1700962722
1700962723
最后，很有可能，我们对宇宙终极命运的理解也离不开量子论。大爆炸的最初发生了什么？是否存在奇点？在奇点处物理定律是否失效？因为在宇宙极早期，引力场是如此之强，以至量子效应不能忽略，我们必须采取有效的量子引力方法来处理。在采用了费曼的路径积分手段之后，哈特尔（就是提出DH的那个）和霍金提出了著名的“无边界假设”：宇宙的起点并没有一个明确的边界，时间并不是一条从一点开始的射线，相反，它是复数的！时间就像我们地球的表面，并没有一个地方可以称为“起点”。为了更好地理解这些问题，我们迫切地需要全新的量子宇宙学，需要量子论和相对论进一步强强联手，在史话的后面我们还会讲到这件事情。
1700962724
1700962725
量子论的出现彻底改变了世界的面貌，它比史上任何一种理论都引发了更多的技术革命。核能、计算机技术、新材料、能源技术、信息技术……这些都在根本上和量子论密切相关。牵强一点说，如果没有足够的关于弱相互作用力和晶体衍射的知识，DNA的双螺旋结构也就不会被发现，分子生物学也就无法建立，也就没有如今这般火热的生物技术革命。再牵强一点说，没有量子力学，也就不会有欧洲粒子物理中心（CERN），而没有CERN，也就没有互联网的www服务，更没有划时代的网络革命，而各位呢，也就很可能看不到我们的史话，呵呵(3) 。
1700962726
1700962727
如果要评选20世纪最为深刻地影响了人类社会的事件，那么可以毫不夸张地说，这既不是两次世界大战，也不是共产主义运动的兴衰，也不是联合国的成立，或者女权运动、殖民主义的没落、人类探索太空……它应该被授予量子力学及其相关理论的创立和发展。量子论深入我们生活的每一个角落，它的影响无处不在，触手可及。许多人喜欢比较20世纪齐名的两大物理发现―相对论和量子论，争论它们究竟谁更“伟大”，从一个普遍的意义上来说，这样的比较是毫无意义的，所谓“伟大”往往不具有可比性。正如人们无聊地争论李白还是杜甫，莫扎特还是贝多芬，汉朝还是罗马，贝利还是马拉多纳，Beatles还是猫王……然而，如果仅从实用性的角度而言，我们倒可以毫不犹豫地下结论说：是的，量子论比相对论更加“有用”。
1700962728
1700962729
也许我们仍然不能从哲学意义上去真正理解量子论，但它的进步意义依旧无可限量。虽然我们有时候还会偶尔怀念经典时代，怀念那些因果关系一丝不苟，宇宙的本质简单易懂的日子，但这也已经更多的是一种怀旧情绪而已。正如电影《乱世佳人》的开头不无深情地说：“曾经有一片属于骑士和棉花园的土地叫作老南方。在这个美丽的世界里，绅士们最后一次风度翩翩地行礼，骑士们最后一次和漂亮的女伴们同行，人们最后一次见到主人和他们的奴隶。而如今这已经是一个只能从书本中去寻找的旧梦，一个随风飘逝的文明。”虽然有这样的伤感，但人们依然还是会歌颂北方扬基们最后的胜利，因为我们从他们那里得到更大的力量、更多的热情，还有对于未来更执着的信心。
1700962730
1700962731
上帝掷骰子吗？：量子物理史话（升级版） [:1700958661]
1700962732
Part. 4
1700962733
1700962734
但量子论的道路仍未走到尽头，虽然它已经负担了太多的光荣和疑惑，但命运仍然注定了它要继续影响物理学的将来。在经历了无数风雨后，这一次，它面对的是一个前所未有的强大的对手，也是最后的终极挑战―广义相对论。
1700962735
1700962736
标准的薛定谔方程是非相对论的，在它之中并没有考虑到光速的上限。但正如同我们在上一节讨论过的那样，这一缺陷最终由狄拉克等人所弥补，最后完成的量子场论实际上是量子力学和狭义相对论的联合产物。当我们仅仅考虑电磁场的时候，我们得到的是量子电动力学，它可以处理电磁力的作用。大家在中学里都知道电磁力：同性相斥，异性相吸。量子电动力学认为，这个力的本质是两个粒子之间不停地交换光子的结果。两个电子互相靠近并最终因为电磁力而弹开，这其中发生了什么呢？原来两个电子不停地在交换光子。想象两个溜冰场上的人，他们不停地把一只皮球抛来抛去，从一个人的手中扔到另一个人手中，这样一来他们必定离得越来越远，似乎他们之间有一种斥力一样。在电磁作用力中，这个皮球就是光子！那么异性相吸是怎么回事呢？你可以想象成两个人背靠背站立，并不停地把球扔到对方面对的墙壁上再反弹到对方手里。这样就似乎有一种吸力使两人紧紧靠在一起。
1700962737
1700962738
但是，当处理原子核内部的事务时，我们面对的就不再是电磁作用力了！比如说一个氦原子核，它由两个质子和两个中子组成。中子不带电，倒也没有什么，可两个质子却都带着正电！如果说同性相斥，那么它们应该互相弹开，而怎么可能保持在一起呢？这显然不是万有引力互相吸引的结果，在如此小的质子之间，引力微弱得基本可以忽略不计，必定有一种更为强大的核力，比电磁力更强大，才可以把它们拉在一起不致分开。这种力叫作强相互作用力。
1700962739
1700962740
1700962741
1700962742
1700962743
力的本质
1700962744
1700962745
聪明的各位也许已经猜到了，既然有“强”相互作用力，必定相对还有一种“弱”相互作用力，事实正是如此。弱作用力就是造成许多不稳定的粒子衰变的原因。这样一来，我们的宇宙中就总共有4种相互作用力：引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。它们各自为政，互不管辖，遵守着不同的理论规则。
1700962746
1700962747
但是，4种力？这是不是太多了？所有的物理学家都相信，上帝―大自然的创造者―他老人家是爱好简单的，他为什么要吃力不讨好地安排4种不同的力来让我们头痛呢？也许，只不过是我们还没有领悟到宇宙的奥义而已，我们眼中看到的只不过是一种假象。或者在这4种力的背后，原来是同一种东西？
1700962748
1700962749
大家已经看到，在量子电动力学中，电磁力被描述为交换光子的结果。日本物理学家汤川秀树预言，强相互作用力和弱相互作用力必定也是类似的机制。只不过在强相互作用力中，被交换的不是光子，而是“介子”（meson），而弱作用力中交换的则是“中间玻色子”。这些预言不久后相继得到了证实，使得人们不免开始怀疑，这3种力其实本质上是一个东西，只不过在不同的环境下显得非常不同而已！特别是弱相互作用力，它的理论形式看上去同电磁作用力极其相似，当李政道与杨振宁提出了弱作用下宇称不守恒之后，这一怀疑便愈加强烈起来。终于到了60年代，美国人格拉肖（Sheldon Glashow）、温伯格（Steven Weinberg）和巴基斯坦人萨拉姆（Aldus Salam）成功地从理论上证明了弱作用力和电磁力的一致性，他们的成果被称为“电弱统一理论”，3人最终因此而获得1979年的诺贝尔奖。该理论所预言的3种中间玻色子（W＋、W－和Z0 ）到了80年代被实验所全部发现，板上钉钉地证实了它的正确。
1700962750
1700962751
物理学家们现在开始大大地兴奋起来了：既然电磁力和弱作用力已经被证明是同一种东西，可以被一个相同的理论所描述，那么我们又有什么理由不去相信，所有的4种力其实本来都是一样的呢？在物理学家们看来，这是一个天经地义的事情，上帝必定只按照一份蓝图，一个基本方程来创造我们的宇宙，而不会无端端地搞出三四种乱七八糟的不同版本来。如果有物理版的《独立宣言》，那里面一定会有这样的句子：
1700962752
1700962753
我们认为这是不言而喻的事实：每一种力都是被相同地创造的。
1700962754
1700962755
We hold the truth to be self-evident, that all forces are created equal.
1700962756
1700962757
是啊，一定存在那样一个终极理论，它可以描述所有的4种力，进而可以描述宇宙中所有的物理现象。这是上帝最后的秘密，如果我们能把它揭示出来的话，无疑就最终掌握了万物运作的本质。这是怎样壮观的一个景象啊，那时候，整个自然、整个物理就归于一个单一的理论之中。它的光辉普照，洒遍每一寸土地，再没有不可知的阴暗角落，哪个物理学家能够抗拒这伟大的目标呢？现在，戎马已备，戈矛已修，我们浩浩荡荡的大军就要出发了，去追寻那个失落已久的统一之梦。
1700962758
1700962759
如前所述，我们的第一个战略目标已经达成：弱作用力和电磁力如今已经被合并了。接下来，我们要进军强相互作用力，这块地域到目前为止被“量子色动力学”（QCD）统治着。大家已经知道，强相互作用力本质上是交换介子的结果，那些能够感受强力的核子也因此被称为“强子”（比如质子、中子等）。1964年，我们的盖尔曼提出了一个如今家喻户晓的模型：每一个强子都可以进一步被分割为称为“夸克”（quark）的东西，它们通过交换“胶子”（gluon）来维持相互的作用力！稀奇的是，每种夸克既有不同的“味道”，更有不同的“颜色”，这成了“量子色动力学”名称的由来。到目前为止，这个理论被证明是相当有效和准确的，要推翻其位而吞并其土，似乎不是一件太容易的事情。
1700962760
1700962761
幸运的是，虽然兵锋指处形势紧张严峻，大战一触即发，但两国的君主却多少有点血缘关系，这给和平统一留下了余地：它们都是在量子场论的统一框架下完成的。早在1954年，杨振宁和米尔斯就建立了规范场论，吸取了对称性破缺的思想之后，这使得理论中的某些没有质量的粒子可以自发地获得质量。正因为如此，中间玻色子和光子才得以被格拉肖等人包含在同一个框架内，从而统一了弱电两种力。而反观量子色动力学，它本身就是模仿量子电动力学所建立的，连名字都模仿自后者！所不同的是光子不带电荷，但胶子却带着“颜色”荷，但如果充分地考虑自发对称破缺的规范场，将理论扩充为更大的单群，把胶子也拉进统一中来也并非不可能。或许，我们不必诉诸武力，只要在宪政制度上做一些松动和妥协，就可以建立起一个包容3种力的理论来。
1700962762
1700962763
这样的理论被骄傲地称为“大统一理论”（Grand Unified Theory，GUT），自它被第一次提出以来，已经发展出了多个变种。但不管怎样，其目标都是统一弱相互作用力、强相互作用力和电磁力3种力，把它们合并在一起，包含到同一个框架中去。不同的大统一理论预言了一些不同的物理现象，比如质子可能会衰变，比如存在磁单极子，或者奇异弦，等等。但可惜的是，到目前为止这些现象都还没有得到确凿的证实。不过无论如何，大统一理论是非常有前途的理论，很多人相信它的胜利是迟早的事情，我们终将达到3种力统一的目标。
1700962764
1700962765
1700962766
1700962767
1700962768
物理世界的疆域
1700962769
1700962770
可是，虽然号称“大统一”，这样的称号却依旧是名不副实的。就算大统一理论得到了证实，天下却仍未统一，四海仍未一靖。人们怎么可以遗漏了那块辽阔的沃土―引力呢？GUT即使登基，它的权力仍旧是不完整的，对于引力，它仍旧鞭长莫及。天无二日，民无二君，雄心勃勃的物理学家们早就把眼光放到了引力身上，即使他们事实上连强作用力也仍未最终征服。正可谓尚未得陇，便已望蜀。
1700962771