1704607460
这些原理中的两个——相对性和规范不变性都是对于对称性的描述。这里的“对称性”是指“变换保持不变”，或者更优雅地说是“不变之变”（change without change）。圆形能很好地解释这个概念，我们可以围绕圆心旋转来对圆进行变换，圆上的每个点都在移动，所以这是一个真正的变换，但是圆作为一个整体并没有改变。同样，狭义相对论的核心假设是，我们可以以恒定的速度来变换物理世界中所有物体的属性（从而改变我们观察到的物体的速度），但保持这些物体所遵守的物理定律不变。规范不变性涉及更多我们不熟悉的属性（相对于“速度”这个属性来说），但是表达的思想是一样的。这就是物理定律的不变性，这样我们就可以让物理定律在不同情况下都表现相同的结果。
1704607461
1704607462
第三个原理——量子力学是一个广泛的框架，而不是一个具体的假设。这方面它类似于经典（牛顿）力学，告诉你物体在力的作用下如何运动，但不告诉你力是什么。量子力学在细节上更加模糊（这里我是指动态变量的替代选择和所谓的顺序不确定性）。因此，在我们的核心理论出现之前，量子力学在一些特定的物理问题上总是需要进行猜想。但是核心理论总是要求唯一的答案，下一节我会深入地讨论为什么会这样。虽然并不是所有的人都认可这样，但是我觉得，公平地讲，只有从核心理论的角度，我们才能准确地理解什么是量子力学。
1704607463
1704607464
结果证明，很难找到一个统一的公式把相对论与量子力学的理论结合起来。研究这一领域的是相对论性的量子场理论（relativistic quantum field theories），包含了很多定义不明确的基本量或者无限量。只有精心地进行组合，消除无限量，才能用于物理世界建模。为了得到这些，我们必须用非常特殊的方法来确定量子力学的框架，才能消除所有的不确定性。这些用于解释基本原理的理论很难被发现，因为它们并不太一致。但这些也给我们带来了明显的好处，让我们能找到非常精确的公式和方法，这些公式非常有用，因为它们对于变化能够保持一致性。
1704607465
1704607466
新原理
1704607467
1704607468
从基本原理得出的两个结论也很基础、很重要，虽然本章只是一篇简介，但还是值得一提。
1704607469
1704607470
自然世界中的主要物质是空间填充（space-filling）、持久场（persistent fields，如时间填充）。粒子，如电子，是相应的场的激发态。所以所有的电子都有相同的性质，不管在何时何地遇到它们，因为每个电子都是同一个场的激发态。所有电子（以及其他基本粒子）的精确相同性是非常重要的。19世纪工业技术的一大进步就是开发了通用的可互换件，这就可以进行大规模的生产、组装和维修。正如我们所知，化学、生物学以及工程学都依赖于大自然能够提供丰富的可互换件。
1704607471
1704607472
当电子与原子核结合在一起组成原子，或者夸克与胶子结合组成质子时，所得到的物质具有独特的、稳定的结构，除非施加强大的能量，否则很难对其进行拆分（这与基于经典力学的系统形成鲜明对比，例如，太阳系可以吸收任意小的能量，只需以微小的结构变化为代价）。这种“量子审查”（quantum censorship）意味着我们可以在适当的环境下（如没有太多的能量时），将原子或者光子视为一个黑盒子，其内部结构是被隐藏的。例如，当我们设计晶体管时，不需要去考虑夸克和胶子。
1704607473
1704607474
基本原理的这两个新特性能够让我们逐步建立自然的统一，可以使用统计的方法来处理大量的（不可区分的）实体。这样，化学家和工程师的很多实际操作就有了坚实的基础，就如同从更深层次“还原”出来的结果一样。
1704607475
1704607476
构造单元
1704607477
1704607478
基本粒子学的标准模型把质子和中子描述为原子核的构造单元，电子填充在原子的大部分空间，原子组合成分子和物质。为了充分体现这种结构的艺术性，需要对基本粒子学说进行一些改进。
1704607479
1704607480
第一，如前所述，我们已经认识到将光与物质分开是不自然的、没必要的，因此要把光子加入进来。
1704607481
1704607482
第二，我们不能认为质子和中子就是物质的基础组成成分。实验表明，质子和中子都是复杂的物体，具有精细的内部结构。质子和中子是由更基本的粒子——夸克和胶子——组成的。所有已有的证据都证实夸克和胶子遵守前面提及的量子色动力学（quantum chromodynamics，QCD）的简单公式。有两种重要的夸克，被称为上夸克（符号u）和下夸克（符号d）。
1704607483
1704607484
第三，我们必须把中微子（电子中微子）加入进来。这些粒子在太阳内部进行核反应时产生并发射出来，并且被应用于各种核技术（包括医学诊断、某些形式的放射治疗、核反应堆以及核武器）。
1704607485
1704607486
有了电子、光子、胶子、上夸克、下夸克以及（电子）中微子作为基本组成部分，我们就足以构建一个满足本章中心思想的“有效理论”。它包含的基础成分比传统元素周期表更少，拥有更精确的操作手册（其基础公式），并能涵盖更为广泛的现象。
1704607487
1704607488
正如前面所讨论的，我们的“有效理论”具有一些已知的局限性，但是在可预见的将来，这些局限性似乎并不会给任何重要的技术带来影响。
1704607489
1704607490
宇宙资源
1704607491
1704607492
过去的几十年是物理宇宙学的黄金时代。宇宙大爆炸理论（宇宙的历史从一个高度均匀的、温度极高的奇点大爆炸开始，通过引力的不稳定性产生结构）的证据越来越明确并取得了压倒性优势。本章并不太适合来介绍大爆炸理论，但是其带来的两个结果与本章的中心论断特别相关，因此值得在此说一下。
1704607493
1704607494
“有效理论”告诉我们物质有哪些不同的形式，但它本身并没有告诉我们哪些物质是可用的。根据大爆炸理论，宇宙早期非常热，这就意味着原子核由原始的夸克和胶子混合凝结而成，并且我们可以计算在宇宙早期、星系形成之前不同化学元素的浓度。计算的结果表明，绝大多数都是氢和氦。较重的元素在恒星内部形成，然后随着超新星爆炸中恒星的灭亡而消逝。根据这种场景，我们对于今天在宇宙中发现的物质能有一个很好的解释。基础物理理论与观察之间的这种互相印证进一步加强了我们对理论的信心，甚至有信心把这些理论应用到化学、生物学以及工程学之外的领域。
1704607495
1704607496
然而，天文学家也掌握了另外一些令人信服的证据，表明基于电子、光子、夸克和胶子的普通物质只占宇宙重量的4%，剩下的都被归类为暗物质（约25%）和暗能量（约70%）。目前只能通过它们对普通物质的微弱（但在不断累积）引力作用，暗物质和暗能量才能被发现，因为暗物质和暗能量与普通物质的相互作用非常微弱，甚至很难被检测到，很难想象技术能如何利用这种资源。
1704607497
1704607498
其他问题
1704607499
1704607500
日益复杂：新的加入者
1704607501
1704607502
“分析与综合”法或者还原论方法最具决定性的实验是在大型粒子加速器上完成的，如欧洲粒子物理实验室（CERN）的LHC（大型强子对撞机）。利用LHC，质子被加速到巨大的能量并相互碰撞。这种碰撞产生的能量密度远远大于地球上（或者就我们目前所知，在宇宙中任何地方）自然产生的能量密度。这让我们能够用更精确的数据来检验基础作用力理论，这比在实际应用中遇到的条件苛刻得多。
1704607503
1704607504
对于我们来说，这项工作有两个重要的结果。对于“有效理论”来说，有好消息，也有坏消息。不过坏消息是表面的，好消息才是本质的。
1704607505
1704607506
首先，我们看看坏消息：我们的“有效理论”极其不完整。为了更好地解释我们在加速器上观察到的所有现象，需要增加四种类型的夸克（奇夸克s、粲夸克c、底夸克b、顶夸克t），两种较重的类电子粒子（渺子µ、陶子τ）以及各自对应的中微子，两种重的、类似光子和胶子的粒子——W玻色子和Z玻色子，以及最近发现的希格斯粒子。
1704607507
1704607508
因此坏消息是，虽然看起来我们与真相很近了，这中间却有着意想不到的复杂性。
1704607509
[
上一页 ]
[ :1.70460746e+09 ]
[
下一页 ]