根本没有办法解释这个现象。在经过不停地思考和追问之后，往往会得出一个结论：这小子得罪“神”了！

后来欧洲开始文艺复兴，又办起了新式教育，越来越多的人读书认字儿了。这些识文断字的人慢慢就发现神学的很多解释跟实际观察的现象不一致，这些人就大胆地站出来，说神学错了，科学才是对的，这里最典型的例子就是哥白尼的“日心说”。

日心说真正厉害的地方是在于它破除了人的“直觉”，你想想看，我们每天看到太阳从东边升起、西边落下，自然会觉得太阳是围绕地球旋转的，这个就是直觉。科学家的使命就是寻找直觉背后的真相。

（二）伽利略有多牛

伽利略：近代科学的奠基人之一

伽利略破除直觉的能力就更强大了。这话要怎么说呢，我举个最简单的例子吧，比如地上放着一个皮球，谁都不碰它的话，它是不会动的，这时候来了个小朋友踢了一脚，皮球就会向前滚动。于是，小朋友的直觉就会告诉他，皮球是因为被踢了一脚才动的，所以他会追着皮球去踢它。

这个过程里，直觉告诉我们一个什么结论呢？这就是：所有的物体本身都是静止的，给物体一个作用力，它就会运动。而一旦作用力停下来，物体也会很快停下来。是这个道理吧？

伽利略怎么破除了直觉呢？他认为滚动的皮球在没有人打扰的情况下，会一直保持匀速直线运动。你看看这脑洞大吧，因为他的这个结论在生活中不可能发生，滚动的皮球一定会停下来，我们生活的环境里到处都是摩擦力，不可能观察到有什么物体可以一直保持匀速直线运动。伽利略的这个思考被他的下一代人，也就是牛顿写成了惯性定律，成为了我们今天初中物理课本的内容。

在伽利略前后的几代科学家都在破除了直觉干扰，思考底层的规律和逻辑，这种科学的思想一直延续到了今天。当然，对于从刚从黑暗中世纪走出来的欧洲来说，世界依然被黑暗笼罩，直到伽利略去世的那一年，那个为黑暗世界打开一扇窗的人诞生了，他就是牛顿。

（三）第一座大神：牛顿

科学革命的集大成者--牛顿

说牛顿是科学史上的第一座大神真是一点也不为过，他是科学革命的集大成者，把前辈科学家总结的孤立定律变成了体系。我们要知道，奠定体系是一件特别牛的事情，我举个例子你感受一下：

牛顿总结了力学三大定律，我们在初中物理课本里都学过吧，分别是惯性定律，也就是总结并推广了伽利略的思想；第二定律是把质量、加速度和力统一到了一个非常简单的数学公式里去了，也就是F=ma，简单到只需要3个字母就能把运动和质量的关系说清楚；第三定律呢，又定义了力的相互作用性。这三个定律覆盖的范围从小朋友踢皮球到起重机搬石头，无所不包！

这事儿有多牛呢，自牛顿以后的两百多年，基础力学再也没有突破过这个规则了，无论是搞理论研究的、还是工厂里做测量的、还是课堂上的老师学生，都得按照牛顿的公式来计算，离开了这套体系那是寸步难行。

你想想看，咱们平时要是在工作上做成了一件事儿，帮公司提高了业绩，这都已经够让我们自信的了。人家牛顿做的事儿，可都是前无古人、后面很多年也都没有来者的事情，难怪当年的牛顿去了哪儿就像个大明星一样被前呼后拥，你想想看，这牛顿得有多牛，当时的他得有多自信！

不过老牛确实是有点牛脾气，可能是和他年少时不幸的家庭环境有关系，牛顿的性格比较偏激，在那帮科学家怪叔叔的圈子里都算是极端的，跟我后面要说的那个风流倜傥、谈吐幽默的爱因斯坦相比那更是天上地下。偏激的性格也让晚年的牛顿严重阻碍了科学的进步，他太自信了，只相信自己的判断，比如在“光”这件事儿上。

（四）光的波粒战争

牛顿一直坚持光是一种物质粒子，由七种颜色的粒子混合而成。当然，现在我们都知道了，光有“波粒二象性”，就是说它既是粒子、又是波，但由于老牛的牛脾气，所以当时的光波说法都被他无情地打压了。

直到“杨氏双缝干涉”实验的出现，才正式确认了光这个东西其实是一种波。原因就是光的身上发生了只有“波”才会发生的干涉现象。

实验图就在这里，光源a发出的一束光在经过两个小孔b,c之后，会在后面的挡板d上形成明暗相间的干涉条纹。如果光不是一种波的话，是不可能有条纹出现的。

当然，科学家要完全降服“光”这个东西要等到近代了，当时的人只想搞清楚光就究竟是一种什么样的波呢？在牛顿逝世的104年之后，给出答案的那个人诞生了，他就是物理学的第二尊大神：麦克斯韦。

（五）第二座大神：麦克斯韦

麦克斯韦搞理论研究特别牛，写了一手漂亮的物理学公式，他用4个对称公式描述了磁场和电场，这就是被誉为“最美丽公式”的麦克斯韦方程组。为了表达对科学家的敬意，我把这组公式贴在这里：

最美丽的公式：麦克斯韦方程组。说它美丽是因为它简洁、对称、普适而且内涵深远

在说这组公式为什么“美丽”之前，我得先说一下它的诞生过程：

还记得我小时候物理课本里学过，富兰克林在雷雨天放风筝，以此获得“电”这个东西。事实上，科学家摆弄电和磁这两种东西也有很多年头了，到了法拉第这里他发现了电生磁、磁生电的奥秘，还提出了“场”的概念。

“场”的概念非常非常重要，为什么这么说呢？因为我们知道同性的电荷或者磁体是互斥的、而异性是相吸的，那么电和磁的这种“引力”和“斥力”是通过什么东西在传递呢？我们再想一想，按照牛顿力学的理论，要让皮球飞走，小朋友至少要接触到皮球吧？那么电磁的这种力为什么不需要接触呢？这时候法拉第说了，是因为“场”。电荷之间通过电场传播作用力，而磁体之间的作用力通过磁场传递。

不过很可惜，法拉第这位科学家的脑洞很大而且擅长做实验，甚至通过实验证明了场的存在。但是他的数学能力要差一些，没有办法用数学来证明场的逻辑。这时候比法拉第年轻四十岁的麦克斯韦走到了台前。

麦克斯韦一登场就给出了上面图片里的四个方程，我简单说一下它们表达的含义，顺便带你复习一下高中物理：公式1和2分别解释了电场和磁场的性质；公式3和4解释了磁生电和电生磁的数学公式，全宇宙的电磁现象都可以用这组方程来解释。而且这四个方程极具对称美和自洽性，把电和磁装进了一个体系里，颇有一点阴阳调和的感觉。

如果只是提出了这套方程组，那么麦克斯韦还算不上大神。他还做了两件更牛的事情，第一件事是他证明了电磁波的存在，也就是在空间中传递的电场会产生磁场，而磁场又产生电场，如此反复，它们便可以一直传播下去。第二件事是麦克斯韦通过计算电磁波的速度，发现居然等同于光速，于是他大胆预言：光是一种电磁波！

就这样，电、磁、光这三样东西都被麦克斯韦纳入到了一个体系里，物理学大神的称号，麦克斯韦实至名归！

（六）两朵乌云

如果要用一个词来形容1900年的物理学，那一定就是“岁月静好”了，这个时候的物理学大厦已经建好，“几乎”没有什么科学现象是无法用现有的体系来解释的。

这也让很多在未来会大放光芒的物理学家差点就改行了，很多人当时还在读书，老师都会苦口婆心地劝他们：小伙子，学点啥都行，但千万不能学物理啊，你看看力学、电磁学、光学，你能改一个字算我输。你还年轻，可得想清楚了，学了物理可就注定了这辈子要庸庸碌碌、一事无成了。

但是，在物理学晴朗的天空下，还漂浮着两朵乌云，也就是有两个尚未解决的问题，第一个问题叫“迈克尔逊-莫雷实验”，后来发展出了狭义相对论；第二个问题是黑体辐射，后来发展出了量子力学。真是庆幸那些年轻人没有改行！

好了，我们先从黑体辐射和量子力学说起，准备上车，让我们进入量子的世界。

（七）量子力学1：学啥都要先学框架

量子力学这玩意儿太烧脑，很多文章一上来就讲量子纠缠、量子隧穿，一下子就蒙圈了。我们得学框架，整个框架是这样的：首先我们要知道什么是量子，以及它为什么偏偏要叫“量”子而不是叫老子、孙子、乌鱼子。

然后，我们要抓住量子的最核心特性，这就是不确定性原理和波函数，那些很诡异的量子力学现象大部分都和这两个特性有关系。最后我们还要了解量子的分类方法，因为在这篇文章里，你会看到很多的量子，比如电子、玻色子、胶子、费米子和引力子，看起来容易蒙。当你了解了它们都是根据某些属性做的划分时，一切又都豁然开朗了。好了，沿着这个思路，希望你可以在看完这一part之后，可以对量子力学有一个清晰的认识。

（八）量子力学2：量子是什么

还记得两朵乌云吧，我们先从黑体辐射问题说起。

所谓黑体，听上去很神秘，实际上特别简单，不透光的东西就是黑体，自然界很多啊，比如太阳、火焰、烧红的锅炉，这些都是。黑体有个特点，它会对外辐射电磁波，而且黑体温度不同，辐射电磁波的波长也不一样，比如太阳看起来就是黄黄的。当时工业上需要知道冶金锅炉的温度和辐射波长的计算公式，但奇怪的是，根据麦克斯韦理论推导出来的公式居然跟实验数据对不上，这就是乌云之一的“黑体辐射问题”。

为什么数据会对不上呢？难道是麦克斯韦错啦？如果错了，正确的又是什么呢？

这时候有个物理学家叫普朗克，他做了一件我们小时候都会做的事情，就是当解不出数学题的时候，往往会偷瞄一眼参考答案里最后的那个结果，你回忆一下干过这事儿吧？然后再想尽办法把答案往那个结果上去凑。普朗克就是这么干的，他凑出来了一个完美吻合实验数据的公式！

但问题来了，这个公式要求黑体在向外辐射电磁波的时候不能连续辐射，而是要一份一份地辐射出来。普朗克就把这个一份一份而且不可再分割的东西叫作“量子”。事实上他自己也不知道这是个啥玩意儿，毕竟当年你在凑答案的时候，除了结果是正确的，那个推导过程必定是惨不忍睹的。

这个帅到掉渣的男人就是普朗克，研究量子力学之后，他就变了个样子。所以他一直反对量子力学，还我容颜！

点破“量子玄机”的人是爱因斯坦！

他说量子这个东西跟是不是黑体辐射没关系，只要是电磁波，它的最小单元都是一份一份的、不连续的，也就是量子化的。这个太违背我们的直觉了，要知道我们是生活在一个连续的世界里，比如每天的气温是连续上升的，只要计算尺度足够精确，温度可以一点点的上升。而量子的观点却说，世界存在一个最小的、不可再分的单元，好比说温度会突然从12度跳跃到13度。

爱因斯坦像他的前辈伽利略、牛顿一样破除了直觉，正是用这个匪夷所思的设想，爱因斯坦解释了光电效应，然后拿了个诺贝尔奖。当然，爱因斯坦的伟大是无法用诺贝尔奖来衡量的。

好了，量子的世界被打开了，普朗克发现量子的1900年也被称为量子力学元年。

（九）量子力学-3：从电子说起

经过上文的解释，我们知道只要一个东西，比如电磁波，它存在不可再分割的最小单元，那么这个东西就被称为“量子化”的，这个不可分割的最小单元就叫作“量子”，所以后来出现的那些微观粒子，比如光子、电子、中微子、轻子等都是量子。

电磁波的量子化让科学家们对其它的物理量也产生了兴趣，这就好比你新买了个锤子，总想找颗钉子敲一敲。科学家们找到的钉子是“电子”，这里我得先说一下电子的重要性：

你有没有好奇过一件事儿，我们在化学课本里学过的：电子分布在原子核周围，并且两者之间有很大的空隙，那么为什么没有别的原子穿过这些缝隙呢？比如你用手指触碰水滴，水滴为什么不会渗进手指的皮肤原子里呢？

这是因为，当手指触碰水滴时，原子外层的电子之间会发生电磁作用，你可以把想象成排斥力，这个力阻止了水滴的渗透。事实上，世界上所有的物理和化学反应都是来自外层电子的相互作用，电子是如此重要，所以必须得先敲一敲它。

敲开电子谜题的人叫波尔，也是我们化学课本里经常提到的科学家。他说，电子在原子核周围分布在很多个能级上，但是能级是不连续的，也就是量子化的。这个就是大名鼎鼎的“波尔原子模型”了。

化学课本里的波尔和原子模型

如果波尔的原子模型是对的，那么问题来了，为什么电子不会拥挤到最低能级的轨道上，而是要分布在不同能级轨道上呢？答案就是“泡利不相容原理”，这也是量子力学里最经典的理论了。

不相容原理就是说两个相同的电子不能占据同一个能级轨道，后来被引申为两个相同的费米子不能占据同一个量子态。你肯定不理解这句话了，我来打个比方，有一次我在一个露天音乐节上看到了华晨宇，我当然是很无感啦，但女粉丝们太疯狂，如果没有规则的话，粉丝们会拥到华晨宇的周围，演出就没法进行了。如果华晨宇是原子核，粉丝是电子，那么就相当于所有的电子都拥挤到最低的能级上去了，把原子核围成了一个圈儿。

现在主办方作了个规定，每一排最多只能有2名来自同一个省份的粉丝，按照这个规则的话，每一圈只能有有限个数量的粉丝了，整体的结构也就变成了华晨宇在中间，周边围绕着同心圆一样的一层层的粉丝，是这样吧？粉丝的“省份”属性就对应了电子的“自旋”属性。于是，电子也就一层层的分布在了不同的能级轨道上。

多亏泡利不相容原理，不同原子的“同心圆”才长的不一样，外层电子的排列范围和数量的不同，让不同物质得以表现不同的化学性质。这才有了我们这个丰富多彩的世界。

（十）量子力学-4：海森堡不确定性原理

那么你可能要问了，电子是怎么在原子核周围运动的呢？这个时候有一个年轻人海森堡站了出来，提出了一个“不确定性原理”，他说电子的运动是不确定的，也就是无法同时确定一个电子的位置和动量。

海森堡的论证是这样的：你要想知道一个电子在哪里，总要用光去照一照它吧，但是光子的能量比电子大的多，一旦接触上，就会把电子打飞。他管这个叫“测不准”原理。事实上，电子不是测不准，而是真的不确定。电子有可能在这儿、也有可能在那儿，一切都是随机！

如果你试图确定电子的位置，那么它的动量就会趋向于无穷大；如果想要固定住电子的动量，那它的位置就可能出现在宇宙中的任何地方。另外，时间和能量也是这么一对不确定性关系。

如果你不接受这个解释啊，也没关系，因为爱因斯坦也不接受这个解释，直到去世他都认为一定是有某种未知的因素导致了“不确定性”。当然了，后世的科学家已经用无数个实验证明了量子的不确定性，爱因斯坦确实错了。

“单电子双缝干涉”：一个电子可以同时通过两个缝隙，自己跟自己发生干涉。这就是电子在空间的不确定导致的

（十一）量子力学5：波函数和量子纠缠

更让爱因斯坦不能接受的是那个“幽灵般的超距作用”，也就是“量子纠缠”。这个要从薛定谔的波函数说起。

写出波函数的薛定谔其实也反对量子力学，所以在公式写出来之后，连老薛本人也搞不懂是什么意思，还是另外一个叫波恩的科学家给解释了一下，大家才搞明白。

波函数更准确的名字应该是“状态函数”，它描述了一个量子可能的各种状态的“叠加形式”。也就是说，量子本身是处于一个“叠加态”的状态，一个电子既在这里、又在那里的一个叠加状态。

我举一个不太恰当的例子， 好比你有一个很善变的女朋友，每次你问她想吃什么，她都会给你一个答案，比如火锅；等会儿你再问她，她又改口说饺子了，总之每次说的都不一样。如果让她自己表态呢，她就会说“火锅饺子我都可能吃，就看你懂不懂我咯？”。

也就是说，在询问之前，她处于一个既可能吃火锅又可能吃饺子的叠加态，要通过询问才能得到确定的答复。这个例子不是特别恰当，因为在量子世界，量子在没有被询问（观察）之前，它真的既在吃饺子又在吃火锅。

后来有个叫狄拉克的科学家把波函数和狭义相对论结合了起来，给出了著名的狄拉克方程。这个方程有个特别的地方，就是在里面可以解出带正电的电子，这是人类第一次预言“反物质”的存在。

好了，不管如何，你理解了波函数用来描述量子叠加态的状态就行了，我现在讲量子纠缠。还是用女朋友来打比方，假如她还有个孪生姐妹，跟她一样矫（可）情（爱）。但孪生姐妹之间有某种奇怪的心灵感应，无论她俩距离多远，你问同一个问题，一定会得到相反的答案。

比如你问吃什么，姐姐说饺子，那么从妹妹瞬间就脱口而出：吃火锅。注意，姐妹俩之间没有任何沟通。这对孪生姐妹姐妹就被叫做“纠缠在一起的量子对”，她们的这种奇妙感应就叫“量子纠缠”。

纠缠量子对是实验室的产物，科学家们发现制造的纠缠量子具有相同的叠加态，无论他们距离多远，一个量子自旋-1/2，另一个一定会瞬间自旋 1/2，顺便说一句，我们在现实世界里无法理解自旋1/2，也就是自转2圈回到原点。

自旋1/2就是自转2圈后回到原点，这是数学的产物。莫比乌斯环能让你感受一下这个奇妙过程，跑几圈回到原点呢

（十二）量子力学6：量子通信

无论量子距离多远，量子对都能瞬间发生“超距感应”。是不是感觉这个物理现象很有用啊？比如我们派孪生姐妹里的姐姐去太空寻找外星生命，找到了就扣个1，按照纠缠原理，地球上的“妹妹”就会瞬间扣个0，这样不就能快速完成星际探索了吗？答案是，不可以！

原因是这种超距通信不传递任何信息，怎么理解呢，就是说无论有没有找到外星生命，姐姐都可能扣1，也可能扣0，究竟是扣1还是0完全随机。这个完全符合狭义相对论的定义，也就是不存在任何超过光速的信息传递。

好吧，那这么说的话，量子纠缠就一点用也没有了吗？那可不是。

“量子通信”用的就是量子纠缠的原理，只不过不是用来传递信息，而是要把信息加密，准确的说，量子通信应该叫量子加密通信。这个要怎么理解呢？

在很多的抗日神剧里经常有个情节，敌人会想尽办法获取我党的密码本，这样就可以破译我党的电文了。量子纠缠就相当于是这个密码本，也叫密钥。这个过程怎么实现呢？我可以制造很多的纠缠光子对，发送给你，这样我们就得到了一组随机而且彼此知道结果的0和1，对吧？相当于我们沟通了密码本，然后再用传统的信息通道，比如互联网，把信息用密钥加密后传给你，你接收到信息之后，再用你那边的密码本解密就可以了。

这种密钥的好处是它只用一次，而且完全不怕被窃听和劫持，安全性那是非常的高，理论上没有被破译的可能。所以量子通信是一个无比坚固的安全盾牌，不过话说回来，盾牌的价值需要在出现无比锋利的利刃时才能体现，目前的利刃都还太钝了。

我国在量子通信领域走的很靠前，现在距离最长的量子通信网络就在我国。传输距离是限制量子通信的最大障碍了，因为距离越长，光子在传输的过程中就越容易“退相干”。这是什么原因呢，要从薛定谔家的猫说起。

（十三）量子力学7：薛定谔的猫和量子隧穿

你可能不知道量子力学是干嘛的，但你一定听说过“薛定谔的猫”，它其实是薛定谔的一个思想实验，理解这个实验的关键有两点：一是要知道这是薛定谔用来反对量子力学的；二是要搞清楚“不知道”和“不确定”之间的区别。

量子力学这玩意儿太诡异，以至于很多为量子力学奠基的科学家，都不同程度的反对量子力学，比如薛定谔，他说，一个粒子怎么可能处于两种状态的叠加态呢？

薛定谔的猫

为了推翻不确定性，薛定谔给了思想实验：假设有一个漆黑的盒子，里面放了一只猫，还放了一个处于既衰变、又不衰变的叠加态的粒子，这个粒子连接了一个毒气罐的开关，一旦粒子衰变，毒气就会释放然后把猫给毒死。

问题来了，伴随着粒子衰变的不确定性，那么这只猫究竟是个什么状态呢？它是不是会跟随粒子一起，处于一个“既被毒死、又不会被毒死”的“不死不活”的一个叠加态呢？

薛定谔觉得啊，这就是个悖论，一只猫怎么可能处于不死不活的状态呢？如果猫都有不确定性了，那么人呢？这个世界还是真实客观的吗？

后来我们都知道了，这个问题答案是“退相干”。也就是说，猫确实是有叠加态的，不过这个叠加态不仅仅只包括那个粒子，还要把毒气、空气和猫自己等所有的东西都计算进去，而一旦这个叠加态被这么多东西干扰，它就会立刻表现出“退相干”，也就是立刻坍缩到一种确定的状态了。

所以，无论是否打开盒子，猫的“死活”都是一个客观存在的、确定的事情。这句话很重要。因为我们要理解“不知道”和“不确定”之间的区别。

你没有打开盒子，就不知道猫的死活；你收到个快递，没打开之前，就不知道生鲜烂了没有；硬币没有落地，你不知道是人头还是字，这个统统叫“不知道”，也就是你不确定结果是什么，但结果是确定的。

把猫放进去的一瞬间，粒子已经确定衰变状态了；生鲜烂不烂跟你开不开快递没关系，闻闻味道也知道了；如果你知道抛出硬币的力量、角度、空气阻力、地面摩擦力，就完全可以计算出是人头还是字，这都是客观确定的，只是你不知道结果而已。

但是，量子的不确定性，是真不确定！无论如何计算，它就是不确定的。

所以，理解薛定谔的猫，最重要的就是搞清楚薛定谔想得出一个“猫不死不活的悖论”，但是实验得到的结论却是“不知道猫的死活”。也就是说，包括猫在内的宏观物体它们退相干的速度太快，所以不会表现出“量子不确定性”，这个世界还是客观的，而你觉得不确定，只是因为“你不知道”。

薛定谔虽然不喜欢量子不确定性，但他对量子力学的贡献是非常巨大的，比如用薛定谔的波动方程就可以推导出“量子隧穿”效应，简称“穿墙术”，也就是量子有时候可以穿过本来无法通过的“墙壁”。

这个效应还是因为量子的不确定性，由于能量的不确定，所以有时候“能量就会大那么一点点”，正是这一点点的能量让量子达到穿墙的最低值，于是就穿了过去。

量子隧穿对我们的影响非常大，比如太阳就是在温度仅有1500万度的情况下，发生了在地球上需要1亿度才能发生的核聚变，原因就是发生了量子隧穿，而太阳核聚变是光和热的来源；再比如今天用来观察原子结构的“扫描隧道显微镜”，它的原理就是扫描物体表面时，一些电子发生了隧穿，从而被探针捕获到；另外今天在研究的量子计算机用到的超导芯片，原理也是量子隧穿。

既然我们说到了核聚变，就不得不说说下面这个方程了，E=mc²。让我们先告别一下量子力学，去看看爱因斯坦都做了些什么。

（十四）第三座大神：爱因斯坦和狭义相对论

爱因斯坦的伟大之处在于他完全颠覆了人类的时空观，这个要从相对论说起。

狭义相对论实际上是一个看上去特别简单的理论，至少比量子力学容易理解。爱因斯坦提出相对论就是为了解决一个问题，也就是第二朵乌云：迈克尔逊-莫雷实验，这个实验的目的是要搞清楚一个问题：光速究竟是相对于谁的？

当时的科学家已经发现，无论光在哪里传播，它的速度始终不变，都是30万公里每秒。这个结论的问题很严重，因为假如光是依靠某种物质传播，例如空气或者水，由于介质不同，光速一定是会发生变化的。你可能要问了，光速相对于谁，这个问题很重要吗？答案是非常重要。

因为按照牛顿力学的理论，速度是相对的，而且是可以叠加的。什么意思呢？比如你站在路边看一列火车驶过，火车上一个人在向前跑步，火车速度是u，跑步速度是v，于是跑步的人相对于你的速度就是u v，没问题吧？

但把速度换成光速时，一切就变了。还是在这列火车上，这个人不跑步了，而是打开了一个手电筒，手电筒发出的光以光速c向前，那么按照速度叠加原理，你观察到的光速是不是u c呢？也就是超过了光速c。但现实啪啪打脸，无论怎么测试，光速就是不变。

揭开谜题的还是爱因斯坦。爱因斯坦说了：一切惯性系的坐标下，物理定律都是一样的。这句话就是相对性原理。

看不懂没关系，我来翻译一下：无论是在火车上观察手电筒的光，还是在路边观察这束光，光的速度都是不变的，而且无论以谁为参照物，物理定律都一样。说到这里，你可能感觉哪里怪怪的，没错，如果速度不变，会有很大的问题。

从打开手电筒到车头接收到光这两个事件之间，光在车内走了L2距离，在路人看来，光走的距离是L1 L2

对于车上的人来说，手电的这束光走过的路程就是整个列车的长度L2。好了，站在路边的人也观察了这束光，那么站在他的角度，这束光走过的路程就包括了列车的长度加上列车在这个时间段内自己走过的路程L1。

很明显，L2<L1 L2

如果我们再把距离除以光速，就得到了光在不同参考系下走过的时间：

t1=L2/c，t2=(L1 L2)/c

很明显，t1<t2

t1<t2这个结论是在告诉我们一件事情：我们的时空观错了！在路边的人看来，自己的时间过的比较快，而列车上的时间过的比较慢，也就是说：运动的物体时间会变慢。

我们平时感觉不到这个变化，是因为我们的运动速度都太低了，对时间感知的差异几乎为零。如果我们是宇航员呢，乘坐接近光速的宇宙飞船，那么从地球人的角度来看，宇航员的时间就会变慢。我们在科幻片里看到的，宇航员执行任务晃悠了几十年才回来，还是可以永葆青春，就是这个道理。

而且运动的物体还会使长度收缩，比如你站在地球上看宇宙飞船需要1年才能到达火星，而实际上他只需要半年就能到了，这是因为在你看来，它的时间变慢了。但是飞船的速度是不变的，所以在飞船看来，地球到火星的距离就缩短了。

以上就是狭义相对论里“时间膨胀”和“长度缩短”的结论，是不是看起来很简单呢？

（十五）质能方程

狭义相对论里还有一个重要的结论，这是爱因斯坦在做洛伦兹变换时，用数学推导时得到了一个公式，就是那个著名的“质能方程”：E=mc²

质能方程的含义也很简单：质量m和能量E可以做转换，转换的乘积是光速的平方。因为光速平方这个数值特别大，所以只需要一点点的质量就可以得到很大的能量。

核裂变和核聚变，也就是制造原子弹和氢弹的技术，它们的理论基础都是这个公式。核裂变和核聚变是两种相反的过程，裂变就是让原子核分裂，聚变就是让原子核合并，不管是哪种方式，变化前后的原子核只是损失掉了一点点质量，但却可以释放出巨大的能量，我说个数据你感受一下：1克的铀-235就可以释放出相当于2.5吨煤燃烧释放的热量。

（十六）颠覆时空的广义相对论

爱因斯坦在1905年提出的相对论也叫做狭义相对论，但是在当时，这套理论并没有把“引力”考虑进去。之后爱因斯坦苦思十年，在1915年提出了广义相对论。

广义相对论完全颠覆了全人类的时空观，在他的理论里，压根就没有引力什么事儿。所谓大道至简，这套理论虽然数学推导特别难，难到了连爱因斯坦都要求助数学家才完成了理论工作，但是从概念上来说，广义相对论理解起来比较容易。两句话就可以解释：

物质告诉时空怎么弯曲，时空告诉物质怎么运动。

具体解释起来就是，任何有质量的物体都会引起周围时空的弯曲，而处于这些弯曲时空的物体都在继续做匀速直线运动。

所谓引力，就是地球把周围空间给弯曲了，这就让原本在做匀速直线运动或者静止的物体，出现了一个向地球运动的加速度。比如下面图片里的那个苹果，本来它应该是静止的，但由于时间的变化，空间被弯曲，苹果就会被弯曲的空间“拉”向地球。

地球的质量非常大，极大的弯曲了周围的时空

如果把时间切成“薄片”，可以看到本来静止的苹果是被弯曲的时空“拉”进地面的

爱因斯坦的脑洞真是太大了，他居然把引力想象成了时空的弯曲，也难怪他自己都说：如果我不提出广义相对论，那么再过五十年也很难有人能提出来。

另外，广义相对论里还发展出了两个重要的结论，这就是：引力波和黑洞。但是爱因斯坦的思想实在是太先进，直到100年后的2016年，科学家才用极光干涉引力波天文台，简称“LIGO”，探测到了双黑洞合并的引力波信号。这次，爱因斯坦又对了！

（十七）杨振宁和“杨-米尔斯”理论

好了，到了这个时候，物理学似乎又是“岁月静好”了：人类一切的物理现象都可以引力和电磁力来表达，而引力是基于广义相对论来描述的，电磁力基于麦克斯韦方程组。

但是很可惜，好景不长，随着实验技术的进步，物理学家们又发现了两种新的力：强力和弱力。所谓强力就是把原子核中的质子和中子束缚在一起的力，弱力是导致原子核放射性发射的力。

这还不算完，粒子领域也有大的突破，科学家发现质子和中子都是由夸克组成的。夸克之间的作用力是来自于两个夸克相互交换“胶子”，这个过程可以理解为两个人手里拿着一根橡皮筋，你拉我一把，我再拉你一把，于是远远的看上去，两个人就好像被“粘”在了一起。

看到这里你可能要蒙圈了，怎么又出来了一个胶子？还有质子、中子、光子，根本分不清楚。事实上，随着实验的进步，到了上世纪60年代，科学家们已经发现了多达二百种粒子了！但是好在它们的相互作用力还只限于我们知道的四种：引力、电磁力、强力和弱力。

这下子麻烦大了，这么多粒子和它们的作用力，究竟用个什么框架去统一呢？它们之间究竟遵循什么规律呢？这个时候，杨振宁出手了，提出了“杨-米尔斯理论”。

杨振宁先生和“杨-米尔斯理论”

杨-米尔斯理论本质上是个数学框架，你可以把它简单的理解为一个代入公式，也就是把已知项A代入到公式里，就可以计算出结果B。

这个已知项A就是某种“对称性”，你可以把它理解为某种广泛存在的物理属性。计算结果B就是玻色子数目和粒子的相互作用力。

杨-米尔斯理论的核心思想就是：对称决定相互作用。

简单科普一下玻色子。科学家们用粒子的自旋属性把它们分为了两类，分别是自旋为半整数的费米子和自旋为整数的玻色子，费米子是组成物质的基本单元，比如夸克、电子都是费米子，而玻色子是传递作用力的粒子，比如光子、胶子。

所以，一旦用杨-米尔斯理论确定了玻色子，也就等同于确定了粒子的相互作用了。

有了杨老的这套理论，逻辑就变的简单了，去找“已知项”，然后套进公式里。比如说，科学家找到了（弱）同位旋这种弱力和电磁力的已知项，进而得到了弱电统一理论；然后又找到了夸克的色对称这个已知项，进而得到了描述强力的量子色动力理论。在这个基础之上，粒子物理学的标准模型诞生。

可以这么说，杨-米尔斯理论是现代物理学大厦的理论基础，它把“绝大部分”的粒子和作用力都用一套公式解决了。更为重要的是，杨老的“对称决定相互作用”这一开创性的理念已经成为现代科学家的金科玉律，杨老的思想光芒熠熠生辉！

（十八）宇称不守恒

杨-米尔斯理论可以说是杨老最伟大的科学贡献了，不过让他拿到诺贝尔奖的却是另外一项科学研究，这就是：宇称不守恒。

“宇称”是个量子物理学名词，指的是粒子在空间中反演之后，各种物理属性都是对称守恒的，“宇称不守恒”就是粒子反演之后不守恒了。这个可以这么理解：就好比是照镜子，镜子里你左右是反着的，但是完全不影响你的任何动作在镜子里的镜像，比如你抬一抬胳膊，镜子里的你也会做一样的动作，这就是守恒。不守恒才是见了鬼呢，可是物理学就是一个细思极恐的科学。

1956年，杨振宁先生和李政道先生发表了论文《弱相互作用中的宇称守恒质疑》，在物理界引起了巨大的反响，一年后华人科学家的吴健雄女士通过钴-60的衰变证明了宇称不守恒，也是在这一年，杨振宁和李政道获得了诺贝尔物理学奖。

当然，物理学家不会只停留在宇称不守恒的结论上，他们很快发现，如果把反物质电荷正负的对称性也加入到对称理论里去，居然也是不守恒的，在物理学上叫“CP不守恒”。

CP不守恒的意义非常重大，因为正物质和反物质所有的物理属性一模一样，只是电荷不同，它们碰撞在一起就会发生湮灭，直接就没了。可以想象，如果CP是守恒的，那么宇宙在起源的时候，正反物质一样多，一碰就都没了，那么这个世界就不存在了。正是因为在宇宙形成的过程中，正物质比反物质多了那么一丢丢，才有了我们这个丰富多彩的世界。

那么宇宙就是不守恒的了吗？当然不是，物理学家后来发现，只有把宇称（P）、电荷（C）和时间（T）放在一起才是守恒的，也叫CPT守恒。换句话说，也就是不仅要照镜子，还要改变电荷，而且还要“把电影倒着放”，才能守恒。

（十九）圈量子理论

不知道你有没有注意到，我刚刚在讲杨－米尔斯理论的时候，说它考虑了绝大部分的力，也就是说还有这套理论解释不了的吗？有，这就是引力。

事实上，引力是四种作用力中最弱的，但同时也是最广泛的，只要有质量的物体之间就会存在引力，连暗物质暗能量都不例外，但引力却是最难降服的。

你可能要问了，我们继续用“套公式”的方法找个已知项把引力也拿来套一下，计算出玻色子不就可以了吗？

科学家们最开始还真是这么做的，而且基于玻色子传递作用力的路径，假设了引力的传递是依靠一种叫作“引力子”的东西，不过很可惜，到目前为止引力子都没有被实验证实过。这种把引力量子化的门派也被称为圈量子学派，不过这个理论还是把引力给单独的考虑了，并没有把几种力给统一，算不上一个“大一统理论”。

最重要的是，爱因斯坦在广义相对论里已经说的很清楚了，时空弯曲的几何效应导致了物体被“拉”了进去，这才是引力的本质。而时空是连续的才能被弯曲，又怎么能是量子化的呢？也就是说，在引力这个东西上，量子理论和广义相对论是有矛盾的，它们的矛盾要怎么协调呢？

（二十）超弦理论

既然协调不了量子力学和广义相对论的矛盾，那就用一个更大的理论来盖过你们俩吧，这个理论就是：“超弦理论”。

超弦理论认为，组成这个世界的基本元素是一根根的弦，你可以把它想象成一根琴弦或者橡皮筋，不过这个弦是一维的，而且非常小，小到它的尺寸只有10的负35次方米那么大，你想要观察它吗？劝你还是死了这条心吧，在人类能看得到的未来，都不可能观察到它。有科学家计算过，要观察到弦，需要一个银河系那么大的粒子加速器。

所以，先定个调子，超弦理论只是理论层面的假设和推演，目前没有任何物理实验可以证明它。

那么要怎么理解这个“弦”呢？简单来说，就是所有的粒子实际上都是弦的震动产生的，不同的震动方式产生了不同的粒子，而且这种震动不是四维的（空间三维＋时间），而是十一维的，我们看不到的维度都被压缩到了极小的空间里了。呃，是不是很难想象？

虽然很难理解，但现实情况是，在今天的理论物理学界，如果你不研究超弦理论，那就是妥妥的非主流，至于这条路对还是不对呢，这个谁也不知道，但不可否认的是，今天的理论物理学又一次走到了一个新的“瓶颈”。、

尾声

上一次物理学的瓶颈是在牛顿发表《自然哲学的数学原理》之后，二百年的时间里至少在力学上都没有颠覆性的突破，一直到爱因斯坦的出现。而到了最近几十年，似乎又一次陷入了新的瓶颈。

不过这丝毫不影响过去几百年人类工业文明的进步，工业总是要滞后于理论发展的。从牛顿降服了力，人类开始具备了认识自然和改造自然的能力，伴随第一次工业革命爆发，人类正式进入机器时代。又过了100多年，科学革命成为了第二次工业革命的助推器，从那个时候起，人们再也不能忽视科技对生活的影响，发电机、内燃机、无线电等等太多的发明创造是以科学作为理论指导的，自那以后，人类像坐着火箭一样地进入现代化。之后的第三次工业革命，科技的作用更是势不可挡，信息技术、生物革命、航天科技太多太多的变化在这个时代发生，很多在一百年以前甚至五十年前压根儿不敢想象的事情，在今天已经司空见惯，相信作为中国人的我们，这种感受尤为明显。

也正是因为工业创新依赖前沿理论的突破，所以今天理论物理的瓶颈总是让很多人担心，再过几十年，会不会就要把理论的库存给耗尽了呢？但是，科学的进步一直都不是一个能够持续爆发的过程，就像是一个水闸一样，要积累足够的势能，才能在释放的一刹那让我们感受到它的惊涛骇浪。至少我们绝对可以庆幸一点，过去一百多年的理论成果已经足够丰硕，工业上还需要很长很长的时间才能消化。

我们所能做的就是接着蓄势，然后期待下一个科学革命的诞生。

全文完。

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